Графические возм-ти языков програм-я.
Координатная сеткаBasicScreen N ? подключение графического режима;Pset(x,y) ? точка;Line(x1,y1) - (x2,y2),C ? линия;Line(x1,y1) - (x2,y2),c,b ? прямоугольник (если после b поставить f, то он будет закрашенный);Circle(x,y),R,[c,начало дуги в радианах, конец дуги,степень сжатия] ? окружность или эллипс;Point(x,y),c[,c2] ? закрашивание цветом c1 до цвета c2;Locate y,x: print ?текст? ? вывод те4кста в графич. Режиме;Draw ?текст?{Привести примеры} 14. Программное обеспечение (ПО)ЭВМ. Классификация ПО. Назначение и осн. ф-ции ОС. Файловая с-ма. Всевозм-ные прогр. ср-ва, к-рых насчитывается сотни тысяч для ком-ров разл. типов, м-но разделить на неск-ко классов в зав-ти от назнач-ния: ОС, с-мы прграм-ия, инструм-ные прогр.ср-ва, интегр-ые пакеты,прикладные программы. Особое место среди пргр. ср-в занимают ОС,явл-сь ядром ПО. ОС ? это комплекс программ, обеспеч-их: управл-ие ресурсами, т.е. соглас-ую работу всех аппар-ых к-ра; управ-ние процессами, т.е. вып-ие прог-м, их взаимод-вие с уст-вами к-ра, с данными; пользоват-кий интерфейс, т.е. диалог польз-ля с к-ром, вып-ие опред. простых команд ? операций по обраб-ке инф-ции. ОС- наиболее машиннозав-мый вид ПО, ориентир-ный наконкр-ые модели к-ров. Аппар-ная часть к-ра: центр.процес-ра, имеющего определ. арх-ру; операт. памяти, характ-ся ?мкостью(объ?мом) и скоростью обмена данными (прежде всего с центр.проц-ром ); перифер-ных уср-в, среди к-рых имеются:устр-ва ввода (клав-ра,мышь,сканер?); устр-ва вывода (дисплей,принтер?); внеш. запомин-ие устр-ва(дисководы для магнит.дисков,устр-ва для работы с лентами и др); мультим-ные устр-ва. Наиболее совер-ны и сложны многопользавет-кие ОС,к-рые предусм-ют одновр-ое вып-ие многих польз-ей,обеспеч-ют раздел-е ресурсов к-ра в соотв-вии с приоритетами польз-лей и защиту данных каждого польз-ля от несанкц-ного доступа. В этом случае ОС раб-ет в режиме разделения времени, т.е. обслуж-т многих польз-лей, работ-их каждый со своего терминала. Суть режима разделения времени состоит в след.: каждой прогр-ме, нах-ся в операт.памяти и готовой к исполнению, выд-ся для исп-ия фиксиров., задаваемый в соотв-вии с приоритетом польз-ля времени. Е-и прогр.не вып-на до конца за этот интервал, е? исп-ие принуд-о прерыв-ия,и прогр-ма перев-ся в конец очереди. Из начала очереди извлекается след .прогр-ма, к-рая исп-ся в течение соотв-го интервала времени затем поступает в конец очереди и т.д. в этих условиях ни один польз-ль практич.не ощущает задержек, т.к.они сравнимы со временем р-ции ч-ка. ОС для перс. ЭВМ претерпели знач-ное развитие, сопров-еся увеличением разр-ти перс. к-ров, расшир-ем возмож-тей. Понятие файловой с-мы(ФС) ФС- это с-ма управления даными. ФС обеспечивает независм-ть программ от особенностей конкретной конфигурации ЭВМ; обеспечивает р-ции на ошибки, возникающие при обмене данными. Файл обладает уникальныи идентификатором (именем). Идентиф-р включает в себя собственно имя - буквенно-цифровое обознач-е файла и расширение имени файла (отделяемое от имени файла точкой) исполняемые: .com, .exe, .bat; текстовые .txt, .doc; тексты программ наязыках программ-ия: .pas,. bas (бейсик), .c (СИ), .For (фортран);Файл базы данных: .dbfСоврем.версии MS DOS имеют след. структурные компон-ты: базовая с-ма ввода-вывода(BIOS); систем-ый загрузчик; драйверы уст-в (т.е.прогр-мы поддерж-ие их работу); базовый модуль; командный процессор; утилиты (вспомог.прогр-мы). Режим работы диалоговый, т.е.польз-ль отда?т команду,ОС вып-еит и жд?т след. Способ отдавать команды явл-ся дост-но архаичным - текст коианды н-мо просто набрать на клавиат-ре,для чего большую часть команд надо помнить, а для редко встреч-ся-польз-ся справ-ком. Общие ком-ды расп-ся и вып-ся коман-ным проц-ром command. com. Ком-ды вводятся с клавиат-ры, их ввод заверш-ся нажатием клавиши <ВВОД>. Общие ком-ды дел-ся на группы:ком-ды работы с дисками; ком-ды работы с файлами; ком-ды работы с каталог-ми; ком-ды управл-ия с-мой. DIR: ком-да работы с катал-ми;выводит на экран список директориев и файлов, нах-ся внутри текущего директория. Е-и исп-ть ком-ду DIR без параметров и перекл-ей,она выводит имена файлов, их расширения, размеры (в байтах), дату и время создания, их число, общий размер и размер свобод-го дискового пр-ва. Полный синтаксис такой:[диск:][путь][имя файла] [/P] [/W] [/A[[:]атрибуты]] [О[[: порядок сортировки]] [?]. Параметры: [диск:][путь]-указ-ют дисковод и каталог, оглавл-ие к-рого нужно просмотрерь; [имя файла]-указ-ют файл или группу файлов, список к-рых н-мо получить. В имени файла м/б исп-ны сим-лы-заместители: ?-заменяет 1 произв. символ в имени файла; * зам-т произвол. число поизвол сим-лов. (ЕКА8Е) DEL:ком-да работы с файлами, удаляет файлы. Синтаксис DEL [диск:]<имя файла>[/P]параметр: [диск:] [путь]<имя файла> - указ-т местон-ие и имя файла ил группы файлов, е-и в имен исп-ся символы-заменители. COPY:ком-да работы с файлами; копирует один или более файлов в указ-ное место, а также исп-ся для слияния файлов. Синтаксис: COPY<файл-источник>[файл-рез-т] Параметры состоят из обозначения дисковода, директория и имя файла. <файл-источник> указ-т местоп-ие и имя файла, содерж-ие к-рого н-мо копировать. <файл-рез-т> указ-т местопол-ие и имя файла, в к-рый нужно поместить скопир-ную инф-цию. RENAME - переимен-ние файла или группы файлов; COMMAND-запуск командного процессора; EXIT- выход из командного процессора. 15. системы обработки текстов. Текстовые редакторы. Издательское дело.Для того, чтобы уверенно работать с текстовыми редакторами и настольными издательскими системами, необходимо освоить и уяснить некоторые сведения из издательского дела.Особую значимость при подготовке и формировании текста для издания имеют шрифты. Шрифты - основное изобразительное средство издательских систем, с их помощью можно добиться большой художественной выразительности текста.Шрифты различают по гарнитуре (рисунку), начертанию, размеру и назначению. Гарнитурой называется совокупность шрифтов одного рисунка во всех начертаниях и кеглях. Кегль - размер шрифта, определяемый размером литеры по верикали, исчисляемый в пунктах (1 пункт равен 0,367 мм). Полный комплект гарнитуры содержит шрифты всех начертаний и кеглей, а в каждом кегле - русский и латинский (и, если нужно, другие) алфавиты прописных и строчных букв, а также относящиеся к ним знаки.Различия между буквами разных шрифтов объясняется их различным построением. Среди элементов, из которых строятся буквы, выделяют:? основные штрихи (задают структуру буквы);? Дополнительные штрихи (играют вспомогательную и соединительную роль);? засечки;? верхние и нижние выносные элементы; овалы и полуовалы (с наплывами или без них);?концевые элементы.Буквы располагаются по базовой линии. Расстояние между строками называют интерлиньяжем. Насыщенность шрифта опр-ют светлотой(светлые, нормальные, полужирные, жирные). Шрифты ? прямые и наклонные.начертания одного шрифта состовяют гарнитуру(литературная, школьная, обыкновенная и тд)Текстовые редакторы.предназначены для подготовки текстовых материалов.программы для набора и обработки простых текстов: lexicon, norton editor,word. Программы для набора сложных текстов: ChiWriter, word 6.0, 7.0.Издательские сис-мы. Издат дело становится актуальным для любой организации. Выпуск бюллетений, рекламных проектов, газет, книг. Настольные издат сист-мы представляют собой комплекс аппаратных и программных ср-в. 16.Система управления БД и БД. Состав и функции СУБД.СУБД MS ACCESS.БД-организационная стр-ра, предназначенная для хранения инф-ии. Сегодня большинство СУБД позволяют размещать в своих структурах не то данные, но и методы, с помощью кот. происходит взаимодействие с потребителем или др.программно-аппаратными комплексами, следовательно в современных БД хранятся не только данные, но и инф-я.Например, рассмотрим БД крупного банка.В ней есть все необходимые сведения о клиентах, их адреса, состоянии расч.счетов. и др.Кроме данных , база содержит методы и средства.В результате взаимодействия данных, содержащихся в базе, с методами, образуется информация. С понятие БД тесно связано понятие СУБД-комплекс программных средств, предназначенных для создания стр-ры новой базы, наполнения ее содержимым, редактирования содержимого и визуализация инф-ии. Визуализация инф-ии-отбор данных в соответствии с заданным критерием, их упорядочивание, оформления и выдача на устройство вывода или передача по каналам связи. В мире существует множество СУБД. Если в базе нет никаких данных(пустая база),то это все равно полноценная БД. Хотя данных в базе нет, но инф-я есть-это структура базы, она определяет методы занесения данных и хранения их в базе.Простейший пример БД(некомпьютерный) яв-ся деловой ежедневник, в котором каждому календарному дню выделено по странице6.Даже еи в нем не записано ни строки, он не перестает быть ежедневником, т.к. имеет структуру, отличающую его от др.ежедневников, раб.тетрадей.Основным объектом БД яв-ся ее таблицы.Простейшая БД имеет хотябы одну таблицу.Структуру двумерной таб.образуют столбцы и строки.Их аналогами в стр-ре простейшей БД яв-ся поля и записи.Если записей пока в табл.нет, ее стр-ра образована то набором полей.Изменив состав полей базовой таб., мы изменяем стр-ру БД и получаем новую БД.
17.ЭТ. Назначение и основные ф-ии табличных процессов. Основн. функциональные возможности таблиц ExcelОсновная область применения ЭТ ? эта та сфера человеческой деятельности, где информация представляется в виде прямоугольных таблиц (планово- финансовых, бухгалтерских документов), требующих при обработке проведения мат. расчетов. В настоящее время известно много вариантов ЭТ:SuperCalk, QuattroPro, Excel. Они представляют табличный процессор и отличаются лишь интерфейсом и возможностями. Интерфейс-взаимосвязь между компонентами и участниками комп. системы .ЭТ- прямоугольная матрица, состоящая из ячеек, каждая из которых имеет свой номер. Номер ячейки определяется обычным координатным способом. В каждой из ячеек можно записать символы, формулу( мат. выражение), числовые данные, функции, даты. Если в ячейке ЭТ записана формула, то в исходном состоянии на экране отображается значение этой формулы, а не она сама. Операндами формул могут быть мат. ф-ии, const, номера ячеек. Ячейка ЭТ имеет сложную ?многослойную? структуру, в ней может стоять ссылка на другую ячейку, значение которой яв-ся результатом вычисленной по формуле.Данные, входящие в таблицы, могут автоматически представляться в виде графиков, диаграмм, гистограмм. Пользователь работает в диалоге со специальной программой, которая позволяет заполнять ячейки нужным ему содержанием (текстом, числами, формулами для расчетов), очищать их, копировать, удалять, сортировать(т.е. располагать клетки, а также строки и столбцы из них в определенном порядке), производить вычисления над всей таблицей или ее частью, сохр. табл. на диске и распечатывать частично или полностью на бумагу и т. д. Современные ЭТ типа Excel используют манипулятор ?мышь?, в них реализован удобный и комфортный интерфейс. В окне Excel, как и в других программах пакета Microsoft office под зоной заголовка находится область заголовков меню. Чуть ниже находится основная линейка инструментов. Кнопки линейки инструментов позволяют быстро и легко вызывать различные функции Excel. Их можно вызывать также через меню.Правила работы с ЭТ:1) Чтобы выполнить к- либо действия с данными, помещенными в ячейки, необходимо их выделить.2) изменения данных проводят прямо в ячейке3) создание формулы начинается с ввода = Для отображения числовых данных в графической форме используют линии, полосы, столбцы, вектора. Excel имеет сервисные возможности текста, графические редакторы, имеет действия характерные СУБД.Развит аппарат импортирования и экспортирования данных из других программных систем. Рабочий лист ЭТ: до 256 символов, пронумерованных от А до IV(столбцы). Строки пронумерованы с 1 до 65536.Ввод: нажатием алфавитно- цифровых клавишРедактирование: щелчок на строке формул или дважды на текущей ячейке.Завершение ввода: Enter или с помощью курсорных клавишОтмена внесений:ESC.Очистка текущей ячейки: Delete. 18. Информац.с-мы(ИС). Арх-ра ИС. ИС - с-мы,предназнач-ые для хранения инф-ции в специальным образом организов-й форме и обеспечивающие е? ввод и разл. манипуляции с ней (обработка,поиск, составление отч?тов и др.). Библиот-ки, архивы, словари, обучающие с-мы -это вс? ИС. Общей ф-цией всех ИС явл-ся сбор, накопление хранение инф-ции, е? обработка и выдача в той или иной форме. Важнейшими подс-ми ИС явл-ся банки инф-ции. Банк данных - наиболее хар-ный при?м ИС. В банке дан-х хран-ся инф-ция об опред. .предметной обл-ти в спец. представл-ии.При этом сами дан-е образ-т базу дан-х, а банк вместе с базой содержит программ. ср-ва обработки дан-х и реализации запросов т.е.с-му упр-ния базой дан-х (СУБД). Арх-ра ИС. Эффективность функц-ия ИС зависит от арх-ры (т.е.от устр-ва). В наст.время наиболее распространена арх-ра клиент-сервер. Она предполагает наличие к-ной сети и распредел?нной БД: она включает в себя 1 корпоративную БД (КБД) и пользовательские БД (ПБД). КБД размещается на к-ре сервере,ПБД на ПК пользователей. Сервером определ. Ресурса в к-ной сети наз-ся к-р или программа управляющий этим ресурсом. Клиентом наз-ся к-р или программа использ-ая этот ресурс.В кач-ве ресурса м.б.испол-на БД. Тип сервера опр-ся видом ресурса,к-рым он управляет, напр-р е-и управляемым ресурсом явл-ся БД, то сервер наз-ся сервером БД. ?+? арх-ры клиент-сервер: удачное сочетание централизов-го хран-ния и обслуживания с коллективным испол-м инф-ции. Сущ-т 2 реалтзации арх-ры клиент-сервер: 1) ИС с файл-сервером. В таких информ.с-мах по запросам пользователей файлы БД передаются на их ПК. Вся обработка дан-х производ-ся на пользоват-х ПК. ?-? высокая интенсивность передачи дан-х, очень часто передаются избыточные дан-е. 2) ИС с сервером БД. При такой арх-ре сервер обеспечивает выполнение осн. объ?ма обработки дан-х. Формируемые пользователем запросы поступают к серверу в виде инструкций языка SQL. Сервер вып-т поиск и извлечение новых дан-х, к-рые затем передаются пользователю. ?+?: заметно меньший объ?м передаваемых дан-х. 19.Информационные модели данных. Реляционная модель данных.Иерархическая модель данных. Связи между данными можно описать с помощью упорядоченного графа(дерева). Для описания стр-ры исп-ся тип данных дерево. Оно включает в себя подтипы, каждый из к-х в свою очередь яв-ся типом дерево. Каждый из типов дерево сос-ит из одного ?корнего? типа и упорядоченного набора подчиненных типов. Корневым наз-ся тип, к-й имеет подчиненные типы и сам не яв-ся подтипом. Подчиненный тип яв-ся потомком по отношению к типу, к-й выступает для него в роли предка. Потомки одного и того же типа яв-ся близнецами по отнош-ю друг к другу. Иерар-ая мд предста-етсобой упорядоченную совокупность данных. Дост-во: эф-ное исп-ие памяти ЭВМ, быстрота. Недостаток: громоздкость, сложность понимания.Сетевая мд. Позволяет отображать связь в виде произвольного графа, обобщая иерархическую мд. Сос-ит из набора записей и соотвт-их связей. В отличии от иерар-ой мд в сетевой мд запись-потомок может иметь произвольное число записей ?предков. Недостаток- сложность и жесткость схемы.Реляционная мд. Основывается на понятии отношения. Отн-ние представляет собой множ-во эл-тов, наз-ых картежами. Наглядной формой яв-ся двумерная таблица. Таб-ца имеет строки(записи) и столбцы. Каждая строка таблицы имеет одинаковую стр-ру и сост-ит из полей. Строкам таблицы соот-ют картежи, а столбцам ? атрибуты отношений.Атрибуты представляют собой св-ва харак-щие сущность. В стр-ре таблицы к-ый атрибут именуется и ему соответствует заголовок нек-го столбца таблицы. Порядок картежей в отнош-ии, как и в любом множ-ве неопределен. В реляционных мд для удобства картежи упорядочивают. Выбирают атрибут, по к-му сис-ма автоматически сортирует.Домен представляет собой множество всех возможных значений определенного атрибута отношений. Каждый домен ? числовые или символьные типы данных.Схема отношений(заголовок отношений) ? представляет собой список имен атрибутов. Первичным ключом наз-ся атрибут отн-ний(ФИО ? ключевой атрибут в таблице). Каждое отнош-ие имеет комбинацию атрибутов, которая может служить ключом. Ее существование гарантируется тем, что отношение - это множество, которое не содержит одинаковых элементов ? картежей. Любой из возможных атрибутов может быть выбран как первичный. Достоинство - простота, понятность, удобство физической реализации.Недостатки ? отсутствие стандартных средств.Постреляционная мд.- допускает многозначные поля ? поля, значения которых состоят из подзначений. По сравнению с реляционной мд в постреляционной мд данные хранятся более эффективно, а при обработке не требуется выполнять операцию соединения данных из двух таблиц. 20.Структерированный яз.запросов SQL.Общая хар-ка языка.Способы отбора строк.Получение итоговых таблиц.Совместно с развитием реляционных БД развивается структурированный язюзапросов SQL.Он представляет пользователю след-е возможности:-создать БД и табл. С полным их описанием;-выполнить осн. операции по обработке данных(вставка, удаление, хранение) -выполнять простые и сложные запросыИмеется 2 осн.компонента:1.Яз.DDL-яз.определения данных(опис-ся стр-ра БД и таблицы)2.яз. DML-яз.манипулирования данными(выборка, удаление, вставка).Все операторы данного яз.делятся на группы:выборка данных Select и модификация данных(Insert, Delete,Udate).Название оператора Select закл-ся в выборке данных из 1 или неск-х таблиц.Общий вид запроса SQL:Select[Distanct/All] [поле выр-ия], From имя табл.Поле выражения представляет собой имя столбца или выр-е из нескольких имен. Имя втаблицы яв-ся именем существ-х в Бд таблиц.Обработка элементов оператора Select вып-ся в след-м порядке: - From позволяет указать имя табл. для кот. выполняется запрос.- Where отбор строк в соответствии с заданными усл-ми - Group образуется группа строк, имеющих одно и тоже значение в указанном поле-Having фильтрация гр.строк, в соответствии с заданными усл-ми-Order определяет упорядоченность результатов запроса-Select устанавливает какие столбцы табл. нужно вывести или обработать.Для удаления повторений из табл. используется слово Distinct,вывод строк в результатирующую табл.-where.Язык SQL имеет 5 функций:-Count-количество значений в указанном столбце-Sum-сумма значений в указанном столбце-AVG-среднее значение-MIN-минимальное значение в столбцеMAX-максимальное.Язык SQL допускает выполнение подзапросов.Сущ-ет три типа подзапросов:1.скалярный-возвращае единственное значение2.строковый-возвращает значение нескольких столбцов табл., но в виде строки3.табличный-возвращает одно или неск-ко столбцов табл., кот. размещаются более чем в одной строке.В подзапросах не должна использоваться фраза Order By
21. Структура локальных сетей. Топология и архитектураЛокальные сети (Н-р школьный вузовский Интранет). Объединяют относительно небольшое кол-во компьютеров в пределах одного помещения, здания или учреждения. Благодаря небольшим длинам линий связи (порты) по локальной сети можно передавать инф-ю в виде цифровой с высокой скоростью передачи.Локальная сеть-сеть одного или нескольких компьютеров, находящихся недалеко друг от друга, использующих общий комплект сетевого оборудования и управляются одним пакетом ПО. На больших расстояниях такой способ передачи неприемлем из-за неизбежного затухания высокочастотных сигналов, в этих случаях приходится прибегать к дополнительным тех. и программным решениям. В простых сетях с небольшим числом компьютеров они м.б. полностью равноправными: сеть в этом случае обеспечивает передачу данных от любого компьютера к другому для коллективной работы над инф-ей.В крупных сетях с большим числом компьютеров оказывается целесообразным выделять один (или несколько) компьютеров для обслуживания потребностей сети (хранение, передача данных, печать на сетевом принтере), такие выделенные компьютеры наз-ся серверами, они работают под управлением сетевой ОС. Все остальные компьютеры наз-ся рабочими станциями.Локальные сети в зависимости от назначения и тех. решения могут иметь различные конфигурации(архитектуру, типологию). 1) кольцевая сетьВ кольцевой лока-льной сети инф-ия передается по замк-нотому каналу. Каждый абонент связан с двумя ближестоящими соседями, хотя может связаться с любым абонен2) звезда. В звездооб-разной сети в центренаходится управляю-щий компьютер, пос-ледовательно связывающийся с абонентами и связывающий их с др. с другом.3) иерархическая (снежинка) В иерархической сети существует главный компьютер, которому подчинены компьютеры следующего уровня и т.д.4) шинная. Здесь компьютеры подклю-чены к общему для них каналу (шине),через который можно обмениваться сообщениями. Все компьютеры подключены к одному кабелю.При соединении 2-х или более сетей между собой, возникает межсетевое объединение и образуется глобальная компьютерная сеть. 22.С-ма WWW. История развития. Соврем. состояние. W W W была разработана в 1989 г. англ. ученым Тимоти Бернерс-Ли по заказу Европ. Организации по атомной энергетике.Н-мо было создать единую гипертекстовую систему для эффективного обмена инф-цией м-у географически разобщенными командами исследователей в области ядерной физики. Было сформулировано 3 осн. требования: 1) интерфейс с-мы д/б простым (все делалось для физиков, а не для программистов); 2) сеть д/б поддерживать мн-во форматов данных и технологий; 3) ?доступность по чтению? ? ученые из самых удаленных уголков д/б иметь доступ к одному и тому же документу и видеть его в одном и том же оформлении. Переход от идей к практике занял год, но WWW еще долго оставалась сетью для физиков. В 1995 году фирма Microsoft выпустила свою ОС Windows 95, в состав к-рой уже изначально был включен браузер (прогр-ма для просмотра Web страниц) MS Internet Explorer. На сегодняшний день с помощью Web-технологий можно: находить и просматривать инф-цию на люб. интересующую вас тему; быстро сообщать обо всех своих новостях и событиях; общаться со всем миром, не выходя из комнаты; покупать книги, программы, диски, некот. товары;заказывать билеты на любой транспорт или концерт; узнавать прогноз погоды на любой день и любую местность; получать высш. образ-ние; узнавать все самые свежие новости со всего мира;послушать любимыепесни; и др.?Мировая паутина?WWW(от англ.слов World Wibe Web)- всемирная информац. паутина ,предст-т собой громадный гипертекстовый документ, точнее мн-во маленьких док-тов - страничек, связанных м-ду собой спец. ссылками (служба Internet).Она предполагает возм-ть поиска и сбора инф-ции. Формир-ие адреса: 1-имя адресата, имя файла почтового ящика. 2-домен описывает местонахожд-ние этого почтового ящика. Разбив домен справа налево по точкам на отдел. слова, получим поддомены, уточняющие, где этот почтов.ящик нах-ся. Чтение происходит справа налево. Самый правый поддомен наз-ся доменом верхнего уровня и означает код страны, в к-рой нах-ся адресат (m-Россия). Поддомен glazov уточняет адресат внутри этого домена, ggpi-организация в Глазове (учеб. заведение). Инф-ция представлена в виде док-тов, к-рые содержат ссылки на др. док-ты, хран-ся как на том же самом сервере, как и на др-х, т.е. образуют гипертекст. На экране к-ра эл-ты, имеющие ссылки на др. док-ты выделены (подч?ркив-ие). Взаим-вие клиент-сервер при работе на W W W присх-т по протоколу, к-рый наз-ся HyperTextTransportProtocol - HTTP. Для W W W док-тов с сервера в запросе указ-ся протокол, адрес сервера, имя директории на сервере и файла с необх-м док-том. Для прсмотра W W W док-тов популярн. явл-ся прогр-а Internet Explorer. Для поиска инф-ции в WWW имеется развитая сеть поисковых WWW серверов (напр-р WWW. rambler.ru- для поиска русскоязычных ресурсов). Док-ты, хран-ся на WWW подготавл-ся на спец.языке- HTML, где текст кодируется в ASCII и поэтому м.б. создан и отредактирован в любом текстовом редакторе. Кроме самого текста в док-тах имеются флаги разметки, к-рые интерпретир-ся клиентской программой просмотра (браузером) и позволяют воспринимать док-т как гипертекст. Любой гиперт-т похож на книгу и м.б. разбит на отдел. структурные эл-ты: собственно текст, главы, параграфы, пункты, подпункты, абзацы. Н-р:<BODY> <TITLE>пр-р</TITLE> <H1> глава 1 </H1> привет </BODY>Cоздавать WEBсраницу м-но в Word, FromPage. Создание WEBсраниц на языке HTML аналог. програмир-нию. Автор док-та бер?т обычный текст и вставляет в него спец коды (их наз-т тегами). WEBсраницы предназначены для просмотра на экране. Адрес WEB сраницы состоит из адреса сервера и адреса файла на данном сервере. Этот адрес наз-т URL. Любая WEB сраница имеет мн-во ссылок на др. WEB док-ты. Теги HTML позвол-т вып-ть выравнивание строк док-та, управл-ть цветом текста, позв-т вставлять в текст иллюстрации и обтекать их текстом и др. теги. 23.программные сред-ва учеб назначенияпроблемы разработки и исп-ия ПСУН опираются на ряд теоретических положений, которые затрагивают вопросы:1. педагог-ая целесообразность, применения ПСУН2. функц-ое назначение отдельных типов псун3. типология псун4. требования к псунПСУН ? программное ср-во, в к-ом отражается некоторая предметная область, обеспечивается условия для осуществления различных видов уч. деятельности. Псун предназначена для исп-ия в учвосп прцессе при подготовке, переподготовке и повышении квалификации кадров сферы образования в целях раз-ия личности. Различают виды псун: 1)проблемно-ориентированные ? исп-ся для решения определенной уч проблемы. 2)объектно-ориентированные ? исп-ся для осуществления некоторой деятельности с объектной средой 3) предметно-ориентированные ? для осуществления деятельности в некоторой предметной среде. Программно ? методическое обеспечение ? состоит из программных блоков: 1)интерпретаторы алгоритмического языка 2)программные ср-ва или среды поддержки роботы-исполнители. 3)текстовый, графический редакторы, Эл таблицы 4)практикумы по изучению того или иного языка.Педагогическая целесообразность исп-ия псун. Наиболее значимые метод цели исп-ия псун:1)индивидуализация и дифферинциация процесса обучения 2)осуществление контроля с обратной связью 3) осущ-ие самоконтроля и самокоррекции4)осущ-ие тренировки и самоподготовки 5) комп-ая визуализация учеб инф-ии6) развитие мышления, формирование умений 24.Типология ПСУН по функциональному назначению и по методическому назначению.1.По функ-му назначению: в ней рассматривается как представлять уч.инф-ю, направлять обучение, учитывать индивидуальные возможности обучаемого.Осн.направления:-диагностические текстовые программы:цель-констатация причин ошибочных действий обучаемого, оценка его ЗУН.-инструментальные прогр.средства:для конструирования прогр.средств и систем уч.назначения без применения яз.программирования.-предметно-ориентированные:моделирование изучаемых объектов или их отношений в определенной предметной среде.-прогр.средство, предназначенное для формирования культуры уч.деятельности, информац.культуры.-прогр.средство, для автоматизации процесса обработки инф-ии.-управляющие:управление действиями реальных объектов-учебные средства программирования-пргр.средство, обеспечивающее выполнение нескольких ф-ий преподавателя.-сервисные:обеспечивают комфортность работы пользователя-игровые:для различных видов игровой уч.деятельности2.По методическому назначению:Цель-использование в процессе обучения те возможности прогр.средств,реализуя которых, переводит уч.процесс на более высокий уровень. Целесообразность использования такой типологии вызвано след.обстоятельствами:-выбор учителем необходимиго прогр.средства из имеющихся-сравнение прогр.средства в рамках единого типа для подбора наилучшего-создание иерархии прогр.средств по сложности-ориентировка пользователя во множестве имеющихся пргр.средств различного методического назначения:а)обучающие(обучать, формировать УН)б)программа-тренажер(для повторения и закрепления)в)контролирующиег)информационно-поисковые(систематизация знаний по работе с инф-ей)д)имитационные е)моделирующие(визуальное представление уч.инф)ж)учебно-игровые(проигрывание уч.ситуаций)з)досуговые(организация деятельности учеников во внеклассной работедля развития внимания, реакции, памяти)
Материнская плата и ее компоненты.
Хар-ка графической системы. Системы обработки звука и их хар-ки. Системная, или материнская плата (Motherboard) служит, соединителем для конфигурирования компьютера. Сердцем материнской платы является набор микросхем системной логики, обычно называемый чипсетом (Chip Set). Чипсет состоит из двух микросхем (иногда одной), поддерживающих различные интерфейсы: процессора, памяти, видеокарты (AGP), жестких и других дисков (IDE), шин расширения (PCI) и прочие. Чипсет всегда поддерживает только один интерфейс процессора. Поэтому нельзя, например, взамен процессора Pentium 4 (интерфейс Socket 478) установить на системную плату процессор Athlon (интерфейс Socket 462). В связке с чипсетом и процессором выступают такие параметры, как тип используемой оперативной памяти и ее максимально возможный объем. Устройство и функции графической системыГрафическая система компьютера состоит из аппаратной и программной частей. Аппаратная часть включает графический контроллер, дисплей, а также обслуживающие их физические интерфейсы. Программная часть обеспечивает поддержку интерфейсов, видеокарты, дисплея и приложений на уровне BIOS, операционной системы, драйверов и специализированных прикладных языков программирования (API). Все приложения (от простейших текстовых редакторов до программ трехмерного моделирования) обязательно используют графическую подсистему, поскольку на визуальный ряд приходится львиная доля информации, выдаваемой компьютером. Приложение обращается к функциям видеоадаптера при посредничестве драйвера, который выступает интерпретатором команд для графического чипсета. В соответствии с командами адаптер выводит на экран изображение. Цифровая обработка звукаМетод натуральной цифровой записи звука называется PCM (Pulse Code Modulation - - импульсно-кодовая модуляция). Он заключается в том, что в ходе записи в течение каждой секунды многократно регистрируется текущая амплитуда звуковой волны. Некоторое значение амплитуды принимается как максимально возможное в данной звукозаписи. В соответствии с выделенным для оцифровки единичным элементом данных максимальному значению присваивается самое большое целое число. Далее текущее значение амплитуды масштабируется относительно максимального числа и округляется до ближайшего целого. В результате получается единичный снимок (кадр) звуковой волны. Цифровая звукозапись представляет собой последовательность таких кадров.Частоту, с которой делают снимки, называют частотой дискретизации, или шагом квантования, или частотой оцифровки. Очевидно, что чем выше частота дискретизации, тем более точно цифровая запись будет соответствовать аналоговому образцу. По правилу Котельни-кова (за рубежом известно как правило Найквиста), частота дискретизации должна не менее чем вдвое превышать максимальную частоту записываемого звука.Сильно влияет на точность записи и величина единичного массива данных (иногда называемая глубиной оцифровки или разрядностью представления), определяющая число различимых уровней записываемого звукового сигнала. От разрядности зависит отношение максимально воспроизводимой громкости звука по отношению к громкости шумового фона. Слуховая система человека способна различать звуки в диапазоне до 120 дБ. При 8-битной записи диапазон составит 48 дБ (всего 255 значений). При 16-битной записи диапазон составит 96 дБ. На практике запись хорошего качества получается при частоте дискретизации 44100 Гц и глубине оцифровки 16 бит. Именно такие параметры приняты для записи музыки на лазерных дисках, называемых аудио компакт-дисками (Audio CD).Оцифровка аналогового сигнала производится цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП). Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) выполняют обратную задачу. Часто оба устройства объединяют в одном блоке, называемом кодеком (кодировщик-декодировщик).Цифровые преобразования вносят специфические искажения в аналоговый сигнал. Из-за того что в цифровом представлении доступен только ряд целых дискретных значений сигнала, появляется практически непрерывный паразитный сигнал, называемый шумом дискретизации. Кроме того, частота и глубина дискретизации оказывают взаимное влияние друг на друга. 10. Базовые операторы. Управляющие конструкции. Типы и стр-ра даных(на пр-ре языка Пакаль). Любой язык прогр-ия организован так: есть алфавит, т.е.набор символов,к-рые м-но исп-ть в программе,сущ-ют зарезервиров-е слова(их нельзя изменять). Осн.понятия прогр-ия: переменная-ячейка операт.памяти к-ра.Такой ячейке присвоено определ. имя,е? содержимое м-т изменяться в ходе выполн-ия программы. Вид инф-ции,содержащейся в ячейке,мн-во допустимых знач-й опр-ся типом переменой.Константа отлич-ся от переменой тем,что е? знач-е фиксировано и не м.б. изменено в ходе выполн-я программы. Операторы задают действия,к-рые д-на вып-ть программа. Язык Паскаль состоит из 80 зарезервир-х слов и спец.слов. Алфавит языка составляют буквы лат. алфавита,а также спец.символы:+,-,_ и др. Зарезерв.слова:заголовки-program, unit; для описания переменных, констант и составных частей программы- var,const,procedure, function. Операторы описания типов переменных,задаваемых пользователем: type,array,string,file of ? Типы данных:1. стандарт.: -целый, longint,bite,word. 2. веществ-й:real 3. логический Boolean 4. символьный char. Слова,используемые для программ-я составных операторов, а также начинающие и оканчивающие посл-ть исполняемых операторов программы ? begin и end. Управляющие операторы: if?then? else, for..to?do,repeat?until, while? do,case?of?end. Стр-ра программы на Паскале:program name раздел описаний begin раздел операторов end.Базовые операторы: write-вводим, read-выводим на экран, := присваиван-е.Существ-т 3 управл.конструкции 1)линейная 2)циклическая 3)условная Блок-схемы:Сущ-т 3 вида цикла 1) а) for a:=1 to n (в возраст-м порядке) б) for a:=n downto 1(в убывающем порядке). 2) цикл с предусловием while условие do оп. (цикл вып-ся пока условие истино)3) цикл с постусловием repeat опер. Until усл. (цикл вып-ся пока условие ложно) Пр-ры: Фактериал числаuses crt;var n,p,i:integer; begin clrscr; write('n');readln(n); p:=1; for i:=1 to n do p:=p*i; writeln('p=',p);readln; end.{40. Для x< 1 составьте программу вычисления суммы с заданной точностью S= x - x2 /2 + x3 /3 - .}uses crt;var k,a,b,c,p,i,j : integer; z, x, y, e, s, znak: real;BEGIN clrscr; x:=0.01; readln(e); s:=0; k:=1; znak:=-1; repeat znak:=znak*(-k/k); z:= znak * exp( (k)*ln(x) )/k; S:=S+z; k:=k+1; until abs(z)<e; write(s); readkeyEND.Пусть н-мо преобразовать целое число N в зав-ти от величины остатка от его деления на 17 след.образом: Если N mod 17=0, то N:=0; Если N mod 17=1 или 6, то N:=- N; Если N mod 17=2, 3.5 то N:=2* N; Если N mod 17=4, то N:=3* N; Решение на Паскале:Case N mod 17 of0 : N:=0; 1,6 : N:=-N; 2,3,5 :N:=2*N; 4 :N:=3*N; else N:=5*N;end; 11. Векторы. Матрицы. Массивы. Алгоритм заполнения, сортировка, поиск.Векторы и матрицы рассмат-ся в программе маткад как одномерные и двумерные массивы.число строк и столбцов задается заранее. Вектор задается как матрица, имеющая один столбец.Часто используемый тип данных ? массив. Массив ? последовательность, состоящая из фиксированного числа однотипных элементов. Все элементы массива имеют общее имя и различаются по индексам. При описании массивов исп-ся служебные слова array, of. В описании массивов указ-ся тип его элементов и типы их индексов. Алгоритм сортировки и поиска. Поиск: для определенности примем, что множество, в кот-ом осущ-ся поиск, задано как массивVar a: array[0?n] of item; где item ? заданный структурированный тип данных обладающий хотя бы одним полем, по которому необходимо проводить поиск. Линейный поиск ? процедура заключается в простом последовательном просмотре всех элементов массива и сравнении их с эталоном x :i:=0;while (I<=n) and (a[i]<>x) do i:=i+1 end.Поиск делением пополам сравнение эталона х осущ-ся с элементом, расположенным в середине массива и в зависимости от результата сравнения дальнейший поиск проводится в левой или правой части.Сортировка с помощью прямого выбора. Сначала определяют минимальный элемент среди всех элементов массива, затем его меняют местами с первым. Срти-ка по возр-ю, по убыва-ю. 12.Основные понятия и принципы объектно-ориентированного программирования.Обработка строковой инф-ии.Базовые алгоритмы обработки строк.ООП-появилось в 80г.Основано на концепциях упрятывания инф-ии и абстрактных типов данных.Такой подход рассматривает все такие ресурсы как данные, модули и системы в качестве объектов.КЛАСС-спец.тип данных.ОБЪЕКТ-экземпляр класса.Класс представляет собой тип записи, имеющий в своем составе поля, св-ва, методы. Поля класса аналогичны полям записи для хранения инф-ии. МЕТОДЫ-процедуры и функции для обработки полей.СВОЙСТВА-занимают промежуточное положение му полями и методами. СОБЫТИЕ-свойство процедурного типа. События предназначены для обеспечения реакции на то или иное сообщение.Событие-это св-во, следовательно его можно изменять в процессе выполнения программы.Присваивание значения этому событию означает указание методов, кот. вызываются при наступлении события.Все эти понятия основные в ООП.Осн.принципы ООП:1.Инкапсуляция-объединение данных и обрабатывающих их методов внутри класса, в классе объединяются в одно поле, св-ва, методы.2.Наследование-заключается в том, что объекты можно порождать от классов родителей, при этом все св-ва, методы, поля, кот. присутствуют у родителей, будут у потомков.При этом все истинные поля(наследованные), св-ва, методы могут находится в неизменном состоянии или их можно переопределить. Удалить из класса элементы, кот. находятся в классею, невозможно или мо добавитьновые элементы и получить дерево классов.Tobject-базовый класс, содержит методы и устр-ва, кот. яв-ся общими для всех классов.Конструктор-создает новые объекты.Деструктор-удаляет.3.Полиморфизм-методы различных объектов могут иметь одинаковые имена, но различное содержание.В результате потомок и родитель будут вести себя по-разному.При решении задач на ЭВМ часто возникает необходимиость в использовании последоват-ти символов.Такую последовательность мо описать как массив символов, но в Паскале сущ-ет спец. тип:String[n]-строка из n символов, где n>=255.Способы описания строк-аналогичны описанию массивов. ь Строковый тип опред-ся в разделе описания типов, переем-е этого типа в разделе описания переменных: type Word:string[20]; Var a,b,c:word;ь Можно совместить описание строкового типа и соответ-х переменных в разделе описания переем-х: Var a,b,c:string[20]; d: string[30];ь Описание строковой переем. как const.: const:string[11]=?инф-ка?;ь Str(k,s)-перевод числа в строкуь Val(s,k,i)-перевод строки в числоь Delete(s,t,i)-ь Copy(s,i,k)-ь Pos(s,t)-
Абстрактные модели и их классификация.
Инф-ые модели.Модель ? упрощенное подобие реального объекта или процесса. Абстрактная модель. Заменителем явл-ся абстракция. Существует спец. форма абстрагирования ? математика: - матем. модели (ур-я, с-мы ур-ний, графики функций); - др-е формы (словесные алг-мы: модель поведения, модель принятия решения). Чтобы описать абстрактную модель, надо описать сам объект.Информац. Модель ? описание объекта моделир-ия, т. е. инф-ция об объекте моделир-я. Область применения информац. модели: - теория принятия решений (задача о решении квадратного уравнения, алг-м ? информац. модель); - искусственный интеллект (создание исполнителя, который принимал бы решения в узкой сфере). Информац-ые модели востребованы в информатике; используются людьми, пишущими программы; применяются в технологии разработки програмных продуктов. 6. Геометрическое моделирование и компьютерная графика.3D-моделирование.Пространственная компьютерная графика часто называется трехмерной, или 3D-графикой (где D - это Dimension, ?измерение?). В обыденной жизни мы практически ежедневно сталкиваемся с объектами, созданными либо средствами компьютерной 3D-графики, либо на основе трехмерных виртуальных моделей: телевизионные заставки и реклама; спецэффекты, персонажи и предметы в кинематографии; некоторые виды полиграфической продукции; автомобили, мебель, дома и множество других вещей.Конечно же, чаще всего с объемной графикой сталкивается пользователь компьютера. Большинство владельцев даже простеньких машин наверняка пробовали запустить трехмерную игрушку. Массовый пользователь, как правило, имеет на жестком диске несколько программ, применяющих 3D-графику. Профессионалы работают с весьма сложными приложениями, позволяющими конструировать трехмерные миры.Трехмерная компьютерная графика различается по области применения. Условно говоря, существуют четыре обширные сферы 3D-rpaфики, имеющие достаточно обособленные программные средства и методы, а также аппаратное обеспечение. Это видео-, теле-, кинопродукция; промышленное проектирование и дизайн; компьютерные игры; имитаторы-тренажеры. 7. Основные устройства ЭВМ. Принципы работы внеш и внут устройств.В состав учебного микрокомпьютера входят следующие устройства: центральный процессор, память двух видов (ОЗУ и ПЗУ), а также два наиболее важных внешних устройства (клавиатура для ввода информации и дисплей для вывода; В процессоре имеются внутренние регистры памяти, при помощи которых реализован метод косвенной адресации к ОЗУ. Существует память двух видов - оперативная (ОЗУ) и постоянная (ПЗУ). В первой хранится текущая информация (т.е. программа и данные) по решаемой задаче, причем она может как считываться, так и записываться. Во второй, предназначенной только для считывания, содержатся разработанные при проектировании ЭВМ подпрограммы наиболее важных и часто используемых действий, среди которых важное место занимают алгоритмы обмена с внешними устройствами.Видеопамять размещается в контроллере дисплея; для простоты модели будем считать, что видеопамять не входит в адресное пространство процессора. Доступ к видео-ОЗУ осуществляется путем обращения к внешнему устройству.Байты в памяти могут объединяться в слова, которые для данного компьютера состоят из двух соседних байтов (у современных процессоров обычно из четырех, но для понимания основных принципов это не очень существенно). По традиции примем, что слово адресуется наименьшим из номеров байтов, причем этот адрес соответствует младшему байту слова. Для удобства изображения содержимого ОЗУ на экране дисплея будем считать, что адрес слова всегда является четным.Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) обеспечивают долговременное хранение программ и данных. Наиболее распространены следующие типы ВЗУ: накопители на магнитных дисках (НМД); их разновидности - накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД); накопители на магнитных лентах (НМЛ); накопители на оптических дисках (НОД)-Соответственно, физическими носителями информации, с которыми работают эти устройства, являются магнитные диски (МД), магнитные ленты (МЛ) и оптические диски (ОД).Принцип записи информации на магнитных носителях основан на изменении намагниченности отдельных участков магнитного слоя носителя (диска, ленты). Запись осуществляется с помощью магнитной головки: электрические сигналы, возникающие под управлением электронного блока, возбуждают в ней магнитн поле, воздействующее на носитель и оставляющее намагниченные участки заранее размеченных дорожках. дискета - гибкий тонкий пластиковый диск с нанесенным (чаще всего на обе стороны) магнитным покрытием, заключенный в достаточно твердый - картонный ли пластиковый - конверт для предохранения от механических повреждений. Важнейшим из устройств ввода, несомненно, является клавиатура. Подавляющее большинство современных клавиатур являются полноходовыми контактными, т.е. клавиша утапливается при нажатии и замыкает контакт между двумя металлическими пластинками, Важным свойством клавиатуры, благодаря которому пользователь может работать не один час подряд, является эргономичность. Этим термином задается совокупность характеристик, определяющих удобство (в широком смысле слова) устройства. По отношению к клавиатуре это дизайн, отсутствие бликов, удобное взаиморасположение и размеры клавиш, и многое другое.В состав стандартного оснащения современного персонального компьютера входит мышь - устройство ввода и управления. Благодаря наличию в них специальных прорезей оптическая система мыши способна отслеживать и преобразовывать движение шарика в Перемещение курсора на экране компьютера. #8. История развития вуыч. техники.Различные подходы к клас-ии ЭВМ.Современные тенденции раз-я ЭВМ.Совокупность устр-в, предназначенных для автоматической и автоматизированной обработки данных, наз. выч.техника.Конкретный набор взаимодействующих му собой устройств и программ, предназначенных для обслуживания одного рабочего участка- выч.система. Центральным устройством большинства выч.систем яв-ся компьютер-это электронный прибор, пре6дназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных.Некоторые зарубежные исследователи в качестве древнего предшественника компьютера называют механическое счетное уст-во ?абак?, но абак не обладает свойствами автоматического выполнения вычислений, а для компа оно определяющее.Другой прибор, способный автоматически выполнять вычисления-часы. Механические часы-прибор, состоящий из уст-ва, автоматически выполняющего перемещение чз равные заданные интервалы времени и устр-ва регистрации этих перемещений. В основе любого совр.компа лежит тактовый генератор, вырабатывающий чз равные интервалы времени Эл.сигналы, кот. Используются для приведения в действие всех устройств комп-ой системы.немецкий математик Лейбниц создал механический калькулятор, кот. Мог выполнять операции умножения и деления путем многократного повторения операций сложения и вычитания.Возможность представления любых чисел в двоичными цифрами впервые была также предложена Лейбницем.Калассификации комп-в:1. по назначению, т.е. как применяется комп.Различают большие ЭВМ, мини-ЭВМ, микро-ЭВМ и ПК. ПК подразделяются на массовые, деловые, портативные, развлекательные и рабочие. БольшиеЭВМ-самые мощные, применяют для обслуживания крупных организаций, штат обслуживания таких комп.достигает многих десятков чел.Мини-ЭВМ-уменьшенные размеры-меньше производительность и стоимость, используются крупными предприятиями, научными учреждениями и уч.заведениями.Микро-ЭВМ-доступны, относительно небольшая производительность, применяются в вычислительных центрах.ПК-распространены, предназначен для обслуживания одного рабочего места, небольшие размеры, невысокая стоимость, способны удовлетворить потребности малых предприятий.Особое развитие получили в 1995г. в связи с развитием Интернета.2. по уровню специализации-универсальные и специализированные. На базе универсальных комп можно собирать выч.системы произвольного состава(конфигурации), так один и тот же ПК можно использовать для работы с текстами, музыкой, графикой и тд.Специализированный комп предназначены для решения конкретного круга задач.3. По типоразмерам-настольные, портативные, карманные.4. по совместимости-аппаратная, совместимость на уровне операц.системы, программная , совмест.на уровне данных. Архитектура ЭВМ-принципы построения выч.системы, реализующие программное управление работой и взаимодействие осн.функциональных узлов. К арх-ре относятся: - стр-ра памяти ЭВМ, - способы доступа к памяти и внешним устр-м, - возможности изменения конфигурации комп-ра, - сист.команд, - форматы данных, - огрганизация интерфейса. Классические принципы построения арх.ЭВМ были предложены ФонНейманом в 1946г.: -использование двоичной сист.представления данных, -принцип хранимой инф-ии, принцип последовательного выполнения операций, - произвольный доступ к ячейкам опер.памяти.
Понятие ?модель?.Классификация моделей.Этапы ком-го моделирования.С понятием ?модель? мы сталкиваемся с детства. Игрушечный автомобиль, самолет, являющиеся моделями реальных объектов. Мы имеем образ реального объекта или явления, ?заместителя? некоторого ?оригинала?, воспроизводящего его с некот. достоверностью. Модель-представление объекта в некоторой форме, отличной от формы его реального существования.Использование моделей яв-ся мощным орудием познания. Реальные объекты и процессы бывают столь сложны, что лучшим способом их изучения часто является построение модели, более простой.Модель может быть похожей копией объекта, выполненной из другого материала, в другом масштабе, с отсутствием ряда деталей (игрушечный кораблик, самолетик, домик из кубиков). Модель может отображать реальность более абстрактно-словесным описанием, по каким-то правилам. Различают виды абстрактных моделей:I) традиционное (для физики, механики, химии, биологии) математическое моделирование без какой-либо привязки к техническим средствам информатики;II) информационные модели и моделирование, имеющие приложения в информационных системах;III) вербальные (т.е. словесные, текстовые) языковые модели;IV)информационные (компьютерные) технологии, которые надо делить наА)инструментальное использование базовых универсальных программных средств (текстовых редакторов, СУБД, табличных процессоров); Б) компьютерное моделирование, представляющее собой? вычислительное (имитационное) моделирование;? ?визуализацию явлений и процессов? (графическое моделирование);? ?высокие? технологии, использующие компьютер в сочетании с измерительной аппаратурой, датчиками.классификация абстрактных (идеальных) моделей:1. Вербальные (текстовые) модели.(протокол, правила дорожного движения).2.Математические 3.Информационные модели-класс моделей, описывающих информационные процессы (возникновение, передачу, преобразование и использование информации). Граница между вербальными, математическими и информационными моделями может быть проведена условно; вполне возможно считать информационные модели подклассом математических моделей.Математическая модель выражает существенные черты объекта или процесса языком уравнений и других математических средств. ЭТАПЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ1-определение целей моделирования. Основные таковы:1) модель нужна для того, чтобы понять как устроен конкретный объект, какова его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром (понимание);2) научиться управлять объектом (или процессом) и определить наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (управление);3) прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект (прогнозирование).2-разделение входных параметров по степени важности влияния их изменений на выходные. 3-поиск математического описания, переход от абстрактной формулировки к конкретному мат. описанию.4-выбор метода исследования.5-разработка алгоритма и составление программы на ЭВМ.6-выясняется, соответствует ли модель реальному объекту.
Информация и ее виды.
Виды информации в ЭВМ. Кол-во и единицы измерения. Представ-ление и передача информацииИнтуитивное понятие информации. Информация- это совокупность интересующих нас сведений, знаний и наборов. Понятие информации яв-ся фундаментальным, поэтому четкого определения нет. Виды инф-ии: инф-ию можно сгруппировать по разным признакам:1) Область возникновения инф-ии, отражающая процессы и явления неживой природы наз-ся элементарной или механической.2) ПО СПОСОБУ ПЕРЕДАЧИ И ВОСПРИЯТИЯ ИНФ-ИЮ, ПЕРЕДАВАЕМУЮ ВИДИМЫМ ОБРАЗОМ НАЗ-ЮТ ВИЗУАЛЬНОЙ, И Т.Д. Инф-ию ПЕРЕДАВАЕМУЮ СРЕДСТВАМИ ВЫЧ. ТЕХ. НАЗ-ЮТ МАШИННОЙ.3) а)По ОБЩЕСТВЕННОМУ НАЗНАЧЕНИЮ. б) личная. в) специальная (для узкого круга людей)Формы представления инф-ции:1. Символьная (основана на использовании цифр, букв, знаков)2) Текстовая (используются символы и их сочетание)3) Графическая форма самая сложная (изображения, рисунки, чертежи, схемы).4) Звуковая (последовательность сигналов)5) мультимедиа ( объединение).Информационные процессы:1) хранение. Инф-ия, которая хранится в памяти компьютера наз-ся оперативной. Инф-ия, которая хранится на внешних носителях наз-ся внешней инф-ей.2) обработка инф-ции. (занимается пользователь).3) Передача инф-ции:Информация в ЭВМ передается посредством канала связи: Св-ва инф-ции:1. объективность.2.Полнота.3. Достоверность. 4. Актуальность.5. Ценность. 6. Доступность.Кол-во инф-ции, которое можно получить на вопрос типа ?да? или ?нет? наз-ся битом инф-ции. Бит-миним. единица кол-ва инф-ции.При получении инф-ции в один бит неопределенность уменьшается в 2 раза. ( н-р, 32 карты: все 6-ки выкинуты) Выяснить какое кол-во инф-ции может содержаться по той или иной карте. 1) красная или черная ? 1 бит2) картинка или нет - 5 бит3) это буби или черви ? 5 бит4) король или туз ? 5 бит5) это туз ? 5 битСвязь между кол-вом инф-ции и кол-вом состояний системы определяется формулой Хартли(1928) , где I- кол-во инф-ции, N-кол-во состояний системы. Если с картами, то .Пусть имеется алфавит из к букв. Вероятность появления буквы равна . N-общее кол-во выпавших букв. встретится . несет инф-ию (по опр.). выведена Хенноном в 1942г.Группа из 8 бит наз-ся 1 байтом.Байт- основная единица инф-ции.1кбайт=1024байт= байт 1Мбайт= кбайт. 2. Системы счисления. Виды систем, осн. понятия. Перевод чисел из 10-ной СС в произв.
#2Системы счисления. М-д триад и тетрад.
Под СС понимают способ представ-ния люб. числа с пом. некот. алфавита символов наз-х цифрами. Все СС делятся на позиц. и непозиц. Непозиц. СС явл-ся такие СС в к-рых каждый символ сохраняет сво? знач-ие независимо от места его положения в числе. Пр-р непоз. СС явл-ся римская с-ма. Недостаток - наличие большого кол-ва знаков и сложность в выполнении арифм операций. СС наз-ся позиц. е-и одна и та же цифра имеет разл. знач-ия, опр-ся позицией цифр в посл-ти цифр, изобр-ей число. Пр-р:10-ная СС. В ЭВМ применяют позиц. СС с недесятичным основанием:2-ную, 8-ную, 16-ную. В аппар-ой основе лежат 2-хпозиц-ные эл-ты, к-рые могут нах-ся т-ко в 2-х состояниях; одно из них 0, др.1. Поэтому осн. СС явл-ся двоичная СС. Исп-ся 2 цифры 0,1. В двоичной СС любое число м/б представлено в виде: N= где либо 0, либо1. 8-ая СС-Исп-ся 8цифр: 0,1,2,?,7. Употр-ся в ЭВМ как всп-ая для записи инф-ии в сокращ. виде. Для предст-ния 1-ой цифры 8-ной сист-ы исп-ся три 2-ых разряда. 16-ая СС. Для изображения чисел употр-ся 16 цифр. Первые 10цифр этой с-мы обоз-ся цифрами от 0-9, а старшие 6 цифр - лат-ми букв-ми: 10-А,11-В,12-С,13-D,14-E,15-F. 16-ая СС исп-ся для записи инф-ции в сокращ. виде. Перевод чисел в 10-ную СС осущ-ся пут?м составл-ия степен-го ряда с основанием той СС, из к-рой число перев-ся. Затем подсчит-ся зн-ие суммы. Пр-р: а)Пер-ти 10СС. б)Пер-ти 703.0 СС; Перти СС; Перевод 10ых чисел в недес-ую СС осущ-ся последоват. делением 10-го числа на основание той с-мы, в к-рую оно переводится, до тех пор, пока не пол-ся частное меньшее этого осн-ия. Число в новой СС зап-ся в виде ост-ков деления, начиная с последнего.Пр-р:Пер-ти СС Для 181 перевода 8-го или 16-го Числа в 2-ую форму дост-но зам-ть каждую цифру этого числа соотв.трехраз-ым 2-им числом или 4-ым 2-ым числом, при этом отбрасывают ненулевые нули в стар-х и млад-х разрядах. Пр-р:а)Пер-ти СС б) 7В2. СС Для перевода от 2-ой к 8-ой (16-ой) СС поступают так: двигаясь от точки влево и вправо, разбивают второе число на группы по три (4-е) разряда, дополняя при необх-ти 0-ми крайние левую и правую группы. Затем триаду (тетраду) зам-ют соотв. 8-ой (16-ой) цифрой Пр-р:а) Пер-тиА) СС б) 3. Алгоритм и его св-ва. Исполнитель алгоритма. Графическое представление алгоритма.Понятие исполнителя невозможно определить с помощью какой-либо формализации. Исполнителем может быть человек, группа людей, робот, станок, компьютер, язык программирования и т.д. Важнейшим свойством, характеризующим любого из этих исполнителей, является то, что исполнитель умеет выполнять некоторые команды. Так, исполнитель-человек умеет выполнять такие команды, как ?встать?, ?сесть?, ?включить компьютер? и т.д., рассмотрим исполнителя-робота, работа которого состоит в собственном перемещении по рабочему полю (квадрату произвольного размера, разделенному на клетки) и перемещении объектов, в начальный момент времени находящихся на ?складе? (правая верхняя клетка).Одно из принципиальных обстоятельств состоит в том, что исполнитель не вникает в смысл того, что он делает, но получает необходимый результат. В таком случае говорят, что исполнитель действует формально, т.е. отвлекается от содержания поставленной задачи и только строго выполняет некоторые правила, инструкции.Введение в рассмотрение понятия ?исполнитель? позволяет определить алгоритм как понятное и точное предписание исполнителю совершить последовательность действий, направленных на достижение поставленной цели. В случае исполнителя-робота мы имеем пример алгоритма ?в обстановке?, характеризующегося отсутствием каких-либо величин. Наиболее же распространенными и привычными являются алгоритмы работы с величинами - числовыми, символьными, логическими и т.д.Алгоритм, составленный для некоторого исполнителя, можно представить различными способами: с помощью графического или словесного описания, в виде таблицы, последовательностью формул, записанным на алгоритмическом языке (языке программирования). Остановимся на графическом описании алгоритма, называемом блок-схемой. Этот способ имеет ряд преимуществ благодаря наглядности, обеспечивающей, в частности, высокую ?читаемость? алгоритма и явное отображение управления в нем.Прежде всего определим понятие блок-схемы. Блок-схема - это ориентированный граф, указывающий порядок исполнения команд алгоритма; Алгоритм должен быть составлен таким образом, чтобы исполнитель, в расчете на которого он создан, мог однозначно и точно следовать командам алгоритма и эффективно получать определенный результат. Это накладывает на записи алгоритмов ряд обязательных требований, суть которых вытекает, вообще говоря, из приведенного выше неформального толкования понятия алгоритма. Сформулируем эти требования в виде перечня свойств, которым должны удовлетворять алгоритмы, адресуемые заданному исполнителю.Описываемый процесс должен быть разбит на последовательность отдельных шагов. Возникающая в результате такого разбиения запись представляет собойупорядоченную совокупность четко разделенных друг от друга предписаний. Будучи понятным, алгоритм не должен содержать предписаний, смысл которых может восприниматься неоднозначно, т.е. одна и та же команда, будучи понятна разным исполнителям, после исполнения каждым из них должна давать одинаковый результат.Запись алгоритма должна быть настолько четкой, полной и продуманной в деталях, чтобы у исполнителя не могло возникнуть потребности в принятии решений, не предусмотренных составителем алгоритма. Говоря иначе, алгоритм не должен оставлять места для произвола исполнителя. Кроме того, в алгоритмах недопустимы также ситуации, когда после выполнения очередной команды алгоритма исполнителю неясно, какая из команд алгоритма должна выполняться на следующем шаге.Отмеченные свойства алгоритмов называют определенностью или детерминированностью. Обязательное требование к алгоритмам - результативность. Смысл этого требования состоит в том, что при точном исполнении всех предписаний алгоритма процесс должен прекратиться за конечное число шагов и при этом должен получиться определенный результат. Вывод о том, что решения не существует - тоже результат.Наиболее распространены алгоритмы, обеспечивающие решение не одной конкретной задачи, а некоторого класса задач данного типа. Это свойство алгоритма называют массовостью. В простейшем случае массовость обеспечивает возможность использования различных исходных данных.
- цифра
* - знак + или -
_-пробел
вывод на экран типов данных
55. Форматы вывода на экран монитора различных типов данных. Примеры.
В процедурах вывода write и writeln имеется возможность записи выражния,
определяющего ширину поля вывода.
I - выводится десятичное представление, величины I, начиная с позиции расположения курсора.
I:p - выводится десятичное представление величины I, в крайние правые позиции поля шириной p.
R - в поле шириной 18 символов выводится десятичное представление величины R в формате с плавающей точкой. Если R>= 0.0,используется,
формат _#.##########E*##. Если R<= 0.0 то форма -#.##########E*##.
R:p - в крайние правые позиции поля шириной р символов выводится
десятичное представление значения R в формате с плавающей точкой.
Ch- начиная с позиции курсора выводится значение Сh.
S- начиная с позиции курсора, выводится значение S
B - выводится результат выражения B True или False, начиная с текущей позиции курсора.
В форматах используются следующие обозначения:
I,p,g - целочисленые выражения
R - выражение вещественого типа
B - выражение логического типа
Ch - выражение символьного типа
S - выражение строкового типа
Memory
SRAM ? Static Random Access Memory ? вид полупроводниковой памяти, базируется на триггерной лог схеме, сохраняет инфу в памяти пока хватит энергия для работы устроиства. Не требует регенерации, работает быстрее стоит дороже чем динамическая.
DRAM ? полупроводниковая оперативная память, где каждый двоичный разряд хранится в схеме, состоящей из транзистора и конденсатора. Заряженный конденсатор - 1, разряженный - 0. Транзистор управляет доступом к конденсатору.
ROM
Read only memory ? память на полупроводниках. Содержит рид онли команды и данные. По способу занесения информации делатся на :
1.программируемые в процессе изготовления
2.однократно програм. пользователем PROM
3.програм юзером с возможностью стирать и перепрог. ЕPROM (стирают с помошью облучения микросхемы ультрафиолетом
4.ЕЕPROM электрически стираемые
Cache
быстродействующая память, является высокоскоростным буфером между процессором и оперативно памятью. Применяется для хранения часто используемых данных, повышает скорость обмена данными с процессором. Кэш делится на встроенный в процессор и внешний. Встроенная быстрее работает и больше стоит.
Кэш-память - очень быстрая память небольшого объема, используется при обмене данными между процессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.
Кэш-памятью управляет специальный контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память.
RISC CISC
Reduced/Complex Instruction Set Computers
Risc ? компы с сокращенным набором команд (операций процессора)
Характеризуются:
- упрощенный набор команд, с одной длинной
- почти все команды выполняются за один цикл процессора
- нет макрокоманд усложняющих структуру процессора и тормозящих его
- через оперативку он только пересылает данные
- уменшено число способов адресации памяти
- создан конвеер команд который позволяет обрабатывать несколько одновременно
- используется высокоскоростная память
Protsessori uldstruktuur
Процессор ? центральная часть компьютера, состоит из АЛУ, блока управления и регистров (для работы с данными). Регистры нужны для кратковременного хранения данных и быстрой их пересылки. АЛУ выполняет операции над данными. Блок управления осуществляет управление этими операциями, доступом к ЗУ и к внешним устроиствам.
Любой процессор характеризуется набором выполняемых команд и скоростью обработки. Важным параметром является обьем адремуемой памяти, размер обрабатываемых слов и разрядность используемой шины.
С процессором взаимодействуют три вида памяти:
ROM readonly в нем программы для запуска компа и важнейших компонени ОС
RAM используется для тех данных что должны все время обновлятся
CACHE увеличивает скорость процессора
ALU
(Арифметико-Логическое устроиство) Центральная часть процессора, выполняющая арифметические и логические операции, она реализует важную часть процесса обработки данных.
Арифметической операцией называют процедуру обработки данных, аргументы и результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение, деление?)
Логической операцией именуют процедуру, осуществляющую построение сложного высказывания (операции И, НЕ, ИЛИ?)
Структура:
-регистры
-сумматор с соответствующими лигическими схемами и элемента управления выполняемым процессом
Работает в соответствии с сообщаемыми ему кодами операций, которые при пересылке данных нужно выполнить над переменными, помещаемыми в регистр
Мультиплексоры
комбинационное устроиство с м информационными входами, н управляющими входами и одним выходом. Коммутатор цифровых сигналов, мультиплексор построенный на базе КМОП технологии можно коммутировать так жи и аналоговые сигналы. На М. поступают сигналы и с помошью декодера он выбирает какие действия с ними произвести, например в этот м поступают 4 информационных сигнала и 2 управляющих, управляющие, с помощью д выбирается какое действия надо совершить над информационными и результат этого действия появляется на выходе.
М. используются в компьютерах и микропроцессорных контроллерах для коммутации адресных входов динамических оперативных запоминающих устпоиств, в узлах обьеденения или разветвления шин и т.д. на их базе можно строить разные комбинац устроиства с минимальным числом доп элементов логики, так же они исп для преобразования данных из паралельного кода в послед.
Võrdlusskeem компаратор
Анал к. сравнивает уровни на + выводе PE2 (AC+) и - выводе PE3 (AC-). При напряжении на PE2 (AC+) > PE3 (AC-), выход анал к. ACO = 1. Вых к. может быть использован для управления вхо захвата таймера/счетчика. К. может формировать свой запрос прерывания. user может задать формирование запроса на прерывание по нарастающему или падающему фронту или по переключению. Блок-схема аналогового компаратора, со схемами обрамления
устройство сравнения 2 элементов с целью проверки их идентичности. Существуют как аналоговые, так и цифровые К., прич?м в последних группы битов, которыми представлены уровни, сравниваются как двоичн числа. В системе обр информации компаратор ? средство для сравнентя двух элементов данных (например 2х слов) с целью определить, совпадают ли они.
Dekooder ? комбинац-я схема с неск с n входами и 2n выходами, преобразующая код, подаваемый на входы, в сигнал на одном из выходов. Если на входы Д подаются двоичн переменные, то на одном из выходов обязательно выработается сигнал 1. Д. используется когда нужно выбрать из нескольк альтернатив (команды, управл сигналы, источники данных и их получатели) в запом устройствах в помощь Д. выбираются ячейки для считывания записи. В системах ввода/вывода Д. применяются для выбора одного из многих портов, посылающих или принимающих данные. Если каждый выходной элемент Д. имеет вход для сигнала синхронизации ? то это Д. со входом синхронизации. Из неск Д. можно строить Д. на большее число входов.
Summaatorid
логический операционный узел, выполняющий арифметическое сложение кодов двух чисел.
В зависимости от системы счисления различают:
По количеству одновременно обрабатываемых разрядов складываемых чисел:
По числу входов и выходов одноразрядных двоичных с.:
По способу представления и обработки складываемых чисел многоразрядные с. подразделяются на:
По способу организации межразрядных переносов параллельные с., реализующие структурные методы, делят на с.:
1)с посл переносом; 2)с парал переносом; 3)с груп структурой; 4)со спец организацией цепей переноса.
kasutaja poolt programmeeritavad maatriks-struktuurid
современная Программируемая Логисческая Интегральн Схема ?мкостью до 1 млн. вентилей число логических элементов достигает нескольких десятков тысяч. За сч?т такого большого числа логических элементов они содержат значительное число триггеров, а также некоторые семейства ПЛИС имеют встроенные реконфигурируемые модули памяти (РМП, embedded array block - EAB), что делает ПЛИС данной архитектуры весьма удобным средством реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов, основными операциями в которых являются перемножение, умножение на константу, суммирование и задержка сигнала. Вместе с тем, возможности комбинационной части таких ПЛИС ограничены, поэтому совместно с ПВМ применяют ПКМБ (CPLD) для реализации управляющих и интерфейсных схем. В зарубежной литературе такие ПЛИС получили название Field Programmable Gate Array (FPGA).
disjunktiivset normaalkuju realiseerivad lihtsamad maatriks-struktuurid
PAL - Programmable Array Logiс ? программируемая матричная логика, программируемое устройство более сложное (в логич смысле), чем ПЗУ. PAL состоит из матриц типа AND и OR. Матрица OR фиксирована. PLA -Programmable Logic Array интегральная схема,содержащая матрицу логических схем, соединения между кот (а тем самым и логические ф-и, выполняемые всем массивом) можно программировать после изготовления: обычно это делается во время запуска (те в процессе эксплуатации). Прграммировать матрицу можно только 1 раз. Программируют пут?м пропускания тока всыокого напряжения по плавким перемычкам микросхемы. PLA состоит из матриц типа AND и OR.
digital-analoog muundur
Цифроаналоговые преобразователи бывают параллельного и последовательного типов. Последоват ЦАП представляет собой электрический ключ, периодически замыкаемый и размыкаемый, и формирующий импульсы. Преобразователи данного типа могут работать либо по принципу преобразования частоты формируемых импульсов в напряжение (ЧИМ), либо с широтно-импульсной модуляциеи (ШИМ) - формируя сигнал. После того как бывает сформирован импульсно модулированный сигнал, его достаточно проинтегрировать (используя фильтр, подавляющий высокочастотную составляющую) для получения среднего значения. В качестве интегратора в таких ЦАП зачастую выступает нагрузка. Лампа накаливания, нагревательный элемент, коллекторный электродвигатель постоянного тока является прекрасными интеграторами.Все параллельные ЦАП имеют высокое быстродействие - от 0.1 до 10 мкс, высокой точностью - 10-14 двоичных разрядов, но должны быть реализованы в виде отдельных устройств (они допускают лишь аппаратную, но не программную реализацию).Разновидности параллельных ЦАП: Схема с весовыми источниками тока; Схема с весовыми резисторами; Многозвенная цепная схема
analoog-digitaal muundur
процесс преобразования аналогового сигнала в дискретный сигнал. АЦП или ADC заключается в формировании последовательностей n-разрядных двоичных слов, представляющих с заданной точностью аналоговые сигналы. Для выполнения этого преобразования, вначале, осуществляется квантование аналогового сигнала. В результате преобразования получается дискретный сигнал, используемый в информационных системах и сетях. Наименьшее изменение аналогового сигнала, которое регистрируется устройством, осуществляющим преобразование, называется разрешением.
Programmeeritav taimer
регистр, специальная схема или сист. программа для измерения интервалов времени. Он не считает часы, хотя его импульсы могут вырабатываться на основе системной частоты синхронизации. Таймер прерывания приостанавл и передат управление операц с-ме.
Programmeeritav katkestuste kontroller
да?т требования о прерывании процессору и решает проблемы приоритета. Моменты обмена могут определяться и самим ПУ. Тогда эти моменты программисту оказываются неизвестными, он не может предусмотреть в программе соответствующие команды обмена. В этих случаях ПУ, подавая в микропроцессор определенные сигналы, переводит его в состояние так называемого прерывания. В этом состоянии микропроцессор прекращает выполнение основной программы и переходит к исполнению команд другой хранящейся в ОП программы (прерывающей программы), обеспечивающей обмен данными, требуемый периферийным устройством. После окончания такой прерывающей программы микропроцессор возвращается к выполнению основной программы.
Mälu otsepöördus reziimi kontroller (DMA controller)
Прямой Доступ к Памяти direct memory access? В этом режиме микропроцессор отключается от шин адреса и данных, предоставляя их в распоряжение ПУ для непосредственного обмена данными с ОП (без участия микропроцессора). Обмен при этом организуется специальным контроллером ПДП. В режиме ПДП ПУ обменивается с Опер Пам не одиночными данными, а большими блоками данных. В контроллер ПДП микропроцессор предварительно помещает информацию, необходимую для управления обменом (адрес ячейки ОП, куда помещается или откуда считывается первое подлежащее обмену слово, количество слов в блоке и др.). В процессе обмена контроллер ПДП выдает на шину адреса адрес ячейки ОП, после окончания передачи слова между ОП и ПУ через шину данных контроллер ПДП увеличивает на единицу значение адреса, выдаваемого на шину адреса. После завершения передачи заданного количества слов контроллер ПДП прекращает обмен, информируя об этом микропроцессор. Последний восстанавливает связь с шинами адреса и данных и продолжает выполнение программы.
Erinevad siinid ja nende osa andmevahetuses.
Микропроцессор выдает на шину адреса номер (адрес) ячейки ОП, в которой хранится очередная команда, и из шины управления в ОП поступают сигналы, обеспечивающие считывание содержимого указываемой шиной адреса ячейки памяти. Оперативная память выдает запрошенную команду на шину данных, откуда она принимается в микропроцессор. Здесь команда расшифровывается. Если данные, действия над которыми предусматривает команда, находятся в регистрах микропроцессора, то микропроцессор приступает к выполнению указанной в команде операции. Если при расшифровке команды выяснится, что участвующие в операции данные находятся в ОП, то микропроцессор выставляет на шину адреса адрес ячейки, хранящей эти данные; после выдачи данных из ОП микропроцессор принимает их через шину данных, затем выполняется операция над данными. После завершения текущей команды на шину адреса выдается адрес следующей команды, и описанный процесс повторяется.
Mikroarvuti arhitektuur ja siinid.
Функционирование Микро Процессорн С-мы сводится к следующей последовательности действий: получение данных от различных периферийных устройств (с клавиатуры терминала, от дисплеев, из каналов связи, от различного типа внешних запоминающих устройств), обработка данных и выдача результатов обработки на периферийные устройства. При этом данные от периф устр, подлежащие обработке, могут поступать и в процессе их обработки. Для выполнения этих действий в МПС кроме микропроцессора предусматриваются следующие устройства: - оперативная память (ОП), предназначенная для хранения и выдачи по запросам команд программ, определяющих работу микропроцессора, различных данных (исходных данных, промежуточных и конечных результатов обработки данных в микропроцессоре); - контроллеры - устройства, обеспечивающие обмен данными различных ПУ с микропроцессором и ОП.
Adresseerimise viisid (Addressing modes)
Адресация ? процедура присваивания адреса или обращение по адресу.Прямая а ? ?естеств? способ а, при кот указанный в команде адрес представляет собой машинный адрес, по кот и производится обращение. Непосредственная а ? метод ссылки на данные пут?м помещения их в поле адреса команды. Такой способ ссылки компактен итребует меньшего времени для обращен к памяти. Косвенная а ? метод а, при кот по указ в команде адресу выбирается адрес, обеспечивающий ссылку на нужную ячейку памяти. Косв а млжет использ для преодолен ограничений, связан с недостаточн длиной поля адреса. Относительная а ? один из двух способов расширения определ?нного в коротк форме адреса. Перв способ ? самоопределяющаяся относит а, при кот указанный адрес складывается с адресом самой команды, в кот содержится самоопределяющееся относитобращение, при этом получ прямой адрес. Втор способ ? базовая а, при кот для образован прямого адреса указан адрес добавляется к содержимому базового регистра, где хранится базовый адрес. Индексная а ? сложение исходного адреса с содержимым заданного регистра. А к текущей странице ? метод сводится к тому, что исходн адрес в команде считается адресом внутри той страницы, где наход сама команда, те ?сдвигом? относительно начала станицы.
Erinevate pöördus viisidega mälud
Стеком называется запоминющ устройство с последоват доступом, в котором слова ситываются в порядке, обратном записи, те LIFO. Доступ осуществляется всегда к верхней ячейке- вершине стека. Вставка и удаление элемента вершины стека называются, соотв, операциями протоколирования в стек и выталкивания из стека. Стеки тесно связаны с рекурсивными вычислениями. Ассоциативная организация кэшевой памяти Обращение происходит не по адресу (Из памяти бер?тся одна часть слова и ищутся все места, где есть идентич часть. Память содержит n групп: от 0 до n-1. Проблема: на какое место мы будем загружать (те что мы должны выкинуть?) 4 стратегии решения: LRU-least recently used, LFU-least frequently used, FIFO, LIFO.
kasutaja poolt programmeeritavad maatriks-struktuurid
(FPGA - Field Programmable Gate Array) современная Программируемая Логисческая Интегральн Схема ?мкостью до 1 млн. вентилей число логических элементов достигает нескольких десятков тысяч. За сч?т такого большого числа логических элементов они содержат значительное число триггеров, а также некоторые семейства ПЛИС имеют встроенные реконфигурируемые модули памяти (РМП, embedded array block - EAB), что делает ПЛИС данной архитектуры весьма удобным средством реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов, основными операциями в которых являются перемножение, умножение на константу, суммирование и задержка сигнала. Вместе с тем, возможности комбинационной части таких ПЛИС ограничены, поэтому совместно с ПВМ применяют ПКМБ (CPLD) для реализации управляющих и интерфейсных схем. В зарубежной литературе такие ПЛИС получили название Field Programmable Gate Array (FPGA).
disjunktiivset normaalkuju realiseerivad lihtsamad maatriks-struktuurid
PAL - Programmable Array Logiс ? программируемая матричная логика, программируемое устройство более сложное (в логич смысле), чем ПЗУ. PAL состоит из матриц типа AND и OR. Матрица OR фиксирована. PLA -Programmable Logic Array интегральная схема,содержащая матрицу логических схем, соединения между кот (а тем самым и логические ф-и, выполняемые всем массивом) можно программировать после изготовления: обычно это делается во время запуска (те в процессе эксплуатации). Прграммировать матрицу можно только 1 раз. Программируют пут?м пропускания тока всыокого напряжения по плавким перемычкам микросхемы. PLA состоит из матриц типа AND и OR.
digital-analoog muundur
(Digital to Analog Conversion) Цифроаналоговые преобразователи бывают параллельного и последовательного типов. Последоват ЦАП представляет собой электрический ключ, периодически замыкаемый и размыкаемый, и формирующий импульсы. Преобразователи данного типа могут работать либо по принципу преобразования частоты формируемых импульсов в напряжение (ЧИМ), либо с широтно-импульсной модуляциеи (ШИМ) - формируя сигнал. После того как бывает сформирован импульсно модулированный сигнал, его достаточно проинтегрировать (используя фильтр, подавляющий высокочастотную составляющую) для получения среднего значения. В качестве интегратора в таких ЦАП зачастую выступает нагрузка. Лампа накаливания, нагревательный элемент, коллекторный электродвигатель постоянного тока является прекрасными интеграторами.Все параллельные ЦАП имеют высокое быстродействие - от 0.1 до 10 мкс, высокой точностью - 10-14 двоичных разрядов, но должны быть реализованы в виде отдельных устройств (они допускают лишь аппаратную, но не программную реализацию).Разновидности параллельных ЦАП: Схема с весовыми источниками тока; Схема с весовыми резисторами; Многозвенная цепная схема
analoog-digitaal muundur
(Analog to Digital Conversion) процесс преобразования аналогового сигнала в дискретный сигнал. АЦП или ADC заключается в формировании последовательностей n-разрядных двоичных слов, представляющих с заданной точностью аналоговые сигналы. Для выполнения этого преобразования, вначале, осуществляется квантование аналогового сигнала. В результате преобразования получается дискретный сигнал, используемый в информационных системах и сетях. Наименьшее изменение аналогового сигнала, которое регистрируется устройством, осуществляющим преобразование, называется разрешением.
Modem
(Modem) modem - Модемом называется устройство, способное осуществлять модуляцию и демодуляцию информационных сигналов (МОдуляция-ДЕМодуляция). Собственно, работа модулятора модема заключается в том, что поток битов из компьютера преобразуется в аналоговые сигналы, пригодные для передачи по телефонному каналу связи. Демодулятор модема выполняет обратную задачу. Данные, подлежащие передаче, преобразуютcя в аналоговый cигнал модулятором модема <передающего> компьютера. Принимающий модем, находящийcя на противоположном конце линии, <cлушает> передаваемый cигнал и преобразует его обратно в цифровой с помощью демодулятора. Режим работы, когда передача данных осуществляется только в одном направлении, называется полудуплексом (half duplex), в обе cтороны - дуплексом (full duplex). Одной из основных характеристик модема является скорость модуляции (modulation speed). Она определяет физическую скорость передачи данных без учета исправления ошибок и сжатия данных, единицей измерения которой является количество бит в секунду (бит/с). Модемы бывают внешними и встраиваемыми.
Skanner
Сканером называется устройство для ввода в компьютер изображений, нанесенных на прозрачной или непрозрачной плоской поверхности. Они позволяют вводить в компьютер изображения текстов, рисунков, слайдов, фотографий, чертежей и другой графической информации. В большинстве устройств для преобразования изображения в цифровую форму применяются матрица или линейка светочувствительных элементов на основе ПЗС - приборов с зарядовой связью (CCD - Charge-Coupled Device).
По способу перемещения считывающей головки и носителя изображения друг относительно друга сканеры подразделяются на ручные (Handheld), рулонные (Sheet-Feed), планшетные (Flatbed), а также проекционные.
Планшетн сканер является - сканирующая головка перемещается относительно бумаги с помощью шагового двигателя, а изображение при помощи системы призм или зеркал проецируется на линейку ПЗС. Рулонны сканер - Сканирование документов осуществляется при протягивании их через такое устройство. У проекционных сканеров, перемещается только сканирующее устройство. Разновидностью проекционных сканеров являются слайд-сканеры, предназначенные для сканирования фотопленок
Принцип работы однопроходного планшетного сканера состоит в том, что вдоль сканируемого изображения, расположенного на прозрачном неподвижном стекле, движется сканирующая каретка с источником света. Отраженный свет через оптическую систему сканера (состоящую из объектива и зеркал или призмы) попадает на три расположенных параллельно друг другу фоточувствительных полупроводниковых элемента на основе ПЗС, каждый из которых принимает информацию о RGB-компонентах цвета. В трехпроходных сканерах используется всего одна линейка ПЗС и лампы разных цветов или соответствующие светофильтры.
Plotter
Устройство, позволяющее представлять выводимые из компьютера данные в форме рисунка или графика на бумаге, называют обычно графопостроителем, или плоттером. Первыми появились и традиционно широко используются перьевые плоттеры. Основной конкурент для них - струйные плоттеры, использующие более современную технологию печати. 1)плоттеры, использующие фрикционный прижим для перемещения бумаги в направлении одной оси и движения пера по другой; 2)барабанные (или рулонные плоттеры), работающие примерно так же, как и фрикционные, но использующие для перемещения непрерывной перфорированной ленты бумаги специальный трактор (Tractor Feed); 3)планшетные плоттеры, в которых бумага неподвижна, а перо перемещается по обеим осям.
värviprinterid
Первичными цветами для цветных принтеров являются зелено-голубой (Сyan), светло-пурпурный или малиновый (Magenta) и желтый (Yellow). Наложение двух из этих первичных цветов в данном случае дает красный, зеленый или голубой цвет, а смешение всех трех первичных цветов субтрактивной модели - черный цвет. В некоторых принтерах для получения истинно черного цвета используется отдельный черный краситель (Black), поэтому данная модель цветообразования называется также CMY или CMYK
jugaprinter (Inkjet Printer)
пр, принцип работы которого основан на распылении микрокапель красящего вещества. Важнейшим элементом стр пр является головка, на которой может размещаться свыше 100 распылителей. Размер сопла каждого из них меньше толщины человеческого волоса. Из сопел дискретно со выпрыскиваются капли чернил. Существует несколько способов этой технологии. Струйные принтеры имеют относительно низкую стоимость и считаются экологически чистыми, ибо не только работают бесшумно, но выделяют мало тепла и не генерируют озон. Краситель не содержит экологически вредных добавок. Печатающий элемент на 98% состоит из кремния и стекла. Между тем, струйные принтеры имеют и ряд недостатков. Прежде всего - низкая скорость печати. Так, на печать одного листа, в зависимости от его размера и числа точек, может затрачиваться от минуты до часа. В среднем две-три минуты. Кроме этого, нанесенные на бумагу чернила чувствительны к внешним воздействиям.
laserprinter
(Laser Printer)Пр, принцип работы которого основан на использовании луча лазера. В Пр электрический заряд равномерно наносится на поверхность вращающегося фоточувствительного барабана. Затем, под управлением сигнала, представляющего данные происходит включение/выключение лазерного луча во время его движения по барабану. В результате луч, направляемый через вращающееся зеркало, оставляет на барабане след в виде точек, в которых удаляется заряд и возникает электростатическое изображение одной страницы. Барабан покрывается порошком, который притягивается в точках заряда. Бумага же заряжается электростатическим зарядом другого знака. Благодаря чему, осуществляется перенос содержимого страницы с барабана на бумагу. На последней стадии яркая лампа оплавляет крупицы порошка, формируя четкое и стойкое изображение. Характерными особенностями лазерных принтеров являются высокая скорость работы и невысокие требования к качеству бумаги.
maatriksprinter
(Dot matrix printer) принтер, в котором формируемый символ либо часть изображения представляется в виде точек. Принтер имеет печатающую головку, содержащую матрицу тонких стержней. стержни, двигаясь горизонтально, выпечатывают строку текста либо полосу изображения. Качество печати матричных принтеров зависит от диаметра и числа стержней. Число стержней в знакосинтезирующей матрице зависит от стоимости принтеров. В п может быть от 9 до 24 стержней. Каждая группа из 24 стержней, как правило, располагается двумя параллельными рядами, а размер матрицы доходит до 35х24 точек.
Printer
устройство печати данных на бумагу либо пленку. Принтер осуществляет распечатку, т.е. отображает информацию на бумаге либо пленке и изготовливает одно- либо многоцветные документальные копии. Различают универсальные и специализированные принтеры, например, для кассовых аппаратов. Наибольшее распространение получили матричные принтеры, выпечатывающие не только тексты, но и растровые изображения. В последние годы происходит быстрый переход на безударные: лазерные, струйные и термопринтеры. Они работают бесшумно, имеют большую надежность и обеспечивают высокое разрешение и качество печати. Важнейшим фактором, определяющим качество печати, является способ размещения точек на бумаге или пленке. Увеличение их числа при уменьшении их размера улучшает четкость изображния. Между тем форма и размещение точек также оказывают не менее существенное влияние на результат. Лучшим является вариант, когда точки имеют практически круглую форму.
elektroluminesents kuvar
Мониторы FED основаны на процессе, который немного похож на тот, что применяется в CRT-мониторах, так как в обоих методах применяется люминофор, светящийся под воздействием электронного луча. Главное отличие между CRT и FED мониторами состоит в том, что CRT-мониторы имеют три пушки, которые испускают три электронных луча, последовательно сканирующих панель, покрытую люминофорным слоем, а в FED-мониторе используется множество маленьких источников электронов, расположенных за каждым элементом экрана, и все они размещаются в пространстве, по глубине меньшем, чем требуется для CRT. Каждый источник электронов управляется отдельным электронным элементом, так же, как это происходит в LCD-мониторах, и каждый пиксель затем излучает свет, благодаря воздействию электронов на люминофорные элементы, как и в традиционных CRT-мониторах. При этом FED-мониторы очень тонкие.
plasma kuvar
Плазменные экраны создаются путем заполнения пространства между двумя стеклянными поверхностями инертным газом, например, аргоном или неоном. Затем на стеклянную поверхность помещают маленькие прозрачные электроды, на которые подается высокочастотное напряжение. Под действием этого напряжения в прилегающей к электроду газовой области возникает электрический разряд. Плазма газового разряда излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне, который вызывает свечение частиц люминофора в диапазоне, видимом человеком. Фактически, каждый пиксель на экране работает, как обычная флуоресцентная лампа (иначе говоря, лампа дневного света). Высокая яркость и контрастность наряду с отсутствием дрожания являются большими преимуществами таких мониторов. Главными недостатками такого типа мониторов является довольно высокая потребляемая мощность, возрастающая при увеличении диагонали монитора, и низкая разрешающая способность, обусловленная большим размером элемента изображения. Кроме этого, свойства люминофорных элементов быстро ухудшаются, и экран становится менее ярким, поэтому срок службы плазменных мониторов ограничен 10000 часами
LCD vedelkristall kuvar
(Liquid Crystal Display) - Для изготовления ЖК-экранов используют так называемые нематические кристаллы, молекулы которых имеют форму палочек или вытянутых пластинок. ЖК-элемент помимо кристаллов включает в себя прозрачные электроды и поляризаторы. В отсутствие электрического поля молекулы нематических кристаллов образуют скрученные спирали. При прохождении в этот момент луча света через ЖК-элемент плоскость поляризации его поворачивается на некоторый угол. Если на входе и выходе этого элемента поместить поляризаторы, смещенные друг относительно друга на такой же угол, то свет беспрепятственно сможет проходить через этот элемент. Если же к прозрачным электродам приложено напряжение, спираль молекул распрямляется и поворота плоскости поляризации уже не происходит. Как следствие, выходной поляризатор не пропускает свет.
värviline kujund- наши глаза реагируют на основные цвета: красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) и на их комбинации, которые создают бесконечное число цветов. Люминофорный слой, покрывающий фронтальную часть электронно-лучевой трубки, состоит из очень маленьких элементов (настолько маленьких, что человеческий глаз их не всегда может различить) трех типов. Эти три типа люминофорных элементов воспроизводят основные цвета, фактически имеются три типа разноцветных частиц, чьи цвета соответствуют основным цветам RGB (отсюда и название группы из люминофорных элементов - триады). Как правило, в цветном CRT-мониторе используются три электронные пушки, (в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах). Люминофор начинает светиться, под воздействием ускоренных электронов, которые создаются тремя электронными пушками. Каждая из трех пушек соответствует одному из основных цветов и посылает пучок электронов на различные частицы люминофор, чье свечение основными цветами с различной интенсивностью комбинируется, и, в результате, формируется изображение с требуемым цветом. Например, если активировать красную, зеленую и синюю люминофорные частицы, то их комбинация сформирует белый цвет.
CRT (Cathode Ray Tube) kuvar
- мониторы на базе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ). Принцип их действия заключается в том, что формируемый электронной пушкой пучок электронов, попадая на экран, покрытый люминофором, вызывает его свечение. На пути пучка электронов обычно находятся дополнительные электроды: отклоняющая система, позволяющая изменять направление пучка, и модулятор, регулирующий яркость получаемого изображения. Любое текстовое или графическое изображение на экране монитора компьютера (как, впрочем, и телевизора) состоит из множества дискретных точек люминофора, называемых также пикселами, или элементами изображения (pixel - picture element), поэтому такие дисплеи называют еще растровыми. Разрешающая способность монитора определяется числом элементов изображения (пикселов), которые воспроизводятся по горизонтали и вертикали.
Джойстик (Joystick)
, или рычажный манипулятор , является аналоговым координатным устройством ввода информации. Практически любую современную модель джойстика технически можно представить как два реостатных датчика, для питания которых используется напряжение +5 В. Рукоятка джойстика связана с двумя переменными резисторами, изменяющими свое сопротивление при ее перемещении. Один резистор определяет перемещение по координате X, а другой - по Y. В задачу адаптера джойстика входит преобразование изменения параметра сопротивления в соответствующий цифровой код. Разумеется, что дизайн джойстиков практически не влияет на их внутреннее устройство.
Hiir ja juhtkang
(Mouse and joystick) Мышь - устройство позиционирования, предназначенное для указания координат на экране. Существует несколько конструкций мыши, различающихся формой, внешним видом и принципом действия.
Наиболее распространена мышь, выполненная в виде небольшой коробки с шаром, которая проводом ("хвостом") связана с портом процессора. Мышь рукой пользователя перемещается в разные стороны по не скользкой плоской поверхности. Передвижению мыши соответствует синхронное перемещение курсора на экране. У мыши есть одна либо несколько кнопок для подачи сигналов компьютеру. Есть и "бесхвостые" мыши, использующие связь с компьютером при помощи инфракрасного излучения. Позже появилась идея перевернуть мышь, расположив шар не снизу, а сверху. Принцип работы, здесь, тот же, но пользователь приводит в движение не корпус мыши, а ее шар, вращая его в разных направлениях.
Klaviatuur (Keyboard)
комплект расположенных в определенном порядке небольших пластинок-клавишей либо их изображений, нажатие либо указание на которые обеспечивает ввод команд или символов. При выполнении узкого круга задач, например, операций в банке, программирование клавиатуры позволяет резко поднять производительность труда. В информационных системах используются разнообразные виды клавиатуры. Наибольшее распространение имеет универсальная клавиатура, клавиши которой представляют буквы одного либо двух естественных языков, десять цифр, ряд используемых в текстах знаков, а также управляющие клавиши. Между тем, применяются и специфические клавиатуры. Например, клавиатура кассовых аппаратов и калькуляторов.
Programmeeritav taimer
(Programmable interval timer controller) - регистр, специальная схема или сист. программа для измерения интервалов времени. Он не считает часы, хотя его импульсы могут вырабатываться на основе системной частоты синхронизации. Таймер прерывания приостанавл и передат управление операц с-ме.
Programmeeritav katkestuste kontroller
(Programmable interrupt controller) да?т требования о прерывании процессору и решает проблемы приоритета. Моменты обмена могут определяться и самим ПУ. Тогда эти моменты программисту оказываются неизвестными, он не может предусмотреть в программе соответствующие команды обмена. В этих случаях ПУ, подавая в микропроцессор определенные сигналы, переводит его в состояние так называемого прерывания. В этом состоянии микропроцессор прекращает выполнение основной программы и переходит к исполнению команд другой хранящейся в ОП программы (прерывающей программы), обеспечивающей обмен данными, требуемый периферийным устройством. После окончания такой прерывающей программы микропроцессор возвращается к выполнению основной программы.
Mälu otsepöördus reziimi kontroller
(DMA controller) Прямой Доступ к Памяти direct memory access? В этом режиме микропроцессор отключается от шин адреса и данных, предоставляя их в распоряжение ПУ для непосредственного обмена данными с ОП (без участия микропроцессора). Обмен при этом организуется специальным контроллером ПДП. В режиме ПДП ПУ обменивается с Опер Пам не одиночными данными, а большими блоками данных. В контроллер ПДП микропроцессор предварительно помещает информацию, необходимую для управления обменом (адрес ячейки ОП, куда помещается или откуда считывается первое подлежащее обмену слово, количество слов в блоке и др.). В процессе обмена контроллер ПДП выдает на шину адреса адрес ячейки ОП, после окончания передачи слова между ОП и ПУ через шину данных контроллер ПДП увеличивает на единицу значение адреса, выдаваемого на шину адреса. После завершения передачи заданного количества слов контроллер ПДП прекращает обмен, информируя об этом микропроцессор. Последний восстанавливает связь с шинами адреса и данных и продолжает выполнение программы.
Erinevad siinid ja nende osa andmevahetuses.
Микропроцессор выдает на шину адреса номер (адрес) ячейки ОП, в которой хранится очередная команда, и из шины управления в ОП поступают сигналы, обеспечивающие считывание содержимого указываемой шиной адреса ячейки памяти. Оперативная память выдает запрошенную команду на шину данных, откуда она принимается в микропроцессор. Здесь команда расшифровывается. Если данные, действия над которыми предусматривает команда, находятся в регистрах микропроцессора, то микропроцессор приступает к выполнению указанной в команде операции. Если при расшифровке команды выяснится, что участвующие в операции данные находятся в ОП, то микропроцессор выставляет на шину адреса адрес ячейки, хранящей эти данные; после выдачи данных из ОП микропроцессор принимает их через шину данных, затем выполняется операция над данными. После завершения текущей команды на шину адреса выдается адрес следующей команды, и описанный процесс повторяется.
Mikroarvuti arhitektuur ja siinid.
[1)шина адреса 2)шина данных 3)шина управления; здесь: ПУ- рперифер устр-во]
Функционирование Микро Процессорн С-мы сводится к следующей последовательности действий: получение данных от различных периферийных устройств (с клавиатуры терминала, от дисплеев, из каналов связи, от различного типа внешних запоминающих устройств), обработка данных и выдача результатов обработки на периферийные устройства. При этом данные от периф устр, подлежащие обработке, могут поступать и в процессе их обработки. Для выполнения этих действий в МПС кроме микропроцессора предусматриваются следующие устройства: - оперативная память (ОП), предназначенная для хранения и выдачи по запросам команд программ, определяющих работу микропроцессора, различных данных (исходных данных, промежуточных и конечных результатов обработки данных в микропроцессоре); - контроллеры - устройства, обеспечивающие обмен данными различных ПУ с микропроцессором и ОП.
Adresseerimise viisid (Addressing modes)
Адресация ? процедура присваивания адреса или обращение по адресу.
Прямая а ? ?естеств? способ а, при кот указанный в команде адрес представляет собой машинный адрес, по кот и производится обращение. Непосредственная а ? метод ссылки на данные пут?м помещения их в поле адреса команды. Такой способ ссылки компактен итребует меньшего времени для обращен к памяти. Косвенная а ? метод а, при кот по указ в команде адресу выбирается адрес, обеспечивающий ссылку на нужную ячейку памяти. Косв а млжет использ для преодолен ограничений, связан с недостаточн длиной поля адреса. Относительная а ? один из двух способов расширения определ?нного в коротк форме адреса. Перв способ ? самоопределяющаяся относит а, при кот указанный адрес складывается с адресом самой команды, в кот содержится самоопределяющееся относитобращение, при этом получ прямой адрес. Втор способ ? базовая а, при кот для образован прямого адреса указан адрес добавляется к содержимому базового регистра, где хранится базовый адрес. Индексная а ? сложение исходного адреса с содержимым заданного регистра. А к текущей странице ? метод сводится к тому, что исходн адрес в команде считается адресом внутри той страницы, где наход сама команда, те ?сдвигом? относительно начала станицы.
Erinevate pöördus viisidega mälud
( pinumälu (Stack, LIFO), puhvermälu (FIFO), assotsiatiiv mälu ) Стеком называется запоминющ устройство с последоват доступом, в котором слова ситываются в порядке, обратном записи, те LIFO. Доступ осуществляется всегда к верхней ячейке- вершине стека. Вставка и удаление элемента вершины стека называются, соотв, операциями протоколирования в стек и выталкивания из стека. Стеки тесно связаны с рекурсивными вычислениями. Ассоциативная организация кэшевой памяти Обращение происходит не по адресу (Из памяти бер?тся одна часть слова и ищутся все места, где есть идентич часть. Память содержит n групп: от 0 до n-1. Проблема: на какое место мы будем загружать (те что мы должны выкинуть?) 4 стратегии решения: LRU-least recently used, LFU-least frequently used, FIFO, LIFO.
Магнитно-оптический диск
- оптический диск, в котором для стирания данных необходимо воздействие магнитного поля. MOD обеспечивает многократную запись данных. Метод записи основан на поляризации. В процессе записи луч лазера нагревает участок размером менее 1 мкм, в результате чего вектор намагниченности в этой точке ориентируется параллельно внешнему магнитному полю. Это состояние соответствует записи "единицы". При воспроизведении мощность луча лазера уменьшается и оказывается недостаточной для изменения намагничивания. Для стирания записи на носитель одновременно воздействуют лучем лазера и внешним магнитным полем. Вектор намагниченности возвращается в первоначальное состояние.
Optilised mäluseadmed (Optic memory)
"Компактный диск с только читаемой памятью" CD-ROM предназначен для считывания данных. Диск имеет вид тонкой круглой пластины толщиной 1,2 мм. Состоит диск из поликарбонатной основы, с одной стороны покрытой тонким алюминиевым слоем, защищенным пленкой лака. Информация записывается производителем в процессе изготовления диска благодаря созданию углублений в его поверхности. Считывание информации осуществляется лазером. Добавление к алюминиевому фоточувствительного слоя позволяет использовать технологию "компактного диска, записываемого" CD-R. Ее сущность заключается в том, что одноразовая запись данных на компактный диск осуществляет сам пользователь. Для этого он должен иметь CD-рекордер. Запись осуществляется лучем лазера этого устройства. Изменение условий экспонирования фоточувствительного слоя и по-разному нагретые участки покрытия диска вызывают точечную деформацию алюминиевого слоя, образуя на нем углубления. Данные размещаются на спиральной дорожке. В отличие от CD-R, "компактные диски, стираемые" CD-RW могут быть использованы несколько раз. Цифровой видеодиск DVD является диском большой емкости, предназначенным для записи любых типов данных.
При записи данных на DVD одновременно осуществляется сжатие данных, обеспечивающее увеличение емкости дисков. Выпускаются два типа дисков. Однослойный диск и Двухслойный.
Магнитная лента
- гибкая лента, покрытая магнитным материалом для запоминания данных. МЛ является средой, состоящей из узкой гибкой подложки в виде ленты, на которую нанесено магнитное покрытие. МЛ наматывается на катушку либо находится в двухкатушечной кассете. Катушка либо кассета вставляется в лентопротяжный механизм. Последнее перематывает ленту с одной катушки на другую, протягивая ее под одной либо несколькими головками, обеспечивающими запись, считывание и стирание данных. МЛ используются для копирования содержимого памяти, записанного на Магнитном Диске (МД) либо создания архивирования данных. Катушечные накопители памяти появились ранее других и используются преимущественно в больших и средних компьютерах.
Floppy disk
- магнитн диск, основа которого выполнена из гибкого полимерного материала. Дискета предст собой съемную полиэфирную круглую пластину с отверстием в центре. Пластина покрыта с одной либо обеих сторон магнитным материалом, на который осуществляется запись данных. Пластина для защиты от пыли и повреждений помещена в плотный конверт. Конверт имеет прорезь через кот осуществл запись и считывание данных. Инфа на диске располагается и хранится по концентрическим дорожкам. На одной из кромок конверта имеется прорезь блокировки записи. При ее заклеивании прекращается запись новой информации на диск.
Магнитный диск - носитель данных в форме одной либо группы параллельно расположенных круглых пластин.В МД одна либо обе поверхности каждой пластины покрыты магнитным слоем. Данные записываются на кольцевых дорожках дисков в этом слое. Подложка диска является жесткой (алюминиевый сплав) либо гибкой (полиэфир). Запись и считывание осуществляется с помощью дисковода, который вращает диск
Magnet mäluseadmed (Magnetic memory)
Ж?сткий диск- магнитный диск, основа которого выполнена из жесткого материала.
Ж д имеет пластину с подложкой, на которую электролитически либо другим способом нанесен (обычно с двух сторон) магнитный материал. Эта пластина вместе с блоком считывания/записи для защиты от пыли, влаги и грязи помещается в герметичную коробку. Пластины обычно изготавливаются из металла (сплава алюминия). Компонент считывания и записи данных на диск называется головкой. Сейчас используются тонкопленочные головки. Настоящую революцию произвели магниторезистивные головки, разработанные для высокой плотности записи данных на диске. Новая технология считывания данных опирается на использование ферромагнитных сплавов. Для записи применяются тонкопленочные головки.
Püsimälu ROM
(ROM - Read Only Memory) ? память на полупроводниках, содержащая команды или данные, кот могут быть считаны из не?, но не изменены. Программирование ? процесс занесения информации в ПЗУ. По способу программирования ПЗУ делятся: 1)программируемые в процессе изготовления; 2)однократно програм-ые пользователем PROM; 3)програм пользователем с возможностью стирания и перепрограммирования EPROM ? для стиран использ облучение микросхемы ультрафиолетом, EEPROM ? электрически стираемая програм ПЗУ.
Dünaamiline pooljuht suvapöördusmälu
(Dynamic RAM)
DRAM - динамическая память с произвольным доступом - Dinamic Random Access Memory- разновидность полупроводниковой ОЗУ. Разделяют на: Fast Page Mode DRAM ? режим динамич памяти, переда?тся только1 адрес; Extended Data Output DRAM- в выходе имеется свой режим, там можно запускать конвейер. Новое обращение начинается, пока старое не завершено; Synchronous DRAM ? синхр-динамич память, передача данных связана с частотой процессора; Rambus DRAM- выда?т инфу из перднего и заднего фронта тактовых сигналов, Если много банков, то можно запускать конвейер, Переда?т начальн адрес и число.
Staatiline pooljuht suvapöördusmälu
(Static RAM) - статическая память с произвольным доступом - Static Random Access Memory ? вид полупроводниковой памяти. Базируется на триггерной логической схеме. Сохраняет инфо в памяти, покаи меется достаточно энергии для работы устройства. СРАМ не требует регенерации, работает быстрее, чем ДРАМ, но СРАМ дороже.
Peidikmälu, vahemälu (Cache)
Быстродействующая память, применяемая для хранения часто используемых данных и повышающая скорость обмена данными с процессором, он а является высокоскоростным буфером, связывающим оперативную память и процессор. Кэш-память разделили на встроенную в процессор и внешнюю. Встроенная кэш-память по сравнению с внешней имеет более высокое быстродействие и, естественно, стоимость. Поэтому первая меньше второй по емкости.
В кэш-память записывается часть команд и данных, содержащихся в оперативной памяти. При этом, нередко, создаются две кэш-памяти, одна из которых хранит команды, а другая - данные. Методика выбора команд и данных, которые передаются из оперативной памяти в кэш-память, определяет скорость обработки данных, ибо может оказаться, что в некоторые моменты времени в кэш-памяти нет нужных команд или данных. В этих случаях, процессор переходит в режим ожидания, а из оперативной памяти в кэш-память передается нужное. Поэтому алгоритм выбора команд и данных из оперативной памяти определяет быстродействие всей системы.
После окончания процесса обработки полученные данные должны быть записаны в память. Проще всего использовать сквозную запись для передачи этих данных в оперативную память. Но, при этом оказывается, что во время этой передачи процессор находится в режиме ожидания. Чтобы избежать этого, все чаще, применяют так называемую прямую обратную запись.
Konveier protsessoris (Pipeline)
Можно разделить на независимые этапы:
1)(IF)Загрузка кода команды; 2)(OF)Загрузка операнда (загружается на буферные регистры); 3)(OE)выполнение команд (в течении одного такта); 4)(OS)Результат загружается куда-то в регистровый банк. Каждый шаг требует 1 такт, 4 такта ? выполнена команда.
Без конвейера:
Выполнение программы с конвейером:
RISC/CISC
RISC - CISC protsessor RISC - Reduced Instruction Set Computers, компьютеры с сокращщеным набором команд. процессоры RISC характеризуются следующим:
- упрощенный набор команд, имеющих одинаковую длину;
- большинство команд выполняются за один цикл процессора;
- отсутствуют макрокоманды, усложняющие структуру процессора и уменьшающие скорость его работы;
- взаимодействие с оперативной памятью ограничивается операциями пересылки данных;
- резко уменьшено число способов адресации памяти;
- создан конвейер команд, позволяющий обрабатывать несколько из них одновременно;
- используется высокоскоростная память.
Бывают еще и CISC - Complex Instruction Set Computers - компьютеры со сложным набором команд. В данном контексте набор команд означает элементарные операции самого процессора, выполняемого им при работе программы. RISC процессоры нужны потому что они работают быстрее процессоров CISC с аналогичными характеристиками. Кроме того, программы для RISC при прочих равных условиях имеют меньший объем, нежели для CISC.
Käsu täitmine protsessoris
(Instruction Execution, fetch-decode-execute cycle)
Архитектура фон Неумана синонимична понятию хранимой прграммы такой, которая может постоянно сохраняться в компе и (благодаря способу кодирования) может управляться или самомодифицироваться посредством машинных комманд, кот проверяются одна за другой. Адрес очередной ячейки памяти из которой следует брать команды указывается сч?тчиком команд в устройстве управления.
operatsioonautomaat (Data Path)
Операционный автомат состоит из регистров, сумматоров и и других узлов, производящих при?м из внешней среды и хранение кодов , слов, их преобразованияи выдачу во внешнюю среду результата преобразования, а так же выдачу в управл автомат и внешн среду оповещающих сигналов о знаках и особых значениях операндов, их отдельных разрядовособых значениях, промежуточных и конечных результатов операции.
juhtautomaat (CU)
(CU - Control Unit) ? устройство управления руководит работой компа. Оно автоматически, последовательно по одной, получает команды из памяти, декодирует каждую из них и генерирует необходимые для е? выполнения сигналы. Для того чтобы получить команду из памяти, устройство управления, прежде всего, должно знать е? адрес. Обычно команды выбираются из последовательных ячеек памяти, и их адреса указываются програмным сч?тчиком, находящимся, в устройстве управления. Далее, чтобы иметь возможность декодировать и выполнять текущую команду е? нужно где-то запомнить. Для этой цели в устр-ве управл служит регистр команды.
Для того чтобы быть правильно проинтерпретированной уст-вом управления, команда должна иметь определ?нную структуру, которую называют форматом команды.
Следующая ф-я уст-ва управл ? это синхронизация работы отдельных блоков компа. Она осущест-сяс помощ генератора тактовых импульсов или тактового генератора. Обработка команды занимает неск периодов тактового генератора. Выборка, декодирование и и выполнение распадаются на неск временных интервалов. Каждый из этих интервалов, включающих один или большее число периодов тактового генератора представляет собой т.н. машинный цикл. Совокупное время, требуемое для выборки, декодирования и выполнения команды, образует командный цикл, или цикл выполнения команды.
käsuregister (IR)
(IR - Instruction Register) käsudekooder (Instruction Decoder) ? регистр команд ? в то время как слово данных всегда состоит из одного байта, команда может состоять из одного, двух или тр?х байтов. Первый байт любой команды поступает из памяти по шине данных на регистр команд. Этот первый байт пода?тся на вход дешифратора команд, который определяет е? смысл. В частности, дешифратор определяет, является ли команда однобайтовой или она состоит из большего числа байтов, а так же декодер определяет код команды и какую команду надо выполнять. В случае если команда больше 1 байта, то дополнительрые байты передаются по шинам данных из памяти и принимаются или на регистр адреса данных или на один из общих регистров.
käsuloendur(IP)
(PC - Program Counter, IP - Instruction Pointer) ? (называется сч?тчиком, тк реализован на сч?тчике)его задача ? уазать следующую команду, поэтому в н?м никогда не сохраняется адрес команды, кот выполняется сейчас, а сохраняется адрес следующей команды. Сч?тчик команд состоит из 16 битов и содержит адрес очередного байта команды, считываемого из памяти. Он автоматически увеличивается на еденицу после чтения каждого байта. Существует связь между сч?тчиком команд и вершиной стека из 64 регистров. Одна из функций стека ? сохранение адреса возврата из подпрограммы. В стеке могут так же сохраняться данные из верхних тр?х общих регистров и триггера переноса.
Protsessori üldstruktuur
устройство, предназначенное для выполнения команд. Процессор является (см.рис.) центральной частью компьютера, состоит из Арифметико-Логического Устройства (АЛУ) и блока управления. Для манипулирования данными он имеет также регистры. Они предназначены для кратковременного хранения данных и быстрой пересылки данных. Арифметико-логическое устройство выполняет операции над данными. Блок управления осуществляет управление этими операциями и доступом к Запоминающим Устройствам (ЗУ) и внешним устройствам. Каждый процессор характеризуется набором выполняемых команд и скоростью обработки. Важным его параметром является объем адресуемой памяти, размер обрабатываемых слов и разрядность используемой шины.
С процессором взаимодействуют три вида памяти. В "только читаемой памяти" ROM помещаются программы, необходимые для запуска компьютера и важнейших компонент Операционной Системы (ОС), например, обеспечивающих ввод и вывод данных. Более дорогая "память с произвольным доступом" RAM используется для тех данных, которые все время должны обновляться. Кэш-память позволяет увеличить производительность процессора.
ALU - aritmeetika-loogika seade
центральная часть процессора, выполняющая арифметические и логические операции. АЛУ или ALU реализует важную часть процесса обработки данных. Она заключается в выполнении набора простых операций. Арифметической операцией называют процедуру обработки данных, аргументы и результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение, деление,...). Логической операцией именуют процедуру, осуществляющую построение сложного высказывания (операции И, ИЛИ, НЕ,...). АЛУ состоит из регистров, сумматора с соответствующими логическими схемами и элемента управления выполняемым процессом. Устройство работает в соответствии с сообщаемыми ему именами ( кодами) операций, которые при пересылке данных нужно выполнить над переменными, помещаемыми в регистры.
Multipleksor
устройство, кот объединяет информацию, поступающую по нескольким каналам ввода и переда?т е? по одному выходному каналу. М. для аналоговых сигналов состоят из реле и транзисторных ключей, для цифров сигналов состоят из стандартн логич элементов. Типичный М. имеет несколько входов и один выход. Входы М. активизируются входом выбора данных, определяющих вход, по кот данные будут приниматься.
Данный М. имеет 2 линии управления входами (S1, S0). Пут?м подачи соотв двоичного кода на линии выбираем один из 4 выходов. Кроме селекции потоков данных, М. широко используются для преобразования данных из параллельного кода в последовательный.
Dekooder
комбинац-я схема с неск входами и выходами, преобразующая код, подаваемый на входы, в сигнал на одном из выходов. Если на входы Д подаются двоичн переменные, то на одном из выходов обязательно выработается сигнал 1, а на остальных сохраняются сигналы 0. Д. основного типа представляет собой комбинац схему с n входами и 2n выходами. Каждая выходная линия однозначно соответствует одной из 2n возможных комбинаций входных сигналов. Д. используется когда нужно выбрать из нескольк альтернатив (команды, управл сигналы, источники данных и их получатели) в запом устройствах в помощью Д. выбираются ячейки для считывания записи. В системах ввода/вывода Д. применяются для выбора одного из многих портов, посылающих или принимающих данные. Если каждый выходной элемент Д. имеет вход для сигнала синхронизации ? то это Д. со входом синхронизации. Из неск Д. можно строить Д. на большее число входов.
Võrdlusskeem(компаратор)
компаратор (схема сравнения) ? Аналоговый компаратор сравнивает уровни на положительном выводе PE2 (AC+) и отрицательном выводе PE3 (AC-). При напряжении на положительном выводе PE2 (AC+) большем, чем напряжение на отрицательном выводе PE3 (AC-), выход аналогового компаратора ACO устанавливается в состояние 1. Выход компаратора может быть использован для управления входом захвата таймера/счетчика1. Кроме того, компаратор может формировать свой запрос прерывания. Пользователь может задать формирование запроса на прерывание по нарастающему или падающему фронту или по переключению. Блок-схема аналогового компаратора, со схемами обрамления, показана на Рис
устройство сравнения 2 элементов с целью проверки их идентичности. В электронике: схема, сравнивающая 2 подаваемых на е? вход напряжения и определяющая какое из значений больше (либо меньше, либо равно) другому. Существуют как аналоговые, так и цифровые К., прич?м в последних группы битов, которыми представлены уровни, сравниваются как двоичн числа. В системе обр информации компаратор ? средство для сравнентя двух элементов данных (например 2х слов) с целью определить, совпадают ли они.
Koodimuundur. Изменитель кода (Code converters) - комбинационная схема, кот. Конвертирует один код в другой.
Summaatorid
логический операционный узел, выполняющий арифметическое сложение кодов двух чисел. При арифметическом сложении выполняются и другие дополнительные операции: уч?т знаков чисел, выравнивание порядков слагаемых и тому подобное. Указанные операции выполняются в арифметическо-логических устройствах (АЛУ) или процессорных элементах, ядром которых являются сумматоры.
Классификация
В зависимости от системы счисления различают:1)двоичные; 2)двоично-десятичные (в общем случае двоично-кодированные); 3)десятичные; 4)прочие (например, амплитудные).
По количеству одновременно обрабатываемых разрядов складываемых чисел: 1)одноразрядные, 2)многоразрядные.
По числу входов и выходов одноразрядных двоичных сумматоров: 1)четвертьсумматоры (элементы ?сумма по модулю 2?; элементы ?исключающее ИЛИ?), характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются два одноразрядных числа, и одним выходом, на котором реализуется их арифметическая сумма; 2)полусумматоры, характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются одноим?нные разряды двух чисел, и двух выходов: на одном реализуется арифметическая сумма в данном разряде, а на другом ? перенос в следующий (более старший разряд); 3)полные одноразрядные двоичные сумматоры, характеризующиеся наличием тр?х входов, на которые подаются одноим?нные разряды двух складываемых чисел и перенос из предыдущего (более младшего) разряда, и двумя выходами: на одном реализуется арифметическая сумма в данном разряде, а на другом ? перенос в следующий (более старший разряд).
По способу представления и обработки складываемых чисел многоразрядные с. подразделяются на: 1)последовательные, в которых обработка чисел вед?тся поочер?дно, разряд за разрядом на одном и том же оборудовании; 2)параллельные, в которых слагаемые складываются одновременно по всем разрядам, и для каждого разряда имеется сво? оборудование. Параллельный сумматор в простейшем случае представляет собой n одноразрядных сумматоров, последовательно (от младших разрядов к старшим) соедин?нных цепями переноса. Однако такая схема сумматора характеризуется сравнительно невысоким быстродействием, так как формирование сигналов суммы и переноса в каждом i-ом разряде производится лишь после того, как поступит сигнал переноса с (i-1)-го разряда.Таким образом, быстродействие сумматора определяется временем распространения сигнала по цепи переноса. Уменьшение этого времени - основная задача при построении параллельных сумматоров.
По способу организации межразрядных переносов параллельные с., реализующие структурные методы, делят на с.: 1)с последовательным переносом; 2)с параллельным переносом; 3)с групповой структурой; 4)со специальной организацией цепей переноса.
Loendurid
Счетчики - Это устройства предназначенные для подсчета числа сигналов, поступающих на его вход и фиксация этого числа в виде кода хранящегося в триггерах.
Количество разрядов счетчика определяется наибольшим числом, которое должно быть получено в каждом конкретном случае. Для подсчета и выдачи результата счетчики имеют один вход и n выходов, где n-количество разрядов. В общем случае счетчик имеет 2ⁿ устойчивых состояния, включая и 0-е. Количество устойчивых состояний называется коэффициентом пересчета счетчика (М= 2ⁿ). По назначению счетчики подразделяются на: простые и реверсивные. Простые счетчики- счетчики, работающие только на сложение или вычитание. Суммирующий счетчик предназначен для выполнения счета в прямом направление, т.е. с приходом очередного сигнала показатель счетчика увеличивается на 1. Вычитающий счетчик предназначен для счета в обратном направлении, т.е. с приходом нового сигнала счетчик уменьшается на 1. Реверсивный счетчик может работать и на
сложение и на вычитание. По способу организации счета счетчики бывают: асинхронные или синхронные. По способу организации цепей переноса между разрядами счетчика счетчики бывают:последовательные, параллельные и частичнопараллельные.
Registrid
Регистры - это устройства предназначенные для хранения информации, а также выполнение над ними некоторых логических преобразований. Регистры выполняются на триггерах, число которых соответствует числу разрядов в регистре.
Регистры могут выполнять следующие операции :
1.Установка в ноль. 2.Прием кода из другого устройства. 3.Передача кода в другой устройство. 4.Сдвиг кода вправо или влево на определенное число разрядов. 5.Преобразование последовательного кода в параллельный и наоборот. 6.Преобразование прямого кода в обратный или дополнительный и наоборот. 7.Выполнение логических операций.
Различают параллельные регистры, последовательные, последовательно-параллельные и параллельно-последовательные. Регистры бывают парафазные и однофазные. Однофазные - поступает код числа. Парафазные - вместе с кодом числа поступает и его инверсия. Регистры сдвига предназначены для выполнения операции сдвига кода слова.
Сдвиг кода влево на один разряд будет соответствовать умножению сдвиг вправо - делению. Сдвигающие регистры выполняют на сложных двухтактных триггерах. При использовании простых однотактных триггеров в схему необходимо поместить еще один регистр, предназначенный для промежуточного запоминания кода слова в процессе сдвига.
Trigerid
(RS,JK,MS,D,T) - Т -это устройства предназнач для хранен одного разряда информации. Т. имеют два устойчивых состояния: "0" и "1" Т. имеет два выхода прямой и инверсный. Состояние т. определяется по прямому выходу. Асинхронным - называется такой т., кот меняет свое состояние в момент подачи входного сигнала на входы S и R.
RS ? триггеры Асинхронный RS-триггер с прямыми входами Активным сигналом для этой схемы является логическая 1
Вход R - это вход установки триггера в состояние логического 0, вход S - это вход установки триггера в состояние логической 1.
Работа триггера определяется таблицей переходов.
Асинхронный RS-триггер с инверсными входами.
Активным сигналом для этой схемы является логический 0.
Работа триггера определяется таблицей переходов.
Синхронный RS-триггер
Триггер называется синхронным, если у него помимо информационных входов S и R, существует управляющий вход С. Триггер будет менять свое состояние только ри логической 1 на входе С.
Активным сигналом для этой схемы является логическая 1.
Т ? триггеры Асинхронный Т-триггер Это устройство с двумя устойчивыми состояниями и одним информационным входом Т ? такой триггер называется асинхронный Т-триггер. Т-триггер работает по заднему фронту информационного сигнала. С приходом 1 на вход Т, триггер меняет свое состояние на противоположное.
Синхронный Т-триггер
Д-триггеры D-триггер (триггер задержки) - это устройство с двумя устойчивыми состояниями, и одним информационным входом.
JK-триггер
При подаче переднего фронта импульса на вход С, начинает работать первый
синхронный RS-триггер, который построен на элементах 1,2,3,4. Значение на выходе
RS-триггера определяется значением на входе Jи K. Второй RS-триггер находится в
режиме хранения. При подаче на вход С заднего фронта синхроимпульса, первый
RS-триггер переходит в режим хранения. Его значение на выходе поступает на второй
RS-триггер.
Универсальный JK-триггер может использоваться как D, T и RS-триггер.
Kombinatsioonskeemid ja järjestikskeemid.
Логическая схема, которая полностью описывается булевыми выражениями или таблицами истинности, называется комбинационной схемой. Таким образом, комбинационная схема - схема, в которой значения входных переменных в текущий момент времени полностью определяют значения выходных переменных, те зная логическое значение входа в данный момент можно вычислить через соотв Булеву ф-ю значение выхода. Отсутствует зависимость от выхода в предыдущ момент времени. Другой класс схем ? последовательные схемы. Это схемы с внутренней памятью. В них значения выходных переменных определяются не только значениями входных переменных в текущий момент времени, но и их значениями в предыдущие моменты времени. С помощью тактового входа t определяется, когда переходить из одного состояния в другое.
Mikroskeemide valmistamise tehnoloogiad
Униполярные технологии:
MOSFET:n-channel MOS - n-МОП ? транзистор с полевым эффектом, p-channel MOS, Complementary MOS (CMOS)КМОП ? на одном кристалле могут быть элементы с разной производимостью, Управление выходным транзистором.;
биполярные технологии:
DL диодная логика, DTL ? диодно-транзисторная логика (вход-диод, выход-транзистор, входКомбинаторвосстановительбуфервыход; комбин-диод, реализ ф-я, восстановит-коррекция, транзистор, буфер-усилит. коэф) TTL-транзисторно-транзисторная логика(с высокой мощностью ? H type, с низкой мощностью L type) ? тип конструкции биполярных схем в которой используются биполярные транзисторы, соединяющиеся друг с другом через резисторы. TTL-схемы ? высокая скорость и хорошая помехоустойчивость. Schottky TTL-одна из самых важных технологий ? тран-тран лог схемы с диодом Шоттки ? внутренне построено аналогично ТТЛ, за исключением использ транзисторов Шоттки - в них база и коллектор соед через диод Шоттки (полупроводниковый металич диод, обладает относительно высокой скоростью переключения), логика эмиттерной связи ECL ? Единственная отрицательная логика: логической 1 соответствует уровень, ниже чем 0, быстро действует, тип схемной структуры, в которой эмиттеры 2х транзисторов подключнены к одному сопротивлентакоим образом, что в каждый момент времени проводит ток только один транзистор, преимущества- очень высокая скорость переключения, недостатки- относительно большое число требуемых компонентов и чувствит к помехам; интегрально инъекционная логика IIL ? не используются резисторы); выход с 3-мя состояниями ? используется там, где надо отключить какой-то компонент из выходных линий; логические элементы с открытым устьем/коллектором, монтажная логика-вид цифровой логической схемы, в которой некот лог ф-и реализованы пут?м непосредственного соединения вместе выходов одного или нескольких лог элементов. На сонове монт.лог легкл реализовывать логич шины (линия или набор линий, соединяющ между собой отдельные логические устройства)
UPS- Uninterruptible power supply
UPS (uninterruptible power supply) on patareidega kast, mis hoolitseb selle eest, et
arvutil pidevalt voolu oleks ning äkitsed pingekõikumised liiga ei teeks. Enamik
hetkelisi voolukatkestusi on sellised, millest arvutid omal jõul üle saavad, aga kord
paar aastas kipub ikka pahasti minema, st arvuti lülitatakse magusal tööajal korraks
välja.
UPS on mõeldud väikeste voolukatkestuste "üle elamiseks" ja kui UPSi akud on
lõplikult tühjaks saanud, ei suuda ka tema imet teha. UPSist peaks abi olema 10-15
minutit, mille jooksul jõutakse kõrvaldada enamus suuremaid voolukatkestusi
(keskmiselt kulub selleks 6-8 min.). Lühikatkestuste ajale on juurde arvestatud väike
varu, mis kulub andmete salvestamiseks, programmide sulgemiseks ja arvuti
väljalülitamiseks juhul, kui on tegu pikema voolukatkestusega. Lihtsalt kehva voolu
puhul (voolutõuked, krooniline alapinge jne.) piisab ka filtrist. Toitevoolu filtrid on
vajalikud eriti siis, kui arvutit kasutatakse suurte voolutarbijatega (võimsad
elektrimootorid, kompressorid, külmutusseadmed) ühise toiteliini pealt. UPSil on sees
ka äikesekaitse, mis vähendab seadmete kahjustamise riski. Kui UPS hakkab
koormust toitma akudelt, informeerib ta sellest kasutajat lühikeste piiksudega. Kui aga
akud on tühjenenud niivõrd, et energiat jätkub veel paariks minutiks, informeerib UPS
sellest pideva heliga, mida ei saa välja lülitada.
Kui kaitsta oma arvutit vooluvõrgu häirete eest UPSi või toitevoolu filtriga, jääb
arvuti "tagauks" modemi telefoniliini või arvutivõrgu kaudu avatuks. Selliste
"tagauste" vastu võitlemiseks on olemas filtrid, mis ühendatakse vastavalt arvuti ja
telefoniliini või võrgujuhtme vahele. Filtreid on olemas ka arvuti järjestikliidese
40
kaitseks.
Offline (offline UPS, standby power system (SPS))-tähendab UPSi, mis käivitub vaid
elektrikatkestuse või kehva pinge ajaks, muidu on ootereziimis.
line-interactive UPS: UPSiga kaasaolev seadeldis (power-transformer) kontrollib
voolukõikumisi, ning teatud tasemel rakendub tööle, tõstes- langetades sisse tulevat
pinget. Kui sellest ei piisa, siis lülitatakse sisse UPSi aku.
Online -Kui tavaline offline -UPS jälgib sissetulevat pinget ja selle liiga suure
kõikumise korral toite kiiresti patareidele ümber lülitab, või üritab kümmekonna voldi
võrra korrigeerida, siis online -UPS toodab kogu aeg ?puhast elektrit?, tehes alati
sissetulevast toitest akupinge ja sellest jälle 220V tagasi. Linnaoludes peaks tavaline
UPS piisav olema, suurte pinge- ja sageduskõikumistega oludes peaks see aga liiga
tihti akusid kasutama ning siis on vaja online- UPSi. Eriti maksab sellele mõelda siis,
kui ehitusplatsil teeb elektrit kesine diiselgeneraator või on 220V toidet vaja näiteks
mikrobussis.
Oniline UPSid pakuvad kõige kindlamat kaitset voolukatkestuste vastu, kuna nad
töötavad pidevalt. Kasutatakse eriti tähtsate süsteemide käigus hoidmiseks: server,
telefonisüsteem.
Standby ja line-interactive UPSid sobivad kaitsma arvuteid, kus andmete kadumine
ei põhjusta kriitilisi olukordi, pigem ebamugavusi. Seda tüüpi UPSid sobivad nt
(üksikute) arvutite või faksi töö tagamiseks.
Line-interactive UPSid sobivad töökohtadele, kus voolukõikumised on sagedased
nähtused (tingitud nt konditsioneeri sisse ja välja lülitamisest jne)
Soft-UPS ilma tarkvarata on ainult veerand UPSi. Tihti pole oluline mitte see, kui
kaua akud vastu peavad, vaid soft, mis töötavad programmid viisakalt suleb. UPS, mis
suudab tarkvaraliselt arvuti sulgeda, eeldab tavaliselt ka vaba serial või USB pordi
olemasolu.
Surge- juhul kui UPS tarbetu tundub, maksab igal juhul hoolitseda selle eest, et
kõikidesse seadmetesse minev toide kaitstaks äkiliste suurte pingehüpete eest nn.
surge-protector?i abil. Palju odavam, kui UPS, kud äärmiselt hea tormise ilmaga
meelerahu tagamiseks.
cold start- funktsioon, mis lubab aku sisse lülitada ka ilma toitepinge olemasoluta,
sisemise aku abil.
UPS täidab vahelduvvooluvõrgust toidetava arvuti elektritoitesüsteemis kahte olulist
ülesannet:
1. Kui vahelduvvooluvõrgus esinevad lühema- või pikemaajalised
elektrikatkestused, siis UPS tagab arvutile , tänu temas sisalduvale
energiasalvestile (akumulaatorpatareile), veel täiendavaks ajaks normaalse
elektritoite. Selle aja jooksul saab sulgeda nii töödeldavad tegumis, kui ka
sooritada kogu arvutisüsteemi korrektse sulgemise. Seeläbi välditakse
elektrikatkestusel arvutisüsteemis infokadusid.
2. UPS kaitseb arvuti elektronlülitusi vahelduvvooluvõrgus esinevate elektriliste
häiringute kahjustava toime eest. Isegi kui võrguhäired ei kahjusta otseselt
elektronlülitusi, võib arvutis nende toimel tekkida infomoonutusi või
suuremahulist infokadu.
41
Kui elektrikatkestused, vähemalt pikemaajalised on otseselt märgatavad, siis
enamik teisi vahelduvvooluvõrgus esinevaid häiringuid jääb enamasti tähele
panemata. Need avalduvad hiljem kaudsete, sageli mõistetamatute, ebameeldivate
ilmingutena. Teades arvuti elektritoitesüsteemi mõjutavate häirete tekkepõhjusi,
olemust ja tekitatavate kahjustuste iseloomu, on hõlpsam leida meetmeid neist
vabanemiseks.
Vaatamata UPS-ide laiale valikule on nende tööpõhimõtetes ja struktuurides
eristatavad teatavad tüüplahendused. Moodne UPS koosneb peamiselt järgmistest
osadest:
1. vahelduv- alalispingemuundur
(akulaadur) ? lülitus, mis muundab UPS-i sisendil võrgust saadava
vahelduvvoolu (vahelduvpinge) alalisvooluks (alalispingeks), et selle energiat
salvestada akumulaatorpatareisse. Muundur kõrvaldab ühtlasi vahelduvvoolus
esinevad impulsshäiringud ja ülepinged.
2. Alalis- vahelduvpingemuundur
(inverter)- lülitus, mis muundab patarei alalispinge taas ettenähtud
parameetritega vahelduvpingeks, millega toidetakse arvutit.
3. Akumulaatorpatarei
(patarei) ? teatud tüüpi akumulaatorelementidest koostatud energiasalvesti,
mida energiaga varustab akulaadur ning mille energiat kasutab inverter.
Enamiku patareide energiamahutavusest piisab, et toita arvutit 5- 15 minuti
jooksul. Mõnele UPS-ile saab külge ühendada veel täiendavaid patareisid
(seeläbi suureneb aeg, mille jooksul toidetakse arvutit UPS-i patareilt).
4. Kommutatsioonilülitused
? lülitused, mis korraldavad elektrienergia edastust UPS-i väljundile, kas
patareilt või läbi kaitselülituse otse vahelduvvooluvõrgust.
Kommutatsioonilülitused tagavad, et elektrikatkestusel vahelduvvooluvõrgus
lülitutakse võrgutoitelt automaatselt ümber patareitoitele.
Nn. ?arukates UPS-ides? (smart UPS) on sardmikrokontroller, mis reaalajas juhib
UPS-i energiamuundurite tööd, kontrollib sisendväljundpingete parameetreid ja
standardse liidese (tüüpiliselt RS- 232C) kaudu suhtleb personaalarvutiga. Viimases
hoitakse UPS-i tarkvara utiliite.
Tööpõhimõtete järgi jaotuvad UPS-id kolme
põhiliiki:
1. sidus-UPS (on-line UPS),
2. vallas-UPS (off-line UPS, standby UPS),
3. interaktiivne ehk aktiivne vallas-UPS (lineinteractive
UPS, active standby UPS)
42
Spetsiaalse riistvara
? Spetsiaalse riistvara realiseerimise võimalused.
Personaalarvuti universaalsus tuleneb põhimõtteliselt tema ehitusest. Kasutusvalmis
arvutit võib vaadata koosnevana kahest võrdväärsest osast − riistvarast ja tarkvarast.
Riistvara olemuse paremale mõistmisele oli pühendatud kogu käesolev kirjatöö.
Tarkvara jäi vaatluse alt välja.
Riistvara talitlus põhineb universaalsel protsessoril, mille tööd toetavad emaplaadil ja
keskseadmes asuvad komponendid ning sisend-väljundseadmed. Piltlikult öeldes
kujutab protsessor endast plastmassist karbikest, mis tekitab ühele elektrisignaalide
hulgale vastava teise elektrisignaalide hulga. See, missugune elektrisignaalide hulk
tekitatakse, sõltub kolmandast elektrisignaalide hulgast. Kogu arvuti riist- ja tarkvara
koostöö tulemusena vastab esimene elektrisignaalide hulk üheselt töödeldavatele
andmetele, teine töötluse tulemusele ja kolmas hulk töötlusprogrammile. Protsessori
universaalsus põhineb signaalide ja töötluse lihtsusel. Töötlusel tekkivate signaalide
kaks võimalikku olekut sõltuvad ainult esimese ja kolmanda signaalihulga signaalide
samasugustest olekutest. Töötlus ise seisneb vastavate signaalide olekute analüüsis ja
tulemusele vastava uue signaali tekitamises. Analüüs ise on üsna lihtne, veidi
keerulisemaks teeb asja ainult see, et neid analüüse tuleb teha suhteliselt palju ja
kiiresti.
Sisuliselt tagab universaalsuse asjaolu, et signaalitöötlust saab vaadata kui infotöötlust
− informatsiooni on võimalik teisendada ühest olekust teise ja töötlusseade on
paindlikult juhitav.
Arvuti universaalsus avaldub kolmes aspektis:
1) Programmi universaalsus: arvutile võib koostada lõpmatult programme, mida saab
käivitada praktiliselt piiramatu arvu kordi.
2) Andmete universaalsus: arvuti sisemine andmekuju on universaalne, andmeid saab
põhimõtteliselt alati töödelda.
3) Realisatsiooni universaalsus: arvuti kui standardne toode on samal kujul kasutatav
paljude erinevate ülesannete lahendamiseks mitmes eri kohas. Ühte ülesannet on
võimalik lahendada paljudel eri arvutitel.
Need kolm aspekti lubavad arvutit kasutada lõpmatu arvu ülesannete lahendamiseks.
Samal ajal on arvuti kasutamises terve rida kitsendusi, mis avalduvad nii igas aspektis
eraldi kui ka teatud ülesannete lahendamise võimalikkuses üldse. Üks piiranguid on
seotud sisend-väljundseadmete suhteliselt kitsa valikuga. Traditsioonilised sisendväljundseadmed
piirduvad informatsiooni muundamisega inimesele harjumuspäraselt
kujult arvuti sisekujule ja vastupidi. Sellega seoses osutub vajalikuks inimese osalus
ülesannete lahendamise juures. Siit leiame ka ühe vastuse sissejuhatuses esitatud
küsimusele arvuti kasutusvõimaluste laiendamise kohta − need oleksid märksa
avaramad suurema sisend-väljundseadmete valiku puhul. Arvuti lisaseadmete
43
komplekti määravad mitmed majanduslikud ja tehnilised asjaolud, seetõttu peatume
arvuti kasutamisel ebatraditsiooniliste ülesannete lahendamiseks vaid lühidalt.
Arvuti ebatraditsiooniliste kasutusviiside all mõeldakse mittetavapäraste
infotöötlusülesannete lahendamist tavalisel PC-arvutil. Tavapäraseks loeme ülesannet,
mis on sisestatav-väljastatav arvuti tavakomplekti kuuluvate sisendväljundseadmetega.
Mittetavapäraste ülesannete lahendamisel huvitab meid esmajoones ülesandega
seotud andmete ebatraditsiooniline sisestus-väljastus, sest ülesande
lahendusprogrammi sisestamiseks on mõttekas kasutada traditsioonilisi vahendeid.
Andmete veidi erinev sisestamine on uudne siiski ainult tavakasutajale, spetsialistid
tegelevad probleemiga juba personaalarvuti loomisest alates.
Ebatraditsioonilisi ülesandeid on arvutisobivuselt kahte liiki, kusjuures piir nende
vahele pole selgesti eristatav. Esimest liiki ülesannete puhul ei teki probleemi
informatsiooni teisendamisega (tavaliselt on tegemist arvutiga koostööks mõeldud
seadmetega). Lihtsamal juhul toimub andmevahetus niisuguste seadmetega arvuti
tavaliideste vahendusel. Keerukamal juhul, kui tavaliideseid pole piisavalt või ei sobi
kasutatav signaaliedastusviis, läheb vaja täiendavaid tehnilisi vahendeid.
Arvutipõhiste seadmete korral on ka see probleem tavaliselt lahendatud, näiteks
arvutisse asetatavate täiendavate liidesplaatide kuulumisega seadme komplekti.
Teist laadi ebatraditsiooniliste ülesannete puhul lisanduvad andmeedastusele ka
informatsiooni teisendamisega seotud probleemid. Reeglina kaasneb taoliste
ülesannetega täiendavate tehniliste vahendite vajadus. Lihtsamal juhul on võimalik
osta ja kasutada valmisseadmeid, keerukamal juhul tuleb need projekteerida ja
valmistada. Sagedamini läheb käiku segavariant.
Ebatraditsiooniliste ülesannete lahendamine on huvitav lisavõimalus PC
kasutamiseks, kuid tavakasutajate hulgas see laialt levinud ei ole. Põhjusi on mitmeid
− alates vajalikest lisateadmistest ja lõpetades sellega, et puuduvad lihtsad vahendid
niisuguseks tegevuseks. Hoopis enam ja sageli kasutajale märkamatult rakendatakse
niisuguste ülesannete lahendamisel spetsiaalset arvutustehnikat, millest teeme
põgusalt juttu järgmises jaotises.
o Programne realisatsioon
Olgu meil vaja realiseerida spetsiaalne digitaalne seade või protsessor mingiks
ülesandeks. Näiteks juhtida tööpinki, analüüsida mingi keemilise protsessi kulgu,
juhtida auto sissepritset ja süüdet, mobiiltelefonile protsessor jne. Millised on siin
realiseerimise võimalused. Esimene on programne realisatsioon. See tähendab, et me
ühendame näiteks paralleelpordi külge oma personaalarvutil juhitava seadme ning
kirjutame programmi juhtalgoritmi täitmiseks. Realisatsioon on programne selles
mõttes, et juhtalgoritm on realiseeritud arvuti mälus säilitatava programmina mida
protsessoris käskhaaval täidetakse.
Head omadused:
saab kasutada harjumuspärast tarkvara
44
Suhteliselt lihtne teha muudatusi
Kui see on probleem, siis suhteliselt vähe on vaja tunda riistvara
Puudused:
aeglane võrreldes riistvaralise realisatsiooniga sest programmi täitmisel toimub ju
pidevalt käskude lugemine mälust protsessorisse ja nende täitmine seal;
PC või mõnu teine universaalne arvuti on paljudes kohtades mõttetult kallis. Juhtides
lihtsa algoritmi järgi tööpinki ei kasuta me võimsa arvuti ressurssidest väikestki osa;
Füüsilised mõõtmed ei ole alati vastuvõetavad.
Mõned neist puudustest saab lahendada mikrokontrolleri abil. Mikrokontroller
kujutab endast ühel kristallil realiseeritud arvutit. Seal on olemas protsessor, taimer,
liidesed, mälu, katkestuse süsteem jne. Tõsi ? mälu maht on piiratud ja ka muud
parameetrid ei ole PC-ga võrreldavad, kuid lihtsamaid programme on ta võimeline
täitma. Omadused võrreldes mikrokontrollerita programse realisatsiooniga:
Head omadused
Kasutada tuleb oma spetsiaalset tarkvara programmeerimisel
samuti suhteliselt lihtne teha muudatusi
eeldab suuremat riistvara tundmist, vähemalt riistvara lähedast programmeerimist
Puudused
aeglane võrreldes riistvaralise realisatsiooniga, sest programmi täitmisel toimub ju
pidevalt käskude lugemine mälust protsessorisse ja nende täitmine seal;
võrreldes PC-ga suhteliselt odav, aga ka mälu ja muud ressursid võivad osutuda
paljudes kohtades ebapiisavateks;
füüsilised mõõtmed on oluliselt väiksemad kui PC-l, kuid mõneski kohas
kasutamiseks liiga suured (nt mobiiltelefon)
o Riistvaraline realisatsioon
Alati võib algoritmi realiseerida riistvaras nagu juhtautomaadi protsessoris. See
tähendab, et algoritm realiseeritakse loogikaskeemina. Edasi loogikaskeemi
realiseerimine võib toimudatrükkplaadina komponentidest (mikroskeemidest)
koostatud loogikaskeemiga või kristalli pinnal ühe mikroskeemina (ASIC ?
application specific integrated circuit). Erinevus on siin vaid tehnoloogilist laadi.
ASIC-u valmistamine eeldab terve rea etappide läbimist enne kui meil on valmis oma
loogikaskeemi prototüüp katsetusteks. Kogu disain nõuab suhteliselt kalli spetsiaalse
tarkvara (CAD ? computer aided design) olemasolu. Kõigi realisatsioonide puhul ei
ole sellise tarkvara hankimine võimalik. Selleks, et saada esimene prototüüp on vaja
teha kõik maskid ja valmistada mikroskeem. Suurte partiide korral on selliste maskide
tegemine ja siis nende abil paljude mikroskeemide valmistamine otstarbekas.Alguses
katsetamise ajal on ka suhteliselt aeganõudev, kallis ja tülikas teha muudatusi mida
siiski ilmselt vältida ei saa. Muudatused võivad olla tingitud nii disaini vigadest kui ka
tellija poolsest nõudmiste muutustest, mis kerkivade esile katsetamise faasis.
Oma mikroskeem (ASIC):
Eelised
Suurte seeriaate puhul odavam toota;
turvalisus;
väiksem komponentide arv;
Suurem komponentide tihedus vähendab energia kulu ja suurendab töökiirust
Puudused
Väikeste seeriate korral kõrged projekteerimise ja prototüübi valmistamise kulud;
45
Pikk juurutamise ja prototüübi valmistamise aeg;
Tülikas muudatuste tegemine.
Disainid võivad olla:
Full custom design ? toote jaoks tehakse algusest lõpuni oma mikroskeem (CAD,
Silicon Compailer)
Semicustom Design ? kasutatakse vamis toorikuid ja disainitakse ainult osa, mis
realiseerib vajalikku toodet (gate arrays, standart cells)
o Programmeeritav loogika ja riistvara programmeerimise
tehnoloogiad
PLD-programmable Logic Devices.
Mikroskeemi valmistamise ja programse realisatsiooni vahel on olemas veel üks
spetsiaalse riistvara realiseerimise võimalus ? programmeeritav loogika. Siin
programmeeritav loogika tähendab tegelikult mitte protsessoris täidetava programmi
kirjutamist, aga riistvara tooriku konfigureerimist vastavalt oma rakendusele.
Programmeerimise all tuleb siin mõista konfigureerimist.
Konfigureerimiseks/programmeerimiseks kasutatakse põhiliselt kolme tehnoloogiat:
Staatilise suvapöördusmälu (SRAM) tehnoloogia
SPRAM tehnoloogias moodustatakse toorikul (tavaliselt maatriks) SPRAM trigeritest
suur nihkeregister. Kandes sinna registrisse bittide jada toimubki konfigureerimine.
SPRAM tehnoloogia omadusi:
funktsionaalseid blokke ja ühendusi juhitakse SPRAM trigeritega;
Ühenduselemendid on sama kristalli pinnal;
Konfigureerimine ei ole destruktiivne protsess;
Programmeerimine toimub pärast toite sisselülitamist ja võimalik on töö ajal
ümberkonfigureerimine;
Vajalik toite sisse lülitamisel konfigureerimiseks väline mäluga seade, kus hoitakse
konfiguratsioonifaili;
SPRAM elemendid on suured (5 transistori), nõuavad toidet, infoliine, maandust ja
valiku liine;
Saab valmistada koos muu loogikaga samas CMOS tehnoloogias
SPRAM mäluelementide disaini on palju ja põhjalikult uuritud.
Anti-fuse ja Fuse tehnoloogia
Antifuse tehnoloogia juures tekitatakse kahe metalli vahele voolu impulsiga ühendus.
Algselt on metallide vahel amorfne räni, millel on väga suur takistus (ühendus metalli
juhtide vahel praktiliselt puudub), mis voolu impulsi toimel sulab ja moodustab
ühenduse (väikese takistusega piirkond)
Antifuse tehnoloogia omadusi:
modifitseeritud CMOS tehnoloogia ja vajalik eraldi vamistamise etapp, millega
valmistatakse juhtide vahele väga õhuke isolatsioonikiht;
Programmeerimine on destruktiivne ? põletatud ühendus ei ole taastatav;
Programmeeritakse toitest oluliselt kõrgema pingega ja seega on paljudes kohtades
vajalik täiendav isolatsiooni kiht;
Ei ole võimalik lugeda välja konfiguratsioonifaili;
Sobivad multipleksorite valmistamiseks
Fuse tehnoloogia korral on juhi teatud poorkond tehtud oluliselt väiksema ristlõike
pindalaga ja nüüd saab selles piirkonnas ühenduse voolu impulsiga katkestada. Seega
46
ühel juhul konfigureerimisel tekitatakse ühendusi ja teisel juhul neid ühendusi
katkestatakse konfigureerimisel/programmeerimisel.
EPROM, EEPROM ja Flash tehnoloogia.
Antud tehnoloogiad on samasugused nagu on vastavate püsimälude
programmeerimise tehnoloogiad ja neid on kirjeldatud püsimälude juures.
omadused:
Sobib kokku standard CMOS tehnoloogiaga;
Protsess ei ole destruktiivne;
Puuduseks on laengute hajumine;
EEPROM ja Flash tehnoloogia korral saab programmeerida mikroskeemi eraldamatta.
***
Kasut. loogiliste funktsioonide realiseerimiseks. Maatriksid jagunevad AND- ja OR
maatriksiteks. Mõlemat liiki maatriksid kujutavad endast ristuvate siinide süsteemi,
kus üksikjuhtmeid saab ristumiskohtades omavahel ühendada või vastupidi
olemasoleva ühenduse katkestada. Tegelik ühendamine toimub transistoride ja
dioodide abil. Programmeerimine siin tähendab mitte sissepõletamist skeemi, vaid
riistvara konfiguratsiooni sissepõletamist.
Näiteks funktsioon :
Dioodide maatriks realiseerib meie funktsiooni. Joonisel on ringidega
tähistatud dioodid. Sellise maatriksi valmistamiseks tehakse tehases valmis toorik, kus
on kõikidel positsioonidel dioodid ning hiljem põletatakse nende ühendused välja, mis
pole vajalikud. On võimalik ka konjuktsioonmaatriks, kui dioodide asemel on
transistorid. Siis põletatakse välja mittevajalikud emitterühendused
47
disjunktiivset normaalkuju realiseerivad lihtsamad
maatriks-struktuurid (PAL - Programmable Array
Logic, PLA -Programmable Logic Array)
Programmable array logic (PAL) is a programmable logic device used to implement
combinational logic circuits. The PALs were the first programmable logic devices for
the commercial market, introduced by Monolithic Memories, Inc. (MMI). The PAL,
in comparison to the PLA has a fixed set of OR gates, and thus a fixed number of
programmable AND planes. However, the PAL allows reuse of function outputs, and
can be then used in another PAL program block. Early PALs were 20-pin DIP (dual
inline package) components fabricated in bipolar silicon transistor technology with
nichrome programming fuses. The 16L8 and 16R8 were popular members of the
product family. The devices have fixed-or, programmable-and-plane arrays of
transistor cells to implement 'sum-of-products' binary logic equations for each of the
outputs in terms of the inputs and either synchronous or asynchronous feedback from
the outputs. Before PALs were introduced digital designers would use SSI (smallscale
integration) components, such as 7400 series nand gates and D-flipflops. One
PAL device would typically replace dozens of such 'discrete' logic packages, so the
SSI business went into decline as the PAL business took off. PALs were used
advantageously in many products, such as minicomputers, as documented in the bestselling
book "The Soul of a New Machine."
Early PALs were programmed using PALASM language files (converted by a
compiler into JEDEC ASCII/hexadecimal files) and a special electronic programming
system available from either the manufacturer or a third-party, such as DATAIO.
Gang programmers were used when more than just a few parts were needed and for
large volumes the manufacturer would fabricate a custom metal mask for
manufacturing so electrical programming could be eliminated to reduce cost.
PALASM was used to express boolean equations for the outputs pins in a text file
which was then converted to the 'fuse map' file for the programming system using a
vendor-supplied program; later the option of translation from schematics became
common, and later still, 'fuse maps' could be 'synthesized' from an HDL (hardware
description language,) such as Verilog.
After MMI succeeded with the 20-pin PAL parts, AMD introduced the 24-pin 22V10
PAL with additional features. After buying out MMI (1987?), AMD spun off a
consolidated operation as Vantis, and that business was acquired by Lattice
Semiconductor in 1999.
Programmable Logic Array (PLA) - This device has both programmable AND and
OR planes. The space-flight application that I am aware utilized the bipolar, fusebased,
82S100 in the central processing units of the Magellan and Galileo attitude
control computers. PLA structures may also appear as part of some CPLDs. The two
layers of programmable structure add a fixed delay.
kasutaja poolt programmeeritavad maatriksstruktuurid
(FPGA - Field Programmable Gate Array)
48
This device is similar to the gate array, defined above, with the device shipped to the
user with general-purpose metallization pre-fabricated, often with variable length
segments or routing tracks. The device is programmed by turning on switches which
make connections between circuit nodes and the metal routing tracks. The connection
may be made by a transistor switch (which are controlled by a programmable memory
element) or by an antifuse. The transistor switch may be controlled by an SRAM cell
or an EPROM/EEPROM/Flash cell. Timing is generally not easily predictable. Some
architectures employ dedicated logic and routing resources for optimizing high-speed
functions such as carry chains, wide decodes, etc.
The PROM, PAL, AND PLA are three related devices. They share an architecture
that consists of AND and OR planes. Additional features such as programmable I/O
blocks, storage registers, etc., may be included in these devices. Commercial,
military, and space devices use a variety of programmable elements. A complete list
is beyond the scope of this tutorial. Some aerospace examples are given below.
arhitektuur
The architecture consists of an array of logic blocks and routing channels. Two I/O
pads fit into the height of one row or the width of one column. All the routing
channels have the same width (number of wires).
Each circuit must be mapped into the smallest square FPGA that can accommodate it.
For example, a circuit containing 14 logic blocks and 10 I/O pads would be mapped
into an FPGA consisting of a 4x4 array of logic blocks.
The FPGA logic block consists of a 4-input lookup table (LUT), and a flip-flop, as
shown at below.
There is only one output, which can be either the registered or the unregistered LUT
output. The logic block has four inputs for the LUT and a clock input. Since the clock
is normally routed via a special-purpose dedicated routing network in commercial
FPGAs, do NOT route it or include it in your track count results. That is, you can
completely ignore the clock net, since it is assumed to be routed on a special global
network.
49
The l ocations of the FPGA logic block pins are shown below.
Each input is accessible from one side of the logic block, while the output pin can
connect to routing wires in both the channel to the right and the channel below the
logic block.
Each logic block output pin can connect to any of the wiring segments in the channels
adjacent to it. The figure below should make the situation clear.
Similarly, an I/O pad can connect to any one of the wiring segments in the channel
adjacent to it. For example, an I/O pad at the top of the chip can connect to any of the
W wires (where W is the channel width) in the horizontal channel immediately below
it.
The FPGA routing is unsegmented. That is, each wiring segment spans only one logic
block before it terminates in a switch box. By turning on some of the programmable
switches within a switch box, longer paths can be constructed.
Whenever a vertical and a horizontal channel intersect there is a switch box. In this
architecture, when a wire enters a switch box, there are three programmable switches
that allow it to connect to three other wires in adjacent channel segments. The pattern,
or topology, of switches used in this architecture is the planar or domain-based switch
box topology. In this switch box topology, a wire in track number one connects only
to wires in track number one in adjacent channel segments, wires in track number 2
connect only to other wires in track number 2 and so on. The figure below illustrates
the connections in a switch box.
Oma mikroskeemi (ASIC) ja FPGA-de vahel on veel üks spets riistvara realiseerimise
võimalus ?MPGA (mask programmable Gate Array). MPGA juures konfigureeritakse
maatriks mikroskeemi valmistamise viimaste etappide ajal maskide abil, see tähendab
50
tekitatakse ühendused, mis konfigureerivadki maatrikse. Meetod on seotud
mikroskeemi valmistamise tehnoloogiaga ja seda ei saa teha kasutaja ise. Seega on ta
oma omadustelt sarnande ASIC-ule ühelt poolt ja teiselt poolt kasutatakse toorikuid ja
ei läbita kõiki mikroskeemi projekteerimise ning valmistamise etappe. Reeglina
pakuvad FPGA-de valmistajad ka MPGA-sid koos tarkvaraga, mis võimaldab minna
automaatselt ühelt teisele.
FPGA omadusi:
aeglasem
väiksem tihedus
odavam prototüüp
suur seeria oluliselt kallim
alati paindlikum võimalus teha muudatusi
kiiremini tootmisse
FPGA-de projekteerimine
Riistvara kirjeldus (Boole?I funktsioonid, loogikaskeem jne)
Loogiline optimeerimine/minimeerimine
Ülesande jaotamine (Technologu mapping)
Osaülesannete paigutus (placement)
Trasseerimine (routing)
programmeerimine/konfigureerimine
? Erinevate spetsiaalse riistvara realiseerimise võimaluste
kasutusvaldkonnad ja võrdlus.
Vt programmeeritava loogika punkti, kus on puudused ja värgid olemas.
Arvutite riistvara veakindlus.
? Rikked arvuti riistvaras.
Püsivad rikked:
1.Ühenduste rikked;
2.Purunenud komponendid;
3.Tootmisel tekkivad rikked;
4.Disaini vead.
Mitepüsivad rikked:
1.Keskond (temp. Niiskus, rõhk ...);
2.Vibratsioon;
3.Toide;
4.El. magn väli, staatiline elekter, maandus;
5.Halvad ühendused;
6.Kriitilised ajad (timing);
7.Takistuse ja mahtuvuse muutused,
8.Müra;
9.Vananemine.
? Testimine.
51
Millal testitakse :
? Normaalses tööreziimiz. (Online testing,Concurrent testing)
? Spetsiaalses testimise reziimis. (Off-line testing)
Kus on stiimulid :
? Süsteemi sees (Self-testing)
? Eraldi testri mälus (External testing)
Milliseid rikkeid testitakse :
? Projekteerimise vigu. (Design verification)
? Tootmise vigu
? Tootmise praaki
? Rikkeid (Field testing, Mintenance testing)
Milline on testimise objekt :
? Mikroskeem IC (Component level testing)
? Plaat (Board level testing)
? Süsteem (System-level testing)
Kuidas saadakse testid/oodatavad reakstsioonid :
? Mälust. (Stored pattern tetsing)
? Genereeritakse testimise ajal. (Algorithmik testing)
Millises järjekorras antakse teste objektile :
? Fikseeritud jäjekorras.
? Sõltuvalt eelmise testi tulemustest (Adaptive testing)
Milline on testimise kiirus :
? Normaalsest tööökiirusest aeglasemalt (Static testing)
? Töökiirusel (At-speed testing)
Mida jälgitakse :
? Kõiki väljundkombinatsioone
? Funktsiooni väljundkombinatsioonidest (Compakt tetsing)
Milistele objekti punktidele on ligipääs :
? Ainult sisenditele/väljunditele. (Edge-pin testing)
? Sisenditele/väljunditele lisaks ka sisemistele punktidele. (In-circuit tetsing, Bedof-
nails testing, ?)
Kes kontrollib tetsimise tulemusi :
? Süsteem ise (Self-testing, Self-cheking)
? Väline seade-tester. (External testing)
objekt, test ja etalon
testinfo esitus
rikkemudelid.
konstant 0 ja konstant 1 rike ( stuck-at-0 and stuck-at-1 faults, s-a-0 and s-a-1)
lühised (Bridges)
ühekordsed ja mitmekordsed rikked
testide genereerimine (Test Pattern Generation)
kattev testimine (Exhaustive Testing)
juhuslik testimine (Random Testing)
pseude juhuslik testimine (Pseudo Random Testing)
testide genereerimine determineeritud meetodil
? Testitava riistvara projekteerimine
52
Analoog liides (Analog Interface)
o analoog-digitaal muundur (Analog to Digital Conversion)
Analoog-digitaal muundur on andmeid analoogesitusest (näiteks temperatuur, rõhk,
kiirendus) digitaalesitusse muundav elektroonikaskeem
o digital-analoog muundur (Digital to Analog Conversion)
Modem (Modem)
Hulk arvuteid, mis asuvad üksteisest kaugel, saavad olla omavahel ühenduses
telefoniliinide kaudu juhul, kui nad on modemi abil ühendatud arvutivõrguga. Modem
on arvutit telefoniliiiga ühendav seade, mis saatja poolel muudab arvuti poolt
saadetud digitaalsignaalid tavalises telefoniliinis edastatavateks helisignaalideks ja
vastuvõtja poolel muudab need helisignaalid uuesti digitaalseteks. Esimest tegevust
nimetatakse moduleerimiseks, teist aga demoduleerimiseks. Nende sõnade
esitähtedest ongi modem oma nime saanud. Algupäraselt mõistetigi modemi all
seadet, mis moduleerib digitaalset infot, et seda oleks võimalik üle kanda mõne
analoogkanali kaudu. Selleks kanaliks sobib mitut tüüpi kaabeldus, telefonivõrk või
raadiolained. Loodud on isegi seadmed, mis võimaldavad digitaalsidet läbi tavalise
elektrivõrgu. Kitsamas mõttes räägitakse modemitest, kui seadmetest, mis
võimaldavad infoefastust telefonivõrgu kaudu. Tänapäeval ei ole aga seade, mida
kõnekeeles nimetatakse modemiks, enam lihtsalt modulaator/demodulaator. Nendes
seadmetes on tavaliselt lisaks modulaator/ demodulaatoritele ka mitmesugust
lisaaparatuuri - telefonivõrgu kutsungsignaali detektorid, toon ja pulssvalimise
seadmed, käsukeel arvuti ja modemi vaheliseks suhtlemiseks, mälu
konfiguratsiooniparameetrite säilitamiseks ja muud. Modemi erikujuks on akkustiline
sidesti (acoustic coupler), mille abil digitaalsignaalid muundatakse akustiliste helide
jadaks, mis võetakse vastu telefoniaparaadi mikrofoniga ja vastuvõtuploolel
muundatakse kuularikapsli kaudu uuesti digitaalseteks.
Kui akustilist sidestit kasutatakse tänapäeval ainult erijuhtudel (näiteks siis, kui
telefenijuhe on jäigalt kinnitatud seina külge või välitingimustes), siis modemite
kasutusvaldkond on ainult laienenud seoses arvutivõrkukde (sealhulgas Interneti)
massilise levikuga.
Sõltuval adnmesideviisidest võib modemis jaotada asünkroonseteks ja
sünkroonseteks. Klassikalised modemitüübid töötavad enamasti asünkroonselt,
kusjuures andmebittide arv varieerub sõltuvalt valitud tööviisiisist 5-st kuni 8-ni.
Peale selle lisatakse tavaliselt igale sõnale veel üks bitt paarsuskontrolliks. Kui
kasutatakse paarisarvulisuskontrolli (even parity check), siis see bitt asetatakse ühte,
kui on vaja teha 8-bitises koodisõnas ühtede arv paarisarvuks. Kui aga kasutatakse
paarituarvulisuskontrolli (odd parity check), siis see bitt viiakse ühte juhul, kui ühtede
koguarv ülejäänud koodisõnas pole paaritu arv. Paarsuskontroll on siiski kõige
elementaarsem veaavastamismeetod ja uuemates modemites kasutatakse palju
keerukamaid veaavastus- ja korrigeerimisalgoritme.
Asünkroonsete modemite puhul puudub edastatavates andmeüksustes eriline
37
takteeriv (sünkroniseeriv) signaal, mis määraks iga biti täpset ajalist paiknemist.
Sünkroniseerimiseks kasutatakse stardibitti, mis vastuvõtjas käivitab taktgeneraatori,
mille ajastus on aga sõltumatu saabuvate andmebittide tegelikust kordumissagedusest.
Stardibiti järgsete andmebittide lugemine toimub kokkulepitud edastussageduse taktis
andmebiti impulsside oletatava keskpaiga läheduses. Tegelikkuses võivad saatja ja
vastuvõtja takteerimissagedused märgatavalt erineda ja tulemuseks on vigade teke
lugemisel.
Paljudes uuemates modemites rakendatakse sünkroonedastust, mille puhul takteeriv
signaal saabub koos andmetega, et tagada saatja ja vastuvõtja töö täielikku
sünkroniseerimist. Puuduvad stardi- ja stopp-bitid, kuid selle asemel on igale
andmeblokile lisatud erikoodid sünkroniseerimise tagamiseks. Andmebloki pikkuse
määrab puhvermälu, kus seda hoitakse enne väljasaatmist (seda kasutatakse ka
vastuvõtupoolel). Asünkroonedastusel puhvrit ei vajata, sest iga koodisõna (märk)
saadetakse kohe arvutist edasi. Sünkroonedastusel salvestatakse puhvermällu hulk
koodisõnu, mis seejärel saadetakse välja pideva blokina konstantse kordussageduse
juures. Tavaliselt on andmebloki alguses mitu sünkroniseerivat koodisõna ja bloki
lõpus lõpukood. Sõnum võib sisaldada veel kontrollsummat, sihtaadressi koodi ja
muid täiendavaid bitte sõltuvalt ülekandeprotokolli iseloomust.
Vahel kasutatakse ka isokroonedastust, mis on segu mõlemast eelvaadeldud
edastusviisit. Üksikmärke (koodisõnu) eraldatakse nagu asünkroonedastusel stardi- ja
stopp-bittidega, kuid märkide vahekaugused oon rangelt ajastatud (sünkroniseeritud).
Veaparandusprotokollid
Modemside kasutamisel on alati probleeme tekitanud telefoniliinides tekkivad häired.
Näiteks terminaliprogrammide kasutamine võib mõnikord rohkete häirete tõttu
sootuks võimatuks osutuda. Probleemi aitavad lahendada sisseehitatud
veaparandusprotokollidega modemid, mis tagavad telefoniliinis häirete poolt rikutud
andmete tuvastamise ja uuestisaatmise. Kui modemi andmeedastuse jooksul
avastatakse viga, siis reeglina toimub selle edastustsükli kordamine niimitu korda,
kuni viga enam ei teki (või automaatne üleminek madalamale kiirusele). Veakontroll
toimub selliselt, et koos kasuliku infoga (mingist hulgast baitidest koosneva paketiga)
saadetakse kontrollsumma (selle paketi kõigi baitide summa 8 viimast bitti).
Sihtkohas arvutab teine modem kontrollsumma uuesti. Kui edastatud ja ise arvutatud
kontrollsumma on võrdsed, on info "eeldatavasti" veatult kohale jõudnud. Levinud on
kaks protokolli:
* MNP - (Microcom Networking Protocol) klassid 1 kuni 4, mis on välja töötatud
firma Microcom Systems poolt ja mida kasutatakse paljudes modemites.
* V.42 - ITU-T standard, mis kirjeldab LAP-M veaparandusprotokolli. Et tagada
ühilduvust MNP protokolle kasutavate modemitega, siis kirjeldab standard ka
alternatiivse veaparandusprotokolli, mis on sarnane MNP klassides 2 kuni 4
kirjeldatuga. Seega on V.42 modem võimeline töötama nii V.42 kui ka MNP
modemitega. Enamus uuemaid modemeid vastab sellele standardile.
Esimestel 300 ja 1200 boodistel modemitel veaparandust ei olnud. Enamikel 2400
boodistel oli see juba olemas, kõigi kiiremate (>9600) modemite puhul on
veaparandus lausa kohustuslik, sest nii suure kiirusega andmeid edastades, juhtub
vigu väga sageli.
Modulatsioon
38
Selleks et digitaalsignaale üle kanda analoogtelefonivõrgu suhteliselt kitsas
sagedusribas (300-3400 Hz), tuleb nad muundada (moduleerida) kujule, mis vastab
selle ülekanderiba parameeritele.
Definitsioon: modulatsioon on protsess ühe signaali (kahendsignaali) mõjutamiseks
teise (moduleeriva) signaaliga.
Digitaalandmete edastamiseks analoogtelefonikanalis tuleb seega 300-3400 Hz
sagedusribas olevat kandesagedust mõjutada digitaalandmetega (nulli ja ühe
väärtustega). Lihtsamalt öeldes- modemi ülesandeks on esitada bitijada sellisel kujul,
et saaks selle piiratud sagedusribaga helikanalist läbi suruda. Inimkõrv suudab
telefonikõnest raginad ja kahinad välja filtreerida, kuid bitid peavad olema kodeeritud
nii, et need ilma moonutamata sihtmärgini jõuaksid. Selleks tarvitatakse
mitmesuguseid kavalaid modulatsioonimeetodeid. Amplituudmodulatsioon (AM)
Amplituudmodulatsiooni korral muudetakse kandesageduse amplituudi vastavuses
moduleeriva signaaliga. Nagu näha jooniselt, varieerub sel juhul kandesageduse
amplituud nullist kuni maksimumväärtuseni.
Sagedusmodulatsioon (FM- Frequence Modulation)
Sagedusmodulatsiooni korral mõjutab moduleeriv signaal kandelaine sagedust.
Nagu näha jooniselt, kandesageduse nihe madalamale sagedusele vastab nullile ja
nihe kõrgemale sagedusele- ühele. Seda modulatsiooni nimetakse ka nihkesagedusega
moduleerimiseks (FSK- Frequence Shift Keying) asjaolu tõttu, et moduleeriv signaal
on digitaalne (diskreetsete väärtustega). FSK-modulatsiooni kasutati kõigis
varasemates modemites.
Faasimodulatsioon (PM-Phase Modulation)
Faasimodulatsiooni korral mõjutab moduleeriv signaal kandesageduse faasi. Faas on
teatavasti kahe võnkumise suhteline asupaik üksteise suhtes teatud kindlal ajahetkel.
Eelmisel joonisel on näha, kuidas faasi nihutatakse iga loogilise ühe korral, kuid
jäetakse muutmata loogiliste nullide korral. Kuna tegemist on digitaalse moduleeriva
signaaliga, siis on levinud nimetus hikefaasiga modulatsioon (PSK- Phase Shifted
Keying). Ülekandeliinile saadetud signaali faasi ei mõõdeta tavaliselt
absoluutväärtustes, vaid määratakse kindlaks selle suhteline asukoht eelmise biti faasi
suhtes.
Modemi teiseks põhifunktsiooniks on demoduleerimine, see tähendab
digitaalsignaali algkuju taastamine selle moduleeritud kujult. Selleks kasutatakse
vastavaid detekteerimis- ja filtreerimislülitusi, mis on tundlikud kandesignaali
amplituudi, sageduse või faasi muutustele.
Kaasaegsetes modemites kasutatakse peamiselt faasinihkega modulatsiooni või
seda kombineeritult koos amplituudmodulatsiooniga. Sellise sagamodulatsiooni korral
igale eri faasiga signaaliühikule vastab mitu eri suurusega amplituudi. Kui faasinihet
muuta näiteks 45 kraadi kaupa, siis saadakse 8 faasi suurust, mis koos kahe
amplituudiväärtusega annab 16 eri väärtust (nn. kvadratuurmodulatsioon). Kõige
uuemates modemites kasutatakse kvadratuudmodulatsiooni teisendeid, kus on tagatud
veaavastamine ja parandamine.
Pakkimine
Pakkimine vähendab telefoniliinide kaudu edastatavate andmete mahtu ja seetöttu
suurendab andmeedastuskiirust. Levinud on kaks protokolli:
MNP klass 5 - kasutatav koos MNP klass 4 veaparandusprotokolliga. Edastatavate
andmete maht võib väheneda kuni kaks korda.
V.42bis - kasutatav koos V.42 veaparandusprotokolliga. Edastatavate andmete maht
39
võib väheneda kuni neli korda. See protokoll on eelmisega võrreldes ka
intelligentsem, kuna ta suudab käigult määrata, kas pakkimisest saadav kasu on
piisav, et selle peale aega raisata. Kui näiteks nihutada modemiga *.ar faili, siis pole
täiendaval pakkimisel kindlasti mõtet. MNP5 protokoll on tunduvalt lollim, ta üritab
pakkida ka faile, mis on juba pakitud. See loomulikult ei õnnestu ning
lõppkokkuvõttes raiskab MNP5 modem hulk aega lootusetu tegevuse peale. Siit
soovitus: kui tirite pakitud faile, keelake modemil MNP5 kompressioon ära.
Pakkimise efektiivsus sõltub edastatavate andmete tüübist, olles suurim tekstifailide ja
andmebaaside puhul. Eelnevalt arvutis pakitud failide puhul modemisisene pakkimine
enam efekti ei oma ja MNP 5 puhul võib isegi suurendab edastatavate andmete mahtu.
MNP ehk pikemalt Microcom Networking Protocol on firma Microcom Systems
poolt välja töötatud kommunikatsiooniprotokoll, mis toetab nii interaktiivset, kui ka
failivahetussidet. MNP on välja töötatud vastavalt ISO (International Organization for
Standardization) standardile Open System Interconnection (OSI) Network Reference
Model.
Skanner
Skanner on arvuti väline lisaseade/optiline instrument, mis on mõeldud valmisteksti ja
?piltide sisestamiseks arvutisse/digitaalsele kujule viimiseks. Jaotades kujundi
sadadeks eraldi punktideks (või pikseliteks) muundab skanner selle mõistetavaks
arvuti jaoks, mis siis tarkvara abil esitab skaneeritava pildi arvuti ekraanil. Skanneril
on funktsionaalne sarnasus kserokoopiaaparaadi lugemisseadmega. Kui koopiate
puhul loetu kantakse kohe paberile, siis antud juhul antakse võimalus kujutist
redigeerida, seda kärpida või midagi lisada. Teksti tuvastamiseks kasutab skanner
optilist tärgituvastust (OCR- optival character recognition). Seega saab skanneri
kasutaja sisestada näiteks oma kirjatöö illustratsioonid ja valmiskirjutatud tekstid
arvutisse, seal tekste töödelda, muuta ðrifti, paigutada illustratsioonid sobivatesse
kohtadesse ja seejärel välja trükkida.
Skanner on umbes arvutiploki suurune pealt ülestõstetava kaanega seade. Kaane all
on klaaspind, millele ?kujutis allapoole? asetatakse sisestatav dokument. Kaas
suletakse ja skanner valgustab paberilehte ja loeb täpp-täpilt sisse kogu paberil oleva
kujutise ning edastab selle arvutile.
On olemas ka käsiskannerid, mida kasutaja veab mööda skaneeritavat kujutist.
Need skannerid on väiksemad, odavamad ja edastatav kujutis on madalama
kvaliteediga.
Nimetus ?skanner? tuleneb ingliskeelsest sõnast scan, mis tähendab ?silmi millestki
üle libistama, üksikasjalikult vaatlema, täpselt uurima, pilti täppideks lahutama?.
36
Kõikidel sellesse kategooriasse kuuluvatel seadmetel on ühesugune tööpõhimõte:
nad loevad infot objektide heledus-tumeduse ja värvuse kompamise teel, kasutades
ülitundlikke sensoreid.
Pildi-tekstiskannerites viiakse kombatav originaalpilt punkthaaval rasterkujutisena
arvuti mällu, värviskannerites värvikujutisena. Kui skanneri sensor on ?sisse
tõmmatud? pildipunkti kohta käiva info, liigub ta edasi järgmisele, kuni kogu
dokument on loetud. See protsess on väga kiire, kogu algdokumendi skaneerimiseks
kulub ainult paar sekundit.
Skaneerimisprotsessi mehaanika sõltub konkreetse mudeli tüübist. Kõik skannerid
kasutavad valgusallikat ja vahendeid sensori (või peegli, mille abil valgus juhitakse
sensorile) liigutamiseks algdokumendi kohal (või vastupidi) ning sisaldavad
elektroonikalülitust, mis muundab hõlvatud info digitaalkujule.
Printer
Igasugune arvutiprinter koosneb kolmest põhiosast:
1. paberi või muu andmekandja veo- ja etteandmissüsteem,
2. trükimehhanism koos trükivärvi pealekandva sõlmega (marking engine) ning
3. juhtseade e. kontroller, mis juhib trükimehhanismi ja mille abiga
jäädvustatakse trükimärgid andmekandjale.
Printereid võib tööpõhimõtte järgi jaotada kahte suurde klassi:
1. löökprinterid
2. löögita printerid.
Kõik nõelmaatriksprinterid, samuti õis- ja ridaprinterid kuuluvad löökprinterite
hulka. Nende hulka kuulub ka muid printeritüüpe (kuul- ja trummelprinterid jne.), mis
tänapäeval on aga kasutusest kadunud.
Löögita printerid kasutavad kujutise tekitamiseks mitmesuguseid elektrofüüsilisi
või ?keemilisi protsesse (kuumutus, elektrograafia, trükivärvi pihustamine jne.).
Laserprinterid töötavad umbes samal põhimõttel nagu koopiamasinad: terve
leheküljetäis infot võetakse arvutist korraga printeri mällu, kantakse laserkiire abil
elektrilaengutena metalltrumlile ja sealt elektrograafilisel meetodil värvipulbri ehk
tooneriga paberile, millele värv kinnistatakse kuumutamisega. Kõige populaarsemad
on firma Hewlett- Packard laserprinterid, neid valmistavad aga ka Panasonic, Epson,
Lexmark, QMS ja Xerox.
LED-printerid annavad sarnaselt. eelmistega korraga üle terve lehekülje, aga
kasutavad trumli valgustamiseks laserkiire ja läätsesüsteemi asemel odavamaid
valgusdioode. Seda tüüpi printereile on spetsialiseerunud OKI.
Jugaprinterid ehk "tindipritsid" piserdavad vedelat trükivärvi paberile imepisikeste
29
düüside kaudu. Vastavalt sellele, kas arvutist saadeti teele tekst või pilt, moodustuvad
värvipunktidest tähemärkide või joonise kujundid.
Nõelprinterid töötavad peaaegu samuti kui jugaprinterid, ainult et värvidüüside
asemel on neil komplektist peentest nõeltest ja neid juhtivatest elektromagnetitest
prindipea. Metallnõeltega "tulistatakse" värvilindi pihta, mille taga asub paber. Niisiis
meenutab nõelprinter ka kirjutusmasinat, ainult tähetüüpide asemel moodustavad
tähemärke teatud maatriksina paigutatud nõelte löögid.
Odavad 9 nõelast koosnevate prindipeadega maatriksprinterid on harilikult
aeglasemad, kehvema prindikvaliteediga ja lärmakamad kui nende 24-nõelalised veidi
kallimad sugulased. Nõelmaatriksprinterite tuntumad tootjad on Epson, Star, Brother,
Panasonic ja OKI. NB! Nõelprintereid on igasuguse väljanägemisega, kuid alati leiate
nende küljest suure ümmarguse nupu paberi käsitsi edasikerimiseks
Nii juga- kui ka maatriksprinter töötavad reakaupa, kandes värvi prindipea edasitagasi
liikumisega risti tõmmatavale paberile. Suurema kirjaga tekstirida vajab
prindipea mitmekordset üleliikumist.
Vähem kasutatava printerite rühma moodustavad termoprinterid, milles kujutis
tekitatakse spetsiaalset temperatuuritundlikku paberit vajalikest punktidest
kuumutades või värvainet kilelindilt harilikule paberile sulatades. Eriti head
värviprinti pakuvad nn sublimatsiooniprinterid, milles aurustatud värvained imbuvad
eripaberisse, aga see menetlus on väga kallis. Selliseid printereid toodab näiteks NEC.
Õisprinter (Daisy-wheel)
Printer, mis kasutab printimise elemendina plastikust või metallist printimisketast,
mille moodustavad keskosast kiirtena väljaulatuvad vardakesed koos tipus asetseva
sümboliga (sarnane kirjutusmasinas kasutatava tehnoloogiaga). 1970.a. ilmunud
õisprinterite ketaspea ehk õis sisaldab 96 kuni 130 tähetüüpi. Trükkimisel keeratakse
ketast seni, kuni jõutakse vajaliku sümbolini ning see lüüakse pisikese löögihaamriga
läbi tindilindi vastu paberit. Erinevate tähetüüpide jaoks on olemas erinevad kettad.
Õisprinterid on väga aeglased (10- 75 tähte sekundis), kuid nende kvaliteet on
võrreldav kõrgekvaliteedilise kirjutusmasinaga. Seda tüüpi printerid ei ole võimelised
printima graafikat ja on enamasti väga müratekitavad
o maatriksprinter (Dot matrix printer)
Nõelmaatriksprinteri tööpõhimõte on ülimalt lihtne: kirjutuspeas paiknevad nõelad
löövad läbi värvilindi vastu paberit, tekitades sellega punktidest moodustatud
kirjamärke. Nõelmaatriksprinterid jagunevad kaheks põhirühmaks: 9- ja 24-nõelased.
Nõelmaatriksprinterite puhul on traditsioonilisteks trükikvaliteedi näitajateks
kujunenud järgmised veidi ebamääraselt defineeritud terminid:
? mustandikvaliteet (draft)
? liht- ehk normaalkvaliteet (near letter quality- NLQ) lahutusvõime kuni
240x216 dpi
? tähe- ehk esinduskvaliteet (letter quality -LQ) lahutusvõime kuni 360x360
dpi
Selleks, et rahuldava kvaliteedi saamiseks printida nii suuri kui ka väikeseid tähti,
vajatakse vähemalt 9x9- elemendiga maatriksit. Sellist maatriksit valmistada ja
juhtida on keerukas, mistõttu praktikas kasutatakse 9 nõelast koosnevat
30
veerumaatriksit, kus nõelad asetsevad kohakuti üksteise peal. Mida suurem on
elementaarpunkte moodustav nõelmaatriks, seda parem on muidugi saadava kujutise
kvaliteet. Kvaliteetsetes nõelmaatriksprinterites kasutatakse 24 nõela, mis harilikult
paiknevad kolmes üksteise suhtes nihutatud 8- nõelases veerus. Suurendada märke
moodustavate nõelte arvu suvalisel määral pole siiski võimalik, sest see teeb juhtimise
liiga keerukaks ja ühtlasi suureneb prindipea mass, põhjustades prinitmiskiiruse
märgatava languse.
9- nõelalised maatriksprinterid kasutavad mustandikvaliteediga töös harilikult
tähemaatriksit 9x9 või 9x12, NLQ-kvaliteedi korral maatriksit 18x24 punkti. Nende
lahutusvõime ulatub 240x216 dpi-ni ja tähekvaliteediga LQ-printi nad ei võimalda.
24-nõelastel maatriksprinteritel kasutatakse tavaliselt maatriksit 24x12
(mustandikvaliteet) või 24x36 (LQ-kvaliteet). Nende prindikvaliteet on 9- nõelaste
omast parem ja lahutusvõime ulatub 360x360 punktini tolli kohta (dpi).
Üheks võimaluseks prindikiiruse tõstmisel on mitme (kahe) prindipea
(nõelakomplekti) üheaegne kasutamine, mis on ka realiseeritud mõnedes ülikiiretes
mudelites, kus saavutatakse töökiirus üle 1000 märgi sekundis. Tavaliste 9- ja 24-
nõelase printeri väljastuskiirus on suurusjärgus 200-300 märki/s.
Lööktehnoloogial on hulk eeliseid. Trükijälg on arhiveerimiskindel ja printeri hind
väga madal. Tehnoloogia sobib eriti hästi mitmeosaliste ja isekopeeruvate formularide
printimiseks, kusjuures koopiate arv võib ulatuda 7-8-ni. Nõelmaatriksprinterid pole
andmekandja suhtes nõudlikud - kõlbab peaaegu igasugune paber. Printida saab ka
ümbrikke, lipikuid, kleebiseid, etikette ja kasutada lõõts- või rullpaberit.
Põhimõtteliselt võib printida mitte ainult teksti (kirjatähti ja numbreid), vaid ka
graafikat, kuigi viimasel juhul töökiirus langeb ja kvaliteet pole eriti kõrge.
Mõned nõelmaatriksprinterid võimaldavad ka värviprintimist, kasutades seejuures
mitmevärvilist (neljavärvilist) värvilinti.
Nõelmaatriksprinterite tuntud puuduseks on nende suhteliselt tagasihoidlik
prindikvaliteet (piiratud lahutusvõime) ja kõrge müratase, mis märgatavalt ületab
juga- ja laserprinterite oma. Vastupidiselt üldlevinud arvamusele nende töökiirus, eriti
teksti printides ei jää aga palju alla juga- ja laserprinterite omale, mõnel juhul isegi
ületades seda.
Kõik nõelmaatriksprinterid jagatakse võlli pikkuse (prindi laiuse) järgi kolme
rühma: lühikese, pika ja poolpika võlliga printerid. Esimesel juhul on printer ette
nähtud tööks maksimaalselt A4- püstformaadiga prindilaiuse juures kuni 257 mm (10-
punktises kirjas 80 märki reas), teisel juhul -A3-põikformaadiga prindilaiuse juures
kuni 420 mm (10 punktises kirjas 136 märki reas). Poolpikk võll vastab A4
põikformaadile (297-305 mm). Kuna Põhja-Ameerikas kasutatakse veidi erinevaid
paberiformaate (legal, letter jne.), siis tegelikult on enamik printerite
kommertsmudeleid kohandatud tööks nendega ja otseselt A4- le sobitatud printereid
kohtame harva.
Vanemate printerimudelite tavaliseks koostisosaks on 1-3 DIP-lülitit, mis
paiknevad korpuse sees ja mille abil saab muuta printeri põhiparameetreid: prindi
laiust, kasutatavaid märgistikke, järjestikliidese ülekandeparameetreid (boodisagedust,
andme- ja stoppbittide arvu, paarsuskontrolli ja kätlemise varianti jne.), puhvermälu
kasutamisviisi jms. Uuemates mudelites on need harilikult asendatud elektrooniliste
DIP-lülititega (EDS) ning printeri konfigureerimist võib läbi viia otse esipaneelilt
mitmefunktsionaalsete sõrmiste abil.
Lisaks elektroonilistele juhtsõrmistele on nõelprinteritel ka mitu mehaanilist
juhtimiselementi: võlli pööramisnupp (platen knob) ja paberivabastuskang (paper
release lever). Viimasel on harilikult kaks asendit- üks tavaliste paberipoognate
31
hõõrdveoks ja teine pidevakujulise lintpaberi (coninuous paper) kasutamiseks.
Pidevakujuline perfopaber (lõõtspaber) oli varasemate printerite peamiseks
alusmaterjaliks ja seetõttu kuulusid perfoveokid (tractor) nende põhivarustuse juurde.
Kaasajal kasutatakse vedavat (pull tractor) või tõukavat (push tractor) veokit
suhteliselt harva; nad on enamasti tellitava lisaseadmestiku koosseisus. Seejuures on
printerid varustatud nn. parkimisfunktsiooniga, mis tähendab võimalust üheaegselt
(vaheldumisi) kasutada nii perforeeritud lõõtspaberit- kui ka tavalisi lehepoognaid,
ilma et printerit oleks vaja seisma panna, ümber laadida ja taaskäivitada.
Nõelmaatriksprinterite peamiseks juhtimiskeeleks on kujunenud Epsoni ESC/P,
mida praktiliselt emuleerivad (modelleerivad) kõik teistegi firmade printerid. ESC/P-l
on tegelikult 2 põhivarianti, üks 9-(FX) ja teine 24-nõelaste(LQ) printerite jaoks
(vastavalt ESC/P ja ESC/P2). Juhtimiskeele ESC/P põhivariant sisaldab 80 käsku.
Mõningal määral on levinud ka IBM Proprinteri juhtimiskeel mitmes variandis
(X24/24E), mida samuti paljud teised maatriksprinterid suudavad emuleerida.
Nõelmaatriksprinteritesse sisseehitatud (residentsete) kirjaliikide (fontide) arv võib
ulatuda paari-kolmekümneni. Odavamatel mudelitel on kolmeks peamiseks
kirjatüübiks draft (Sans serif), NLQ Roman ja NLQ Sans serif. Lisaks sellele saab
kasutada nende põhiliste kirjatüüpide mitmesuguseid variatsioone nii prinditiheduse
(tähesammu) kui ka kirjalaadi (kald-, paks-, kontuur-, allakriipsutatud kiri jne) osas.
Mis puutub märgistikesse (character sets), siis võib see ulatuda paarist
põhimärgistikust enam kui 30 kooditabelini. Enamik printereid on varustatud
sisseehitatud rahvuslike märgistike lisamise võimalusega (tavaliselt 10-15 lisamärki
kooditabelile 850). Mõned printerid sisaldavad ka eesti tähtedega kooditabelit
(kooditabeli 850 täiendus tähtedega Š, š, Ž, ž)
o laserprinter (Laser Printer)
Printeri keskseks osaks on valgustundliku (tavaliselt seleeni või kadmiumi ühenditest
koosneva) kihiga kaetud pöörlev trummel (vaata joonise keskosa). Laadimisseadme
abil laetakse fototundlik kiht elektrilaenguga, mille järel talletatakse prinditav kujutis
trumlile. Kõigepealt toimub lehepoogna (kaadri) standartsete elementide
eksponeerimine ja seejärel algab prinditava info skaneerimine reakaupa laserseadme
abil.
Laserkiirt moduleeritakse täpses vastavuses salvestatava infoga, mille tulemusel
trumlile moodustub elektriline jäljend (potensiaalireljeef) originaalist. Nendelt aladelt,
kuhu kiir langeb, elektriline laeng kas täielikult või osaliselt kõrvaldatakse. Trumli
valgustundlikule pinnale moodustub nähtamatu (latentne) kujutis.
Laserkiire skaneerimine toimub pöörleva peegelprisma abil.
Akustooptilises kallutussüsteemis kasutatakse piesoelektrilist muundit, mida juhitakse
kõrgsagedusgeneraatori abil.
Lasereksponeerimise tagajärjel saadud peidetud kujutise ilmutamine toimub
seejärel tooneripulbri abil sõlmes 10 (joonis 1). Tooneripulber, mis sisaldab grafiiti
(tahma) ja magnetilisi osakesi, kantakse trumli pinnale magnetharjade abil.
Tegelik printimine paberile toimub punktis 6. See ülekanne teostatakse
elektrostaatilises väljas. Siirdekoroona abil laetakse paber kõrgemale laengule, kui
seda on trumli pind ja värvaine osakesed siirduvad paberi vastavatele aladele. Selleks,
et tooneripulbrit paberile kinnistada, on vajalik selle termiline töötlus
kuumutuselementidega 1 (juhikut kuumutatakse kuni 110 ja rulle lokaalselt kuni 140
kraadini).
32
Viimase etapina toimub valgustundliku trumli ettevalmistamine järgmise tsükli
läbiviimiseks. Selleks kustutatakse potensiaalireljeef (antud juhul lambi 2 abil) ja
trummel puhastatakse pulbri jälgedest mehhanismi 3 abil.
Laserprinterite nõrgaks kohaks on skaneerimissõlm pidevas liikumises oleva pöörleva
prismaga. Seetõttu on välja arendatud teisi lahendusi, kus laseroptilise süsteemi
asemel kasutatakse vedelkristall- või valgusdioodmaatriksit. Tunduvalt
populaarsemaks on kujunenud LED-printerid, milliste põhiosaks on paberilaiune
liistal valgusdioodmaatriksiga. Valgusdioodprinteris on ühe valgusallika (laseri)
asemel tuhandeid üliväikseid valgusdioode, mille arv võrdub skaneerimisjoone
rasterpunktide koguarvuga. Prinditavale kujutisele vastavate signaalide abil toimub
valgusdioodide süütamine ning kustutamine ja seega valgustundliku kihiga kaetud
pöörleva trumli valgustamine. Muus osas on LED-printer sarnane tavalise
laserprinteriga, kuid keerukate ja kallite liikuvate optikaelementide puudumise tõttu
on tema hind märgatavalt madalam laserprinteri omast.
Laser- ja LED- printereid nimetatakse ka lehe(külg) printeriteks, kus lehepoogna
sisu talletamiseks vajatakse üsna suuri mälumahtusid (vähemalt 1 MB). Uuemates nn.
Windowsi GDI ?printerites kasutatakse selleks põhiarvuti enda mäluseadet. gasugune
väljaprint rajaneb punktide tekitamisel paberile. Kui kirjamärk on määratletud
kontuurjoonte või pilt (jooni) joonte algus-, lõpp- ka keskpunktide abil, siis tuleb need
kujundid muuta punktideks. Seda protseduuri nimetatakse rastri tekitamsieks
(rasterdamiseks).
Printeri draiver on programm, mis tegelikult rasterdab prinditava lehekülje.
Arvutipordilt saabub printerile info prinditava punkti asukohast ja värvusest. Seda
meetodit nimetatakse ka tarkvaraliseks RIP-iks (rastriprotsessoriks). Programmiline
rasterdamine on seda kiirem, mida suurem on personaalarvuti jõudlus ja tema
mäluressurss. Kui rasterdamine toimub nn. taustprogrammina, siis see programm,
millest prinditakse, vabaneb mne sekundiga. WIN-printerite kogu juhtimine toimub
WPS-aknas, põhimõtteliselt printer mingeid nuppe-klahve ja inikaatoreid ei vaja.
Kahesuunaline rööpliides võimaldab arvutisse saata igasuguseid andmeid tema oleku
kohta. printeri ülimalt lihtsustatud elektroonikalülitus lubab tunduvalt vähendada
vajalikku võimsustarvet, lihtsustada toiteplokki, kaotada isegi jahutusventilaatori, mis
tunduvalt alandab printeri mürataset.
o jugaprinter (Inkjet Printer)
Viimaste aastate üheks kõige populaarsemaks prinditehnoloogiaks on kujunenud
tindipritsimis- ehk jugatehnoloogia, millele veel 90. Aastate alguses ennustati peatset
kadu. Tehnoloogia rajaneb prindipeale, mis sisaldab suure arvu ülipeenikesi düüse,
33
mille kaudu paberile juhitakse vedelat värvi (tinti). Kuna jugaprinterid kasutavad
tinditaolist vedelat värvi, siis nimetatakse neid ka tindipritsideks. Prindipea koosneb
piesoelektrilisest materjalist torukestest, mis täidetakse tindihoidla kaudu.
Juhtimispinge rakendamisel soovitud torukesele toimub selle läbimõõdu järsk
vähenemine ja tilgakese düüsist väljapritsimine paberile. Sellele järgneb torukese
uuestitäitumine tindiga hõrenemise toimel tindihoidla kaudu.
Kirjeldatud tööpõhimõte vastab Epsoni poolt väljatöötatud piesomeetodile, mis on
eriti sobivaks osutunud värviprinterites, kus samas prindipeas kasutatakse nelja eri
värvi tindiga täidetud düüsikest.
Teised jugaprinterite valmistajad kasutavad piesokristalli asemel
soojenduselemente (termilised tindipritsid), mille toimel tint hakkab aurustuma ja
eraldub mullidena. Seda Canoni poolt väljatöötatud aurumullide meetodit (Bubble Jet
tehnoloogia) kasutab enamik teisigi tootjaid, kuna Hewlett-Packardi printerites on
rakendatud nn. InkJet- meetodit. Kahe viimase tehnoloogia peamiseks erinevuseks on
soojenduselemendi asukoht: Canonil paikneb see tindi väljalaskeava taga, mis
väidetavasti lubab düüse paigutada üksteisele lähemale, kuid pole nii kiires, kui HP
lahendus. Epsoni tehnoloogia eeliseks peetakse igasuguste satelliitpritsmete
puudumist ja seega vähemalt teoreetiliselt kõrgemat prindikvaliteeti.
Jugaprinterite prindipeas paikneb tavaliselt 48-128 tindiotsikut (tindituubi).
Tindiotsikud on paigutatud rivisse vahekauguse 1/360 tolli või veelgi vähem, mis
tagab vajaliku kõrge lahutusvõime.
Seda tüüpi prinditehnoloogia peamiseks puuduseks on peetud prindipea otsikute
kuivamist, ummistumist ja üleliigset tindi laialipritsimist, mida aga ajapikku on
õnnestunud tunduvalt vähendada. Sama võib öelda ka prindikoopiate
arhiveerimisprobleemi kohta. Küsimus on nimelt selles, et algselt vedel trükivärv
kipub lahustuma vees ja trükikoopia võib veepritsmete toimel rikneda. Sel põhjusel
jugaprintereid tootvad firmad soovitavad eriliste paberisortide kasutamist. Sama nõue
kehtib ka värviprintimise puhul.
Nagu mainitud, jugaprinteri trükikvaliteet sõltub tugevasti paberi valikust, sest
värvaine (tint) on paberile kandmise hetkel märjas olekus. Selle tulemusena võib
esineda kahte tüüpi defekte:
1. Sulgimine (feathering), mis seisneb trükimärkide ebapuhastes servades,
2. Värvide kokkuvalgumine (bleeding), mida iseloomustab värvide kokkujooks
nende kokkupuutepindadel
Maksimaalse prindikvaliteedi tagab ikkagi vaid erilise paberisordi kasutamine,
eeldades seejuures, et eripaberi kasutamine on määratletud ka arvutiprogrammis. Seda
tuleb teha Windowsis või mingis muus vastavas operatsioonisüsteemis koos printeri
talitlusparameetrite täpsustamisega.
Konstruktiivse lahenduse seisukohalt võib jugaprinterite mudeleid jagada kahte
suurde rühma: ühe (mustvalge või värviline) või kahe (mustvalge ja värviline)
kirjutuspeaga. Viimased võimaldavad hõlpsasti üle minna mustvalgelt värvilisele,
kuigi selle hinnaks on seadme teatav kallinemine. Ühe kirjutuspeaga printerites tuleb
selleks mustvalge kirjutuspea vahetada värvilisega või vastupidi.
Jugaprinterite teatavaks eriliigiks võib lugeda nn. Vahaprintereid, kus vedela
trükivärvi (tindi) asemel kasutatakse tahket tinti e.vaha (solid ink, wax). Sellist
tehnoloogiat kasutab näiteks Tektronix oma kõige kallimates värvimudelites.
Tahke värvaine ei imandu paberi sisemistesse kiududesse, vaid kuivab selle
34
pinnale. Saadavad värvitoonid on tugevamad ja kirkamad kui tavalistes jugaprinterites
ja alusmaterjaliks kõlbab peaaegu igasugune paberisort. Kilede puhul pole värvid
siisiki nii kirkad kui muude tehnoloogiate puhul.
o Värviprinterid
Tervet rida monokroomseid printereid (peamiselt jugaprintereid) saab prindipea
(prindikasseti) vahetamisega muuta värviprinteriks. Mustvalgel printimisel tuleb
eristada halltoonesitust (gray scaling)- musta ja valge vaheliste pidevate üleminekute
tekitamist pooltoonide abil, kusjuures iga punkti esitatakse 4-8 bitiga ja virvtoonimist
(dithering)- näiliste pooltoonide (halltoonide) tekitamist punktimustri tiheduse ja
muude parameetrite (pooltoonelementide kaldenurga ja pikselite
sisselülitamisjärjestuse) varieerimise abil.
Värviline print on mustvalgest tunduvalt kallim, kuna nõuab eri värve ja kvaliteetse
tulemuse saavutamiseks head paberit. Tuleb arvestada ka sellega, et värviline töö
valmib analoogilise mustvalgega võrreldes mitu korda pikema prindiaja jooksul.
värvilaserprinterite tööpõhimõte ei erine oluliselt monokroomsete laserprinterite
omast. Laserkiirega moodustatakse valgustundliku kihiga kaetud trumli pinnale igale
osavärvile vastav kujutis (CMYK-mudel). Trumli pinnale kujunenud elektrilaeng
kogub pulbrilise värvaine (tooneri) kujutise reljeefile vastavatesse kohtadesse ja
moodustunud kujutis siirdatakse edasi erilise rihma või trumli pinnale. Kui kõik
osavärvid on üle kantud, toimub prinditava kujutise ülekanne paberile ja selle
fikseerimine kuumutamise teel samal viisil, kui monokroomprinterites. Kõikides
värvilaserprinterites saab kasutada tavalist paberit, kuigi eelistatum on
värvipaljundusmasinate jaoks valmistatud spetsiaalne läikpaber. Enamik neist
võimaldab printida ka paberi mõlemale poolele.
? Plotter
-on arvuti välisseade arvjooniste, diagrammide, kaartide, arhitektuurijooniste jms.
loomiseks. Erinevus printerist seisneb selles, et loodava kujutise jooned ei koosne
mitte üksikpunktidest (punktiirist), vaid tõmmatakse pideva joonena.
Kuna kaasaegsed printerid suudavad edukalt plotterifunktsioone täita (kasutades
isegi samu juhtimiskeeli), siis klassikaliste suleplotterite kasutusala on viimastel
aastatel oluliselt ahenenud. Siiski vajatakse neid juhtudel, kui küsimuse all on suur
täpsus, suureformaadilised koopiad (A0-A2) ning koopiate niiskus- ja
arhiveerimiskindluse tagamine. Tänapäeval on mitmed firmad suleplotterite
valmistamisest loobunud ja valmistavad tindiprits-, termo- ja laserplottereid.
Plotter on vähem levinud, kui printerid, kuid eks siin on ka oma kindlad põhjused:
kui arvutit ei kasutata joonestamiseks ega joonistamiseks, siis osutub plotter liigseks,
seda enam, et tegu pole sugugi odava välisseadmega. Siiski tuleb märkida, et kui
arvuti põhikasutajaks on kas konstruktor, disainer, või mõni teine joonestamisega
35
sageli tegelev inimene, on plotter lausa hädavajalik. Plotteri tööpõhimõte on üks
kahest: esimesel juhul liigutatakse kirjutuspead, paberi kohal liikuval siinil, mis
võimaldab "pliiatsit" kirjutusasendis hoida ja "pliiatsit" vahetada; uuem tehnoloogia
kasutab aga tindipritsile lähedast tehnoloogiat.
Plotterile on kättesaadav iga joonestusvälja punkt ning kelgu ja siini liigutamisega
on võimalik tõmmata joon läbi iga punkti. Erilist rolli mängivad mootorid, mis
juhivad siini ja kelgu liikumist. Peavad nad ju sooritama üliväikseid nihkeid, sest
sellest sõltub joonise täpsus. Plotteritel on võimalik samm 0,025 mm või isegi alla
selle. Töös kasutatakse kõige sagedamini 0,1 mm sammu. Reeglina töötavad plotterid
siiski vertikaal- ja horisontaalsuuunas vaheldumisi, nii et kaldjoon sarnaneb trepiga ja
ringjoon ketassaega, kuid mida väiksem on ühiksamm, seda väiksemad on sakid.
Uutel plotteritel pole sakke palja silmaga näha. Taolist täpsust on aga üldjuhul vaja
vaid plotteritel, millel on väike joonisepind (A3-formaadis). Suurtel plotteritel, näiteks
õmblusvabrikutes, mille tööpind võib ulatuda 10x1,5 m ei ole nii suur täpsus vajalik.
Tähtsam on siin kiirus. Väiksematel plotteritel on vertikaal- või horisontaaljoone
tõmbamise kiirus umbes 30?70 cm/s, suurematel loomulikult rohkem, Plotter suudab
väljastada ka tähti, numbreid ja muid sümboleid, kuid need kõik jäävad tema jaoks
samasugusteks joonisteks nagu näiteks ellips või kolmnurk. On ka plottereid, mille
sulg liigub vaid ühes suunas, teises suunas liigutatakse aga paberit. Taolise
lahendusega on tavaliselt suurt formaati kasutavad plotterid.
Joonestusvahendid on väga mitmesugused. Mõnele plotterile kõlbab pastapliiatski,
kuid tavaliselt kasutatakse spetsiaalseid joonestuspliiatseid. Reeglina on pliiatsid
mitmes värvitoonis (6..8) ja seetõttu on võimalik ka joonis koostada
mitmevärvilisena. Pliiatsivahetuse teeb plotter ise- viib eelmise oma kohale ja haarab
uue. On ka ühevärvilisi plottereid.
Kuvar (Display)
o CRT (Cathode Ray Tube) kuvar
27
CRT sisaldab kahurit, mis tulistab elektronkiire vastu fosforestseerivat ekraani
(värvilistel monitoridel on kolm elektronkahurit eralgi punase, rohelise ja sinise
jaoks). Kiir jookseb realaotuse puhul peaaegu horisontaalselt üle ekraani. Jõudnud
ekraani teise otsa jookseb ta tagasi ülemisse vasakusse nurka, et otsast peale alustada.
Horisontaalset realadumist kontrollitakse pingega, mis on rakendatud
fokusseerimisseadetele, mis asuvad paremal ja vasakul elektronkahurist. Vertikaalset
ladumist kontrollitakse aeglasemalt kasvava pingega. Selleks, et kahurit tagasi
ülemisse vasakusse nurka e. algasendisse saada muudetakse pinge suunda horisontaal
ja vertikaal fokusseerimisseadmetel. Täisekraani kujund joonistatakse üle tavaliselt
30-60 korda sekundis. Tänapäeval kasutatakse fokusseerimiseks ka magnetvälja.
o kujundi moodustamine
CRT sees asub võre, mis moodustab punktikeste mustri ekraanile. Kui positiivne
pinge rakendatakse võrele, elktronide kiirus suureneb ning seetõttu kiir tabab ekraani
ja paneb selle hetkeks helendama. Kui kasutatakse negatiivset pinget, elektronid
tõukuvad, nii et nad ei läbi võret ja seega ekraan ei helenda. Vastavalt kasutatavale
pingele, mida võrele rakendatakse kutsutakse ka esile vastava bitimustri ilmumise
ekraanil.
o videomälu (Video memory)
The memory found in a video adapter that stores images as bitmaps before they are
sent to the display monitor. Because displaying video images requires a great deal of
computing speed and memory, the video adapter is equipped to handle this function
rather than relying on the computer's CPU. There are several types of video memory
such as VRAM and WRAM.
o vedelkristall kuvar LCD (Liquid Crystal Display)
Vedelkristallkuvarid koosnevad viskoossetest orgaanilistest molekulidest, mis
voolavad nagu vedelik, aga neil on ka kristallile omane ruumiline struktuur. Kui kõik
molekulid on reastatud ühes suunas, siis kristalli optilised võimalused sõltuvad
sissetuleva valguse suunast ja polarisatsioonist. Rakendades elektrivälja saab muuta
molekulide paigutust.
LCD ekraan koosneb kahest paralleelsest klaasplaadist mille vahel on vedelkristall.
Elektroodid on kinnitatud mõlemale plaadile. Valgus tagumise plaadi taga valgustab
ekraani tagantpoolt. Läbipaistvaid elektroode, mis on kinnitatud kummalegi plaadile,
kasutatakse loomaks elektrivälju vedelkristallil. Erinevad ekraani osad saavad
erinevat pinget, millega kontrollitakse kujutatavat pilti. Ekraani esi- ja tagapoolele on
kleebitud polaroidid, kuna on tehnoloogia nõuab, et kasutataks polariseeritud valgust.
TN (twisted nematic) kuvari tagumine plaat sisaldab väikeseid horisontaalseid
rööpaid (renne) ja esiplaat vertikaalseid rööpaid. Kuna esi- ja tagapaneeli reastus
erineb 90 kraadi võrra, siis molekulid keerduvad tagantpoolt ette. Kuvari tagumine
osa on horisontaalne polaroid ja laseb läbi ainult horisontaalselt polariseeritud valgust.
Esiosaga on sama lugu ?see laseb läbi ainult vertikaalselt polariseeritud valgust. Kui
kahe plaadi vahel ei oleks vedelikku, siis tagant tulev horisontaalne valgus oleks
blokeritud esipolaroidi poolt, muutes ekraani ühtlaselt mustaks. Ometi LCD
molekulide moondunud struktuur juhib seda läbivat valgust ning pöörab selle
28
polarisatsiooni, muutes teda nii, et ta tuleb välja horisontaalselt. Seega on ekraan
elektrivälja puudumisel ühtlaselt valge. Plaadi valitud kohtadele pinget rakendades,
on võimalik hävitada moondunud molekulide struktuuri, blokeerides valguse
läbipääsu antud kohtades.
Pinge rakendamiseks on kaks enimkasutatavat skeemi. Passiivses maatriks kuvaris
mõlemad elektroodid sisaldavad paralleelseid juhtmeid. Näiteks 640x480 ekraanil
tagaelektroodil võib olla 640 vertikaalset juhet ja esielektroodil 480 horisontaalset
juhet. Andes ühele vertikaaljuhtmetest pinge ja ühele horisontaalsele pulsi, saab
tekitada pinge ühes valitud punktis, muutes ta hetkeks tumedaks. Aktiivses maatriks
kuvaris kasutatakse ristloodis juhtmete asemel väikeseid lülituselemente igas pixli
positsioonis ühel elektroodidest. Neid sisse ja välja lülitades luuakse meelevaldne
pingemuster üle ekraani, moodustades vajalik bitimuster.
o värviline kujund
Värvilised ekraanide tööpõhimõtted on üldiselt samad kui monokroomsete ekraanide
tööprintsiibid. Detailid on märksa keerulisemad. Kasutatakse optilisi filtreid
eraldamaks valgest valgusest punast, rohelist ja sinist valgust iga pixli kohal, et neid
saaks eraldi kuvada. Igat värvi on võimalik üles ehitada lineaarse superpositsiooni teel
kolmest põhivärvist.
Hiir ja juhtkang (Mouse and joystick)
Hiir on abivahend arvutiga suhtlemiseks. Eriti mugav on kasutada hiirt graafilises
töökeskkonnas. Kuigi kursori liigutamiseks saab kasutada ka klaviatuuri
kursorijuhtimisklahve, on töö hiirega siiski võrratult käepärasem. Töö graafiliste
kujutistega ilma hiireta, on kui mitte võimatu, siis vähemalt äärmiselt ebamugav,
vaatamata sellele, et paljud tarkvarapaketid pakuvad mõlemat võimalust.
Traditsiooniline hiir kujutab endast väikest nuppudega varustatud karbikest, mis on
juhtme abil arvutiga ühendatud ja mille sisemuses pöörleb väike kummist või plastist
kuulike. Kui hiirt libistada laual (alusmatil), siis kuul pöörleb ja tema liikumisele
reageerivad (klassikalises lahenduses) kaks rullikut, mis on ühendatud kahe
teineteisest 90o võrra pööratud anduriga, mis kuulikese pöördliikumise teisendavad
elektrilisteks impullsideks (lihtsamalt öeldes on need hiire X/Y-suunalise liikumise
andurid). Need elektrilised signaalid vastavad eraldi liikumisele kahes suunas: edasitagasi
ja vasakule- paremale. Kursor arvuti ekraanil järgib hiire liikumist aluslaual.
Anduriteks on tavaliselt piludega kettakesed, mis pöörlevad hiire kuulikese liikudes
ning katkestavad kettakesi läbivat valgusvoolu; neid katkestusi registreerivad
fotoandurid. Piludega kettakeste asemel võib kettakeste pind olla kaetud mustavalgetriibulise
mustriga: sel juhul registreeritakse fotoanduritega valgete pindade pealt
peegelduvat valgust. Eriline tarkvara, hiire draiver(programm), arvutab ümber
hiireelektroonika pöörde- ja kiirusimpulsid ekraanil paikneva hiirekursori (võib
esineda noole, liivakella, püstkriipsu jne. kujul) liikumisteks. Olgu öeldud, et
draiverid üldises tähenduses teostavad mis tahes perifeerseadme sobitamist kindlale
arvutisüsteemile. Mitmed hiired on omavahel ühilduvad s.t ühe hiire juhtproged
võivad sobida teistelegi. Tarkavara poole pealt on oluline, kui palju arvuti mälu hiire
juhtprogramm hõivab.
Optilistel hiirtel pöörlevat kuulikest pole. Sellised hiired töötavad vaid selleks
otstarbeks mõeldud alusel: hiire sees asuvate andurikettakeste asemel on spetsiaalse
aluse pind kaetud ristitriipudega ning hiire korpuses asuv fotoandur registreerib
aluselt peegeldunud valgust, mis triipudest üle liikudes katkeb.
Hiir ühendatakse arvuti jadaporti (COM- port), s.t. andmevahetus arvuti ja hiire vahel
käib jadakoodis. Signaalide töötlemiseks ja edastamiseks asub hiire korpuses
eriotstarbeline integraallülitus või mikroprotsessor, mis hoolitseb hiire
liikumissignaalide ja nupuvajutuste kodeerimise ning arvutisse saatmise eest. Hiire
iseloomustamisel märgitakse tavaliselt ka, kas ta on varustatud 9- või 25-kontaktilise
jadapistikuga. Kui arvutis on mittesobiv jadapordipistik, aitab hädast 9-25 või 25-9
üleminek; selliseid pistmikke leidub mõningate hiirte komplektidest, neid on aga
võimalik osta ka eraldi. Lisaks on väga levinud hiire ühendamise viis läbi PS/2 pordi.
Mõned hiired on nn. siinihiired (bus mouse): arvuti külge ei ühendata neid mitte
jadapordi, vaid eraldi S/V kaabli abil.
25
Hiire iseloomustamisel on olulisim tema tundlikkus. Hiire tundlikkust mõõdetakse
tavaliselt punktides tolli kohta (dpi- dotch per inch); tundlikkus 200 dpi näitab, et hiire
liigutamisel laual ühe tolli võrra teisendub see liikumine kahesajaks elektrisignaaliks:
kui tarkvaraliselt vastab ühele elektrisignaalile liikumine kuvaril ühe punkti võrra, siis
640x480 pinna katmiseks on vaja 3.2x2.4 tolli suurust lauapinda. Tundlik hiir on hea
hiir, ent vahel osutub kasulikuks hiire tundlikkuse vähendamine.
Serial ehk jadapordi hiired kasutavad töötamiseks 12V ning PS/2 hiired 5V pinget.
Hiire nupud pole tavaliselt midagi muud, kui lihtsad mikrolülitid. Algupärasel Apple'i
hiirel oli üks klahv, enamik tänapäeva hiiremudeleid on varustatud kahe või kolme
klahviga, mille funktsioon sõltub konkreetsest rakendusprogrammist (neist
vasakpoolne on tavaliselt sisestusklahv (Enter) ja parempoolne paoklahv (Esc).)
Leidub hiiremudeleid, millel klahvide arv ulatub viieni ja mis on mõeldud töö
hõlbustamiseks Windowsis ja Internetis (Geniuse EasyScroll).
Kuigi hiir (või tema eelkäija) töötati välja Douglas Engelbart-i poolt juba 1963 aastal
?Stanford Research Center?-is, muutus ta populaarseks alles alates 1984.a., mil Apple
hakkas tootma graafilise operatsioonisüsteemiga mikroarvuteid (Apple Lisat ja
Macintoshe), kus kasutati hiirt kõikides toimingutes, v.a teksti sisestamine. Kuna
IBM- tüüpi personaalarvutites mindi graafilisele keskonnale (Windows) üle palju
hiljem, tekkis seoses hiirega mõningaid tehnilisi probleeme. Algul kasutati arvuti sisse
paigutatavat hiireliidese lisakaarti või standartset jadaliidest RS-232
(operatsioonisüsteem võimaldas ainult kahe RS- liidese kasutamist; kui üht kasutati
näiteks printeri ja teist hiire jaoks, ei jäänud vabaks enam ühtegi jadaporti).
Üldiselt võib eristada kolme peamist hiirefunktsiooni:
Osutamine (pointing)
Kui liigutada hiirt tasapinnal, nihkub ekraanil ka hiirekursor, nii et selleg saab osutada
mistahes kohale ekraanil. Et küündida ekraani kõikidesse nurkadesse, piisab hiirele
tööpinnast 25x20 cm. Ekraanil oleva osuti (hiirekursori) kuju sõltub programmist:
graafika programmides on see nool, tekstitöötlusel- rõht- või püstkriips või vilkuv
ruuduke. Kui hiir tõsta üles ja panna teise kohta lauapeal, siis kursor ekraanil muidugi
ei nihku.
? Klõpsutamine
(click)
Klõpsutamise all mõistetakse hiireklahvi allavajutamist ja järgnevat lahtilaskmist
(seejuures kostab klõpsatus). Klõpsutamisega saab esile tõsta (valida) ja aktiveerida
hiirekursori all paiknevaid graafilisi elemente (pilte). Topeltklõpsu abil saab
ekraaniobjekti (nt. programmiikooni või failinime või programmifunktsiooni) alul
esile tõsta (välja valida) ja siis aktiveerida (käivitada, avada jne.), mis vastab
kinnitusele Enter- klahvi abil. Mõnes programmis saab kasutaja ise hiireklahvidele
funktsioone omistada.
? Lohistamine e. vedamine
26
(dragging e. drag and drop)
Allavajutatud klahviga hiire liigutamist aluslaual, kuni hiirekursor on ekraanil
soovitud kohas (siis klahv vabastatakse). Nii saab näiteks kuva osa (tekstilõigu, rea,
veeru) esile tõsta (vastav ekraanipiirkond kujutatakse muuvärvilisena), et seda
tervikliku objektina edasi töödelda,mida tekstitoimetites sageli vajatakse.
Klõpsutamisega esiletõstetud graafilisi elemente saab lohistamise abil muundada ja
teisaldada.
Kokkuvõtvalt võib öelda, et on kolme tüüpi hiiri:
? mehaanilised: Eespool kirjeldatud hiir
? optilis-mehaanilised (optomechanical): Sama mis mehaaniline hiir, kuid ta
kasutab palli liikumise kindlaks tegemisel optilisi sensoreid.
? optical: Kasutab hiire liikumise kindlaks tegemisel laserit ja vajab oma tööks
spetsiaalset alust. Sellisel hiirel pole mehaaniliselt liikuvaid osasid. Nad
reageerivad kiiremini ja täpsemini kui mehaanilised ja optilis-mehaanilised
hiired, kuid nad on ka palju kallimad.
Hiirt võib PC-ga ühendada 3- el erineval moel:
? Järjestik hiir (Serial mice) ühendatakse RS-232C tüüpi järjestik- ehk
jadaporti või PS/2 porti. See on lihtsaim ühendusviis.
? Rööphiir, siinihiir (Bus mice) ühendatakse arvutiga siiniliides kaardi abil.
See on natuke halvem eelmisest variandist, kuna tuleb konfigureerida ja
installeerida laienduskaart.
? Juhtmeta hiired (Cordless mice) ei ole arvutiga füüsiliselt ühendatud.
Arvutiga suhtlemiseks kasutavad nad infrapunakiiri või raadiolaineid.
Raadiohiirte saadetavaid signaale vastu võttev karbike võib vabalt asetseda
arvuti taga, infrapunaseid kiiri kasutavatel hiirtel peab tingimata olema
otseside oma vastuvõtva kastiga. Juhtmeta hiired on kallimad kui järjestik- ja
rööphiired.
Macintosh arvutitel ühendatakse hiir läbi ADB (Apple Desktop bus) pordi.
Juhthoob on igas suunas liigutatav hoob (kang), mis oma liikumisega juhib ekraanill
oleva kursori liikumist. Erinevalt hiire kursorist, mis peatub koos hiire peatumisega,
jätkab juhthoova kursor hoova peatumisel oma liikumist suunas kuhu kang osutab.
Kursori peatamiseks tuleb hoob viia püstasendisse (neutraalasendisse). Paljudel
hoobadel on ka mitu nuppu. Selle sisendseadme peamiseks kasutusvaldkonnaks on
arvutimängud, kuid ka mitmed muud rakendused nt. puuetega inimestele. Juhthoova
üheks eriliigiks on veel mängupult (game pad, joy pad), mis enamasti on seotud
kindla mängutüübiga ja varustatud suure hulga juhtimisfunktsioonidega ning mis
ühendatakse arvuti spetsiaalse mängupordi külge (15-kontaktiline pesa, mis on
tavaliselt helikaardi külge ehitatud). Juhthoova ja mängupuldi erinevuseks on see, et
viimasel on kindlaks määratud suunad, mille piires on võimalik liikuda, vaata
kõrvalolevat joonist. Lisaks sellele, et juhthoova võib liigutada suvalises suunas, saab
sellel ka valida millises ulatuses kangi lükata (mängudes saab sellega näiteks sujuvalt
reguleerida erinevaid kiirusi, millega liikuda).
Klaviatuur (Keyboard)
Vanematel klaviatuuridel oli iga klahvi all lüliti, mis andis tagasisidet kui teda
vajutatid ning tegi klõpsu kui seda piisavalt kõvasti vajutati. Tänapäeval odavamatel
klaviatuuridel on klahvid, mis moodustavad mehhaanilise kontakti, kui neid
vajutatakse. Parematel on kummitaolisest materjalist leht või kiht nuppude ja nende
24
all oleva trükkplaadi vahel. Iga klahvi all on väike kuplikke, mis väändub, kui seda
piisavalt vajutada. Väike täpike, mis on elektrit juhtivast materjalist sulgeb vooluringi.
Mõningail klaviatuuridel on magnet iga klahvi all, mis läbib pooli, kui teda
vajutatakse, indutseerides nii voolu, mida on võimalik tuvastada.
Allavajutatud klahv avastatakse veergude aegskaneerimise teel. Klaviatuuri read on
ühendatud vastuvõtudekoodriga, mis rea ja veeru numbri järgi seab avastatud klahvi
vastavusse sümboli koodi.
Erinevad siinid ja nende osa andmevahetuses.
? Andmeedastus protokollid.
Andmevahetuseeskirjades e protokollides on defineeritud juhtinformatsiooni ja
andmete edastuse kord, ajaparameetrid ja kasutatavad koodid.
? Sünkroonne siin Sychronous Bus
? Asünkroonne siin Asynchronous Bus
? Tagasisideta andmevahetus Open-loop data transfer
? Tagasisidega andmevahetus Closed-loop data transfer
? Täieliku tagasisidega andmevahetus Fully inlocked handshaking
22
? Andmevahetus oote tsüklite lisamisega Data transfer adding Wait States
? Grupi andmeedastus Burst Mode
? Andmesedastus konveierina Pipelining
Sünkroonseks võib nimetada seadet, mille kõik töötsüklid on determineeritud
kestusega ja sünkroniseeritavad arvuti mõne töötsükliga, näiteks taktsagedusega.
Kõigil teistel juhtudel tuleb lugeda seadet asünkroonseks.
? Andmevahetuse juhtimine (Bus arbitration)
Kui näiteks CPU ja I/O seade tahavad korraga ühte siini kasutada, siis andmevahetuse
juhtimisel otsustatakse, kellel on õigus siini kasutada. Üldjuhul on I/O seadmetel
eesõigus CPU ees, sest välisseadmete peatamisel võib info kaduma minna. Seadmed
küsivad luba siini kasutamiseks ja andmevahetuse juhtija annab loa vastavalt seadme
prioriteedile siini kasutada.
? Sisend-väljund seadmete ja protsessori andmevahetus
Andmevahetuse initsieerivaks pooleks võib olla nii arvuti kui ka välisseade. Esimesel
juhul on andmevahetuse korraldamine lihtsam ja võib toimuda jäiga programmi
alusel. Näiteks võib programmi kindlate ajavahemike järgi sisestada andmeid
automaatikasüsteemi anduritelt, printide andmed kohe pärast nende töötluse lõppu
jne.
Kui andmevahetuse initsiaatoriks on aga välisseade, ei ole vahetuse alghetk enamasti
põhimõtteliselt ette teada ja järelikult ei saa seda ka jäigalt ette programmeerida.
Niisiis sõltub andmevahetussüsteemi riist- ja tarkvara sellest, kumb pool on
andmevahetuse alustamisel initsiaatoriks.
kui vaadelda andmete võimalikke liikumisteid välisseadmelt mälusse ja vastupidi, siis
leiame, et põhimõtteliselt on kasutatavad kaks teed. Esimesel juhul toimub
andmevahetus protsessori ja vastava programmi vahendusel, teisel juhul toimub see
aga vahetult mälu ja välisseadme vahel ehk nn. Otsemällupöörduse vahendite abil
(DMA). Andmevahetus protsessori kaudu toimub vastaval programmi järgi
spetsiaalste sisend-väljundkäskude abil. Seejuures salvestatakse iga vahetatav bait
eelnevalt akumulaatori registris. Mäluaadressi andmete lugemiseks või kirjutamiseks
formeeritakse samuti protsessori abil programmiliselt. Kõiki neid funktsioone täitvaid
programme nim. välisseadmete draiveriteks, nad koostatakse spetsiaalselt igale
välisseadme tüübile ning nad kuuluvad harilikult operatsioonisüsteemi koosseisu.
Andmevahetus kiirete välisseadmetega korraldatakse otsemällupöördusega. Selle
meetodi puhul protsessor peatatakse teatud ajaks ja andme- ning aadressisiinid
ühendatakse otse mälu ja andmevahetussüsteemi vahel. Kontrolleri ülesandeks on ka
ülekantavate andmete arvu jälgimine ja ülekande lõpetamine, kui vajalik hulk
andmeid on edastatud.
? Mikroprotsessori juurde kuuluvad komponendid ( Supporting System)
o Mälu kontroller (Memory controller)
o Peidikmälu, vahemälu kontroller (Cashe controller)
o Siini kontroller (Bus controller)
23
Kontrolleri ülesandeks on kontrollida sisend-väljundseadet ja juhtima siini ligipääsu
sellele.
Controller :
? Juhib I/O seadet. Põhimõtteliselt protsessor, mis on programmeeritav
? Teisendab elektromagneetilised signaalid kahend koodideks.
Näiteks magnet mäluseadmetel.
? Erinevate kiiruste korral puhverdab andmeid I/O seadme ja CPU vahel.
? Vigade avastamine ja parandamine andmeedastuses.
o Mälu otsepöördus reziimi kontroller (DMA controller)
Otsemälukanali kontroller on ette nähtud otseside loomiseks andmeallika ja tarbija
vahel andmete plokiviisiliseks edastamiseks maksimaalse võimaliku kiirusega. Nagu
oli juba eespool märgitud, kasutatakse seda moodust eeskätt just kiirete välisseadmete
ühendamiseks arvutiga, kuid see on edukalt kasutatav ka andmete kiireks transpordiks
mälu eri osade vahel. Seepärast võivad andmeallikaks ja ka vastuvõtjaks olla nii mälu
kui ka välisseade. Vastavalt sellele luuakse järgmised edastuvõimalused:
Välisseadmest mällu;
mälust välisseadmesse;
ühelt välisseadmelt teisele;
ühest mälu osast teise;
sageli on aga vaja andmeid edastada sõltuvalt nende sisust, massiivi nimest või
mingist koodist. Seepärast on enamikus DMA kontrollerites kasutusel veel
otsinguvõimalus st andmete ükshaaval läbivaatamine kuni mingi tunnuse leidmiseni.
o Programmeeritav katkestuste kontroller (Programmable
interrupt controller)
Kontrollib maskregistri olekut enne välisseadme katkestuse teenindamise algust.
o Programmeeritav taimer (Programmable interval timer
controller)
Koosneb loendurist ja ajkonstandi registrist. Töö alguses laetakse registrisse soovitav
ajakonstant, mis pärast käivituskäsklust viiakse loendurisse ning hakatakse nüüd
loendama sisendsignaali impulsse.Loendamine toimub allapoole. Periood lõpeb
loenduri sisu jõudmisel nullini, mil tekitatakse väljundisignaal. Viimast võib kasutada
näiteks protsessori katkestussignaalina, mis teatab etteantud ajavahemiku lõppemisest.
Sisend-väljund seadmed
Mikroarvuti arhitektuur ja siinid.
siinidraiverid, andmesiin, aadresssiin ja juhtsiin.
Siin kujutab endast elektriliselt sõltumatute ahelate hulka, mis on mõeldud infosõna
edastamiseks. Lihtsaim siinikontroller on register. Siin on süsteemi pudelikael.
Andmesiin - (DB) edastatakse vist andmeid, Aaresssiin - (AB) ta laius määrab ära
max aadressmälu, Juhtsiin - (CB).
. Siin - üks komplekt juhtmeid. Andmesiinid - toimub andmevahetus mõlemas
suunas. Aadresssiin - määrab ära max.-ne adresseeritav mälu. Pesa, kui sise-väljund
aadressi. Juhtsiin - komplekt juhtsignaale mõlemas suunas. Siinidraiver - element,
mis eraldab siinist mingi seadme.
Mikroprotsessorite ja arvutite ehitus sõltub sellest, kuidas nende eri osad (ALU,
registrid, mälu, sisend- ja väljundliidesed) on ühendatud tervikuks. Juhtseadme
20
protsessori, mälu ja sisend-väljundliideste vahel kasutatakse ühenduseks siinemitmejuhiline
ühendus, millega saab omavahel liita palju süsteemi komponente.
Juhtseadme siin koosneb mitmest paralleelsest juhist, mis ühendavad elektriliselt
juhtseadme erinevaid osi. Siinid jagunevad: aadressi-, andme- ja juhtsiinideks.
Aadressi- ja andmesiinid on tavaliselt 8- või 16- soonelised, nende kaudu edastakse
korraga ühe- või kahebaidiline sõna.
Aadressisiini 8 biti abil saab edastada aadresse 0.. 255, mis sobib väga väikse mälu
või näiteks sisend- ja väljundliideste adresseerimiseks. Kõik sisend- ja väljundliidesed
ning mälu on ühendatud siiniga, millele protsessor väljastab aadressi. Suuremate
mälude adresseerimiseks on vaja 16- või enamsoonelist siini 16- bitise aadressisiini
korral saab otseselt adresseerida 216= 65535 baidi = 64 Kbaidi (220=1Mbait)
Kui mingi sisendseade tuvastab siinil oma aadressi, väljastab ta andmesiinile oma
mäluregistri bittide olekud. Samuti toimub andmesiini kaudu andmevahetus
protsessori ja mälu vahel.
Juhtsiini kaudu edastatakse signaale, mida kasut. arvuti töö juhtimiseks ja
kontrolliks. Näiteks määravad juhtsiini kaudu edastatavad signaalid R (read) ja
WR(write), kas mälu poole pöördutakse info lugemiseks või kirjutamiseks.
Aadressid ja andmed on siinil väga lühikest aega. Nii saab ühe ja sama siiniga
edastada kogu nõutava info paljudelt sisenditelt protsessorisse ja vastupidi
protsessorist paljudesse väljunditesse, lugeda mälust käske ning salvestada sinna
vajalikku infot. Siinis edastatakse andmeid mõlemas suunas.
Siinidraiver- element, mis eraldab mingi seadme siinist.
Mikroprotsessori üldstruktuur (monoliitprots.): akumulaator, registermälu, ALU,
siinipuhvrid, pinumälu osuti (SP), jne.
Akumolaator - on alati kahepoolne register, Registermälu - trigeritest koosnev
mäluseade. CPUs on registrid andmete, vahetulemuste või juhtinformatsiooni
hoidmiseks.
ANDMEVAHETUS MIKROPROTSESSORSÜSTEEMIS (mikroarvutis):
Siinitsükkel v. Masinatsükkel - iga siini poole pöördumine. I/O READ - lugemine,
I/O WRITE - kirjutamine. Olekusõna - kood, mis siini kaudu väljastatakse.
Siinikontroller - register, kus säilitatakse infot siinitsükli kohta. Pöördumine mälu ja
välissseadmete poole - siinitsükli kaudu. Andmevahetus katkestustega - antakse
aktiivsus sisend-väljund seadmetele Ilma katkestuseta andmevahetus - kõik
väljundseadmed on passiivsed ja protsessor määrab ära pöördumise ja lahendab
prioriteedi probleemi. Otsepöördusreziim e. DMA - korraldab ise andmevahetuse.
Haarab juhtsiinid enda alla. Andmevahetus läbi DMA kontrolleri.
Mikroprotsessoriks nim. ühel või mitmel integraallülitusel ehk kiibil asuvat
protsessorit. Ühel kiibil asuvat mikroprotsessorit nim. ka monoliitprotsessoriks.
Mikroprotsessori seesmine juhtautomaat on kasutaja poolt programmeeritav või
ümberprogrammeeritav.
Mikroprotsessori põhilised komponendid:
* registrid,
* akumulaator,
* ALU.
Mikroprotsessor sisaldab mitmeid registreid, mida kasut. tehte tulemite või tehte
vahetulemite lühiajaliseks salvestamiseks, selleks, et tulemid oleksid kiiresti saadaval
21
järgmisteks teheteks.
Akumulaator on protsessori üheks kõige tähtsamaks registriks, kuhu enne tehte
sooritamist viiakse üks operandidest ning kuhu salvestatakse automaatselt
aritmeetika- loogikaploki tulem.
Pinumäluviit e. pinuviit säilitab muutmälu selle piirkonna aadressi, mida jooksvalt
kasutatakse pinumäluna.
ALU teostab mikroprogrammi poolt lahendatud loogikaülesandeid.
Registermälu kasut. programmi operandide, vahetulemite ja aadresside ajutiseks
säilitamiseks.
Käsudekooder otsib üles järgmise käsu.
Mikroprotsessorite ja arvutite ehitus sõltub sellest, kuidas nende eri osad (ALU,
registrid, mälu, sisend- ja väljundliidesed) on ühendatud tervikuks. Juhtseadme
protsessori, mälu ja sisend-väljundliideste vahel kasutatakse ühenduseks siinemitmejuhiline
ühendus, millega saab omavahel liita palju süsteemi komponente.
Juhtseadme siin koosneb mitmest paralleelsest juhist, mis ühendavad elektriliselt
juhtseadme erinevaid osi. Siinid jagunevad: aadressi-, andme- ja juhtsiinideks.
Aadressi- ja andmesiinid on tavaliselt 8- või 16- soonelised, nende kaudu edastakse
korraga ühe- või kahebaidiline sõna.
Aadressisiini 8 biti abil saab edastada aadresse 0.. 255, mis sobib väga väikse mälu
või näiteks sisend- ja väljundliideste adresseerimiseks. Kõik sisend- ja väljundliidesed
ning mälu on ühendatud siiniga, millele protsessor väljastab aadressi. Suuremate
mälude adresseerimiseks on vaja 16- või enamsoonelist siini 16- bitise aadressisiini
korral saab otseselt adresseerida 216= 65535 baidi = 64 Kbaidi (220=1Mbait)
Kui mingi sisendseade tuvastab siinil oma aadressi, väljastab ta andmesiinile oma
mäluregistri bittide olekud. Samuti toimub andmesiini kaudu andmevahetus
protsessori ja mälu vahel.
Juhtsiini kaudu edastatakse signaale, mida kasut. arvuti töö juhtimiseks ja
kontrolliks. Näiteks määravad juhtsiini kaudu edastatavad signaalid R (read) ja
WR(write), kas mälu poole pöördutakse info lugemiseks või kirjutamiseks.
Aadressid ja andmed on siinil väga lühikest aega. Nii saab ühe ja sama siiniga
edastada kogu nõutava info paljudelt sisenditelt protsessorisse ja vastupidi
protsessorist paljudesse väljunditesse, lugeda mälust käske ning salvestada sinna
vajalikku infot. Siinis edastatakse andmeid mõlemas suunas.
Siinidraiver- element, mis eraldab mingi seadme siinist.
Adresseerimise viisid (Addressing modes)
Otsene - käsuga antakse ette operandi aadress, mille järgi see sealt ka leitakse. Vahetu
- operand antakse koos käsuga, mälus on koos käsukood ja operant Suhteline -
antakse operandi aadress käsuloenduri prog. jooksva aadressi suhtes. Operandi
aadress leitakse käsuloenduri ja juhtaadressi summeerimisega. Kaudne - kõigepealt
leitakse mälust operandi aadress ja seejärel teisest mälupesast operand.
Indekseerimine - baasaadressina kasutatakse indeksiregistris salvestatud aadressi
19
sõna. Autoinkrementne - sarnane kaudsega, aga pärast operandi adresseerimist ja käsu
täitmist registri sisu kasvatatakse registri sisu 2 võrra või 1 võrra. Autodekrementne -
sarnane kaudsega, enne operandi adresseerimist kahandatakse registri sisu 2 või 1
võrra.
1. Vahetu adresseerimine ? direct addressing
Operandi määratlemiseks kasutatakse tema täisaadressi. Instruktsioon pääseb ligi alati
ainult täpselt samale mälukohale, nii et väärtus võib muutuda, aga asukoht mitte. Saab
kasutada globaalsete muutujate korral.
2. Otsene adresseerimine - Immediate Addressing
Käsu aadressi osa sisaldabki endas operandi, mitte aadressi või muid instruktsioone,
kust operandi leida. Operand seega laetakse mälust automaatselt samal ajal kui
laetakse käsku ning on kohe kasutamiseks olemas. Nii saab hankida ainult konstante.
3.Kaudne adresseerimine - Indirect Addressing.
Määratava operand tuleb mälust ja läheb mällu, aga tema aadress ei ole
instruktsiooniga püsivalt seotud. Selle asmel säilitatakse aadressi registris. Nii saab
erinevate instruktsiooni täitmistega koos kasutada erinevaid mälu sõnu.
4.Antoinkreventne adresseerimine - Autoincrement Addressing
loetakse operant välja ja aadress säilitatakse modifitseeritult. LIFO- pinumälu,
Pinuosuti (Stack Pointer), CP+1 liidetakse.
5.Autodekrementne - Autodecrement Addressing
lahutamine. (sama, mis eelmisel).
6.Segmenteerimine - Segmentation
vanem osa aadr.-st hoitakse lehekülje nr alles ja modifitseeritakse. Segmendi aadress
+ operandi aadress
7.Adresseerimine indekseerimisega ? Indexed Addressing
käsu juurde kuulub pikk baasaadress ja liidetaske juurde nihe, mis annab uue aadressi.
8.A baseeerimisega ? Based Addressing
Käsukoodi juurde kuulub nihe, mis võib olla lühem kui pikk aadress.
9.A. baseerimine ja indekseerimisega - liidetakse kõik (baas kui ka indeks) kokku.
10.Suhteline adresseerimine - PC - käsuloendur + Nihe ja saadakse uus aadress.
Mikroarvuti riistvara.
Käsuformaadid ja käsusüsteem (Instruction set)
An instruction set, or instruction set architecture (ISA), describes the aspects of a
computer architecture visible to a programmer, including the native datatypes,
instructions, registers, addressing modes, memory architecture, interrupt and
exception handling, and external I/O (if any).
Kõrgtaseme keel
Assembler keel
masinkood
Andmeedastus käsud Data transfer instructions
MOV, LOAD, STORE, ...
Aritmeetika-loogika käsud Arithmetic-logic instructions
AND, OR, ADD, SUB, ?
Hargnemiste (siirete) käsud Branch instructions
JMP, CALL, RET, ?
Pinumälu, sisend-väljund seadmete ja protsessori juhtimine
Stack, I/O, Machine control instructions
PUSH, POP, IN, OUT, NOP, ...
Optilised mäluseadmed (Optic memory)
Suurema salvestamistihedusega kui magneetilised kettad.
CD
Infrapunase laseriga põletatakse 0.8 micronilise diameetriga augud klaasist kattega
master diskile. Sellest vormitakse CD, kus on aukude asemel mügarikud.
Polükarbonaadi abil vormitakse sellest CD, mis on sama mustriga nagu master. CD
kaetakse õhukese alumiiniumkihiga, mis omakorda kaetakse kaitsva lakiga. Lohke
polükarbonaadis kutsutakse ?pit?-tideks ja põletamata alasid aukude vahel kutsutakse
?land?-iks e. maaks. Infrapuna laser loeb CD-le salestatud infot polükarbonaat poole
pealt, kui lohud ja tasased pinnad temast mööduvad. Lohkudest peegeldub laservalgus
tagasi nii, et valgusdetektorisse jõuab vähem valgust, kui tasaselt pinnalt tagasi
peegeldudes. Lohud ja tasane pind on kirjutatud CD-le spiraalselt alustades CD keskel
oleva augu lähedusest ja liikudes kogu aeg väljapoole. Seega peab ka ketta
pöörlemiskiirus vähenema
CD-ROM
Valmistatakse CD-ga ühte moodi. Jagatud sektoriteks. Lisatud on sissejuhatav kood,
veaparandus- ja kontrollkoodid.
CD-R
Sarnaneb ehituselt CD-ROM-ile, kuid põhimiku ja metallikihi vahel on
valgustundlikust orgaanilisest materjalist (tsüaniin või seda sisaldavad segud)
andmekiht. Põhimikku on pressitud pidev spiraalvagu, mille järgi kirjutav seade
hiljem kirjutuslaserit positsioneerib (kirjutamiseks kasutatakse kõrge intensiiivsusega
laserkiirt). Kirjutamisel tekitatakse vagudevahelisele alale ?lohke?.
Need ei ole tegelikult lohud, vaid materjali kerge sulatamisega mittepeegeldavaks
muudetud piirkonnad, mida CD- seadme laser peab lohkudeks.
CD-RW
CD-RW andmekihi pind koosneb erilistest keemilistest komponentidest, mis võivad
oma olekut korduvalt muuta ja säilitada, sõltuvalt temperatuurist. Materjali
kuumutamisel ühe temperatuuriga ja seejärel jahutades, aine kristalliseerub ning teise
temperatuuriga kuumutades, võtab aine mittekristalliseerunud oleku. Kui aine on
kristalliseerunud, peegeldab ta rohkem valgust kui mittekristalliseerunult, seega saab
kristalliseerunud pinda kasutada kui põhipinda "land" ja mittekristalliseerunud kohta
lohuna "pit". Seega peab CD-RW seade kasutama korduvkirjutamisel kahte erinevat
laserikiire võimsust.
DVD
16
Digital Video Disc. Üldjoontes sama tehnoloogia, mis CD-de puhul ainult, et
väiksemad lohud (0,4 micronit), tihedam spiraal(0,74 micronit radade vahel, CD-de
puhul oli see 1,6 micronit), kasutatakse punast laserit (0,65 micronit, mitte enam 0,78
micronit)
Holograafiline salvesti.
Tavapärase mälutehnoloogia ? magnetkõvakettad, optilised disketid ning
pooljuhtmälud ? pidev täiustumine on aidanud neil sammu pidada järjest kasvavate
nõudlustega mahu ja kiiruse suhtes. Siiski on kindlaid tõendeid, et need pind?
salvestusmeetodid on jõudmas fundamentaalsete piirideni, mida võib olla raske
ületada, nagu näiteks valguse lainepikkus ning salvestatud bittide termiline stabiilsus.
Alternatiivne lahendus järgmise põlvkonna mäludele oleks ruumiline
andmesalvestusviis.
Andmete digitaalne salvestus hologrammihulga abil pakub andmete suurt tihedust
ning kiire taastamise võimalust. Praegune uurimise põhirõhk on suunatud sellise
süsteemi projekteerimisele, müra vastu võitlemisele ning sobivamate
salvestusmaterjalide leidmisele.
Püüame siis heita pilgu hetkeseisule holograafilise ruumilise mälu arenduses, kus
suure tiheduse saavutamiseks kasutatakse mitmekihilisi hologramme. Info
kodeeritakse ja säilitatakse tasapinnaliste pikselkujutistena, kus iga piksel tähistab 1
bitti. Täielik paralleelsus võimaldab kiiret lugemist: kui võtta lugemiskiiruseks 1000
hologrammi sekundis, kusjuures iga hologramm sisaldab 1 000 000 pikslit, siis saame
väljundkiiruseks 1 Gbit/s. Võrdluseks, DVD kiirus on 10 Mbit/s.
Õnnestunud on katsed pindtihedusega 100 bitti ruutmikroni kohta 1 mm paksuses
materjalis; paksemas materjalis võib see ulatuda ligi 350 bitini ruutmikroni kohta.
Võrdluseks, DVD puhul on pindtihedus 20, magnetketastel aga 4 bitti ruutmikroni
kohta. Selle salvestustehnika potentsiaal on haaranud arendusse kaasa paljud firmad
alates Bell Labs?ist kuni US?DARPA?ni (kuhu kuuluvad näiteks IBM, Kodak,
Polaroid jt).
Meeldetuletus füüsikast
Hologramm on kujutis, mis saadakse kahe koherentse valguskiirte kimbu lõikumisel
tekkiva interferentsimustri salvestamisel. Tavaliselt jaotatakse laserikiir kaheks
kiireks ? infot kandvaks signaalikiireks ning häirimata laservalguse tugikiireks ?
ning salvestatakse nende ühinemisel tekkiv interferentsipilt.
Sellise interferomeetrilise salvestuse põhiomaduseks on see, et kui seda salvestust
valgustada lugemiskiirega, difrageerub lugemiskiir osaliselt signaalikiire nõrgaks
koopiaks. Kui signaalikiir saadi näiteks valgustades ruumilist objekti, siis hologrammi
heiastamine tekitab objekti ebakujutise hologrammi taha.
Kui hologramm on salvestatud õhukesele materjalile (materjali paksus on samas
suurusjärgus interferentsimustri keskmise perioodiga), võib lugemiskiir veidi erineda
salvestusel kasutatud tugikiirest, kuid stseen ilmuks siiski. Kui hologramm
salvestatakse paksule materjalile, siis see valguse hulk, mis lugemiskiirest difrageerub
17
signaalikiire sihis (difraktsiooni tõhusus), sõltub lugemiskiire ning algse tugikiire
sarnasusest. Väike erinevus lainepikkuses või lugemiskiire nurgas on piisav, et
kaotada hologramm. Heiastusprotsessi tundlikkus nende väikeste muutuste suhtes
kasvab peaaegu võrdeliselt materjali paksusega. Seega, kasutades paksemaid
salvestusmaterjale, võivad konstruktorid kasutada seda lugemiskiire nurga ja
lainepikkuse tundlikkust, et salvestada mitmekordseid hologramme. Teise, nn
nurkmultipleksitud hologrammi salvestamiseks muudetakse piisavalt tugikiire nurka,
nii et taastamisel esimene hologramm kaob. Uut langemisnurka kasutatakse uue
signaalikiirega uue hologrammi salvestamisel. Kahte hologrammi saab lugeda,
muutes lugemislaseri kiire nurka. 2 sentimeetri paksuse hologrammi puhul on
tundlikkus nurga suhtes vaid 0,0015 kraadi. See teeb võimalikuks tuhandete
hologrammide salvestamise kiire langemisnurga lubatavas vahemikus (tavaliselt 20?
30 kraadi).
Andmete salvestus ja taastamine
Et kasutada hologrammihulki salvestustehnoloogiana, peavad salvestatavad andmed
olema esitatud signaalikiirega ning lugemiseks tuleb nad taastada heiastatud kiirest.
Süsteemi sisendseadet kutsutakse ruumiliseks valgusmodulaatoriks (SLM, Spatial
Light Modulator). SLM on tasapinnaline tuhandetest pikslitest koosnev hulk, kus iga
piksel on iseseisev optiline lüliti, mille võib seada kas valgust läbi laskma või seda
blokeerima. Väljundseade on sarnane hulk, ainult et koosneb detektorpikslitest.
Müra
Lugemisprotsessis heiastatakse kujutis väljunddetektorite hulgale, kus digitaalsed
andmed eraldatakse detekteeritud signaalist. Müra tekitab nii detekteerimisprotsess ise
kui ka järgmised faktorid:
? Lugemistingimuste muutumine. Seda võib esineda juhul, kui näiteks salvestamisel
muutuvad materjali omadused. See tekitab ebasoovitavaid muutusi tugikiire rajas
hetkedel, mil hologrammi salvestatakse või heiastatakse. Sageli saab tugikiire nurka
või lainepikkust kohandada difraktsiooni tõhususe optimiseerimisel nende muutuste
osaliseks kompenseerimiseks.
? Detektorite hulk ei joondu pikslite hulgaga hologrammis. Siia kuuluvad kaamera
paigutamise, fokuseerimise ning kujutise suuruse muutmise vead.
? Detektor võtab vastu soovimatut valgust, kas siis salvestusmaterjalilt hajuvat või
kaja teistelt salvestatud hologrammidelt või sama hologrammi pikslitevahelist kaja.
? Detekteeritud kujutise ulatuses varieerub heledus. Selline probleem tekib, kui
kujutise ulatuses kasutatakse vaid ühte läve eraldamaks eredaid ja tumedaid piksleid
ning omistamaks binaarväärtusi. Neid kõikumisi võivad põhjustada SLM, optiline
kujutamine või originaallaserkiired.
18
? Erinevate pöördus viisidega mälud ( pinumälu (Stack, LIFO),
puhvermälu (FIFO) )
Pinu võib ette kujutada pealt avatud anumana, kuhu võib üksteise peale laduda
andmeid. Oluline omadus on võimalus andmeid ära võtta ainult sissepanekule
vastupidises järjekorras. Viimasele sissekandele osutab pinuviit ? s.o. aadress, millelt
on võimalik välja lugeda viimasena salvestatud muutuja ning millele järgnevale
aadressile võib kirjutada uue muutuja. Analoogiliselt anumaga võib pinu täis saada,
kui temale eraldatud ruum on ära kasutatud. Pinuga opereerimiseks on olemas käsud
PUSH ? salvestamine pinusse ja POP ? pinust lugemine.
Järjekorda võime ette kujutada toruna, millesse ühest otsast pannakse andmeid juurde,
teisest otsast aga võetakse välja. Struktuuri mõttes võib pinu ja järjekorda võrrelda nii:
pinu on selline järjekord, kus teenindamise printsiip on LIFO (last in first out) ?
viimasena saabus, esimesena teenindati. Tavalise järjekorra teenindamine toimub
printsiibil FIFO (first in, first out). Järjekord andmestruktuurina eeldab ainult FIFO
printsiibi kasutamist.
Käsusüsteem ja adresseerimine.
Magnet mäluseadmed (Magnetic memory)
Magnetketas koosneb ühest või mitmest alumiiniumtaldrikust, mis on kaetud
magnetiseeritava kattega. Ketta pea sisaldades induktsioonipooli hõljub pinna kohal
õhupadja peal. Kui positiivne või negatiivne vool läheb läbi pea, siis see
magnetiseerib pinna otse pea all, reastades magnetilised osakesed otsaga vasakule või
paremale poole vastavalt draivi voolu polaarsusele. Kui pea läheb üle
magnetiseeritud ala, positiivne või negatiivne vool indutseeritakse peas, tehes
võimalikuks eelnevalt salvestatud bittide lugemine.
CAV (Constant Angular Velocity)
-püsiv pöörlemiskiirus. CD-ROM seadmete tööprintsiip, mille puhul ketas pöörleb
alati ühesuguse kiirusega sõltumata sellest, kas infot loetakse tema sisemiselt või
välimiselt osalt.
CLV (Constant Linear Velocity)
Väiksema kiirusega CD-ROM lugejates on pöörlemiskiirus muutuv ja seda väiksem,
mida kaugemalt ketta keskkohast lugemine parajasti toimub, sest seda rohkem infot
ühele täistiirule mahub. Nii saavutatakse püsiv info ülekandekiirus, mis näiteks
heliplaadi jaoks on ka hädavajalik.
Omadused Constant Linear Velocity
(CLV)
Constant Angular
Velocity (CAV)
Seadme pöörlemis kiirus Muutuv Fikseeritud
Ülekande kiirus Fikseeritud Muutuv
Kasutusala Tavalised, vanemad CDROM
seadmed
Uued ja kiired CD-ROM
seadmed, kõvakettad,
disketi seadmed
12
? seadmed
kõvaketas
Pöörlemiskiirus
Pöörlemiskiirus näitab kui kiiresti kõvaketta plaadid pöörlevad. Tavaliselt kiirused
3600, 4500, 5400, 7200, 10000 RPM.
Ülekande kiirus.
Sisemine ülekande kiirus (Internal transfer rate) - kui kiiresti suudab lugemispea saata
infot kontrollerile.
Burst ülekandekiirus (Burst transfer rate) näitab liidese ülekande kiirust.
Pidev ülekande kiirus (Sustained transfer rate) näitab kui kiiresti liigub info arvuti ja
draivide vahel teatud kindala aja jooksul keskmisel.
Keskmine päringu kiirus (access time) = Keskmine otsimisaeg (seek time) + varjatud
otsimisaeg (latency)
Otsimisaeg (seek time) näitab kaua võtab lugeja peal aega, et jõuda õigele rajale
(tavaliselt 10 ja 15 millisekundit).
Varjatud otsimisaeg (latency) näitab, kaua võtab kõvakettal aeg, et pöörata plaate nii,
et pea jõuakse mööda rada liikudes õige punktini, kuhu info on salvestatud.
Kõvaketta liidesed
IDE- (Integrated Drive Electronics või Intelligent Drive Electronics).
Personaalarvutite enimlevinud kõvakettaliides.
Paralleelnimetus ATA (AT Attachment, eesti k. AT ühendus). Lubab maksimaalset
andmete ülekandekiirust 8,3 MB/s. IDE puhul tekivad probleemid suuremate kui 528
MB ketastega.
EIDE- (Enchanced IDE). IDE edasiarendus, mille maksimaalne andmete
ülekandekiirus on 16,6 MB/s ning mis lubab CD-ROM-i
lugejate ja üle 528 MB mahutavate ketaste kasutamist. Lubab maksimaalselt 4
kettaseadme ühendamist.
Töökindlus
? MTBF - keskmine tõrketa tööaeg (mean time between failures) on kõvaketaste
puhul 200,000 ja 500,000 tunni vahel.
Põhimõtteliselt näeb kõvaketas seest välja nagu pisike grammofon, ülestikku
asetatud plaatide ja nende vahel liikuvate lugemis/kirjutamispeadega. Mida
suurema mahutavusega kõvaketas, seda rohkem plaate on. Erinevalt
flopikettast, mis on kergesti vahetatav ja transporditav, on kõvaketas (varem
nimetati ka Winchester- kettaks) jäigalt seotud kettaseadmega. Ta on
paigutatud hermeetiliselt suletud, tolmukindlasse korpusesse. Metallkest on
suletud hermeetiliselt. Kesta sisemus peab olema võimalikult tolmuvaba,
13
võimaldamaks parimat täpsust ketta lugemis -ja kirjutuspeade sihtimisel ketta
pinna ulatuses.
? Tänapäeva kõvaketta kettakontroller on sisse ehitatud. See kontrollib lugemis -
ja kirjutamispeade liikumist, andmete lugemist ja salvestamist.
? Lugemis- ja kirjutamispead. Iga ketta kummagi poole jaoks on oma pea
? Andmed paiknevad ketta pinnal väikeste magneetiliselt polariseeritud
väljadena, mida arvuti loeb kui 0 ja 1 jada
? Telg paneb kettad pöörlema. Moodsa kõvaketta pöörlemissagedus on tavaliselt
vahemikus 4500 - 10000 pööret minutis. Mida suurem pöörlemissagedus, seda
kiiremini saab andmeid kettalt lugeda. Teoreetiliselt, sest see sõltub ka
muudest teguritest, mitte ainult pöörlemissagedusest. Nii et suurem number ei
pruugi alati just näidata kiiremat kõvaketast.
Kettad ise on kas metallist või klaasist ning kaetud üliõhukese (kuni 0,000001 mm)
magneetuva kihiga
pehme ketas
floppy disk. Väike eemaldatav medium, esimesed floppyd olid painduvad ja
suhteliselt pehmest materjalist. Erinevalt kõvakettast, kus pea hõljub ketta kohal
õhupadjal, siin pea on vastu ketast ja puudutab seda. Selle tulemusel nii pea kui ka
ketas kuluvad kiiresti ära. Kulumise vähendamiseks peatatakse pea ja pöörlemine, kui
draiv ei loe ega kirjuta.
magnetlint
striimer
Striimer on kassettmagnetofoni taoline seade suurte infohulkade säilitamiseks ja
ülekandmiseks ühest arvutist teise. Striimer kasutab lindikassette, mis on täiesti
sarnased laiatarbe kassettmagnetofonide kassettidele, kuid lint on kvaliteetsem. Ühele
kassetile mahub 60?300 Mb informatsiooni. Striimerist on abi, kui on soovi säilitada
oma hinnalisemat tarkvara ja andmeid võimalike rikete eest koopiatena või kui on
soovi kogu kõvaketta sisu kanda üle teise arvutisse. Striimeri mõõtmed on sama
suured, kui disketi- või kõvakettaseadmel, nii et võib ta paigutada vaba koha
olemasolul otse arvutiplokki. Striimer ei asenda kettaseadmeid ja ta pole ka
kassettmagnetofoni baasil realiseeritud välisseade. Ei või öelda, et striimer oleks
kõige hädavajalikum seade arvutikomplektis, kuid tema olemasolul on tast kindlasti
abi.Võrreldes teiste andmekandjatega on lindiseadmete eelis odavus. Puuduseks
aeglus, andmeid ei saa lugeda suvalisest kohast suvalisel ajahetkel nagu
ketasseadmetel, vaid peab ootama, kuni lint on jõudnud ennast kerida soovitud
kohani.
magnetketas
Iomega ZIP drive?i kettale mahub 70 korda enam andmeid kui 3,5- tollisele disketile
(100 Mb). Seejuures on ZIP seadme lugemiskiirus üle kahekümne korra tavalisest
flopiseadmest kiirem
LS-120- (Imations SuperDisk) see on Compaq/Imation- i 120 MB-ne standard.
Ühendamiseks kasutatakse EIDE- liidest. Loeb nii vanu 1,44 MB, kui ka uusi 120
MB kettaid, kasutades selleks kahte lugemispead.
HiFD (High Floppy Disk) see on Sony disketiseade, mis suudab lugeda 200 MB- seid
3½" diskette.
14
Jaz (kõvaketta kantav version)- seadme maksimaalne pidev andmeedastuskiirus on
6,73 MB/s; keskmine otsiaeg 12 ms; pöörlemiskiirus 5400 pööret minutis; ketta
vormindamise aeg 30 min; talub kukkumist 3 meetri kõrguselt; andmed säilivad 10
aastat; keskmine tõrketa töövältus
(MTBF) 250 000 tundi.
Caleb UHD144 - See uus seade lubab salvestada spetsiaalsele disketile 144 MB, olles
samal ajal ühilduv ka vanade 1,44 MB ja 720 KB 3,5?
diskettidega.
Samsung Pro-FD - See seade on ühilduv ka vanade 3.5-tolliste (1.44Mb and 720Kb)
ketastega ning mahutab spetsiaalketastel 123 megabaiti.
magnet-optiline ketas
Väikese intensiivsusega magnetväli muudab biti ala polaarsust. Lugemisel peegelduva
kiire polaarsus kannab infot.
MO-ketaste eelised :
? Andmete säilitamine MO-ketastel on mugav. Kettalt lugemine on praktiliselt
sama kiire kui kõvaketta korral, kirjutamine umbes kolm- neli korda aeglasem.
? MO-kettal on hõlbus viia andmeid ühest kohast teise. Kui väiksemate
andmehulkade viimiseks ühest arvutist teise kasutatakse tavaliselt disketti, siis
suuremahuliste andmete jaoks jäävad disketid väikeseks
? Magnetoptilised kettad on oma olemuselt töökindlamad tavalistest
kettaseadmetest. MO-kettad taluvad palju paremini magnetvälju kui tavalised
magnetkandjad. Samuti on MO-ketaste lubatud temperatuurivahemik suurem
5-45oC. Andmete säilivusajaks pakub näiteks Fujitsu oma ketaste puhul
30aastat.
Magnetoptilisi (MO) seadmeid on väga erineva mahutavusega. Toodetakse nii 3,5?
kui ka 5 ¼? seadmeid. 3,5" kettaid on erinevate mahutavustega nt. 128 MB, 230 MB,
650 MB. Kõik senised realisatsioonid kirjutavad ketta ühele küljele.
Magnetoptilisi kettaid tehakse ka 5,25- tollistena ning need seadmed võimaldavad
suuremaid salvestusmahtusid ja reeglina ka suuremaid kiirusi. Sellised seadmed
kasutavad juba ka kahepoolset kirjutamist
CAV Constant Angular Velocity, konstantse nurkkiirusega kettad. Pöörlemiskiirus on
konstantne ja igal rajal on ühesugune arv sektoreid. Seega paiknevad bitid välimisel
rajal suhteliselt väikese tihedusega ja palju ruumi läheb kaotsi. Nii töötab enamik
magnetkettaid. Antud meetodit kasutavad tavaliselt ka alates 16-kordsetest CD-ROMid.
CLV Constant Linear Velocity, konstantse joonkiirusega kettad. Siin hoitakse
konstantsena parajasti loetava raja joonkiirus. Iga rajavahetuse järel tuleb reguleerida
ketta pöörlemiskiirust ning see viib andmeedastuskiiruse alla. Salvestustihedus
on kõigil radadel sama ja andmeedastuskiirus konstantne. Seda meetodit kasutatakse
laserketaste puhul.
ZCAV Zoned Constant Angular Velocity, konstantse nurkkiirusega tsoonkettad. Need
kettad paistavad silma muutuva andmeedastuskiirusega: välimiselt rajalt loevad nad
pea kaks korda kiiremini kui sisemiselt. Ketas on jagatud tsoonideks
ja üks rada sisaldab igas tsoonis erineva arvu sektoreid. Kuna ketta pöörlemiskiirust
hoitakse konstantsena, siis liigub välimise raja salvestis lugemispeast lihtsalt kiiremini
15
mööda, võimaldades kiiremat andmeedastust. See meetod on kasutusel paljude SCSImagnetketaste
ja uuemate magnetoptiliste ketaste juures.
Püsimälu (ROM - Read Only Memory)
ROM on mõeldud paljukordseks informatsiooni lugemiseks; info on püsimällu
salvestatud eelneva spetsiaalse tehnoloogilise protsessi käigus. PROM on
programmeeritav püsimälu. Tema püsimälu sisu saab programmeerida kas tehases
tema integraallülituste valmistamise käigus vastavate tehnoloogiliste maskidega, või
mikroprotsessorisüsteemide koostaja poolt spetsiaalseid programmaatoreid kasutades.
EPROM on ümberprogrammeeritav püsimälu. Neid elemente programmeeritakse
samuti spetsiaalsete programmaatorite abil, kuid säilitatavat informatsiooni on
võimalik elektriliselt või ultraviolettkiirgusega kustutada ja seejärel mäluelementi
uuesti programmeerida. EEPROM-I puhul saab informatsiooni kustutada impulsside
abil. EEPROM-I on lihtsam ümberprogrammeerida kui EPROM?I, kuid nad ei ole nii
kiired kui viimane. FlashEEPROM on blokk-kustutatav ja -uuesti kirjutatav.
Kustutamiseks ei ole seda tarvis ahelast eemaldada. Kasutatakse digikaamerates
näiteks.
Andmed säilivad ka siis, kui masin välja lülitada.
Dünaamiline pooljuht suvapöördusmälu (Dynamic RAM)
Dünaamiliste muutmälude tööpõhimõte on lihtne. Informatsiooni hoidmiseks
kasutatakse kondensaatorit. Ühe infobiti kahele loogilisele olekule vastavad siis laetud
ja laadimata kondensaator. Skeemilistel ja tehnoloogilistel põhjustel moodustavad ühe
mäluelemendi kondensaator ja transistor, kusjuures kondensaatorina on
põhimõtteliselt võimalik kasutada transistori kahe viigu vahelist mahtuvust, mis igal
väljatransistoril konstruktsiooni eripära tõttu juba paratamatult eksisteerib.
Oluliseks erinevuseks staatilise mäluelemendiga võrreldes on see, et informatsioon
säilib mälupesikutes vaid lühikest aega ja seda on vaja pidevalt uuendada ehk
regenereerida. Regenereerimise ajal ei ole tavaline lugemine ega kirjutamine
võimalik, samuti ei saa regenereerimist alustada lugemise või kirjutamise tsükli ajal.
Regenereerimishetke kindlaksmääramine, kõigi rea-aadresside etteandmine, lugemise
ja kirjutamise blokeerimine jms. teevad dünaamiliste pooljuhtmälude kasutamise
võrreldes staatilise mäluga keeruliseks, sest nad nõuavad erielemente.
Koosneb massiivist elementidest, mis omakorda koosnevad transistorist ja
kondensaatorist. Kõrge tihedusega (palju bitte ühe kiibi kohta), seetõttu on ka
11
põhimälu enamasti ehitatud dünaamilistest RAM-idest, kahjuks on sel ka oma hind,
mis väljendub nende aegluses.
Staatiline pooljuht suvapöördusmälu (Static RAM)
Staatilised muutmälud on kiired mälud, mis toitepinge olemasolul säilitavad
salvestatud informatsiooni kuitahes kaua. Samas sisaldavad need mäluskeemid
arvukalt komponente, võtavad palju ruumi ja on suhteliselt kallid. Seepärast
kasutatakse suuremate mälumahtude korral üldiselt dünaamilisi muutmälusid.
Mälu nimetatakse staatiliseks, sest salvestatud informatsioon säilib seal ka pärast
mälust lugemist, püsides kuitahes kaua, kui mäluelemendile on rakendatud toitepinge.
Kui sisendi-väljundi juhtimise signaal R/W=1, siis on tegemist lugemisega, kui
R/W=0, siis on tegemist mällu kirjutamisega. Signaali CS(katusega) kasutatakse
selleks, et üldse lubada mälukiibist bitti lugeda või sellesse kirjutada. OE(katusega)
avab andmesiini puhvrid. Kasutatakse lülitusi, mis on sarnased D flip-flop trigerile.
Arvuti mälu klassifikatsioon (Computer memory classification)
Arvuti mälu jaguneb suvapöördusmäluks (RAM) ja jadapöördusmäluks. Viimane
jaguneb magnet- ja optiliseks mäluks. Magnetmälu jaguneb säilivaks mullmäluks,
floppy-ks, kõvakettaks, magnetkettaks ja lindiks. Optilised mälud on CD-ROM, CDR,
CD-RW, DVD, magnetoptiline ja holograafiline. Suvapöördusmälu e. RAM
jaguneb pooljuhtmäluks ja magnetmäluks, mis jaguneb ferriitmäluks. Pooljuhtmälu
jaguneb mittesäilivaks ja säilivaks mäluks. Mittesäilivad mälud on staatiline RAM ja
dünaamiline RAM, säilivad mälud on ROM, PROM, EPROM, EEPROM ja
FlashEPROM.
Mälu hierarhia arvutis (Memory hierarchy)
Mälu hierarhia tipus asuvad registrid, millele pääseb ligi kõige kiiremini. Järgmisel
kohal on vahemälu (cache). Põhimälu on järgmisel kohal ja peale teda tulevad
kõvaketas, CD-ROM ja lint. Allapoole liikudes suureneb pöördumise aeg ning mälu
maht.
Peidikmälu, vahemälu (Cache).
Põhimälus paiknevad täitmise ajal programm ja temaga seotud andmed. Programmi
kiire täitmise üheks eelduseks on suure ja kiire põhimälu olemasolu. Mida suurem on
põhimälu, seda väiksemaks jääb võimalus, et ülesande lahendamiseks vajalikku
informatsiooni tuleb osaliselt hoida tunduvalt aeglasemas massmälus. Põhimälu
töökiirus ja protsessori jõudlus on seotud seetõttu, et operatsioonid põhimäluga
moodustavad protsessori tööst suure osa. Kui põhimälust lugemine ja põhimällu
kirjutamine toimuvad aeglaselt, muudab see kogu protsessori töö aeglaseks.
Kuna põhimälu suurusele erilist alternatiivi ei ole, siis mälumahud üldiselt suurenevad
järjekindlalt. Põhimälu töökiirus tõuseb seejuures suhteliselt tagasihoidlikumalt.
Põhjused on tehnilised ja majanduslikud. Põhimälu suhtelise aegluse
kompenseerimiseks kasutatakse vahemälu. Vahemälu idee seisneb väikese ja kiire,
põhimälust eraldiseisva mäluseadme kasutamises, kus hoitakse muidu põhimälus
asuvaid käske ja andmeid, mida protsessor parajasti kasutab. Idee kohaselt võiks
sagelikasutatav informatsioon asuda pidevalt vahemälus, harvemini vajaminev
informatsioon toodaks sinna töötluse ajaks. Protsessor suhtleks ainult kiire
vahemäluga.
Nimetatud idee rakendamine on võimalik teatud seaduspärasuste tõttu, mis esinevad
põhimälus asuva informatsiooni kasutamises protsessori poolt. Näiteks suur osa
programmist asub mälus täitmisjärjekorras, osa käske täidetakse korduvalt, mõningaid
andmeid kasutatakse korduvalt jne. Need asjaolud lubavad protsessorile vajaliku
informatsiooni toimetada õigeaegselt põhimälust vahemällu. Tänapäevaste
vahemälusüsteemide kasutamise efektiivsus ulatub 90%-ni ehk üheksakümnel juhul
sajast mälu poole pöördumisest leiab protsessor otsitava informatsiooni kiirest
vahemälust. Kui vajalikke andmeid vahemälus ei leidu, järgneb lugemine aeglasemast
põhimälust.
Tänapäeval realiseeritakse vahemälu tihti kahes osas. Väiksem ja kiirem vahemälu,
mida nimetatakse ka L1-vahemäluks (Level 1 Cache), on reeglina protsessori üheks
struktuuriüksuseks. Suurem ja aeglasem L2-vahemälu võib olla nii protsessori
koostisosa kui eraldiasuv elektronlülitus. L1-vahemälude maht ulatub käesoleval ajal
kuni 64 KB-ni, L2-vahemälud mahutavad kuni 1MB informatsiooni.
Vahemälude kasutamine annab vastuvõetavate kulutustega märkimisväärse
arvutisüsteemi jõudluse kasvu.
Arvuti mälu
10
Siirete (hargnemiste) ennustamine.(Branch Prediction)
Pipelined machines must fetch the next instruction before they have completely
executed the previous instruction. If the previous instruction was a branch, then the
9
next-instruction fetch could have been to the wrong place. Branch prediction is a
technique that attempts to infer the proper next instruction address, knowing only the
current one. Typically it uses a Branch Target Buffer (BTB), a small, associative
memory that watches the instruction cache index and tries to predict which index
should be accessed next, based on branch history. Optimizing the actual algorithm
used in retaining the history of each entry is an area.
Konveier protsessoris (Pipeline)
Käskude haaramine on kitsaskoht käskude täitmise kiiruse jaoks. Selle probleemi
leevendamiseks on arvutitel oskus haarata käske mälust ettenägelikult, et nad oleks
olemas, kui neid on tarvis. Neid instruktsioone salvestatakse registris mida kutsutakse
prefetch buffer (puhvermälu register?). Nüüd, kui on käsku vaja, saab seda võtta
puhvermälust selle asemel, et oodata kuni seda mälust loetakse.
Nõnda jagatakse käskude täitmine kahte ossa: käsu haaramine/saamine ja selle tegelik
täitmine. Konveieri kontseptsiooni kohaselt ei jagata käsu täitmist ainult kahte ossa,
vaid mitmesse ossa, millest iga ühega käib ümber teatud osa riistvarast, mis kõik
töötavad paralleelselt.
Näiteks 1 etapp haarab käsu mälust ja paneb selle puhvermälu registrisse kuni seda
vajatakse. Etapp 2 dekodeerib käsu, määrates selle tüübi ja selle, mis operande tal vaja
läheb. Etapp 3 määrab kindlaks operandide asukohad ja võtab nad kas registrist või
mälust. 4. etapp sooritab käsu lastes operandid läbi operatsiooniautomaadi. 5 etapp
kirjutab tulemuse õigesse registrisse.
RISC - CISC protsessor
? CISC - (Complex Instruction Set Computer) selline protsessor võib ühe
instruktsiooni raames teha mitu erinevat mikrooperatsiooni. CISC
protsessorile kirjutatud programmid on mahult väiksemad ning ühtlasi on neid
masinkoodis ka suhteliselt lihtne kirjutada.
? RISC - (Reduced Instruction Set Computer) selline protsessor aga toimetabki
üksnes võimalikult lihtsate mikrooperatsioonidega. RISC protsessorile
kirjutatud programmid vajavad rohkem mälu, sest kõik mikrooperatsioonid
tuleb eraldi kirja panna, ühtlasi on selliseid programme masinkoodis ka
raskem kirjutada kui CISC-le.
8
RISC ? Reduced Instruction Set Computer vs CISC ? Complex Instruction Set
Computer
RISC ? väike arv lihtsaid käske, mis viiakse täide ühe operatsiooniautomaadi tsükli
jooksul (haarates kaks registrit, neid omavahel kombineerides, liites, lahutades ANDides,
ja salvestades tulemus tagasi registrisse). Argument RISC?i kasuks arvati olevat,
et isegi kui RISC masin võtab neli või viis käsku, mida CISC masin teeks ühe
instruktsiooniga, RISC masin teeks seda ikkagi 10 korda kiiremini (sest
instruktsioonid ei ole interpreteeritud).
RISC:
1. suhetliselt vähe käske (eelistatavalt alla 100) ja vältida tuleb keerulisi käske
2. vähe adresseerimise viise (eelistatavalt üks või kaks)
3. vähe erinevaid käsu formaate (eelistatavalt üks või kaks), et kiiredada
dekodeerimist
4. kõik käsud tuleb täita otse riistvaras ühe taktiga, ilma mikroprogrammita
5. maksimaalne käskude täitmise kiirus, mis viib paralleelsuseni
6. ainult LOAD ja STORE käsud pöörduvad mälu poole
7. võimas register mälu (ulatudes32 kuni 132-ni), et võimalikult palju oleks
register-register tüüpi käske ja vähe pöördumisi mälu poole
8. jäiga loogikaga (hardwired) juhtautomaat, mis võib ka tehnoloogia arenedes
asenduda mikroprogrammeeritavaga
9. efektiivne andmevahetus alamprogrammidega
10. efektiivne käskude järjekorra juhtimine (siirded ja alamprogrammid)
Käsu täitmine protsessoris (Instruction Execution, fetch-decodeexecute
cycle)
Protsessor (CPU) viib täide iga käsu väikeste sammude seeriana. Umbkaudu on
need sammud järgmised:
1. Järgmise käsu haaramine käsuregistrisse
2. Muuta käsuloendurit, nii et ta viitaks järgmisele käsule
3. kindlaks teha saadud käsu tüüp
4. kui käsk kasutab sõna mis on mälus, siis kindlaks teha, kus see asub.
5. Haarata see sõna, kui tarvis, siis CPU registrisse
6. täita antud käsk
7. mine 1. sammu juurde ja alusta järgmise instruktsiooni täitmist.
Nimetatakse seda fetch-decode-execute tsükliks.
Protsessori üldstruktuur
CPU (Central Processing unit) on arvuti aju. Selle ülesandeks on viia täide
programme, mis on salvestatud peamälus (main memory), võttes käske, uurides
neid, ja täites neid üksteise järel. Komponendid on ühendatud üksteisega siiniga,
mis on kogum paralleeleseid juhtmeid aadresside, andmete ja kontrollsignaalide
vahendamiseks. Siinid võivad olla nii välised CPU-le, ühendades seda mälu ja
sisend/väljund seadmetega, kui ka sisesed.
CPU koosneb mitmest osast. Juhtautomaat on vastutav käskude võtmise ees
peamälust ja nende tüübi kindlakstegemisel. Aritmeetika-loogika üksus sooritab
operatsioone nagu liitmine ja loogiline korrutamine.
CPU sisaldab ka väikseid, kõrg-kiirusel mälusid salvestamaks ajutisi tulemusi ja
teatud kontroll (juhtimis) informatsiooni. See mälu koosneb teatud arvust
registritest, millest igaüks on teatud suuruse ja funktsiooniga. Tavaliselt on kõik
registrid ühesuurused. Iga register saab sisaldada üht numbrit, kuni teatud
maksimumini, mis on määratud registrite suurusega. Registritest saab lugeda ja
kirjutada väga suurel kiirusel, sest need asuvad CPU sees.
o käsuloendur (PC - Program Counter, IP - Instruction Pointer)
Kõige tähtsam register, mis osutab järgmisele instruktsioonile, mis on vaja kinni
püüda ja täide viia. Tegelikult ei loe see register midagi, nimi on natuke rappaviiv.
o käsuregister (IR - Instruction Register)
Ka üks tähtis register, mis sisaldab (omab) instruktsiooni, mida antud hetkel täide
viiakse.
o käsudekooder (Instruction Decoder)
7
Complex circuitry in the CU designed to decode (interpret) any instruction in the
computer's machine code repertoire.
o juhtautomaat (CU - Control Unit)
Juhtautomaat on vastutav käskude võtmise ees peamälust ja nende tüübi
kindlakstegemisel
o operatsioonautomaat (Data Path)
Koosneb registritest, ALU-st ja mitmest siinist, mis ühendavad eelnimetatuid.
Registrid söödavad andmeid ette kahele ALU sisend registrile. Need registrid hoiavad
ALU sisendeid seni kuni ALU arvutab.
Operatsiooniautomaat on operatsiooniseadme osa, milles realiseeritakse
mikrokäskudega ettenähtud elementaartegevusi. Taidab järgmisi finktsioone:
infosõnade salvestamine, mikrooperatsioonide sooritamine ja loogikatingimuste
arvutamine. ALU sooritab aritmeetika ja loogikatehteid. Registermälu - trigeritest
koosnev mäluseade. CPUs on registrid andmete, vahetulemuste või juhtinformatsiooni
hoidmiseks
loendurid (Counter)
In general, a counter is a device which stores (and sometimes displays) the
number of times a particular event or process has occurred often in relationship to
a clock. In practice, there are two types of counters:
*up counters which increase (increment) in value
*down counters which decrease (decrement) in value.
6
kahend, kümnend, suvalise mooduliga, sünkroonne, asünkroonne, jne.
Nim impulsside loendamiseks ettenähtud loogikalülitust. Loendur on register,
millesse salvestatud arv sisendile antud signaali mõjul suureneb ühe võrra.
Summeerivad-loendavad päripidi, Lahutavad-loendavad tagurpidi (reverssiivne),
sõltuvalt info ülekandmise viisist jaot. nad jada- ja rööpülekandega loendureiks.
Kahendloendur - kahepositsiooniliste trigeritega. Lihtsaim loendustriger moodustab
kahendloenduri järgu. Loendustegur=2n (n-loendurikohtade arv). Kümnendloendur -
loendab järjest 2nd koodi 0...9. Sünkroonne - ehk rööpülekandega, toimub
trigeritevaheline signaali ülekandmine kõigi astmete jaoks üheaegselt, mistõttu ei teki
hilistumist. Asünkroonne - ehk jadaülekanne, loenduri puuduseks on signaalide
ülekandmisel tekkiv hilistumine, mis suureneb koos loenduri astmete arvuga.
Hilistumine võib ületada takti kestvuse.
Protsessor
registrid (Registers) nihkega ja ilma
N-bitise kahendkoodi salvestamiseks on vaja n trigerit, mis moodustavadki registri.
Registreid ühendavad JA-elemendid, mis võimaldavad edastada koode ühest registrist
teise. Registriks nim trigeritest koosnevat seadet, mis võimaldab salvestada, säilitada
ja taasesitada infot (sõna kaupa). Igale registrisse salvestatud sõna bitile vastab registri
koht (pesik?). Nihkega ehk jadaregister - trigerid ühendatud omavahel nihkeahelaga.
Nihe paremale on madalamate bittide suunas ja vasupidi. Arvu nihutamine paremale
tähendab ta jagamist arvusüsteemi alusega. Nihkereg võimaldab teisendada infi
järjestikuselt kujult paralleelsele kujule ja vastuidi. Reverssiivne - nihkeregister, mis
suudab nihet nii paremale kui vasakule. Ilma nihketa ehk rööpregistrisse salvestatakse
info rööpkoodis, n-kohalise arvu jaoks n-trigerit.
trigerid (Flip/flop, latch)
triger on elementaarne salvestuselement, millel on kaks stabiilset olekut. Ühele
olekule omistatakse leppeliselt kahendväärtus 1, teisele olekule 0. Erinevalt
loogikaelementidest ei sõltu trigeri olek mingil hetkel mitte ainult sisendite väärtustest
sellel hetkel, vaid olulisemad on hoopis trigeri endine olek ja eelmised
sisendiväärtused.
Latch triger koosneb VÕI-EI- elementidest (NOR). Kui triger on ühes oma
stabiilsetest olekutest, nii et Q(katusega)=1 ja Q=0, mis vastab trigeri 0-olekule.
Sisendites signaal puudub, s.o. S=R=0. Et Q=0, hoiab vastav inverteeritud signaal
alumise VÕI-elemendi sisendi kaudu viimase väljundis Q(katusega) pidevalt signaali.
Ülemise VÕI-elemendi sisendid on aga mõlemad väärtusega 0, mistõttu ka väljundis
puudub signaal. Trigeri viimiseks vastupidisesse olekusse piisab lühiajalisest
signaalist sisendisse S (S=1). Selle mõjul tekib VÕI-elemendi väljundis signaal
(Q=1), mis inverteerituna satub alumise VÕI-elemendi sisendisse. Nüüd on selle
VÕI-elemendi mõlemad sisendid väärtusega 0 ning signaal väljundis Q(katusega)
kaob (=0). Signaal Q(katusega) = 0 antakse inverteeritult ülemise VÕI-elemendi
sisendisse, mis jääb hoidma selle elemendi väljundil signaali Q=1 ka signaali S
kadumisel.
Latch triger võib koosneda ka JA-EI-elementidest (NAND). Võrreldes Latchtrigeriga
on siin erinevus sisendsignaalides. Stabiilseks seisuks on vaja, et
S(katusega)=R(katusega)=1; trigeri oleku muutmine on võimalik signaalidega
S(katusega)=0 ja R(katusega)=0. Olgu trigeri algseis Q=0, Q(katusega)=1,
5
R(katusega)=S(katusega)=1. Selline oleks on stabiilne, sest ülemise JA-EI-elemendi
mõlemas sisendis on signaal 1, mistõttu väljundis Q on 0; kuna väljund Q on
ühendatud alumise JA-EI-elemendi sisendiga, siis hoitakse selle elemendi väljundit
Q(katusega) stabiilselt olekus 1. Signaali S(katusega)=0 tekkimisel lülitub väljund Q
ümber olekusse 1, mille tagajärjel alumise JA-EI-elemendi mõlemad sisendid saavad
signaali 1 (Q=1 ja R(katusega)=1) ning väljundis Q(katusega) tekib 0. Signaali
S(katusega)=0 kadumisel stabiilne olek säilib, sest alumise JA-EI-elemendi mõlemad
sisendid on väärtusega 1, mistõttu Q(katusega)=0 ja ülemise JA-EI-elemendi üks
sisend (Q(katusega)) on väärtusega 0, nii et väljundis tekib Q=1.
Lisades trigerile takti (clock) võib muuta trigeri olekut teatud hetkel. Takt on
lisasisend, mis üldjuhul on 0 ning sel juhul on mõlema JA-elemendi väljund 0,
hoolimata S ja R-st ning triger ei muuda olekut. Kui takt on 1, siis ta mõju JAelementidele
kaob ning triger muutub tundlikuks S-st ja R-st. Clocked D latch
eemaldab taktiga trigeri puhul esineva mitmetähenduslikkuse (kui S=R=1). Clocked
D latch trigeril on ainult üks sisend ja see on D, mis annab loogikaelementidele
väärtuse ning alumise JA-elemendi ette on pandud D eitus.
Flip/flop trigeri puhul üleminek ühest olekust teise ei toimu kui takt on 1 vaid
momendil kui takt läheb üle nullilt ühele (esifront) või ühelt nullile (tagafront).
koodimuundur (Code Converter)
Teisendab näiteks 2nd koodi 10nd koodiks. B3B2B1B0 > D1D0 1101 > 0001 0011
Enamkasutatavaid järjestikskeeme
dekooder (Decoder)
võimaldab identifitseerida sisendis olevat kahendkoodi. N-sisendilisel dekoodril on
nn. täieliku dekoodri korral kuni 2n väljundit. Dekooder on lihtsasti koostatav jaelementidest.
Sõltuvalt sisendkoodist on ainult ühel väljunditest signaal 1, ülejäänutel
signaal 0.
ALU ( Arithmetic-Logic Unit)
Teostab aritmeetika ja loogikatehteid. Multipleksor valib vastavalt etteantud koodile
ühe kindla funktsiooniga sisenditest ja suunab väljundisse. Selle lülituse alusel võib
koostada mitmebitiseid mitmefunktsioonilisi aritmeetika-loogika-plokke.
Aritmeetikatehete operandide ja tulemuste salvestamise jaoks on otstarbekas kasutada
registreid ning suunamised registritest ALU sisenditesse ja ALU väljundist
registritesse teostada multipleksorite ja demultipleksorite abil. ALU väljundsignaale ?
liitmisel või nihutamisel ülekandena kõrgeimast bitist tulevad CO (carry out) ja
madalaimast bitist allapoole väljanihkuvad LSB-d (last significant bit) ? saab
kasutada sisendsignaalidena CI (carry in) ja MSB (most significant bit) ALU töö
samal sammul. Näiteks CO suunamisel CI-sse realiseerime ringülekande, LSB
4
suunamisel MSB-sse toimub ringnihe jne. CO ja MSB väärtusi võib salvestada ka
trigerite abil ja kasutada ALU töö järgmisetel sammudel. Peale selle on osutunud
otstarbekaks registreerifa tehte tulemuse muidki tunnuseid, milledest tähtsamad on
ületäitumine, mis paljudel juhtudel vastab CO-le, nulltulem, negatiivne tulem,
väljanihkunud biti väärtus C jt.
Tunnuste salvestamiseks rakendatakse trigereid, mille olekuid kasutab nii ALU ise
kui ka tema juhtplokk. Kirjeldatud tunnusbitte nimetatakse sageli lippudeks (flag) ja
nad kuuluvad funktsionaalselt ALU juurde.
summaator (Adder)
Kahe biti liitmisel on sisenditeks a ja b ning ülekanne madalamast bitist kõrgemasse
(carry out). Väljundiks on summa ning ülekanne omakorda kõrgemasse bitti (carry
in). Summaator on moodustatav JA, VÕI ning EI-elementidest.
pool- ja täissummaatorid, paraleel- ja järjestikülekandega, kiireülekanne, lahutajad.
Arvuti loogikalülitus, mis on ette nähtud arvkoodi aritmeetiliseks summeerimiseks.
(kahe arvu liitmiseks, summaatori osavõtul toimub ka lahutamine, korrut, jagam s.t
taanduvad liitmisele ja nihutamisele). Poolsummaator - 2sis 2välj skeem, ei võta
arvesse madalamast jägrust toimuvat ülekannet. Täissummaator - 3sis ja 2välj võtab
arvesse. Jadasummaator - mitmekohalised arvud liidetakse bitikaupa. Rööpsummaator
- liidetakse kõik bitid korraga. Jadaülekandega - ülekandeväljundid ühendatakse
kõrgemate naaberkohtade ülekande sisenditega, aeglasem, aga vähem rauda.
Rööpülekandega - ülekandesignaal jõuab kõigisse ülekandega haaratud pesikuisse
praktiliselt üheaegselt. Palju rauda. Lahutajad - lahutamine on täiendkoodi liitmine.
otsekood(0100) > pöördkood(1011) > täiendkood(1100) (eelmisele 1 liita). Kiire
ülekanne - jadarööpülekanne. pesikud jaotataksegruppidesse. Gruppide vahel
võimalik:
1) jadaülekanne gruppides ja rööpülekanne gruppide vahel
2) vastupidi
multiplexor (Multiplexers)
siinide e. magistraalide kommuteerimiseks kasutatakse multipleksorit. Multipleksor
võimaldab valida ühe mitmest siinist ja ühendada selle oma väljund siiniga. Sõltuvalt
dekoodri sisendkoodist suunatakse JA-elemendi kaudu üks sisendsignaalidest läbi
VÕI-elemendi väljundisse. Dekoodri sisendkood on multpleksori juhtkoodiks.
Diskreetne aeg
Mikroskeemide valmistamise tehnoloogiad
Esimesed digitaalsetest integraallülitustes kasutati lülituselementidena
bipolaartransistore, sest nende valmistamise tehnoloogia oli rohkem arenenud. Hiljem
aga osutus, et suure tihedusega lülituste tarbeks on unipolaarne e. väljatransistor palju
sobivam. Viimaste valmistamine nõuab vähem tehnoloogilisi operatsioone ja vähem
pinda ühe lülituselemendi kohta. Seetõttu valmistati esimesed mikroprotsessorid
eranditult väljatransistoride baasil.
Vaatamata oma tehnoloogilistele eelistele jäävad väljatransistorid bipolaarsetele siiski
alla töökiiruse poolest. See omakorda stimuleeris viimaste forsseeritud arendamist
2
ning selline konkureeriv areng on kestnud tänapäevani. Tulemusena ei ole kumbagi
tüüpi suudetud välja tõrjuda, küll on aga tekkinud nende erinevad rakendusalad.
Bipolaartransistoridel valmistatakse suure töökiirusega mikroprotsessorid, mälud ja
mitmesugused abilülitused. Nende puuduseks on väiksem lülituselementide arv ühel
kristallil ning seega ka tagasihoidlikumad funktsionaalsed võimalused. Teiseks
oluliseks puuduseks on mitu suurusjärku suurem võimsustarve.
Väljatransistoridel on ehitatud suurem osa mikroprotsessoreid ja mäluelemente, mis
nõuavad suurt elementide tihedust ning vähem võimsust. Puuduseks on oluliselt
väiksem töökiirus.
Npn-bipolaartransistor: Räni-aluskristalli tekitatakse difusiooni teel n- ja ppiirkonnad,
mis moodustavad transistori. Pärast difusiooniprotsesse kristalli pind
oksüdeeritakse, mis annab väga hea SiO2-isoleerkihi. Kontaktpindade
moodustamiseks jäetakse isoleerkihti maski abil sobivad avad. Ühendusjuhtmed
moodustatakse alumiiniumist samuti fotolitograafia abil.
Bipolaartransistore kasutatakse põhiliselt kahte tüüpi lülituselementide
valmistamiseks. Esimesteks on TTL-tüüpi loogikaelemendid (transistor-transistorloogika),
mis on väga levinud väikestes ja keskmistes integraallülitustes.
Maksimaalse võimaliku töökiiruse saavutamiseks tuleb kasutada transistore
emittersidestuses, mis annab teise võimaliku loogikaelemendi tüübi ECL
(emittersidestusloogika, Emitter-Coupled Logic).
Töökiiruse suurendamiseks kasutatakse tihti ka kollektori ja baasi vahele lülitatavaid
Schottky dioode, mis välistavad transistori mineku küllastusrežiimi. Loomulikult
nõuavad need aga lisaruumi, suurendades elementide mahtu.
Suureks sammuks edasi elemenditiheduse tõstmisel (paraku küll töökiiruse arvel) oli
nn. IIL-tehnoloogia (Integrated injection logic). Selle kohaselt moodustatakse ühe
kompleksina kaks transistori, mis toimivad ühise, voolu ümberlülituva elemendina.
Taoline element võimaldab hõlpsasti moodustada loogikalülitusi ning TTL-tüübiga
võrreldes saavutatakse umbes 100 korda suurem tihedus. Märkimisväärne on IILelementide
väike võimsustarve, sest tööpinge on madal; selle määrab pingelang
avatud siirdel. Elemendid säilitavad oma töövõime kuni üliväikeste pingeteni, selle
juures aga väheneb nende töökiirus mitu suurusjärku.
Et väljatransistore nimetatakse tihti MOS-transistorideks (metall-oksiid pooljuht),
kannab ka valmistamisviis nime MOS (Metal-oxyde-semiconductor). MOS
transistorid võivad erineda kanalit juhtivustüübilt. Seejuures on p-kanaliga transistorid
lihtsamad valmistada ning seetõttu kasutati neid esimestes mikroprotsessorites
valdavalt. Nende töökiirus on aga n-kanaliga transistoridega võrreldes oluliselt
väiksem, sest aukude liikuvus on tunduvalt madalam elektronide liikuvusest. Seetõttu
on tänapäeval p-kanaliga MOP transistoridest praktiliselt loobutud n-kanaliga seadiste
kasuks.
Oluliselt õnnestus loogikaelementide voolutarvet vähendada, kui võeti tarvitusele
komplementaarlülitused. Siin on loogikaelemendil koormustakistuseks teine,
vastupidise juhtivustüübiga transistor. Tulemusena saadakse element, mis jõudeseisus
üldse voolu ei tarbi (avatud on alati ainult üks transistoridest). Energiat kulub ainult
parasiitmahtuvuste ümberlaadimiseks elemendi ümberlülituse hetkel.
Komplementaarlülituse (CMOS) äärmiselt väike voolutarve võimaldab neid väga
edukalt kasutada näiteks käekellades. Puuduseks on asjaolu, et transistore läheb vaja
kaks korda rohkem, ka on töökiirus väiksem.
Enamkasutatavaid kombinatsioonskeeme
3
? välistav või (eXclusive-OR)
Kui kaks signaali on võrdsed annab XOR element väljundsignaaliks 0 ja 1, siis kui
signaalid ei ole võrdsed. Kasutatakse komparaatoris võrdlemaks kahte sisendsõna.
Boole funktsioonid ja nende esitus
Digitaalseadmete realiseerimise matemaatiliseks aluseks on valdavalt kahendloogika
ja kahendfunktsioonid. Kahendfunktsioone saab esitada olekutabelite abil, kus 2n (nargumentide
väärtuste võimalike kombinatsioonide arv) reas on antud kõikvõimalikud
argumentide väärtused kombinatsioonid ja tabeli paremas veerus igale
argumendikombinatsioonile vastav funktsiooni väärtus.
AND (JA, loogiline korrutamine, konjuktsioon)
OR (VÕI, loogiline liitmine, disjunktsioon)
NOT (EI, loogiline eitus, inversioon)
Teisendusvalemid:
принцип Джон фон Неймона
[процессор:АЛУ,УУ]
||озу--у вв|
1)любую ЭВМ образуют 3 компонента: процессор,ОЗУ, у вв
2) вся информ в компе - машинный двоичный код
3)вся информация в ПК (данные и проги) хранятся вместе
Модели жизненного цикла ИС: каскадная и спиральная
Каскадная модель
Каскадная модель жизненного цикла («модель водопада», англ. waterfall model) была предложена в 1970 г. Уинстоном Ройсом. Она предусматривает последовательное выполнение всех этапов проекта в строго фиксированном порядке. Переход на следующий этап означает полное завершение работ на предыдущем этапе. Требования, определенные на стадии формирования требований, строго документируются в виде технического задания и фиксируются на все время разработки проекта. Каждая стадия завершается выпуском полного комплекта документации, достаточной для того, чтобы разработка могла быть продолжена другой командой разработчиков.
Этапы проекта в соответствии с каскадной моделью:
Формирование требований
Проектирование
Реализация
Тестирование
Ввод в действие
Эксплуатация и сопровождение
Спиральная модель
Спиральная модель (англ. spiral model) была разработана в середине 1980-х годов Барри Боэмом. Она основана на классическом цикле Деминга PDCA (plan-do-check-act). При использовании этой модели ИС создается в несколько итераций (витков спирали) методом прототипирования.
Прототип — действующий компонент ИС, реализующий отдельные функции и внешние интерфейсы. Каждая итерация соответствует созданию фрагмента или версии ИС, на ней уточняются цели и характеристики проекта, оценивается качество полученных результатов и планируются работы следующей итерации.
На каждой итерации оцениваются:
Риск превышения сроков и стоимости проекта
Необходимость выполнения еще одной итерации
Степень полноты и точности понимания требований к системе
Целесообразность прекращения проекта.
Один из примеров реализации спиральной модели — RAD (англ. Rapid Application Development, метод быстрой разработки приложений).
Понятие жизненного цикла ИС. Структура жизненного цикла
Жизненный цикл информационной системы — это процесс ее построения и развития.
Жизненный цикл информационной системы — период времени, который начинается с момента принятия решения о необходимости создания информационной системы и заканчивается в момент ее полного изъятия из эксплуатации.
Модель жизненного цикла ИС — структура, определяющая последовательность выполнения и взаимосвязи процессов, действий и задач на протяжении жизненного цикла. Модель жизненного цикла зависит от специфики, масштаба и сложности проекта и специфики условий, в которых система создается и функционирует.
Стандарт ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207-99 не предлагает конкретную модель жизненного цикла. Его положения являются общими для любых моделей жизненного цикла, методов и технологий создания ИС. Он описывает структуру процессов жизненного цикла, не конкретизируя, как реализовать или выполнить действия и задачи, включенные в эти процессы.
Модель ЖЦ ИС включает в себя:
Стадии
Результаты выполнения работ на каждой стадии
Ключевые события — точки завершения работ и принятия решений.
Стадия — часть процесса создания ИС, ограниченная определенными временными рамками и заканчивающаяся выпуском конкретного продукта (моделей, программных компонентов, документации), определяемого заданными для данной стадии требованиями.
На каждой стадии могут выполняться несколько процессов, определенных в стандарте ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207-99, и наоборот, один и тот же процесс может выполняться на различных стадиях. Соотношение между процессами и стадиями также определяется используемой моделью жизненного цикла ИС.
Информационные системы. Классификация
Информационная система (ИС) — это система, предназначенная для ведения информационной модели, чаще всего — какой-либо области человеческой деятельности. Эта система должна обеспечивать средства для протекания информационных процессов:
хранение
передача
преобразование информации.
Информационной системой называют совокупность взаимосвязанных средств, которые осуществляют хранение и обработку информации, также называют информационно-вычислительными системами. В информационную систему данные поступают от источника информации. Эти данные отправляются на хранение либо претерпевают в системе некоторую обработку и затем передаются потребителю.
Между потребителем и собственно информационной системой может быть установлена обратная связь. В этом случае информационная система называется замкнутой. Канал обратной связи необходим, когда нужно учесть реакцию потребителя на полученную информацию.
Информационная система состоит из источника информации, аппаратной части ИС, программной части ИС, потребителя информации.[1]
По мнению одних авторов, ИС включает в себя персонал, её эксплуатирующий, по мнению других — нет.
Различают 3 класса информационных систем по степени их автоматизации:
Ручные информационные системы — характеризуются отсутствием современных технических средств переработки информации и выполнением всех операций человеком. Например, о деятельности менеджера в фирме, где отсутствуют компьютеры, можно говорить, что он работает с ручной ИС.
Автоматизированные информационные системы (АИС) — наиболее популярный класс ИС. Предполагают участие в процессе обработки информации и человека, и технических средств, причем главная роль отводится компьютеру.
Автоматические информационные системы — выполняют все операции по переработке информации без участия человека, различные роботы. Примером автоматических информационных систем являются некоторые поисковые машины Интернет, например Google, где сбор информации о сайтах осуществляется автоматически поисковым роботом и человеческий фактор не влияет на ранжирование результатов поиска.
Обычно термином ИС в наше время называют автоматизированные информационные системы.
Состав информационных систем
Данные
Информация
Знания
Понятие открытой системы. Модель OSI
По определению принятому Комитетом IEEE POSIX 1003.0 Открытой информационной системой называется “система, которая реализует открытые спецификации на интерфейсы, сервисы (услуги среды) и поддерживаемые форматы данных, достаточные для того, чтобы дать возможность должным образом разработанному прикладному программному обеспечению быть переносимым в широком диапазоне систем с минимальными изменениями, взаимодействовать с другими приложениями на локальных и удаленных системах, и взаимодействовать с пользователями в стиле, который облегчает переход пользователей от системы к системе”.
Под Открытой спецификацией в определении POSIX понимается общедоступная спецификация, которая поддерживается открытым, гласным согласительным процессом, направленным на приспособление новой технологии к ее применению, и которая согласуется со стандартами.
Основные свойства открытых систем:
Расширяемость
Масштабируемость
Переносимость приложений, данных и персонала.
Интероперабельность приложений и систем
Способность к интеграции
Высокая готовность
В 1982 году Международная организация по стандартизации (ISO) в сотрудничестве с ITU-T начала новый проект в области сетевых технологий, названный взаимодействием открытых систем, Open Systems Interconnection или OSI.
До OSI сетевые технологии были полностью проприетарными, основанными на таких корпоративных стандартах как SNA, Decnet и XNS. OSI стала новой попыткой создания сетевых стандартов для обеспечения совместимости решений разных поставщиков. В то время многие большие сети были вынуждены поддерживать несколько протоколов взаимодействия и включали большое количество устройств, не имеющих возможность общаться с другими устройствами из-за отсутствия общих протоколов.
Эталонная модель OSI была большим шагом при создании концепций современных сетей. Она популяризовала идею общей модели протоколов, расположенных на различных уровнях и определяющих взаимодействие между сетевыми устройствами и программным обеспечением.
Тем не менее, реальный стек протоколов OSI, разработанный как часть проекта, был воспринят многими как слишком сложный и фактически нереализуемый. Он предполагал упразднение всех существующих протоколов и их замену новыми на всех уровнях стека. Это сильно затруднило реализацию стека и послужило причиной для отказа от него многих поставщиков и пользователей, сделавших значительные инвестиции в другие сетевые технологии. В дополнение, протоколы OSI разрабатывались комитетами, предлагавшими различные и иногда противоречивые характеристики, что привело к объявлению многих параметров и особенностей необязательными. Поскольку слишком многое было необязательно или предоставлено на выбор разработчика, реализации различных поставщиков просто не могли взаимодействовать, отвергая тем самым саму идею проекта OSI.
В результате попытка OSI договориться об общих стандартах сетевого взаимодействия была вытеснена стеком протоколов TCP/IP, используемым в Интернете, и его более простым, прагматичным подходом к компьютерным сетям. Подход Интернета состоял в создании простых протоколов с двумя независимыми реализациями, требующимися для того, чтобы протокол мог считаться стандартом. Это подтверждало практическую реализуемость стандарта. Например, определения стандартов электронной почты X.400 состоят из нескольких больших томов, а определение электронной почты Интернета (SMTP) — всего несколько десятков страниц в RFC 821. Всё же стоит заметить, что существуют многочисленные RFC, определяющие расширения SMTP. Поэтому на данный момент (2005) полная документация по SMTP и расширениям также занимает несколько больших книг.
Большинство протоколов и спецификаций стека OSI уже не используются, такие как электронная почта X.400. Лишь немногие выжили, часто в значительно упрощённом виде. Структура каталогов X.500 до сих пор используется, в основном, благодаря упрощению первоначального громоздкого протокола DAP, получившему название LDAP и статус стандарта Интернета.
Свёртывание проекта OSI в 1996 году нанесло серьёзный удар по репутации и легитимности участвовавших в нём организаций, особенно ISO. Наиболее крупным упущением создателей OSI был отказ увидеть и признать превосходство стека протоколов TCP/IP.
Технические средства компьютерных сетей.
Сетевое оборудование — устройства, необходимые для работы компьютерной сети, например: маршрутизатор, коммутатор, концентратор, патч-панель. Обычно выделяют активное и пассивное сетевое оборудование.
Активное сетевое оборудование
Под этим названием подразумевается оборудование, за которым следует некоторая «интеллектуальная» особенность. То есть Маршрутизатор, коммутатор (свитч) и т.д. являются активным сетевым оборудованием. Напротив — повторитель (репитер) и концентратор (хаб) не являются АСО, так как просто повторяют электрический сигнал для увеличения расстояния соединения или топологического разветвления и ничего «интеллектуального» собой не представляют.
Пассивное сетевое оборудование
Под пассивным сетевым оборудованием подразумевается оборудование, не наделенное «интеллектуальными» особенностями. Например, кабель (коаксиальный и витая пара (UTP/STP)), вилка/розетка (RG58, RJ45, RJ11, GG45), повторитель (репитер), концентратор (хаб), балун (balun) для коаксиальных кабелей (RG-58) и т.д.
Маршрутиза́тор или ро́утер (от англ. router /ˈɹu:tə(ɹ)/ или /ˈɹaʊtɚ/, /ˈɹaʊtəɹ/ )[1], — сетевое устройство, на основании информации о топологии сети и определённых правил, принимающее решения о пересылке пакетов сетевого уровня (уровень 3 модели OSI) между различными сегментами сети.
Работает на более высоком уровне, нежели коммутатор и сетевой мост.
Принцип работы
Обычно маршрутизатор использует адрес получателя, указанный в пакетах данных, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные. Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута, пакет отбрасывается.
Существуют и другие способы определения маршрута пересылки пакетов, когда, например, используется адрес отправителя, используемые протоколы верхних уровней и другая информация, содержащаяся в заголовках пакетов сетевого уровня. Нередко маршрутизаторы могут осуществлять трансляцию адресов отправителя и получателя, фильтрацию транзитного потока данных на основе определённых правил с целью ограничения доступа, шифрование/дешифрование передаваемых данных и т.д.
Сетевой концентратор или Хаб (жарг. от англ. hub — центр деятельности) — сетевое устройство, для объединения нескольких устройств Ethernet в общий сегмент. Устройства подключаются при помощи витой пары, коаксиального кабеля или оптоволокна.
В настоящее время почти не выпускаются — им на смену пришли сетевые коммутаторы (свитчи), выделяющие каждое подключенное устройство в отдельный сегмент. Сетевые коммутаторы ошибочно называют «интеллектуальными концентраторами».
Принцип работы
Концентратор работает на физическом уровне сетевой модели OSI, повторяет приходящий на один порт сигнал на все активные порты. В случае поступления сигнала на два и более порта одновременно возникает коллизия, и передаваемые кадры данных теряются. Таким образом, все подключенные к концентратору устройства находятся в одном домене коллизий. Концентраторы всегда работают в режиме полудуплекса, все подключенные устройства Ethernet разделяют между собой предоставляемую полосу доступа.
Многие модели концентраторов имеют простейшую защиту от излишнего количества коллизий, возникающих по причине одного из подключенных устройств. В этом случае они могут изолировать порт от общей среды передачи. По этой причине, сетевые сегменты, основанные на витой паре гораздо стабильнее в работе сегментов на коаксиальном кабеле, поскольку в первом случае каждое устройство может быть изолировано концентратором от общей среды, а во втором случае несколько устройств подключаются при помощи одного сегмента кабеля, и, в случае большого количества коллизий, концентратор может изолировать лишь весь сегмент.
В последнее время концентраторы используются достаточно редко, вместо них получили распространение коммутаторы — устройства, работающие на канальном уровне модели OSI и повышающие производительность сети путём логического выделения каждого подключенного устройства в отдельный сегмент, домен коллизии.
Понятие компьютерной сети. Виды сетей. Сетевые службы
Компьютерная сеть (вычислительная сеть, сеть передачи данных) — система связи между двумя или более компьютерами. Для передачи информации могут быть использованы различные физические явления, как правило — различные виды электрических сигналов или электромагнитного излучения.
По размеру, охваченной территории
Персональная сеть (PAN, Personal Area Network)
Локальная сеть (LAN, Local Area Network)
HomePNA
Городская сеть (MAN, Metropolitan Area Network)
Национальная сеть
Глобальная вычислительная сеть (WAN, Wide Area Network)
Сравнительная характеристика сетей (особенности локальных, глобальных и городских сетей)
По типу функционального взаимодействия
Клиент-сервер
Многослойная архитектура
Точка-точка
Одноранговая (P2P)
По типу сетевой топологии
Шина
Звезда
Кольцо
Решётка
Смешанная топология
Полносвязная топология
По функциональному назначению
Сети хранения данных
Серверные фермы
Сети управления процессом
Сети SOHO
По сетевым ОС
На основе Windows
На основе UNIX
На основе NetWare
Смешанные
По необходимости поддержания постоянного соединения
Пакетная сеть, например Фидонет и UUCP
Онлайновая сеть, например Интернет и GSM
Некоторые сетевые протоколы
Физический уровень
ISDN
RS-232
Канальный уровень
Ethernet
Token ring
FDDI
HDLC
GVRP
PPP, PPTP, L2TP
ATM
xDSL
Сетевой уровень
ICMP
IPv4, IPv6
IPX
Транспортный уровень
SPX
TCP
UDP (Unreliable/User Datagram Protocol)
RDP (Reliable Data Protocol)
RUDP (Reliable User Datagram Protocol)
RTCP
Сеансовый уровень
SSL
Уровень представления данных
ASN.1
XML-RPC
TDI
XDR
SNMP
FTP
Telnet
SMTP
NCP
Прикладной уровень
binkp
DHCP (в модели OSI располагают на транспортном уровне)
DNS
Finger
FTP
Gnutella
Gopher
HTTP
HTTPS
IMAP
IRC
XMPP
LDAP
NTP
NNTP
POP3
RDP (Remote Desktop Protocol)
SSH
SMTP
Telnet
SNMP
Реляционная алгебра: специальные реляционные
Операция ограничения
Операция ограничения требует наличия двух операндов: ограничиваемого отношения и простого условия ограничения. Простое условие ограничения может иметь либо вид (a comp-op b), где а и b - имена атрибутов ограничиваемого отношения, для которых осмысленна операция сравнения comp-op, либо вид (a comp-op const), где a - имя атрибута ограничиваемого отношения, а const - литерально заданная константа.
В результате выполнения операции ограничения производится отношение, заголовок которого совпадает с заголовком отношения-операнда, а в тело входят те кортежи отношения-операнда, для которых значением условия ограничения является true.
Пусть UNION обозначает операцию объединения, INTERSECT - операцию пересечения, а MINUS - операцию взятия разности. Для обозначения операции ограничения будем использовать конструкцию A WHERE comp, где A - ограничиваемое отношение, а comp - простое условие сравнения. Пусть comp1 и comp2 - два простых условия ограничения. Тогда по определению:
A WHERE comp1 AND comp2 обозначает то же самое, что и (A WHERE comp1) INTERSECT (A WHERE comp2)
A WHERE comp1 OR comp2 обозначает то же самое, что и (A WHERE comp1) UNION (A WHERE comp2)
A WHERE NOT comp1 обозначает то же самое, что и A MINUS (A WHERE comp1)
С использованием этих определений можно использовать операции ограничения, в которых условием ограничения является произвольное булевское выражение, составленное из простых условий с использованием логических связок AND, OR, NOT и скобок.
На интуитивном уровне операцию ограничения лучше всего представлять как взятие некоторой "горизонтальной" вырезки из отношения-операнда.
Операция взятия проекции
Операция взятия проекции также требует наличия двух операндов - проецируемого отношения A и списка имен атрибутов, входящих в заголовок отношения A.
Результатом проекции отношения A по списку атрибутов a1, a2, ..., an является отношение, с заголовком, определяемым множеством атрибутов a1, a2, ..., an, и с телом, состоящим из кортежей вида <a1:v1, a2:v2, ..., an:vn> таких, что в отношении A имеется кортеж, атрибут a1 которого имеет значение v1, атрибут a2 имеет значение v2, ..., атрибут an имеет значение vn. Тем самым, при выполнении операции проекции выделяется "вертикальная" вырезка отношения-операнда с естественным уничтожением потенциально возникающих кортежей-дубликатов.
Операция соединения отношений
Общая операция соединения (называемая также соединением по условию) требует наличия двух операндов - соединяемых отношений и третьего операнда - простого условия. Пусть соединяются отношения A и B. Как и в случае операции ограничения, условие соединения comp имеет вид либо (a comp-op b), либо (a comp-op const), где a и b - имена атрибутов отношений A и B, const - литерально заданная константа, а comp-op - допустимая в данном контексте операция сравнения.
Тогда по определению результатом операции сравнения является отношение, получаемое путем выполнения операции ограничения по условию comp прямого произведения отношений A и B.
Если внимательно осмыслить это определение, то станет ясно, что в общем случае применение условия соединения существенно уменьшит мощность результата промежуточного прямого произведения отношений-операндов только в том случае, когда условие соединения имеет вид (a comp-op b), где a и b - имена атрибутов разных отношений-операндов. Поэтому на практике обычно считают реальными операциями соединения именно те операции, которые основываются на условии соединения приведенного вида.
Хотя операция соединение в нашей интерпретации не является примитивной (поскольку она определяется с использованием прямого произведения и проекции), в силу особой практической важности она включается в базовый набор операций реляционной алгебры. Заметим также, что в практических реализациях соединение обычно не выполняется именно как ограничение прямого произведения. Имеются более эффективные алгоритмы, гарантирующие получение такого же результата.
Имеется важный частный случай соединения - эквисоединение и простое, но важное расширение операции эквисоединения - естественное соединение. Операция соединения называется операцией эквисоединения, если условие соединения имеет вид (a = b), где a и b - атрибуты разных операндов соединения. Этот случай важен потому, что (a) он часто встречается на практике, и (b) для него существуют эффективные алгоритмы реализации.
Операция естественного соединения применяется к паре отношений A и B, обладающих (возможно составным) общим атрибутом c (т.е. атрибутом с одним и тем же именем и определенным на одном и том же домене). Пусть ab обозначает объединение заголовков отношений A и B. Тогда естественное соединение A и B - это спроектированный на ab результат эквисоединения A и B по A/c и BBC. Если вспомнить введенное нами в конце предыдущей главы определение внешнего ключа отношения, то должно стать понятно, что основной смысл операции естественного соединения - возможность восстановления сложной сущности, декомпозированной по причине требования первой нормальной формы. Операция естественного соединения не включается прямо в состав набора операций реляционной алгебры, но она имеет очень важное практическое значение.
Операция деления отношений
Эта операция наименее очевидна из всех операций реляционной алгебры и поэтому нуждается в более подробном объяснении. Пусть заданы два отношения - A с заголовком {a1, a2, ..., an, b1, b2, ..., bm} и B с заголовком {b1, b2, ..., bm}. Будем считать, что атрибут bi отношения A и атрибут bi отношения B не только обладают одним и тем же именем, но и определены на одном и том же домене. Назовем множество атрибутов {aj} составным атрибутом a, а множество атрибутов {bj} - составным атрибутом b. После этого будем говорить о реляционном делении бинарного отношения A(a,b) на унарное отношение B(b).
Результатом деления A на B является унарное отношение C(a), состоящее из кортежей v таких, что в отношении A имеются кортежи <v, w> такие, что множество значений {w} включает множество значений атрибута b в отношении B.
Предположим, что в базе данных сотрудников поддерживаются два отношения: СОТРУДНИКИ ( ИМЯ, ОТД_НОМЕР ) и ИМЕНА ( ИМЯ ), причем унарное отношение ИМЕНА содержит все фамилии, которыми обладают сотрудники организации. Тогда после выполнения операции реляционного деления отношения СОТРУДНИКИ на отношение ИМЕНА будет получено унарное отношение, содержащее номера отделов, сотрудники которых обладают всеми возможными в этой организации именами.
Реляционная алгебра: теоретико-множественные
Особенности теоретико-множественных операций реляционной алгебры
Хотя в основе теоретико-множественной части реляционной алгебры лежит классическая теория множеств, соответствующие операции реляционной алгебры обладают некоторыми особенностями.
Начнем с операции объединения (все, что будет говориться по поводу объединения, переносится на операции пересечения и взятия разности). Смысл операции объединения в реляционной алгебре в целом остается теоретико-множественным. Но если в теории множеств операция объединения осмысленна для любых двух множеств-операндов, то в случае реляционной алгебры результатом операции объединения должно являться отношение. Если допустить в реляционной алгебре возможность теоретико-множественного объединения произвольных двух отношений (с разными схемами), то, конечно, результатом операции будет множество, но множество разнотипных кортежей, т.е. не отношение. Если исходить из требования замкнутости реляционной алгебры относительно понятия отношения, то такая операция объединения является бессмысленной.
Все эти соображения приводят к появлению понятия совместимости отношений по объединению: два отношения совместимы по объединению в том и только в том случае, когда обладают одинаковыми заголовками. Более точно, это означает, что в заголовках обоих отношений содержится один и тот же набор имен атрибутов, и одноименные атрибуты определены на одном и том же домене.
Если два отношения совместимы по объединению, то при обычном выполнении над ними операций объединения, пересечения и взятия разности результатом операции является отношение с корректно определенным заголовком, совпадающим с заголовком каждого из отношений-операндов. Напомним, что если два отношения "почти" совместимы по объединению, т.е. совместимы во всем, кроме имен атрибутов, то до выполнения операции типа соединения эти отношения можно сделать полностью совместимыми по объединению путем применения операции переименования.
Заметим, что включение в состав операций реляционной алгебры трех операций объединения, пересечения и взятия разности является очевидно избыточным, поскольку известно, что любая из этих операций выражается через две других. Тем не менее, Кодд в свое время решил включить все три операции, исходя из интуитивных потребностей потенциального пользователя системы реляционных БД, далекого от математики.
Другие проблемы связаны с операцией взятия прямого произведения двух отношений. В теории множеств прямое произведение может быть получено для любых двух множеств, и элементами результирующего множества являются пары, составленные из элементов первого и второго множеств. Поскольку отношения являются множествами, то и для любых двух отношений возможно получение прямого произведения. Но результат не будет отношением! Элементами результата будут являться не кортежи, а пары кортежей.
Поэтому в реляционной алгебре используется специализированная форма операции взятия прямого произведения - расширенное прямое произведение отношений. При взятии расширенного прямого произведения двух отношений элементом результирующего отношения является кортеж, являющийся конкатенацией (или слиянием) одного кортежа первого отношения и одного кортежа второго отношения.
Но теперь возникает второй вопрос - как получить корректно сформированный заголовок отношения-результата? Очевидно, что проблемой может быть именование атрибутов результирующего отношения, если отношения-операнды обладают одноименными атрибутами.
Эти соображения приводят к появлению понятия совместимости по взятию расширенного прямого произведения. Два отношения совместимы по взятию прямого произведения в том и только в том случае, если множества имен атрибутов этих отношений не пересекаются. Любые два отношения могут быть сделаны совместимыми по взятию прямого произведения путем применения операции переименования к одному из этих отношений.
Следует заметить, что операция взятия прямого произведения не является слишком осмысленной на практике. Во-первых, мощность ее результата очень велика даже при допустимых мощностях операндов, а во-вторых, результат операции не более информативен, чем взятые в совокупности операнды. Как мы увидим немного ниже, основной смысл включения операции расширенного прямого произведения в состав реляционной алгебры состоит в том, что на ее основе определяется действительно полезная операция соединения.
По поводу теоретико-множественных операций реляционной алгебры следует еще заметить, что все четыре операции являются ассоциативными. Т. е., если обозначить через OP любую из четырех операций, то (A OP B) OP C = A (B OP C), и следовательно, без введения двусмысленности можно писать A OP B OP C (A, B и C - отношения, обладающие свойствами, требуемыми для корректного выполнения соответствующей операции). Все операции, кроме взятия разности, являются коммутативными, т.е. A OP B = B OP A.
Проектирование реляционных баз данных с использованием нормализации
Реляционная база данных — база данных, основанная на реляционной модели. Слово «реляционный» происходит от английского «relation» (отношение[1]). Для работы с реляционными БД применяют Реляционные СУБД.
Теория реляционных баз данных была разработана доктором Коддом из компании IBM в 1970 году. В реляционных базах данных все данные представлены в виде простых таблиц, разбитых на строки и столбцы, на пересечении которых расположены данные. Запросы к таким таблицам возвращают таблицы, которые сами могут становиться предметом дальнейших запросов. Каждая база данных может включать несколько таблиц. Кратко особенности реляционной базы данных можно сформулировать следующим образом:
Данные хранятся в таблицах, состоящих из столбцов ("атрибутов") и строк ("записей", "кортежей" );
На пересечении каждого столбца и строчки стоит в точности одно значение;
У каждого столбца есть своё имя, которое служит его названием, и все значения в одном столбце имеют один тип.
Запросы к базе данных возвращают результат в виде таблиц, которые тоже могут выступать как объект запросов.
Строки в реляционной базе данных неупорядочены - упорядочивание производится в момент формирования ответа на запрос.
Общепринятым стандартом языка работы с реляционными базами данных является язык SQL.
Нормализация
Целью нормализации является устранение недостатков структуры базы данных, приводящих к вредной избыточности в данных, которая в свою очередь потенциально приводит к различным аномалиям и нарушениям целостности данных.
Теоретики реляционных баз данных в процессе развития теории выявили и описали типичные примеры избыточности и способы их устранения. Нормальная форма -- формальное свойство отношения, которое характеризует степень избыточности хранимых данных и возможные проблемы. Наиболее известные и важные нормальные формы:
Первая нормальная форма (1НФ, 1NF)
Вторая нормальная форма (2НФ, 2NF)
Третья нормальная форма (3НФ, 3NF)
Третья усиленная нормальная форма, или нормальная форма Бойса-Кодда (НФБК, BCNF)
Четвёртая нормальная форма (4НФ, 4NF)
Пятая нормальная форма (5НФ, 5NF)
Доменно-ключевая нормальная форма (ДКНФ, DKNF).
Каждая следующая нормальная форма в этом списке (кроме ДКНФ) в некотором смысле является более совершенной, чем предыдущая, с точки зрения устранения избыточности.
Разрывное распределение памяти
Методы распределения памяти, при которых задаче уже не предоставляется сплошная (непрерывная) область памяти, называются разрывными. Для реализации этого метода нужно иметь соответствующую аппаратную поддержку – относительную адресацию: если указать адрес начала текущего фрагмента программы и величину смещения относительно этого начального адреса, то можно указать необходимую переменную или команду. Виртуальный адрес можно представить состоящим из двух полей:
- указатель на часть программы (с которой идет работы) для определения местоположения этой части;
- относительный адрес нужной ячейки памяти (по отношению к найденному адресу).
Программист может самостоятельно разбивать программу на фрагменты или возложить эту задачу на систему программирования.
Непрерывное распределение памяти
Простое непрерывное распределение – это самая простая схема, согласно которой вся память условно может быть разделена на три части:
- область, занимаемая операционной системой;
- область, в которой размещается исполняемая задача;
- незанятая ничем (свободная) область памяти.
Эта схема предполагает, что ОС не поддерживает мультипрограммирования, поэтому не возникает проблемы распределения памяти между несколькими задачами. Чтобы предоставить задачам максимальный объем памяти, ОС строится таким образом, чтобы постоянно в памяти располагалась только самая нужная ее часть – ядро ОС, остальные модули загружаются при необходимости.
Эта схема влечет два вида потерь:
- потери процессорного времени из-за простоя в связи с вводом/выводом;
- потери самой оперативной памяти, так как она не всегда используется полностью.
Если программа должна будет использовать логическое (и виртуальное) адресное пространство, которое превышает свободную область памяти, или больше всей памяти компьютера, то используется распределение с перекрытием, оверлейная структура. Этот метод предполагает, что вся программа может быть разбита на части – сегменты. Каждая оверлейная программа имеет одну главную часть (main) и несколько сегментов (segment), причем, в памяти одновременно могут находиться только главная часть и один или несколько сегментов.
Понятие планирования вычислительных процессов. Стратегии планирования.
Понятие процесса. Процесс и программа. Состояния процесса. Управляющий блок процесса и его контекст. Операции над процессами. Переключение контекста. Уровни планирования процессов. Критерии планирования и требования к алгоритмам планирования. Параметры планирования. Вытесняющее и невытесняющее планирование. Алгоритмы планирования: FCFS, RR, SJF, гарантированное планирование, приоритетное планирование, многоуровневые очереди, многоуровневые очереди с обратной связью.
Понятие процесса в UNIX, его контекст. Идентификация процесса. Краткая диаграмма состояний процессов в UNIX. Иерархия процессов. Системные вызовы getpid () и getppid (). Создание процесса в UNIX. Системный вызов fork (). Завершение процесса. Функция exit (). Параметры функции main () в языке С. Переменные среды и аргументы командной строки. Изменение пользовательского контекста процесса. Семейство функций для системного вызова exec ().
Стратегия планирования
Стратегия планирования (краткосрочное планирование, диспетчеризация) определяет, какие процессы планируются на выполнение для того, чтобы достигнуть поставленной цели. Стратегий планирования много, но основные из них следующие:
- по возможности заканчивать вычисления в том же порядке, в котором он были начаты;
- отдавать предпочтение более коротким задачам;
- предоставлять всем пользователям одинаковые услуги, в том числе и одинаковое время ожидания.
Стратегия планирования связана с понятием процесс, а не задача, так как процесс может состоять из нескольких задач (потоков).
Дисциплины диспетчеризации
Диспетчеризация связана с понятием задачи (потока). Если ОС не поддерживает механизма потоков, то понятие задачи можно заменить на понятие процесса.
Диспетчеризация с динамическими приоритетами требует дополнительных расходов на вычисление значений приоритетов, поэтому многие ОС реального времени используют методы диспетчеризации на основе статических (постоянных) приоритетов.
Самой простой в реализации является дисциплина FCFS (first come – first served), задачи обслуживаются в порядке очереди, т.е. в порядке их появления. Задачи, приостановленные для ожидания какого-либо ресурса, после перехода в состояние готовности становятся в эту очередь перед задачами, которые еще не выполнялись.
Образуются две очереди:
- новые задачи;
- ранее выполнявшиеся, но попавшие в состояние ожидания.
Дисциплина FCFS реализует стратегию обслуживания «по возможности заканчивать вычисления в порядке их появления». Эта дисциплина не требует внешнего вмешательства в ход вычислений и перераспределения процессорного времени. По классу диспетчеризации (вытесняющие и не вытесняющие) дисциплина FCFS относится к не вытесняющим.
Достоинства дисциплины FCFS:
- простота реализации;
- малые расходы системных ресурсов на формирование очереди задач.
Основной недостаток – при увеличении загрузки вычислительной системы растет среднее время ожидания обслуживания, короткие задачи ожидают столько же времени, как и трудоемкие.
Дисциплина обслуживания SJN (shortest job next) требует, чтобы для каждого задания была известна оценка в потребностях процессорного времени. Пользователи должны были указывать предположительное время выполнения. Диспетчер задач сравнивал указанное время с реальным временем выполнения и, если время выполнения превышало указанное, то помещал это задание в конец очереди.
Дисциплина обслуживания SJN предполагает, что имеется только одна очередь заданий, готовых к выполнению. Если задание было временно заблокировано из-за занятости какого-либо ресурса, то оно помещается в конец очереди готовых к выполнению заданий наравне с вновь поступившими. Задания, которым требуется совсем немного времени для завершения, попадают в конец очереди.
Для устранения этого недостатка была предложена дисциплина SRT (shortest remaining time, следующее задание требует меньше всего времени для своего завершения).
Перечисленные три дисциплины обслуживания могут использоваться для пакетных режимов работы, когда не важно время отклика.
Для интерактивной работы надо обеспечить приемлемое время реакции системы и равенство в обслуживании, если система мультитерминальная. Интерактивные задания должны иметь преимущество перед фоновыми. Эти условия решены в дисциплине RR (round robin – круговая, карусельная).
Дисциплина обслуживания RR предполагает, что каждая задача получает процессорное время порциями (квантами). После окончания выделенного кванта времени задача снимается с исполнения и на выполнение выбирается следующая задача. Снятая задача помещается в конец очереди готовых к выполнению задач.
Величина кванта времени выбирается как компромисс между приемлемым временем реакции системы на запросы пользователей и накладными расходами на частоту смены контекста задач.
Понятия вычислительного процесса, треда, ресурса. Прерывания.
Объяснить понятия task, process, thread
Понятие вычислительного процесса и ресурса является основными при
рассмотрении ОС. Последовательный процесс (задача) – выполнение отдельной
программы. Процессор, являющийся носителем данных выполняет операции
связанные с их обработкой. примеры процессов задач (прикладные программы
пользователей, утилиты). Процессом может быть редактирование текста,
трансляция исходной программы, её компоновка, исполнение.
Thread (поток, тред) 0 легковесный процесс.
У каждого процесса имеется свое адресное пространство и выделенные
ресурсы. Такая обособленность нужна для того, чтобы защитить один процесс
от другого. поскольку они совместно используют все ресурсы вычислительной
системы, конкурируют друг с другом. В общем случае процессы никак не
связаны между собой и могут принадлежать даже различным пользователям. ОС
считает процессы несвязанными и независимыми при этом ОС берет на себя
роль арбитра в конкуренции по поводу ресурсов.
Треды или потоки легковесными эти задачи называют потому, что ОС не
должна для них организовывать полноценную виртуальную машину. Эти задачи не
имеют собственных ресурсов. Они развиваются в том же виртуальном адресном
пространстве, могут пользоваться теми же файлами, виртуальными устройствами
и иными ресурсами, что и данный процесс. Единственное, что необходимо треду
– процессорный ресурс. В однопроцессорной системе треды разделяют между
собой процессорное время также, как это делают обычные процессы. В
мультипроцессорной системе треды могут выполняться одновременно если не
встречают конкуренции из-за обращения к другим ресурсам.
Прерывания представляют собой механизм позволяющий координировать
параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и
реагировать на особые состояния возникающие при работе процессора.
Прерывания – это принудительная передача управления от выполняющейся
программы к системе, а через неё к соответствующей программе обработки
прерываний, происходящая при определенном событии. Основная цель введения
прерываний – реализация асинхронного режима работы и распараллеливания
работы отдельных устройств вычислительного комплекса. Механизм прерываний
реализуется аппаратно-программными средствами.
Структуры систем прерываний могут быть самыми различными, но все они
имеют общую особенность – прерывание непременно ведет за собой изменение
порядка выполнения команд процессором. Механизм обработки прерываний
включает в себя следующие элементы:
1. Установление факта прерывания (прием и идентификация сигнала на
прерывание).
2. Запоминание состояния прерванного процесса (состояние процесса
определяется значением счетчика команд, содержимым регистра
процессора, спецификацией режима: пользовательский или
привилегированный)
3. Управление аппаратно передается программе обработки прерывания. В этом
случае, в счетчик команд заносится начальный адрес подпрограммы
обработки прерывания, а в соответствующие регистры из слова
состояния.???
4. Сохранение информации прерванной программе, которую не удалось спасти
с помощью действий аппаратуры.
5. Обработка прерывания. Работа может быть выполнена той же
подпрограммой, которой было передано управление на 3-ем шаге, но в ОС
чаще всего эта обработка реализуется путем вызова соотв. подпрограммы.
6. восстановление информации относящейся к прерванному процессу.
7. Возврат в прерванную программу.
Первые 3 шага реализуются аппаратными средствами, а остальные –
программно.
Главные функции механизма прерывания:
1. Распознавание или классификация прерывания.
2. Передача управления обработчику прерывания.
3. Корректное возвращение к прерванной программе
Прерывания возникающие при работе выч. системы можно разделить на
внешние и внутренние. Внешние прерывания вызываются асинхронными событиями,
которые происходят вне прерываемого процесса. Пример – прерывание от
таймера, прерывание от внешних устройств, прерывание по вводу/выводу,
прерывание по нарушению питания, прерывание с пульта оператора, прерывание
от другого процессора или другой ОС.
Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой
процессора и являются синхронными с его операциями. Например: при нарушении
адресации (когда указан запрещенный или несуществующий адрес) либо
обращение к отсутствующему сегменту или странице при организации
виртуальной памяти; при наличии в поле кода операции незадействованной
2ичной комбинации; при делении на 0; при переполнении или исчезновения
порядка; при обнаружении ошибок четности, ошибок в работе различных
устройств аппаратуры средствами контроля.
Программные прерывания. Эти прерывания происходят по соответствующей
команде прерывания т. е. по этой команде процессор осуществляет те же
действия, что и при обычных внутренних прерываниях. Данный механизм был
специально введен для того, чтобы переключение на системные программные
модули происходило не просто как переход на подпрограмму, а точно таким же
образом как и в обычных прерываниях. Этим обеспечивается автоматическое
переключения процессора в привилегированный режим с возможностью
исполнения любых команд. Сигналы, вызывающие прерывания, формируются вне
процессора или в самом процессоре, при этом возникать они могут
одновременно. Выбор одного из них для обработки осуществляется на основе
приоритета, приписанных к каждому типу прерывания. Учет приоритета
прерывания может быть встроен в технические средства, а также определяться
ОС.
Понятие операционной системы (ОС) и ее основные функции.
Операционные системы. Общие характеристики.
ОС - Служат для управления ресурсами компьютера и обеспечения взаимодействия всех устройств на компьютере с человеком посредством программ. Компоненты ОС делятся на системные и прикладные.
Делятся на однопользовательские и многопользовательские, однозадачные и многозадачные, с текстовым или графическим интерфейсом.
ОС – совокупность программных средств, обеспечивающих управление процессов обработки информации, запуск прикладных программ, их взаимодействие с аппаратными средствами. MSDOM, MSWindows, WindowsNT, Unix. Сетевые ОС предназначены для обеспечения доступа пользователя по всем ресурсам вычислительной сети. WindowsNT, Unix, Novell NetWare, IBM LAN. ОС бывают однозадачные, однопользовательские, многозадачные, многопользовательские, сетевые.
Пользовательский интерфейс делится на командный и объективно-ориентированный. Командный предполагает ввод команд с клавиатуры для управления ресурсами компьютера. Объективно-ориентированный интефейс – управление ресурсами вычислительной системы посредством осуществления опреций над объектами. ОС делятся: 1) по типу доступа пользователя: пакеты обработки, 2) на однопользовательские и многопользовательские, 3) по типу задач: однозадачные, многозадачные, 4) по количеству процессов: однопроцесные, многопроцессные, 5) по типы интерфейса. Программный интерфейс см. предыдущий билет – описания программ.
Стратегии создания и распространения ПО
Состоит из операционной системы (ОС) и программ пользователя. ОС состоит из утилит, библиотеки подпрограмм, языковых трансляторов, программы - компоновщика, редактора, монитора, загрузчика.
Написание программы начинается с постановки задачи и с создания математической модели. Затем пишется алгоритм, который представляет собой пошаговую процедуру решения задачи. Программа пишется на языке высокого уровня. Языки высокого уровня не связаны с архитектурой данной машины.
Программа, написанная на языке высокого уровня называется исходным модулем. Программа - транслятор преобразует исходный модуль программу на языке машинных кодов называется объектным модулем. Машинный код для каждой машины свой. Программа - редактор используется для ввода текста программы в ЭВМ и ее последующего редактирования. Программа - компоновщик связывает объектные модули, являющиеся результатом трансляции программ и подпрограмм считанных из библиотеки подпрограмм. Программа -отладчик позволяет выполнять программу по одной или нескольким командам за один шаг, что позволяет программисту проверять результат выполнения отдельных частей программы.
Для ввода программы с клавиатуры или ВЗУ, используется программа, называемая загрузчиком. В ее функции входит операция чтения или записи по заданному адресу памяти, а так же выполнение работ по отладке и обслуживанию программ. В последнем случае программа - загрузчик называется монитором. Она может быть записана в память машины, тогда она называется резидентной. Выполнение загрузки программы в память начинается с передачи управления по первому адресу программы.
Структура системного программного обеспечения.
На рис. 8.10 представлена структура системного программного обеспечения — базового пр ограммного обеспечения, которое, как правило, поставляется вместе с компью¬тером, и сервисного программного обеспечения, которое может быть приоб¬ретено дополнительно.
Базовое программное обеспечение (base software) — минимальный набор программных средств, обеспечивающих работу компьютера. Сервисное программное обеспечение — программы и программные ком¬плексы, которые расширяют возможности базового программного обеспе¬чения и организуют более удобную среду работы пользователя.
Рис. 8.10. Классификация-системного программного обеспечения компьютера
Базовое программное обеспечение
В базовое программное обеспечение входят:
операционная система;
операционные оболочки (текстовые и графические);
сетевая операционная система.
Сервисное программное обеспечение
Расширением базового программного обеспечения компьютера является набор сервис¬ных, дополнительно устанавливаемых программ, которые можно классифицировать по функциональному признаку следующим образом:
программы диагностики работоспособности компьютера;
антивирусные программы, обеспечивающие защиту компьютера, обнаружение и вос¬становление зараженных файлов;
программы обслуживания дисков, обеспечивающие проверку качества поверхности магнитного диска, контроль сохранности файловой системы на логическом и физичес¬ком уровнях, сжатие дисков, создание страховых копий дисков, резервирование дан¬ных на внешних носителях и др.;
программы архивирования данных, которые обеспечивают процесс сжатия информа¬ции в файлах с целью уменьшения объема памяти для ее хранения;
программы обслуживания сети.
Эти программы часто называются утилитами.
Утилиты — программы, служащие для выполнения вспомогательных опе¬раций обработки данных или обслуживания компьютеров (диагностики, тестирования аппаратных и программных средств, оптимизации использо¬вания дискового пространства, восстановления разрушенной на магнитном диске информации и т.п.)
Типы и назначения ЭВМ. Принципы построения ЭВМ.
Создано 4 поколения ЭВМ:
1. 1946 г. создание машины ЭНИАК на электронных лампах. Запоминающие устройства (ЗУ) были построены на электронных. лампах, электронно - лучевых трубках (ЭЛТ) и линиях задержки.
2. 60-е годы. ЭВМ построены на транзисторах, ЗУ на транзисторах, линиях задержки и ферритовых сердечниках.
3. 70-е годы. ЭВМ построены на интегральных микросхемах (ИМС). ЗУ на ИМС.
4. Начало создаваться с 1971 г. с изобретением микропроцессора (МП). Построены на основе больших интегральных схем (БИС) и сверх БИС (СБИС).
Пятое поколение ЭВМ строится по принципу человеческого мозга, управляется голосом, используется новая технология на основе арсенида галлия.
ЭВМ предназначены для обработки информации и отображения результатов обработки. Для решения задачи должна быть написана программа.
Во время решения задачи программа и операнды (числа, над которыми производится операции) находятся в оперативной памяти (ОЗУ). Быстродействие ОЗУ соизмеримо с быстродействием АЛУ. В процессе решения задачи АЛУ постоянно взаимодействует с ОЗУ, передавая в ОЗУ промежуточные и конечные результаты и получая из ОЗУ операнды действия всех частей ЭВМ при решении задачи осуществляется под воздействием управляющих сигналов, вырабатываемых устройством управления в соответствии с программой, записанной в ОЗУ.
ПЗУ предназначено для хранения стандартных программ, таких как sin и cos, констант , е.
Существует еще сверх ОЗУ (СОЗУ), которое обладает малым объемом и высоким быстродействием. СОЗУ применяется для кратковременного хранения операндов и промежуточных результатов.
Качество ЭВМ определяется: объемом ОЗУ (т.е. количеством одновременно хранимых в ОЗУ двоичных слов); быстродействием, определяемым количеством операций в сек. После выполнения задачи, программа и результаты через устройство вывода записываются во внешнее ЗУ. В качестве внешних ЗУ используются магнитная лента, гибкий магнитный диск, магнитный барабан, перфолента, перфокарты. Программа вводится в ОЗУ с внешних ЗУ или с клавиатуры через устройство ввода.
Кодирование числовой, текстовой, графической, звуковой информации
Для автоматизации работы с данными, относящимися к различным типам, очень важно унифицировать их форму представления — для этого обычно используется прием кодирования, то есть выражение данных одного типа через данные другого типа. Естественные человеческие языки — это не что иное, как системы кодирования понятий для выражения мыслей посредством речи. К языкам близко примыкают азбуки (системы кодирования компонентов языка с помощью графических символов). Своя система существует и в вычислительной технике — она называется двоичным кодированием и основана на представлении данных последовательностью всего двух знаков: 0 и 1. Эти знаки называются двоичными цифрами, по-английски — binary digit или сокращенно bit (бит). Одним битом могут быть выражены два понятия: 0 или 1 (да или нет, черное или белое, истина или ложь и т. п.). Если количество битов увеличить до двух, то уже можно выразить четыре различных понятия:
00 01 10 11
Тремя битами можно закодировать восемь различных значений:
000 001 010 011 100 101 110 111
Увеличивая на единицу количество разрядов в системе двоичного кодирования, мы увеличиваем в два раза количество значений, которое может быть выражено в данной системе, то есть общая формула имеет вид:
N=2m,
где N— количество независимых кодируемых значений;
т — разрядность двоичного кодирования, принятая в данной системе.
Системы счисления: формула числа, перевод чисел
Позиционные системы счисления
В привычной для нас десятичной системе счисления используют 10
цифр: 0,1,2,…,9 и каждое число представлено как :
m −1
N = ∑ ai10i
i =− s
где i – номер разряда,
a – одна из цифр от 0 до 9,
s – количество разрядов в дробной части числа,
m - количество разрядов в целой части числа.
Например, 405.35=4*102+0*101+5*100+3*10-1+5*10-2
Но десятичная система счисления далеко не единственно возможная.
В общем случае число N в некоторой позиционной системе счисления с
основанием P записывается как
m −1
N = ∑ ai P i ,
i =− s
где a –цифра от 0 до P-1,
P – основание системы счисления.
Позиционными системами счисление называются такие, у которых
вес каждой цифры a зависит от позиции в изображении числа. Так римская
система счисления непозиционная.
Максимальное целое число, которое может быть представлено в m
разрядах:
N max = P m − 1.
Минимальное значащее (не равное 0) число, которое можно записать
в s разрядах дробной части:
N min = P − s .
Любое число в двоичной системе представляет несколькими
двоичными разрядами, каждый разряд несет информацию равную 1 биту.
Поэтому каждый разряд и называют просто битом. Пример двоичного
числа с дробной частью:
1010.0012=1*23+0*22+1*21+0*20+0*2-1+0*2-2+1*2-3=10.12510.
Недостаток двоичной системы – слишком громоздкая запись.
Например,
17310=10101101.
Итак, выше приведены примеры перевода чисел из двоичной,
восьмеричной и шестнадцатеричной систем счисления в десятичную.
Алгоритм обратного перевода заключается в следующем. Число в
десятичной системе счисления последовательно делится на основание
системы счисления, в которую надо переводить. В качестве цифр нового
представления берутся остатки от деления в обратном порядке, начиная с
младшего остатка.
Для перевода дробных частей десятичных чисел используют
следующий алгоритм. Число в десятичной системе счисления необходимо
последовательно умножать на основание системы счисления, в которую
надо переводить. Причем умножать надо только очередную дробную
часть, игнорируя возникающие целые части. В качестве цифр берутся
целые части результатов умножения. Так происходит до тех пор, пока
дробная часть не станет равной нулю или не достигается заданная
точность.
На рис.4 приведен пример перевода 0.62510 в двоичную систему
счисления.
0.625
* 2
1.250
* 2
0.500
* 2
1.000
Рис.4
Таким образом, 0.62510=0.1012.
Для перевода из двоичной в восьмеричную систему счисления
число в двоичной системе необходимо разбить по три цифры (на триады)
справа налево, и вместо каждой триады записать восьмеричную цифру
соответствующую двоичному коду триады. Например, необходимо
перевести 11011110112 в восьмеричную систему счисления, тогда
001 101 111 011
1 5 7 3
Таким образом, 11011110112=15738.
Аналогично, при переводе в шестнадцатеричную систему счисления
двоичное число разбивается по четыре цифры (на тетрады). Например,
переведем 11011110112 в шестнадцатеричную систему счисления.
0011 0111 1011
3 7 11
Таким образом, 11011110112=37В16 .
Обратный перевод из восьмеричной или шестнадцатеричной
системы счисления в двоичную очень прост, каждая цифра записывается в
двоичном коде по триадам или тетрадам.
27
1238 = 1 010 0112
А1716 = 1010 0001 01112 .
Для изображения двоичных чисел часто используют двоично-
десятичную систему счисления. В этой системе для изображения каждой
десятичной цифры отводится тетрада. Например, десятичное число 925 в
двоично-десятичной системе запишется в виде 1001 0010 0101. Следует
обратить внимание, что эта запись отличается от двоичного изображения
данного числа. Например, приведенный выше код в двоичной системе
изображает число 234110.
Разрушающие программные воздействия. Защита от программных "вирусов"
По среде обитания вирусы деляться на сетевые, файловые, загрузочные и файлово-загрузочные. По способу размещения в памяти – резидентные и нерезидентные. Вирусы неопасные и опасные. Делятся по особенностям алгоритма: - вирусы ***, - паразитические вирусы, - рефлекоры (черви), - невидимки (стелс), мутанты (полиморфные вирусы), - макровирусы, - троянские программы.
По целостности делятся на монолитные и распределенные. Сетевые вирусы распространяются по компьютерным сетям. Загрузочный вирус внедряется в загрузочный сектор диска – boot сектор, Master Boot сектор. Файловые вирусы инфицируют исполняемые файлы .exe, .com. Макровирусы написаны с помощью встроенных языков, MS Word, MS Excel. Загрузочно-файловые вирусы способны заражать как загрузочно-файловые диски, так и исполняемые файлы системы. Компаньоны вируса – вирусы, которые не изменяют память, они создают для exe-файлов новые файловые спутники (дубликаты), имеющие расширение .com. Паразитические вирусы – изменяют содержимое дисковых секторов и файлов. Вирусы (черви) – распространяются в компьютерных сетях, они проникают в память, вычисляют сетевые адреса и распространяют по ним свои копии. Они уменьшают пропускную способность сети. Вирусы (невидимки) – используют набор средств для маскировки своего пребывания в ЭВМ. Они перехватывают обращение операционной системы к поврежденным файлам или секторам диска и подставляют в незараженные участки. Полиморфные вирусы копируют собственное тело различными способами в процессе распространения каждая различная копия не содержит одинакового кода. Пример: One Half. Макровирусы используют макроязыки, электронные таблицы, текстовые редакторы. Троянская программа маскируется под полезную интересную программу, выполняет во время своего функционирования разрушительную работу или сбор информации, не подлежащей разглашению. Для борьбы с вирусами есть антивирусные программы. Они могут выявлять, диагностированить, лечить (уничтожать) вирусы, делают прививку здоровой программе. Виды антивирусных программ: - детекторы (сканеры), - доктора (дизинфекторы), - ревизоры, - фильтры (сторожа, мониторы). 1) программы-детекторы рассчитаны на обнаружение конкретных видов и основаны на сравнении характеристической последовательности байтов, содержащихся в теле вирусов с байтами проверенных программ. Для устранения недостатка программы-детекторы стали снабжаться блоками эвристического анализа программ, способные обнаружить новые неизвестные вирусы но характ. для всех вирусов кодовым последовательностям (Doctor Web). 2) Программы-доктора находят файлы, зараженные вирусом, и лечат их, удаляя тело вируса из файлов (AVP Antiviral Toolkit Pro). 3) программы-ревизоры анализуруют текущее состояние файлов и системных областей диска и сравнивают его с информацией, сохраненной ранее в одном из файлов ревизора, при этом проверяется состояние boot сектора, bat таблицы, Winamp файлов, их время создания, атрибуты и контр. сумма, которая получается путем суммирования по модулю 2 всех файлов. V изменение программ файла автоматич. приводит к изменению контр. Ревизоры контролируют диск, читая его по секторам, через BIOS и не испр-ют системное прерывание DOS, которое может перехватить вирус. Ревизоры имеют очень высокую скорость работы и спосбны противостоять вирусам, находящемся в памяти. Они не используют *** изв. вирусов и особенно эффективны при обнаружении новых вирусов, противоядие к которым еще не придумано. 4) Это ресурс. программы, которые оповещают пользователя обо всем, попытках какой-либо программы выполнить следующие действия: форматиорование диска, резедентное размещение программ в ОЗУ, обновление программных файлов и системной области диска (AVP монитор, Norton Antivirus 4.0). Меры защиты ЭВМ от вирусов: необходимо оснащать ЭВМ современными антивирусными программами. При работе в глобальных сетях нужен фильтр. Проверять дискеты, архивы после разархивации, защищать дискеты от записи на чужих компьютерах, не следует оставлять дискеты в дисководе при включении или перезагрузки ЭВМ, т.к. это может привести к заражению загрузочными вирусами
Классификация возможных каналов утечки информации
Информационная система [пользователи, сердства хранения и обработки информации, телефон/радио, информационные ресурсы (документы – библиотеки, архивы БД, БЗ), средства передачи информации (проводника радио оптическая), носитель информации (бумага, звук, фото, видео, магнитн. носит., спец. носитель информации)]. Сбор сведений, направленный на овладение чужими секретами называется сбором конфедициальной информации, при этом конкуренты получают более достоверную информацию. Источники информации – материальные объекты, обладающие определенными сведениями, представл. конкретный интерес для конкурентов. 1) люди – яв-ся облад-ми и распростран-лями в рамках своих функц-ых заданий. Они способны анализировать, обобщать, делать выводы, скрывать, воровать и продавать информацию. 2) документы. Судебные дела – особая опасность. 3) публикации (книги, статьи, доклады). 4) технические носители информации и документов: информация может быть фиксированной и нефиксированной (магнитная запись) – знание которой обладают ученые и специалисты. 5) технические средства обработки информации (телефон, связь, телеграф и факс, сист. радио и спутник связи). Все они могут являться дист. преобр. одного вида энергии в другой и спос. обр-ть магн. каналы утечки сведений. 6) выпускаемая продукция. промышленные и производственные отходы.
С точки зрения степени участия предприятий и субъектов (конкурента) в информационном процессе с противоположными интересами различ. след. действий: 1) разглашение информации ее владельц. (рестораны, бары, сауны). 2) утечка информации. 3) несанкционированный доступ.
Разглашение информации возможно через откр. или закр. печать. Обычно утечка информации возникает из-за сотрудников.
Существует 4 вида каналов утечки информации: акустич., эл. магн., материально-веществ. несанкц. доступ – способ получения охранных сведений незаконным путем. Способы несанкц. доступа: инициат. сотрудн. вербовка, пытка, подслушивание, хищение, копирование, подделка, уничтож. незакон. подключ. к линиям связи, перехват, фотографирование, сбор и обр-ка аналитич. информации. Use в своих интересах те или иные физич. поля через которые созд. сист. перед. инф-ции друг друга (также сист. наз-ся сист. связи). V сист. связи сост. из источн. информации, передатчика, канала передачи информации, приемника и получателя сведений. Наряду с сист. связи всегда существует и канал утечки информации.
. ОГРАНИЧЕНИЕ ДОСТУПА К ИНФОРМАЦИИ, ХРАНЯЩЕЙСЯ НА КОМПЬЮТЕРЕ.
Под этим понимается исключение несанкционированного доступа к ней. Она она обеспечивается прораммными и аппаратными средствами с применением: 1) паролей, 2) шифрованием данных, 3) уничтожением файлов после их удаления, 4) иск-ние электр. ключей, 5) изготовление ЭВМ со спец. защищенным исполнением. Пароли применяются для идентификации пользователей и ограничение их прав в сети. Шифрование – это такое преобразование данных, в результате которого их можно прочесть только с помощью ключей. Криптография – наука, изучающая шифрование. Криптогр. незашифр. текста – открытый, зашифр. – секретный текст. Существует 2 способа: традиционная криптогр. и криптогр. открытым ключом. В традиц. криптогр. используются одни и те же ключи. В крипт. с открытым ключом исп. 2 ключа: открытый для шифрования и закрытый для дешифрования. Плгоритм шифр. открытым ключом – симметричный, двумя – ассиметричный. Последний способ позволяет передавать информацию по сетям. Для защиты компьютера от несанкционированного доступа применяются различ. программные средства – Diskmon, Diskreet (создает и обслуживает скрытые диски, шифрует файлы, исп. симметрич. алгоритм). Wipeinfo.exe – уничтожает файлы после их удаления. Электр. ключи относятся к аппаратным средствам защиты. Инф-ция – это сведения о лицах, предметах, событиях, явлениях, отображаемые на матерьяльных носителях и исп. в целях получения знаний и практических решений.
Понятия информатики, информационных технологий, информации, файла
Информатика (от французского information - информация и automatioque -автоматика) - область научно-технической деятельности, занимающаяся исследованием процессов получения, передачи, обработки, хранения, представления информации, решением проблем создания, внедрения и использования информационной техники и технологии во всех сферах общественной жизни; одно из главных направлений научно-технического прогресса.
В некоторых более кратких определениях информатика трактуется как особая наука о законах и методах получения и измерения, накопления и хранения, переработки и передачи информации с применением математических и технических средств. Однако все имеющиеся определения отражают наличие двух главных составляющих информатики - информации и соответствующих средств ее обработки. Бытует и такое, самое краткое определение: информатика - это информация плюс автоматика.
Понятие информации, её виды и свойства.
Информация в переводе с латинского языка означает: разъяснение, изложение чего-либо или сведения о чём-либо.
Виды информации:
- текстовая;
- числовая;
- графическая;
- звуковая;
- световая;
- электромагнитная (информация электромагнитных волн).
Свойства информации.
Информация выступает как свойство объектов и явлений (процессов) порождать многообразие состояний, которые посредством отражения передаются от одного объекта к другому и запечатляются в его структуре (возможно, в измененном виде).
Целевая функция информации характеризуется способностью влиять на процессы управления, на соответствующее целям управления поведением людей. В этом, по существу, и состоит полезность или ценность информации.
Информация охватывает все сферы, все отрасли общественной жизни, прочно входит в жизнь каждого человека, воздействует на его образ мышления и поведение. Она обслуживает общение людей, социальных групп, классов, наций и государств, помогает людям овладеть научным мировоззрением, разбираться в многообразных явлениях и процессах общественной жизни, повышать уровень своей культуры и образованности, усваивать и соблюдать законы и нравственные принципы. Огромную, ничем незаменимую роль выполнят информация в управленческой деятельности. По существу, без информации не может быть и речи о любом виде управления, о целенаправленной деятельности взаимосвязанных объектов и систем.
Меры информации: синтаксическая, семантическая, прагматическая.
Синтаксическая (техническая) - это точность, надежность, скорость передачи сигналов и т.д.; Семантическая - это передача смысла текста с помощью кодов;
Прагматическая - это насколько эффективно информация влияет на поведение объекта.
Основные показатели качества информации
Анализируя информацию, мы сталкиваемся с необходимостью оценки качества и определения количества получения информации. Определить качество . информации чрезвычайно сложно, а часто и вообще невозможно. Какие-либо сведения, например исторические, могут десятилетиями считаться ненужными и вдруг их ценность может резко возрасти. Вместе с этим определить количество информации не только нужно, но и можно. Это прежде всего необходимо для того, чтобы сравнить друг с другом массивы информации, определить, какие размеры должны иметь материальные объекты (бумага, магнитная лента и т.д.), хранящие эту информацию.
Paskal
PascalABC.NET - это реализация языка Object Pascal для .NET Framework, включающая такие важные особенности современных языков программирования как интерфейсы, обобщенные классы (generics), делегаты, сборка мусора, исключения, средства параллельности. PascalABC.NET - это бесплатная среда программирования, сочетающая простоту языка Паскаль и огромные возможности платформы .NET. 1 октября 2008 г. вышла версия 1.0 beta, скачать ее можно отсюда. Описание среды и языка опубликовано здесь.
Язык Паскаль был разработан в 1970 г. Никлаусом Виртом как язык, обеспечивающий строгую типизацию и интуитивно понятный синтаксис. До сих пор Паскаль заслуженно считается одним из лучших языков для начального обучения программированию.
Наиболее популярным решением для персональных компьютеров в 80-е - начале 90 годов стал компилятор Turbo Pascal фирмы Borland, который ввел в язык Паскаль новые возможности и обеспечивал высокую скорость компиляции. Выпущенная в 1995 г. как продолжение среды Turbo Pascal система программирования Delphi стала одной из лучших сред для быстрого создания приложений. Delphi ввела в язык Паскаль ряд удачных объектно-ориентированных расширений; обновленный язык получил название Object Pascal.
Однако, язык Delphi Object Pascal тесно привязан к среде, ориентированной на программирование под Windows, что привело к трудностям при переносимости его на другие платформы. Кроме того, среда Delphi по мере развития становилась все более громоздкой и малопригодной для обучения программированию. Наконец, появление платформ Java и .NET, включающих мощный язык программирования и мощные стандартные библиотеки ослабило позиции языка Delphi. В профессиональном программировании царствуют такие языки как Java, C, C++, C#, Visual Basic, PHP, Java Script (см. рейтинг языков программирования), для обучения программированию часто выбираются перечисленные выше языки, а также Oberon, Python и др.
Развитие таких платформ как Java и .NET привело, однако, к ситуации, еще не оцененной должным образом. Создать компилятор, переводящий текст программы не в машинный, а в высокоуровневый промежуточный байт-код, стало значительно проще. Недостатки промежуточного кода, связанные с незначительным замедлением скорости выполнения программ, с лихвой окупаются рядом преимуществ. Это единая объектно-ориентированная библиотека классов, возможность свободного сочетания модулей, написанных на разных языках программирования, а также проникновение в языки программирования единых современных языковых средств (таких как исключения, интерфейсы, перегрузка операций, обобщенные классы, параллельность). Таким образом, разница между универсальными языками программирования становится менее заметной, поскольку предоставляемые ими средства практически идентичны.
Язык и система программирования PascalABC.NET призваны изменить сложившуюся ситуацию и вернуть языку Паскаль былую привлекательность как для обучения, так и для профессионального программирования, помножив ее на мощь платформы .NET. PascalABC.NET содержит следующие предоставляемые платформой .NET языковые средства: интерфейсы, перегрузка операций, обобщенные классы, делегаты, исключения, сборка мусора. Откомпилированные модули хранятся в специальном промежуточном формате, представляющем собой семантическое дерево программы и обеспечивающем возможность проведения ряда высокоуровневых преобразований. Кроме того, в PascalABC.NET добавлены такие языковые средства как оператор foreach, операция new для создания объектов классов, инициализация любых переменных при описании (в т.ч. локальных и полей классов), методы в записях, встроенные множества произвольных типов, внутриблочные описания переменных, определение тел методов внутри классов.
Среда PascalABC.NET проектируется как простая, но мощная оболочка, обеспечивающая подсветку синтаксиса, подсказку по коду (подсказка по точке, подсказка параметров подпрограмм, всплывающая подсказка по именам), форматирование текста программы по запросу, переход к определению и реализации подпрограммы, элементы рефакторинга. Она разрабатывается в большей степени с целью обучения программированию (от школьника до студента-старшекурсника) и содержит в своем составе ряд дополнительных модулей, предназначенных для обучения:
электронный задачник по программированию Programming Taskbook (сайт http://ptaskbook.com)
растровая графическая библиотека GraphABC
библиотека векторных графических объектов ABCObjects
модули Робот и Чертежник, используемые в школьной информатике для быстрого обучения программированию школьников средних классов
Простота, современные возможности, бесплатность - вот главные достоинства PascalABC.NET !
Описание меток
Раздел описания меток начинается с зарезервированного слова label, после которого следует список меток, перечисляемых через запятую. В качестве меток могут быть использованы идентификаторы и положительные целые числа:
label a1,l2,777777;
Записи
Запись представляет собой набор элементов разных типов, каждый из которых имеет свое имя и называется полем записи. Тип записи конструируется следующим образом:
record
список полей
список методов
end
Приведем пример записи, содержащей только поля:
type
SexType = (male, female);
Person = record
Name: string;
Age, Weight: integer;
Sex: SexType;
end;
При описании переменной или константы типа запись можно использовать инициализатор записи (как и в Object Pascal):
const p: Person = (Name: 'Петрова'; Age: 18; Weight: 55; Sex: female);
var p: Person := (Name: 'Иванов'; Age: 20; Weight: 80; Sex: male);
Присваивание записей копирует содержимое полей одной переменной-записи в другую:
d2 := d1;
Для записей принята именная эквивалентность типов: можно присваивать друг другу и передавать в качестве параметров подпрограмм записи, совпадающие только по имени.
В отличие от Object Pascal, в PascalABC.NET отсутствуют записи с вариантами.
Помимо полей, внутри записей могут содержаться также методы и свойства. Таким образом, записи очень близки к классам.
Список отличий между записями и классами приводятся ниже:
Запись представляет собой размерный тип (переменные типа запись располагаются на стеке).
Все члены записей – публичные, модификаторы доступа внутри записей запрещены.
Записи нельзя наследовать; от записей также нельзя наследовать (отметим, что записи, тем не менее, могут реализовывать интерфейсы). В .NET тип записи неявно предполагается наследником типа System.ValueType и реализуется struct-типом.
Конструкторы для записей имеют тот же синтаксис, что и для классов. Однако, в отличие от классов, вызов конструктора записи не создает новый объект в динамической памяти, а только инициализирует поля записи.
По умолчанию процедура write для переменной типа запись выводит ее тип. Чтобы изменить это поведение, в записи следует переопределить метод ToString класса Object.
Например:
type
SexType = (male, female);
Person = record
Name: string;
Age, Weight: integer;
Sex: SexType;
constructor Create(Name: string; Age, Weight: integer; Sex: SexType);
begin
Self.Name := Name;
Self.Age := Age;
Self.Weight := Weight;
Self.Sex := Sex;
end;
function ToString: string; override;
begin
Result := string.Format('Имя: {0} Возраст: {1} Вес: {2} Пол: {3}',
Name, Age, Weight, Sex);
end
end;
...
var p: Person := new Person('Иванов',20,70,Sex);
writeln(p);
1 Цели и задачи предмета ОПКМ. Основные понятия и определения
Основную часть производственных процессов современной хозяйственной деятельности человека выполняют м а ш и н ы — механические устройства, служащие для преобразования энергии, материалов или информации.
М а ш и н о с т р о е н и е — ключевая отрасль экономики, в значительной степени определяющая производительность труда, качество продукции, темпы и уровень технического прогресса и обороноспособность страны.
Основные задачи дальнейшего развития машиностроения в нашей стране — увеличение мощности и быстроходности, а следовательно, и производительности машин, снижение их материалоемкости и себестоимости, повышение точности и надежности, а также улучшение условий обслуживания, внешнего вида машин и повышение их конкурентоспособности на мировом рынке.
В зависимости от выполняемых функций современные машины к л а с с и ф и ц и р у ю т следующим образом:
1. энергетические, служащие для преобразования энергии (машины-двигатели, генераторы);
2. рабочие, осуществляющие изменение формы, свойств, состояния и положения предмета труда (технологические или машины-орудия, транспортные и транспортирующие);
3. информационные, предназначенные для сбора, переработки и использования информации (вычислительные, шифровальные и др.).
Машины состоят из д е т а л е й — изделий из однородного материала, полученных без сборочных операций (болт, шпонка, вал, зубчатое колесо и т. д.), и с б о р о ч н ы х единиц — изделий, собранных из деталей на предприятии-изготовителе (муфта, шарикоподшипник, редуктор и т. п.). Сборочная единица, которая может собираться отдельно от других составных частей изделия, называется у з л о м. Укрупненный, обладающий полной взаимозаменяемостью узел, выполняющий определенную функцию, называется м а ш и н н ы м агрегатом (например, электродвигатель, силовая головка, насос), а метод компоновки промышленных изделий из отдельных агрегатов называется а г р е г а т и р о в а н и е м. Агрегатирование значительно упрощает проектирование, сборку, эксплуатацию, ремонт и модернизацию изделий.
Рассматривая конструкцию, можно видеть, что многие детали и узлы различных машин похожи, имеют одинаковые функциональные назначения и широко применяются, например, крепежные и соединительные детали, валы и оси, зубчатые колеса, подшипники, муфты, смазочные и уплотнительные устройства и т. д. Такие детали и узлы машин называют д е т а л я м и (и узлами) общего назначения и именно они являются объектом изучения в предмете «Детали машин». Детали, характерные только для некоторых типов машин (например, пропеллеры самолетов, гребные винты судов, лопатки турбин, шатуны, кленвалы и поршни двигателей и т. п.), называются деталями специального назначения и рассматриваются в специальных дисциплинах.
С о п р о т и в л е н и е материалов – это наука о том, как реагируют элементы конструкций (механизмов, машин, сооружений) на воздействие нагрузок и как обеспечить их соответствие своему назначению и работоспособность.
В сопротивлении материалов рассматриваются вопросы расчета отдельных элементов конструкций и вопросы расчета некоторых простейших конструкций на прочность, жесткость и устойчивость.
В отличие от теоретической механики, в которой все тела рассматриваются как абсолютно твердые, в сопротивлении материалов учитывается, что элементы конструкций при действии внешних сил изменяют свою форму и размеры, т.е. деформируются.
В сопротивлении материалов широко применяются методы теоретической механики (в первую очередь статики) и математического анализа, а также используются данные из разделов физики, в которых изучаются свойства различных материалов.
Сопротивление материалов является экспериментально-теоретической наукой, так как она широко использует опытные данные и теоретические исследования.
Физическая и логическая структура диска.
С физической точки зрения все секторы одинаковы — как уже говорилось, их емкость в MS-DOS всегда равна 512 байтам. Однако программы операционной системы закрепляют за каждым сектором некоторые определенные функциИг что позволяет говорить о логической структуре дисков.
Любой диск в ДОС имеет четыре логических части: загрузочный сектор, таблицу распределения файлов, корневой каталог и архивное пространст — во.
Загрузочный сектор
Загрузочный сектор — это самый первый сектор на самой внешней (нулевой) дорожке. Загрузочный сектор содержит важную информацию о логической структуре диска и короткую программу начальной загрузки. Содержимое загрузочного сектора автоматически считывается в оперативную память после включения ПК, затем управление передается программе начальной загрузки. Эта программа считывает в память нужные части операционной системы и передает им управление. Таким образом, загрузочный сектор нужен прежде всего для начальной загрузки операционной системы.
Начиная с байта с порядковым номером 12, в загрузочном секторе размещается так называемый блок параметров BIOS (BPB), содержащий информацию о длине и расположении остальных логических частей диска и некоторые другие важные параметры
Дискета представляет собой круглую гибкую пластмассовую пластинку, покрытую магнитным слоем, как аудио- или видеокассета. Информация записывается с двух сторон дискеты. По 40 круглых замкнутых дорожек с каждой стороны. Дорожки разбиты на одинаковые по длине небольшие участки - секторы. Несколько подряд идущих секторов называются кластером.
Дискета помещена в твёрдую защитную прямоугольную пластмассовую коробочку. Коробочка сделана так, что входит в дисковод только в одном положении.
Когда нужно читать или записывать, дисковод раскручивает дискету. Считывающие магнитные головки выдвигаются на кронштейнах к нужной дорожке и читают или пишут за один раз один кластер информации. То есть, не целую дорожку, а несколько секторов. Через некоторое время дискета останавливается и ждёт следующих обращений.
Объём дискеты полтора мегабайта. Это примерно полтора миллиона букв. Грубо говоря, это одна средних размеров книга на 400 страниц.
Винчестер или жёсткий диск - это примерно 5 круглых металлических пластинок, сидящих на общей оси и покрытых магнитным слоем с обеих сторон. Пластинки спрятаны в герметичном металлическом корпусе вместе с блоком головок считывания.
Дорожек на винчестере больше, чем на дискете. Плотность записи на них выше. Размер кластера тоже намного больше.
Винчестер постоянно вращается со скоростью около 100 оборотов в секунду (в современных винчестерах скорость намного выше - прим. сост.). Его головки способны каждую секунду совершить несколько десятков операций чтения и записи с перемещением между разными дорожками. Именно это перемещение головок между дорожками и создаёт характерное постукивание или шуршание винчестера. Винчестер может приостановить своё вращение, если к нему долго нет обращений. Объём памяти винчестеров очень большой и постоянно растёт.
В списке дисков дискета обозначается латинской буквой "A", а винчестер - буквой "C". Если винчестер программным путём разделён на несколько логических дисков, то в списке дисков появляются диски "D", "E", "F" и так далее.
Последним в списке дисков идёт CD-ROM, который обычно занимает первую свободную букву английского алфавита. Имя компакт-диска появляется в списке дисков через несколько секунд после его вставки в CD-привод.
После подключения блока электронной флэш-памяти в списке дисков за компакт-диском появляется ещё один, виртуальный диск.
Благодаря операционной системе Windows, работа со всеми этими видами дисков для нас будет практически одинаковой, несмотря на большие отличия в их конструкции
ПУ. УВВ.
Периферийное устройство — часть технического обеспечения, конструктивно отделенная от основного блока вычислительной системы.
Периферийные устройства можно разделить на несколько групп по функциональному назначению:
1. Устройства ввода-вывода – предназначены для ввода информации в ПК, вывода в необходимом для оператора формате или обмена информацией с другими ПК. К такому типу ПУ можно отнести внешние накопители (ленточные, магнитооптические), модемы.
2. Устройства вывода – предназначены для вывода информации в необходимом для оператора формате. К этому типу периферийных устройств относятся: принтер, монитор (дисплей), аудиосистема.
3. Устройства ввода – Устройствами ввода являются устройства, посредством которых можно ввести информацию в компьютер. Главное их предназначение - реализовывать воздействие на машину. К такому виду периферийных устройств относятся: клавиатура (входит в базовую конфигурацию ПК), сканер, графический планшет и т.д.
4. Дополнительные ПУ – такие как манипулятор «мышь», который лишь обеспечивает удобное управление графическим интерфейсом операционных систем ПК и не несет ярковыраженных функций ввода либо вывода информации; WEB-камеры, способствующие передаче видео и аудио информации в сети Internet, либо между другими ПК. Последние, правда, можно отнести и к устройствам ввода, благодаря возможности сохранения фото, видео и аудио информации на магнитных или магнитооптических носителях.
Периферийные устройства имеют собственное управление и функционируют по командам центрального процессора. Периферийные устройства предназначены для внешней обработки данных, обеспечивающий их подготовку, ввод, хранение, управление, защиту, вывод и передачу на расстояние по каналам связи.
Устройства ввода — приборы для занесения (ввода) данных в компьютер во время его работы. Устройства ввода графической информации
Сканер
Видео- и Веб-камера
Цифровой фотоаппарат
Плата видеозахвата
Устройства ввода звука
Микрофон
Цифровой диктофон
Модем
Устройства ввода текстовой информации
Клавиатура
Игровые устройства ввода
Джойстик
Педаль
Геймпад
Руль
Рычаг для симуляторов полёта
Устройства вывода — средства вывода информации из компьютера.
Устройства для вывода визуальной информации
Монитор (дисплей)
Проектор
Принтер
Графопостроитель
[править]
Устройства для вывода звуковой информации
Встроенный динамик
Колонки
Наушники
[править]
Устройства ввода/вывода
Перфоратор
Магнитный барабан
Стример
Дисковод
Жёсткий диск
Различные порты
Различные сетевые интерфейсы.
Дисково́д — электромеханическое устройство, позволяющее осуществить чтение/запись информации на цифровые носители имеющие форму диска. При этом носитель может быть съёмным или встроенным в устройство. Съёмный носитель часто для защиты помещают в картридж, конверт, корпус и т. д.
Основные блоки ПК.
• Основные блоки персонального компьютера
1. Системный блок
Назначение: для расположения основных устройств ПК.
2. Монитор
Назначение: для изображения текстовой и графической информации.
3. Клавиатура
Назначение: для ввода символов в компьютер.
4. Мышь
Назначение: для облегчения ввода информации в ПК.
Магистрально - модульный принцип архитектуры ЭВМ.
Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, ресурсы, т. е. средства вычислительной системы. Архитектура современных ПК основана на магистрально-модульном принципе.
Модульный принцип позволяет потребителю самому подобрать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Магистраль или системная шина - это набор электронных линий, связывающих воедино по адресации памяти, передачи данных и служебных сигналов процессор, память и периферийные устройства.
Классическая архитектура ЭВМ и принципы Джона фон Неймана.
Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 г. ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье “Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства”. С тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней положения сохраняют актуальность и сегодня.
В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел (нелишне напомнить, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации – текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.
Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип “хранимой программы”. Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней (в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут – выходили из строя лампы). Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рис. 1. Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура – устройство ввода, дисплей и печать – устройства вывода.
Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера). Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже.
Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров “многоярусно” и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы), и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ. но с существенно более медленным доступом (и значительно меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации). На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается – определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.
В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти. из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.
Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название “фон-неймановской архитектуры”. Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).
По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.
ЕСЕПТЕУІШ ТЕХНИКАНЫҢ ДАМУ ТАРИХЫ
Ең ерте заманғы және бәрімізге белгілі есептеу құралы есепшот болып табылады. Есепшот Ресейде ХVI-XVII ғасырларда пайда болған. 1761 жылы ғана ағылшын Д. Робертсон жүгіртпесі бар навигациялық есептеулер жүргізуге арналған логарифм сызғышын жасады.
1642 жылы француз математигі Блез Паскаль он тоғыз жасында дүние жүзінде бірінші рет қосу машинасы деген атпен белгілі, жетектер мен дөңгелек-терден тұратын механикалық есептеу машинасын құрастырды.
1694 жылы атақты неміс математигі Лейбниц Паскальдың идеясын дамытып, өзінің механикалық есептеу машинасын – арифмометрді құрастырды. Дөңгелектің орнына мұнда цифрлар жазылған цилиндр қолданылды. Бұл құрал күрделі қосу мен алу есептеулерін жүргізумен қатар, сандарды бөлу, көбейту, тіпті квадрат түбірін табу амалдарын да орындайтын болды. Кейін арифмометр бірнеше рет жетілдірілді. Бұл бағытта орыс өнертапқыштары П.Л. Чебышев пен В.Т. Однер көп еңбек етті.
Алғашқы есептеуіш автоматтың авторы ағылшын оқымыстысы Чарльз Бэббидж еді, сондықтан көптеген адамдар оны қазіргі компьютердің атасы деп атайды.
Дүние жүзі бойынша алғашқы 1846 жылы Бэббидж машинасына бағдарлама жазған Ада Лавлейс бірінші бағдарламалаушы деп саналды.
1944 жылы американ математигі Говард Айкен Гарвард университетінде бағдарламамен басқарылатытын, релелік және механикалық элементтерге негізделген Марк-1 автоматтық есептеуіш машинасын құрастырды.
ЭЛЕКТРОНДЫ ЕСЕПТЕУІШ МАШИНАЛАР
ХХ ғасырдың бірінші жартысында радиотехника қарқындап дамыды. Радио-қабылдағыштар мен радио арқылы хабар беретін құралдардың негізгі элементі – электронды-вакуумды шамдар (лампалар) болды. Бірінші электрондық есептеуіш машина 1946 жылы АҚШ-тың Пенсильван университетінде жасалды, оны ENIAC деп атады.
ENIAC-тың конструкторлары – Дж. Моучли мен Дж. Эккерт. ENIAC-тың салмағы 30 т және 18000 электрондық шамдары болды, ол бір секундта 5000 қосу, азайту амалдарын, 300 көбейту амалын орындай алды. Релелік машиналарға қарағанда, оның амал орындау жылдамдығы мың есе жоғары болды.
1946 жылы американ математигі Джон Фон Нейман өз мақаласында ЭЕМ-нің жұмысы мен құрылымының принциптерін баяндады. ЭЕМ жұмысының басты принципі – жадта сақталатын бағдарлама принципі, онда бағдарламалар мен мәліметтер машинаның жалпы жадына орналастырылады. Мақалада баяндалған идеялар “Джон Фон Нейманның ЭЕМ архитектурасы” деп аталды, бұл идея негізінде 1949 жылы EOSAC машинасы құрастырылды. Алғашқы ЭЕМ-дар тек бір данадан ғана болды.
Бұрынғы Кеңес Одағында бірінші ЭЕМ 1947-1948 жылдары академик Сергей Алексеевич Лебедевтің басшылығымен жасалды, оны МЭСМ (Кіші электрондық санақ машинасы) деп атады. 1951 жылы ол ресми түрде пайдалануға енгізіліп, бұл машинада әр түрлі есептеулер жүргізіле бастады. Ол секундына 50 амал орындай-тын болған, ал жедел жад электрондық шамдардағы 100 ұяшықтан тұрды.
1952-1953 жылдары оның жетілдірілген түрі (Үлкен электрондық санақ машинасы) пайдалануға енгізілді.
ЭЕМ БУЫНДАРЫ.
ЭЕМ-ның даму тарихы бірнеше буындарға бөлінді. Бірінші буындағы машиналар (1940-1955 жылдар) бірнеше жүздеген шаршы метр орын алатын және мыңдаған электрондық шамдары бар алып құрылғылар еді. Оларға бағдарламаларды енгізу үшін, перфоленталар мен перфокарталар пайдаланылды.
1955 жылдан бастап, екінші буындағы ЭЕМ-дар пайда бола бастады. Оларда электрондық шамдардың орнына жартылай өткізгіштер – транзисторлар пайдаланылды.
Электрондық өндіріс орындары интегралдық сұлбалар жасай бастады. Интегралдық сұлба – бұл шағын жартылай өткізгіш кристалдар, оларда бірнеше жүздеген, тіпті мыңдаған транзисторлар бар.
Интегралдық сұлба негізіндегі ЭЕМ-дар бұл үшінші буындағы ЭЕМ-дар. ЭЕМ-дар халық шаруашылығында кеңінен қолданыла бастады.
Қазіргі кездегі ЭЕМ-дар – бұл төртінші буындағы ЭЕМ-дар. Олар 70-ші жылдардан бастап өндіріске енді.
Қазіргі кезде көптеген елдерде бесінші буындағы ЭЕМ-ды жасау ісі қолға алынуда. Бұл машиналар кәдімгі тілді , яғни “жасанды интеллект” ЭЕМ-дары болуы керек. Бұл идея толығымен іске асқанда, ЭЕМ-ға кәдімгі сөзбен мәселені түсіндіріп айтасың, ал компьютер өзі бағдарламаны құрып, мәселені (есепті) шешетін болады.
КОМПЬЮТЕРЛІК ВИРУС
Компьютерлік вирус – «көбейтілуге» және басқа программаларға «жұғуға» қабілетті, әдетте өлшемі шағын (200-ден 5000 байтқа дейін) арнайы компьютерлік программа (яғни ол өз кодын көп қайтара көшіреді де, оны басқа программалардың кодына қосады). Ол компьютерге пайдаланушының рұқсатынсыз, «зақымдалған» дискета немесе «зақымдалған» файлмен бірге түсуі мүмкін. Ішінде вирусы бар программа «зақымдалған» деп аталады.
«Зақымданған» программа жұмысын бастағанда, алдымен басқаруға вирус алады. Вирус басқа программаларды тауып, оларды зақымдайды, сонымен қатар қандай да бір зиянды әрекет жасайды: компьютердің қалыпты жұмыс істеуіне кедергі келтіреді, дискідегі файлды бұзады, компьютерде сақталған ақпаратты бүлдіреді, жедел жадты «ластайды» және т.с.с. Вирустың бір компьютерден басқа компьютерге тарайтын қабілеті бар.
Вирустар қайдан пайда болады? Оларды білікті қаскөй мамандар басқа бәсекелес фирмаларға зиян келтіру үшін қызғаныш, зиянкестік, мансапқұмарлық оймен немесе антивирустық программаларды сатудан ақша табу үшін жазады.
Компьютерлік вирустармен күресу үшін, оларды зерттейтін және антивирустық (вирусқа қарсы) программалар жазатын мамандар бар. Ресейдегі атақты программистер: Д. Лозинский, Д. Мостовой, И.А. Данилов, Н. Безруков және т.б.
Жаңа вирустық программалардың саны үнемі көбейіп және түрлері өзгеріп отырады, сондықтан компьютер пайдаланушы вирустар табиғатын, вирустардың жұғу әдісін және олардан қорғануды білуі керек.
АНТИВИРУСТЫҚ ПРОГРАММАЛАРЫ
Вирустарды табуға және жоюға мүмкіндік беретін программалар антивирус-тық (вирусқа қарсы) программалар деп аталады.
Детектор-программалар белгілі вирустардың бірімен зақымдалған файлдарды табады, мұндай программалар жеке түрде сирек кездеседі.
Фагтар немесе доктор-программалар, сондай-ақ вакцина-программалар вируспен зақымдалған файлдарды тауып қана қоймай, оларды «емдейді» де, яғни программаны вируспен зақымдалғанға дейінгі қалпына келтіре отырып, файлдардан вирус программасының тәнін жояды. Фагтар өз жұмысының басында вирустарды жедел жадтан іздейді, оларды жояды, тек содан кейін файлдарды «емдеуге» кіріседі. Фагтардың ішінде полифагтар, яғни вирустардың көп мөлшерін жоятын доктор-программалары ерекше. Ең кең таралған полифагтар Aidstest жасаушысы – д. Лозинский, Scan, Norton AntiVirus және Doctor Web жасаушысы – И. Данилов программалары болып табылады.
Ревизор-программалар вирустардан қорғайтын құралдардың ең сенімдісі. Ревизор программалардың алғашқы қалпын, яғни компьютердің вируспен зақымдалмаған кезін есте сақтайды, содан кейін оқтын-оқтын ағымдағы жағдайды алғашқы жағдаймен салыстырып отырады. Егер өзгеріс табылса, онда дисплейдің экравизор-программасы кең таралған бұл программаны барлық оқу орындарындағы компьютерлерге орнату ұсынылған. Ол тек вирустардың активтілігін ғана емес, кейбір оқушылардың зиянды әрекеттерін де (оқытушылардың тиісуіне болмайтын файлдар мен қапшықтарды жылжытуын, өшіруін, жазуын) бақылауға мүмкіндік береді.
Фильтр-программалар немесе «күзетшілер» - ұдайы компьютер жадында болатын шағын резидентті программалар. Олар компьютердің операцияларын бақылайды және компьютер жұмысының барысында вирустарға тән күмәнді әрекеттерді табады.Қандай да бір программа осындай әрекеттерді орындамақшы болғанда, «күезтші» хабарлама жібереді, ал пайдаланушы тиісті операцияны орындауға рұқсат береді немесе тыйым салады. Пайдаланушылар, әдетте күзетшіні қолданбайды, өйткені әрдайым берлетін ескерту жұмысқа кедергі келтіреді. Фильтр-программалар вирусты көбеймей тұрып, оның өмірінің ең алғашқы сатысында табуға мүмкіндік береді, бірақ олар файлдар мен дисктерді «емдемейді», сондықтан вирустарды жою үшін фагтарды қолдану қажет болады.
Вирустардан қорғайтын программалық құралдардан басқа винчестердің белгілі бөлімдерін сенімді қорғауды қамтамасызданатын тағы арнайы қосымша құрылғылар болады. Мұндай құрылғыға Ю. Фомин жасаған Sheriff платасы мысал болып табылады.
ИНТЕРНЕТ ДЕГЕН НЕ?
Интернет – бүкіл әлемдегі миллиондаған шағын компьютерлік желілерді бір-бірімен байланыстырып тұрған орасан зор компьютерлік желі, ол хаттама (протокол) деп аталатын бірыңғай стандартпен жұмыс істейді. Желідегі компьютерлерде мәтін (текст), сурет, аудио-, бейнематериалдар, т.с.с. өте үлкен ақпарат көлемі сақталады.
Интернет 1969 жылы АҚШ-та осы елдің қорғаныс министрлігінің тапсырысы бойынша жасалған ARPANET желісінен пайда болды. ARPANET оқу орындарын, әскерлер мен әскери мердігерлерді біріктіретін желі.Интернетте ТСР/ІР пайдаланылады. Бұл әріптер Transmission Control Protocol/ Internet Protocol (Беру басқармасының хаттамасы/желіаралық хаттама) дегенді білдіреді. ІР желідегі адрестеуге жауап береді, ал ТСР хабарларды тиісті адрестер бойынша жеткізуді қамтамасыз етеді, олар 1974 жылы жасалған. Байланыстың талшықтық-оптикалық және спутниктік тізбектерімен біріктірілген ең өнімді компьютерлердің бірнешеуі Интернеттің тірек желісін құрайды. Тірек желісінде суперкомпьютерлер жұмыс істейді, олар әдетте аса ірі университеттік немесе ғылыми орталықтарда орналасқан, көбісі АҚШ территориясында. Тірек желісі тізбектердің өнімділігі секундына бірнеше Гбит-қа жетеді. Ұлттық желілерге кәсіпорындар мен провайдерлердің жергілікті желілері қосылады. Тізбектің типіне байланысты олардың өнімділігі ондаған Мбит/с-қа дейін барады. Кейін бұл жергілікті желілердің компьютерлеріне жеке пайдаланушылар қосыла алады.
Егер ұйымдар мен жеке адамдар ақы төлеу негізінде Интернетке шығарылатын болса, оларды провайдерлер деп атайды. Интернетте көптеген қызметтер жұмыс істейді. Ең танымалысы – электронды пошта (E-mail), WWW мәліметтер базасы, Usenet телеконференциялар жүйесі және FTP файлдық архивтер жүйесі. Әр қызметтің өз хаттамасы болады.
ИНТЕРНЕТТІҢ НЕГІЗГІ ҚЫЗМЕТТЕРІ
Интернетте көптеген қызмет түрлері бар. Интернеттің әр қызмет бабы мәлімет таратудың немесе алмасудың әр түрлі функцияларын атқарады, оның үстіне олардың кейбірі ескіріп жойылса, кейбірі жаңадан туындап келеді.
WWW (World Wide Web – дүниежүзілік өрмек) – Интернеттегі гипермәтіндік ақпарат іздеу жүйесі, оны Wid деп те айта береді. Мәліметтер блоктары (Wid-парақтар) мекемелердің немесе жеке тұлғалардың меншігіндегі WWW-сервер немесе Web-сервер деп аталатын жеке компьютерлерде сақталады. Web-құжаттарға енгізілген гипермәтіндік сілтемелер арқылы тұтынушы адам олардың бірінен біріне ауыса береді.
WWW мәліметтерімен жұмыс істеу үшін ағылшынша browsers («browse» - қарап шығу, шолу), яғни броузер, навигатор, көрсеткі, шолушы деп аталатын программалар қолданылады. Қазіргі кезде Microsoft Internet Explorer, Netscape Navigator тәрізді броузерлер жиі қолданылады.
E-mail. Бұл электрондық поштаның ағылшынша аталуы, ол – желі қызметтерінің ішіндегі электрондық мәлімет алмасудың ең негізгісі. Электрондық пошта көмегімен барлық құрылықтарда тұратын адамдар бір-біріне электрондық хаттар мен файлдар жібере алады.
Usenet жүйесінің бірнеше анықтамалары бар, олар –тармақталған дискуссия клубы, телеконференция, жаңалықтар тобы. Мұның электрондық поштадан айырмашылығы – мәліметті бір адамға ғана емес, бірнеше абоненттер тобына (телеконференциялар) жолдайсыз. Әр түрлі мәселелерді талқылау кезінде конференцияға қатынасушылар тең құқықты болып саналады. Әрбір телеконференция бір тақырыпқа (ғылымда, өнерде, спортта, т.с.с.) арналады және оның өзіндік адресі болады, мұндағы қарастырылатын мәселелер ауқымы әр түрлі бола береді - өте ауқымды тақырыптан (бір сұрақтың барлық жағы) тек бір ғана сұраққа дейін (мысалы, филателия) қамтылады.
ISO (I seek you – мен сені іздеймін) – желі тұтынушыларына нақты уақыт кезіңінде (масштабында) хат-хабарлармен алмасып, бірден чат (сһаt - әңгіме) құрып, файл жіберіп, әңгімелесуге мүмкіндік беретін қызмет түрі.
ЭЛЕКТРОНДЫҚ ПОШТА
Электрондық пошта жұмысы кәдімгі тұрмыстағы поштаға ұқсас болғандықтан, оның жұмыс істеу принциптерін меңгеру тұтынушылар үшін аса көп қиындықтар туғыза қоймайды. Оның негізгі айырмашылығы – физикалық заттар (хат, бандероль, посылкалар) емес, ақпараттық мәліметтер, бейнелер жөнелтіледі.
Электрондық пошта қызметі өзімізге таныс «клиент-сервер» принципі бойынша жұмыс істейді. Хабарламаның ары қарай қозғалу маршруты көптеген факторларға – адресаттың географиялық орнына, байланыс каналдарының дұрыстығына, пошталық серверлерге, олардың жүктемелік дәрежелеріне, т.б. байланысты болады. Егер сіздің қандай да бір хатыңыз адресатқа бірден жеткізіле алмаса, мысалы, оның пошталық жәшігі орналасқан сервер сол мезетте жұмыс істемей тұрса, онда сол хат жөнелтілетін мәліметтердің кезегінде тұратын болады. Әрбір 10-15 минут сайын әрекет қайталанып отырады. Егер бірнеше сағаттан кейін әрекет нәтижесіз болса, сізге хабарламаның көшірмесі жазылған бірінші (алдын ала) ескертпе мәлімет келеді. Бұл ескертпе мәлімет ақпараттық сипатта болады, сізден ешқандай әрекет талап етілмейді. Сіздің хабарламаңызды жөнелту әрекеті бірнеше күнге дейін қайталанады. Егер ол әрекет бұрынғыдай нәтижесіз болса, сізге хабарламаның көшірмесі жазылған екінші (ақырғы) ескертпе мәлімет келеді. Пошталық қызмет кез келген жағдайда сіздің хатыңыз із-түссіз жоғалып кетпейтіндей етіп жасалған.
ИНТЕРНЕТТЕ СҰРАНЫСТАРДЫ ҚАЛЫПТАСТЫРУ.
Ақпараттарды іздеу нәтижесі тұтынушының сұраныс құру сауаттылығына тікелей байланысты болады.
Қарапайым мысал келтірейік. Сіздің компьютер сатып алғыңыз келеді дейік, бірақ кейінгі кезде олардың қандай түрлері шыққанын, сипаттамаларын білмейсіз. Осыған қажетті ақпаратты алу үшін іздеу машинасына сұраныс беріп, Интернет жүйесін пайдалануға болады. Егер іздеу қатарына тек компьютер сөзін енгізсе, онда іздеу нәтижесі 6 миллионнан аса сілтеме береді. Әрине, оның ішінде бізге керектісінің де бары анық, дегенмен сонша көп сілтеменің ішінен оны табу мүмкін емес.
Егер бүгінде компьютерлердің қандай түрлері бар деп жазсақ, онда іздеу сервері сізге екі жүз параққа жуық мәлімет ұсынғанымен, олардың бірде бірі талабыңызға сай келмейді. Басқаша айтқанда, олардың ішінде сіздің сұранысыңыздың ішіндегі жеке сөздерге қатысты сілтемелер жоқтың қасы, мысалы, осы күнде бір фирманың қоймасындағы компьютерлердің саны жөнінде тіпті сізге қатысты емес мағлұматтар кездеседі.
Іздеу серверіне бірден сәтті дұрыс сұраныс беру оңай жұмыс емес. Егер сұраныс өте қысқа, әрі жиі қолданылатын сөздерден құралса, онда өте көп мыңдаған, миллиондаған құжаттар табылуы мүмкін. Керісінше, сіздің сұранысыңыз өте сирек кездесетін сөздерден тұрса немесе өте нақтыланған болса – сұранысыңызға сай келетін ресурстың базада жоқтығы жөнінде хабарлама аласыз.
Түйінді сөздер тізімін үлкейту немесе кішірейту арқылы іздеу аймағын біртіндеп азайту немесе кеңейту, сәтсіз терминдерді алмастыру жақсы нәтижеге қол жеткізуге мүмкіндік береді.
ҚАЛТАҒА САЛЫП ЖҮРЕТІН СКАНЕР
АҚШ пен Канадада “Докьюпен” деп аталатын қаламсап тәріздес кішкентай (205х12,7) монохромдық сканер сатылуға шықты. Оның салмағы 57 грамм. Онымен А4 пішіндегі құжаттарды сканерлеуге болады. Сканердің ақпарат сақтай алатын жадының көлемі 2 МБ. Ол 100 парақтық мәліметті сыйғыза алатын деген сөз.
Сканермен кез-келген адам жұмыс істей алады. Ол үшін парақтың үстіңгі кесіндісіне параллель қойып, төмен қарай жүргізеді. Аппарат оптикалық сенсорлардың 200 dpi-лі (бір дюймдегі нүктелер) құралымен қамтылған. Бір қағаз-ды өңдеуіне 4-8 секунд уақыт шығындалады. Жасалымның ақпаратты сыйдыру мүмкіндігінің төмендігіне және жұмыс істеу жылдамдығының баяулығына қарамастан, ол өзіндік дербес ток көзінен жұмыс істей алады, сканердің қолданылу аясын кеңейтеді. Ондай аспапты, мысалы, кітапхананың оқу залында, университет аудиториясында, тіпті көшеде де пайдалануға болады.
Ақпаратты көшіріп алу үшін Windows 98 және одан да жоғары қуатты жүйеге ие компьютер керек.
КОМПЬЮТЕР ТҰРҒАНДА ҚҰРЫЛЫСШЫ ҚАЖЕТСІЗ
Жапонияның “Пента Оушен” фирмасы 1995 жылдан құрылыс ісін толық автоматтандыру жүйесін жасауға күш салып келеді.
Қазіргі кезде бұл жүйе Сингапурда қырық қабатты аспанмен тілдескен зәулім үйді салуда сынақтан өтуде.
Ғимараттың барлық элементтері, әрқайсысы технологиялық процестерге ыңғайлап жасалынған жапсырмалармен немесе тетікті қай жерге және қалай орналастыру керектігі жөнінде ақпараты бар микросұлбамен қамтылған. Әрбір зат құрылыс алаңының нақты белгіленген жерінде жатады. Орталықтандырылған компьютер желісінің бұйрығымен көтергіш крандар керек тетікті тауып алып, қажет жеріне жеткізеді. Компьютерлендірілген құрылыс жүйесінің тағы бір айтарлық кереметі – ол құрылыс элементтерінің орналасуын миллиметрлік дәлдікке дейін қамтамасыз ете алады. Тек қатты жел кезінде ғана крандарға краншылардың көтерілуіне тура келеді.
Қалған уақыттың барлығында да құрылыс алаңындағы тәртіпті жалғыз адам қадағалап тұрады.
Құрылыс жабық шатырдың астында жүргізіледі. Өйткені телекамералар, белгі бергіштер және басқа да технологиялық электрондық қондырғылар жаңбыр мен күн сәулесінен қорғауды қажет етеді. Жұмыстар біткен соң жамылғы шатыр, көтергіш крандар, басқа да қондырғылар жиналып алынады.
КОМПЬЮТЕРЛЕР ҚАЗАҚША СӨЙЛЕЙТІН БОЛАДЫ.
Өткен сенбіде елордамыздағы «Риксос» Президенттік қонақ үй кешенінде «Бимаш» компаниясының «Сөз-ана» және «Қазақ тілін компьютерлік ойындар арқылы үйрену», сондай-ақ, «SANASOFT» компаниясының «Қазақ тілін дербес компьютерлерде кешенді қолдану» атты бағдарламаларының тұсаукесер рәсімі өтті. Бұл компаниялар аталмыш бағдарламаларды 2006 жылы Мәдениет және ақпарат министрлігі Тіл комитетінің тапсырмасы бойынша әзірлеген.
«Бимаш» компаниясының «Сөз-ана» жүйесі қазақ тілін бастапқы деңгейде үйренушілерге, өз білімін жетілдіргісі және сөздік қорын толықтырғысы келетіндерге, түпнұсқадан әдеби және өзге де қазақша мәтіндерді оқуға арналған болса, «SANASOFT» компаниясының бағдарламасы мынадай ерекшеліктерге ие:
а) қосымша интерфейстреді қазақ тіліне оқшаулау жөніндегі бағдарлама;
ә) қазақ тілінің драйвері; б) қазақша мәтіндерді конвертациялау; в) қаріптерді теру; г) электронды сөздік; ғ) қазақ сөздерін тасымалдап орналастыру бағдарламасы.
Тұсаукесер рәсіміне Парламент депутаттары, жоғары оқу орындарының, сондай-ақ БАҚ өкілдері шақырылды. Жиынды Тіл комитетінің төрағасы, филология ғылымдарының докторы Ерден Қажыбек жүргізді.
(Егемен Қазақстан, 14 ақпан 2007 жыл).
ДЕРБЕС КОМПЬЮТЕРЛЕР
Есептеу машиналары үлкен ЭЕМ-дарға, мини ЭЕМ-дарға, микро ЭЕМ-дарға және дербес компьютерлерге (ДК) бөлінеді.
Үлкен ЭЕМ-дар – бұл өте қуатты компьютерлер, олар ірі мекемелерге, кәсіпорындарға немесе халық шаруашылығының тұтастай салаларында жұмыс істеу үшін қолданылады. Үлкен ЭЕМ-дарды пайдалану үшін көптеген қызметкерлері бар есептеу орталықтары құрылады. Олар бірнеше міндеттерді қатар шешіп, бірнеше пайдаланушымен қатар жұмыс істей алады.
Мини ЭЕМ-дардың үлкен ЭЕМ-дарға қарағанда, өлшемдері шағын және өнімділігі мен құны да төмен. Мини ЭЕМ-дар өндірістік процесстерді басқаруда, ғылыми мекемелерде, ғылыми жұмыстарды оқу ісімен үйлестіретін жоғары оқу орындарында қолданылады.
Микро ЭЕМ-дардың тиімділігі үлкен ЭЕМ-дарға қарағанда төмен және олар негізінде деректер дайындау, программалық қамтамасыз етуін жетілдіру бойынша көмекші операцияларды орындайды.
Дербес компьютерлер бүгінгі күні көпшілік арасында кең тарады. Дербес компьютерлердің осылай аталу себебі – ол бір-ақ адам жұмыс істеуге арналған. Қазіргі ДК көлемі шағын, өнімділіктері жоғары. Дербес компьютерлер адам әрекетінің барлық салаларында қолданылады. Дербес компьютерде жұмыс істеу дегеніміз, оның операциялық жүйесімен жұмыс істеу. Операциялық жүйе - бұл компьютерді іске қосқан кезде жүктелетін және оның барлық құрылғыларының жұмысын басқаратын арнайы программа.
ДЕРБЕС КОМПЬЮТЕРДІҢ ҚҰРЫЛЫСЫ
Кез-келген дербес компьютер бірнеше құрылғылардан тұрады. Бұл құрылғылардың кейбірі өте маңызды – бұлар монитор, жүйелік блок пен пернетақта, өйткені компьютер оларсыз жұмыс істемейді. Басқа құрылғылар да пайдалы міндеттер атқарады, бірақ компьютер оларсыз да жұмыс істей алады. Дербес компьютердің процессоры мен жедел жадынан басқалары оның сыртқы құрылғылары болып табылады. Олар: монитор, пернетақта, принтер, маус, модем, т.б.
Әрбір сыртқы құрылғы компьютердің процессорымен арнайы блоктар – адаптер немесе контроллер арқылы жалғасады. Жүйелік блоктың алдыңғы тақтасында: компьютерді қосу/өшіру батырмасы, дискжетек, компакт-дискіден оқитын CD-ROM орналастырылған.
Жүйелік блоктың ішінде аналық (жүйелік) плата (тақша), процессор, қоректендіру блогы, жедел жад, қатқыл диск, дискжетек, CD-ROM, бейнетақша, дыбыс тақшасы мен көптеген басқа құрылғылар бар.
Процессор – компьютердің ең басты бөлігі. Ол – компьютердің “миы”. Ол бүкіл компьютердің жұмысын атқарады және бағдарламалардағы барлық командаларды орындайды.
Дисплей – компьютердің экранына ақпаратты шығаратын құрылғы. Дисплей – компьютердің “тілі”, ол оның көмегімен өзінің жұмысы туралы барлық қажет ақпаратты беріп отырады. Дисплей электронды-сәулелік түтікшеден, қоректендіру блогынан және сәулені басқарушы электрондық блоктан тұрады.
Пернетақта – компьютерге ақпарат енгізуге арналған құрылғы. Ол әріптің және цифр пернелерінің көмегімен компьютерге кез-келген ақпаратты беруге мүмкіндік жасайды. Қазіргі компьютердің пернетақтасында 101 немесе 102 перне болады.
КОМПЬЮТЕРДІҢ ЗИЯНЫ ҚАНШАЛЫҚТЫ?
Компьютер арқылы көптеген мәселелеріміз шешіліп, біраз мүмкіндіктерге ие болдық десек те, оның адам денсаулығына қаншалықты қауіп төндіретінінен көпшілігіміз хабарсызбыз.
Бұл қауіпті «ғасыр ойыншығы» тұрмыста көп қолданылады. Енді зияны жөнінде.
Компьютерден шығатын электромагниттік сәуле адам азғасына зиян. Бірақ барлық компьютерлер бірдей деуге болмайды. Соңғы кездегі компьютерлерге қарағанда ерте кезде шыққандары қауіптірек. Екеуінің арасында айырмашылықтар бар. Ал, соңғы маркідегі компьютерлердің өзі құрылысына қарай үш түрге бөлінеді: «ақ», «сары» және «қызыл». «Ақ» құрылысты компьютерлер АҚШ-та, Жапонияда және Батыс Еуропа елдерінде шығарылады. Олар өте сапалы және қауіпсіз. «Сары» құрылысты компьютерлер Гонконг, Тайвань сияқты Азия елдерінде жасалынады. Бұлардың сапасы соншалықты жоғары болмайды. Ал «қызыл» құрылысты компьютерлерді өзіміздің шеберлер құрастырады. Олар зиянды сәулені көбірек бөледі.
Біз әдетте, мониторды зиянды деп ойлаймыз. Ал пернетақта одан да қауіптірек көрінеді. Одан тараған электромагниттік сәулелер саусақ арқылы организмге әсер етеді. Нәтижесінде жүйке ауруы пайда болады. Компьютер алдында көп отырғандардың қол, саусақ ауруларына ұшырайтындары да көп көрінеді.
Компьютердің зиянын барынша азайту үшін мына қеңестерге құлақ түргеніңіз жөн.
Монитор экраны көзден 50, тіпті 70 см қашықтықта тұрғаны дұрыс.
Сіз жұмыс жасайтын жерде бір емес, бірнеше компьютер тұрса, бір-бірінен ара қашықтығы 1 м болуы тиіс.
Компьютердің арты мүмкіндігінше қабырғаға қарап тұрғаны жөн.
Компьютер тұрған бөлме шаң болмауы қажет.
Ауаны тазалап тұрыңыз. Мүмкін болса, компьютердің жанына су құйылған ыдыс қойып қою керек.
Жас балалар компьютер алдында тапжылмай отыра бермей, әр 20 минут сайын 15 минут демалуы тиіс. Ал ересек адамдар 2 сағатта бір 10-15 минутқа тынығуы қажет. Компьютермен жұмыс жасап болғаннан кейін міндетті түрде салқын сумен жуыну қажет.
АҚПАРАТ, АДАМ, КОМПЬЮТЕР
Бізді қоршаған әлемнің ең маңызды мәні зат, энергия мен ақпарат болып табылады. Зат пен энергия сияқты ақпараттың да мәні өте зор. Оның өсімдіктердің, жануарлардың, адам мен жалпы адамзат қоғамының өміріндегі мәні олардан кем емес. Ақпарат бұл тек кітаптардан, газет мақалаларынан немесе берілген жаңалықтардан алынған мәліметтер ғана емес, күрделі биологиялық молекулалардың құрылымында, радиосигналдар мен кілт рельефінде сақталатын мәліметтер болып табылады.
Дегенмен, ақпарат ұғымы ғылымдар шегінде анықталмайтын ұғым болып табылады. Бұл ұғым тек материалдық ақпарат тасуыш, ақпарат көзі, ақпарат жеткізуші, оны қабылдаушы, көзі мен қабылдаушы арасындағы байланыс арнасы барын ұйғарады деп пайымдауға болады.
Бұл ұғым бірі қалмастан, барлық салаларда: философияда, жаратылыстану мен гуманитарлық ғылымдарда, биологияда, медицина мен физиологияда, адам мен жануарлар психологиясында, социологияда, өнерде, техникада, экономикада және күнделікті өмірде пайдаланылады.
Ақпарат туралы былай айтуға болады: ақпарат – бұл бізді қоршаған әлемді таңбалар мен сигналдардың көмегімен бейнелеу деп пайымдауға болады.
АҚПАРАТТЫ КОДТАУ
Әр түрлі ақпарат тасуыштарда әр түрлі ұсыну (көрсету) тәсілдері қолданылады.
Ақпараттарды келесі түрде сақтауға болады:
1. Қағазда, таңбалар түрінде, перфокартада, перфолентада, таста, ағашта, матада, кілт бедерінде т.б.
2. Электромагниттік сигналдар түрінде: дискіде, дискетте, кассетада, кинопленкада т.б.
3. Құрылымдық комбинациялар түрінде: биологиялық объектілердің клеткалары мен гендерінде.
Ақпарат беру мына түрлерде жүргізіледі:
1. Сигналдар түрінде. Техникалық құрылымдарда да, адамдар қарым – қатынасында да, телекоммуникацияларда, қоғам өмірінде, тірі жәндіктерде.
2. Адамдар қарым – қатынасында, техникалық құрылғыларда.
Механикалық жолмен.
Ақпаратты сақтау, беру және өңдеу техникалық құрылғыларына мыналар жатады: түрлі дискілер, дискеттер, аудио және бейне кассеталар, перфокарталар, перфоленталар, кинопленкалар, телекоммуникация объектілері (радио, теледидар, телефон, телеграф, ДК мен компьютерлік желілер т.б)
ЭЕМ көптеген техникалық құралдарының
арасында ақпарат сақтау, беру және өңдеу елеулі орын алады.
ЭЕМ - бұл ақ электр сигналдарын қолданып, ақпаратты өңдейтін әмбебап есептеуіш машина.
Компьютерлер шықпай тұрып та ақпаратты беретін, өңдейтін және сақтайтын аспаптар болған. Мұндай аспаптарды қолдану үшін ақпарат кодталған түрде болуы керек. Бұған ақпаратты Морзе әліппесінің көмегімен кодтау мысал бола алады.
АҚПАРАТ ТҮРЛЕРІ
Адамның барлық іс-әрекеті кез келген уақытта ақпарат алумен байланысты: көріп – ақпарат аламыз, естіп, зат ұстап, ас ішіп, иіскеп те ақпарат аламыз. Ақпаратты бізді қоршаған заттар мен құралдар береді: кітаптар, журналдар, газеттер, теледидар, радио т.б. Адамдардың үйдегі, мектептегі, жұмыстағы және көшедегі бір-бірімен қарым - қатынасы – бұл ақпарат беруі.
Барлық ақпараттарды төмендегідей бөлуге болады: қоғамдық – саясаттық, әлеуметтік – экономикалық, ғылыми – техникалық, химия – биологиялық, физиологиялық т.б.
Тірі табиғатта ақпарат беру мен өңдеу мысалдары:
Жануарлар өздерінің жерлерін қорғап, иісті белгілер қалдырып кетеді. Басқа жануарлар иіс сезу мүшесі арқылы бөгде иісті сезіп бөтен жерден кетеді.
Жарғанат қараңғыда ұшқанда ультрадыбысты толқынды жібереді, олар әр түрлі заттардан шағылып оралып қабылданады, оған қайта кеңістікке бағытталуға мүмкіндік береді.
Кейбір ағаштар бір – біріне құрттар шабуыл жасағаны туралы мәлімет бере алады. Мұндай хабардан кейін олар қорғану үшін, жапырақтарына улы заттар шығарады.
Ақпарат беру мен өңдеу ұрпақтан ұрпаққа генетикада жануарлар мен өсімдіктердің қажетті қасиеттері бекіту мен селекция сұрыптау үшін қолданылып келеді.
Ақпаратты өңдеу мен берудің көптеген тәсілдері бар.
Адам сол немесе басқа тілді ишарат, ым мен дыбысты қолдана отырып, ақпарат беріп, оны кез келген сезім мүшесі арқылы қабылдай алады.Басқа сөзбен айтқанда адам ақпаратты сигнал немесе таңба түрінде, береді, өңдейді және қабылдайды.Сигнал жарық, дыбысты (радиотолқындар), электромагниттік, биохимиялық т.б. бола алады.
Ақпаратты тасушы оны сақтайды, оған бұл ақпаратқа сәйкес таңбаны немесе сигналды жазуға болады. Ақпаратты беру құралы – бұл адам, тілдері, телекоммуникация құралдары, тірі табиғаттағы биохимиялық процестер т.б.
Адам ақпаратты кем дегенде үш деңгейде өңдей алады, атап айтқанда : физиологиялық деңгейде (сезім мүшелері), ақылмен ойлау деңгейде, аңдаусыздық деңгейде . Бұдан басқа адам өз ұрпақтарына гендер арқылы тұқым қуалау ақпараттарын береді.
ТЫШҚАНДЫ ОЙЛАП ТАПҚАН КІМ?
Компьютердің тышқанын жасаған Дуглас Энгелбарт деген кісі. Ол американдық Ксерокс компаниясының қызметкері. Алғашқы кезде компьютерлік тышқан “дисплейі жүйелерге арналған X-Y тұғырлы индикатор” деп аталған. Бұл 1968 жыл болатын. Ал “компьютерлік тышқан” деген атау 1980 жылы айналымға енді. 1984 жылы Эйпл Макинтош компаниясы американдық рынокқа өзінің компьютерін шығарды. Компьютердің құрамында пернетақтамен қоса бір түймелі манипулятор да болды. Оның сырт көрінісі тышқанға ұқсас еді. Сондықтан жұрт оны “тышқан деп атап кетті. Айтылым әлі күнге дейін сақталып келеді.
мюнхенское соглашение
21.Мюнхенское соглашение 1938,
соглашение о расчленении Чехословакии, подписанное 29 сентября в Мюнхене главами правительств Великобритании (Н. Чемберлен), Франции (Э. Даладье), фашистской Германии (А. Гитлер) и фашистской Италии (Б. Муссолини). Было заключено в обстановке неприкрытого военного и политического давления на Чехословакию со стороны фашистской Германии, усилившегося после захвата Германией Австрии в марте 1938 и сопровождавшегося активизацией гитлеровской агентуры в Чехословакии.
Важнейшие звенья непосредственной подготовки Мюнхенское соглашение 1938: выдвижение фашистской судето-немецкой партией Генлейна по указанию Гитлера требований, по существу предполагавших отказ Чехословакии от суверенитета над Судетской областью (24 апреля); манёвры англо-французской дипломатии, имевшие целью оправдать перед общественным мнением подготавливаемую сделку с агрессором и склонить Чехословакию к капитуляции (см. Ренсимена миссия 1938); мятеж судетских фашистов 13 сентября, подавленный вооружёнными силами Чехословакии; Берхтесгаденское свидание 1938, в ходе которого Чемберлен в принципе согласился с требованием Гитлера о передаче Германии пограничных чехословацких территорий (15 сентября); англо-французский ультиматум о передаче Германии части чехословацкой территории (18 сентября), принятый 21 сентября президентом Чехословакии Э. Бенешем; встреча Чемберлена с Гитлером в Бад-Годесберге для обсуждения новых, ещё более тяжёлых для Чехословакии требований германского правительства (22 сентября).
В условиях нараставшей угрозы фашистской агрессии правительство СССР решительно выступило в поддержку Чехословакии и провело военные мероприятия крупного масштаба, направленные на оказание, в случае необходимости, немедленной и эффективной помощи жертве агрессии. Призывая западные державы вступить на путь предотвращения агрессии коллективными средствами, правительство СССР неоднократно заявляло о готовности выполнить свои обязательства по советско-чехословацкому пакту 1935, предусматривавшему оказание Советским Союзом помощи Чехословакии в случае агрессии против неё при условии оказания такой помощи Францией. Более того, СССР был готов поддержать Чехословакию даже при отсутствии такой поддержки со стороны Франции, если бы Чехословакия сама оказала сопротивление агрессии и обратилась за помощью. Однако чехословацкое буржуазное правительство, которому позиция Советского Союза была известна, воздержалось, исходя из своих узкоклассовых интересов, от принятия помощи страны победившего социализма, вопреки требованиям демократических сил.
В такой обстановке Гитлер, поощряемый уступчивостью западных держав, в ультимативной форме потребовал от Чехословакии принятия его новых предложений, которые были подтверждены всеми участниками Мюнхенское соглашение 1938 (их конференция проходила 29—30 сентября) при закулисной поддержке США.
Мюнхенское соглашение 1938 предусматривало передачу Германии в срок с 1 по 10 октября 1938 Судетской области Чехословакии (со всеми сооружениями и укреплениями, фабриками, заводами, запасами сырья, путями сообщения и др.), удовлетворение за счёт Чехословакии в течение 3 месяцев территориальных притязании Венгрии и Польши, «гарантию» участниками соглашения новых границ Чехословакии против неспровоцированной агрессии (вторжение в Чехословакию германских войск в марте 1939 выявило фальшивый характер этих «гарантий»). 30 сентября чехословацкое правительство приняло без согласия Национального собрания мюнхенский диктат.
Соглашение, подписанное в Мюнхене, было одним из наиболее ярких проявлений политики «умиротворения», проводившейся на кануне 2-й мировой войны 1939—45 правительствами Великобритании и Франции с целью добиться сговора с агрессивными государствами (в первую очередь — с фашистской Германией) за счет стран Центральной и Юго-Восточной Европы отвратить фашистскую агрессию от Великобритании и Франции и направить ее на Восток, против Советского Союза; проводники этой политики стремились сокрушить или подорвать могущество СССР силами государств фашистского блока, которые они, в свою очередь, рассчитывали ослабить, используя военную мощь СССР. Эта политика получала постоянную поддержку со стороны США.
Навязанное Чехословакии силой, в нарушение норм международного права и законов Чехословакии, Мюнхенское соглашение 1938 стало важной вехой в подготовке 2-й мировой воины. После 2-й мировой войны Чехословакия, поддержанная Советским Союзом и др. социалистическими странами, поставила вопрос о признании противоправного Мюнхенское соглашение 1938 недействительным с самого начала. Согласно договору между ЧССР и ФРГ (декабрь 1973), его участники считают Мюнхенское соглашение 1938, «... имея в виду свои взаимные отношения в соответствии с настоящим договором, ничтожным».
рус-яп война 1905
Ру́сско-япо́нская война́— война между Россией и Японией за контроль над Маньчжурией и Кореей.
В 1903 году спор из-за русских лесных концессий в Корее и продолжающейся русской оккупации Маньчжурии привёл к резкому обострению русско-японских отношений. Япония стремилась к полному своему господству в Корее и требовала, чтобы Россия очистила Маньчжурию, на что Россия пойти не могла ни по каким соображениям[1].
без официального объявления войны, нападение японского флота на русскую эскадру на внешнем рейде Порт-Артура в ночь на 27 января (9 февраля) 1904 привело к выводу из строя нескольких сильнейших кораблей русской эскадры и обеспечило беспрепятственную высадку японских войск в Корее в феврале 1904 года.
Война завершилась Портсмутским миром, подписанным 23 августа (5 сентября) 1905 года и зафиксировавшим уступку Россией Японии южной части Сахалина и своих арендных прав на Ляодунский полуостров и Южно-Маньчжурскую железную дорогу.
23 апреля 1895 года Россия, Франция и Германия, обеспокоенные усилением Японии, предприняли Тройственную интервенцию — в ультимативной форме потребовали отказа Японии от аннексии Ляодунского полуострова. Япония, не имея возможности противостоять объединённому давлению трёх европейских держав, уступила.
В октябре 1900 года русские войска, в рамках подавления восстания ихэтуаней в Китае войсками Коалиции восьми стран (англ.), оккупировали Маньчжурию.
17 (30 января) 1902 года был подписан англо-японский договор, в случае войны одного из союзников с двумя и более державами обязывала другую сторону оказать военную помощь. Договор давал Японии возможность начать борьбу с Россией, обладая уверенностью, что ни одна держава не окажет России вооружённой поддержки из опасения войны уже не с одной Японией, но и с Англией.
Отношение ведущих мировых держав к началу войны между Россией и Японией раскололо их на два лагеря. Англия и США сразу и определённо заняли сторону Японии:
Франция была недовольна действиями Японии, начавшей войну, ибо была заинтересована в России как в своей союзнице против Германии.
Германия накануне событий заверяла обе стороны в дружественном нейтралитете.
9 августа 1905 года в Портсмуте (США) при посредничестве Теодора Рузвельта начались мирные переговоры. Мирный договор был подписан 23 августа (5 сентября) 1905 года. Россия уступила Японии южную часть Сахалина (уже оккупированную на тот момент японскими войсками), свои арендные права на Ляодунский полуостров и Южно-Маньчжурскую железную дорогу, соединявшую Порт-Артур с Китайско-Восточной железной дорогой. Россия также признала Корею японской зоной влияния. В 1910 году, несмотря на протесты других стран, Япония формально аннексировала Корею.
мир с союз ГЕРМ (2МВ)
В процессі роботи на Потсдамській конференції було Рада міністрів закордонних справ. Перша сесія РМЗС проходила в Лондоні в вересні 1945 року. В ній приймали участь МЗС СРСР Молотов, Держсекретар США Бернс, МЗС Великобританії Бевін, Міністр закордонних справ Франії Бідо, і МЗС Китаю Ван Ши Дзе. Основним питанням цієї сесії було питання про підготовку мирних договорів з колишніми союзниками Німеччини (Італія, Угорщина, Румунію, Болгарію і Фінляндію).
Перша проблема, яка виникла на конференції, було те, хто і з ким буде підписувати договори. Справа в тому, що не всі країни антигітлерівської коаліції були у стані війни. Так, наприклад, США не оголошували війни Фінляндії.
Лондонська сесія фактично завершилась безрезультатно.
Бірнс запропонував нараду міністрів закордонних справ в Москві, щоб у більш неформальній обстановці вирішити всі питання.
Навесні 1946 року проходить друга сесія РМЗС в Парижі. В ній вже не приймав участь Китай. В центрі уваги були економічні питання. СРСР погодився частково компенсувати власність Західних країн у колишніх союзниках Німеччини. СРСР погодився на введення в цих країнах режиму найбільшого сприяння на 1,5 роки.
Кордон між Італією і Югославією (Проблема Юлійської крайни чи Трієсту). рішення: Юлійська країна була поділена між Югославією та Італією. Особливий статус отримало місто-порт Трієст, його кінцевий статус, повинна була вирішити ООН. Не було вирішене питання про колишні італійські колонії.
В липні-жовтні 1946 року проходить конференція в Парижі. 21 держави. Робота конференції неефективною. у представників невеликих держав виникли дуже серйозні територіальні зазіхання.
Іншою проблемою стало судоплавство по Дунаю. пізніше буде скликано спеціальну конференцію по Дунаю.
Не була вирішена і проблема репарацій. Західні країни запропонували брати в доларах чи фунтах. Але СРСР наполягав на товарних поставках. Проблема залишалась невирішеною. Врешті решт вирішили знову скликати РМЗС у Нью-Йорку (листопад-грудень 1946 року)
10 лютого 1947 року було підписано мирні договори з колишніми союзниками Німеччини. Вони складали з т.зв. блоків:
1) Територіальні постанови.
Італія передавала Франції невеликі території. Югославії Італія передавала півострів Істрія, півострів Пелла-Гоза, східну частину Юлійської крайни. Греції Італія віддавала Додеканезські острови. Італія втрачала всі свої права на колишні колонії.
Угорщина передавала СРСР Закарпатську Україну, передавала Румунії Північну Трансільванію, невеликі території на користь Чехословаччини.
Румунія на передачу СРСР Північної Буковини і Бессарабії.
З Фінляндією СРСР анексував область Петсамо, тим самим Фінляндія втрачала вихід до Північного Льодовитого океану, а СРСР отримував кордон з Норвегією.
Кордони Болгарії залишались незмінними.
2) Політичний блок.
підготовка країн до демократичних перетворень і заборона нацистських організацій в цих країнах.
3) Військовий блок.
Було вирішено, що протягом 3 місяців, війська, що окупували ці країни, мали бути виведені. Для кожної країни окремо визначалися кількість і якісний склад збройних сил.
4) Економічний блок.
Італія мала виплатити СРСР товарами 10 млн. доларів, Албанії 5 млн. доларів, Ефіопії 25 млн. доларів, Греції 105 млн. доларів, Югославії 125 млн. доларів.
Фінляндія повинна була виплатити СРСР товарами 300 млн. доларів.
Греція, після невдачі спроби отримати територію Болгарії, 985 млн. доларів у Болгарії. Але дали лише 45 млн. доларів.
Болгарія виплачувала Югославії 25 млн. доларів.
конст про ЗП
Стаття 18. Зовнішньополітична діяльність України спрямована
на забезпечення її національних інтересів і безпеки шляхом
підтримання мирного і взаємовигідного співробітництва з членами
міжнародного співтовариства за загальновизнаними принципами і
нормами міжнародного права.
Кабінет Міністрів України:
1) забезпечує державний суверенітет і економічну
самостійність України, здійснення внутрішньої і зовнішньої
політики держави, виконання Конституції і законів України, актів
Президента України;
Стаття 85. До повноважень Верховної Ради України належить:
5) визначення засад внутрішньої і зовнішньої політики;
8) заслуховування щорічних та позачергових послань Президента
України про внутрішнє і зовнішнє становище України;
Стаття 106. Президент України:
1) забезпечує державну незалежність, національну безпеку і
правонаступництво держави;
2) звертається з посланнями до народу та із щорічними і
позачерговими посланнями до Верховної Ради України про внутрішнє і
зовнішнє становище України;
3) представляє державу в міжнародних відносинах, здійснює
керівництво зовнішньополітичною діяльністю держави, веде
переговори та укладає міжнародні договори України;
4) приймає рішення про визнання іноземних держав;
Стаття 17. Захист суверенітету і територіальної цілісності
України, забезпечення її економічної та інформаційної безпеки є
найважливішими функціями держави, справою всього Українського
народу.
Информационные системы. Структура и классификация.
В широком смысле информационная система есть совокупность технического,
программного и организационного обеспечения, а также персонала, предназначенная
для того, чтобы своевременно обеспечивать надлежащих людей надлежащей
информацией. В узком смысле информационной системой называют только подмножество
компонентов ИС в широком смысле, включающее базы данных, СУБД и
специализированные прикладные программы. В любом случае основной задачей ИС
является удовлетворение конкретных информационных потребностей в рамках
конкретной предметной области. Необходимо понимать разницу между компьютерами и
информационными системами. Компьютеры, оснащенные специализированными
программными средствами, являются технической базой и инструментом для
информационных систем. Информационная система немыслима без персонала,
взаимодействующего с компьютерами и телекоммуникациями.
Структуру информационных систем составляет совокупность отдельных ее частей,
называемых подсистемами.
Функциональные подсистемы реализуют и поддерживают модели, методы и алгоритмы
получения управляющей информации. Состав функциональных подсистем весьма
разнообразен и зависит от предметной области использования информационной
системы, специфики хозяйственной деятельности объекта, управления.
В состав обеспечивающих подсистем обычно входят:
1. информационное обеспечение
2. техническое обеспечение
3. программное обеспечение
4. математическое обеспечение
5. лингвистическое обеспечение
Организационные подсистемы по существу относятся также к обеспечивающим
подсистемам, но направлены в первую очередь на обеспечение эффективной работы
персонала, и поэтому они могут быть выделены отдельно. К ним относятся:
1. кадровое обеспечение
2. эргономическое обеспечение
3. правовое обеспечение
4. организационное обеспечение
Классификация информационных систем по степени автоматизации
По степени автоматизации ИС делятся на:
автоматизированные ИС, в которых автоматизация является частичной, то
есть требуется постоянное вмешательство персонала;
автоматические ИС, в которых автоматизация является полной, то есть
вмешательство персонала не требуется или требуется только эпизодически.
Классификация информационных систем по характеру обработки данных
По характеру обработки данных ИС делятся на:
информационно-справочные, или информационно-поисковые ИС, в которых нет
сложных алгоритмов обработки данных, а целью системы является поиск и выдача
информации в удобном виде;
ИС обработки данных, или решающие ИС, в которых данные подвергаются
обработке по сложным алгоритмам. К таким системам в первую очередь относят
автоматизированные системы управления и системы поддержки принятия решений.
Классификация информационных систем по сфере применения
Поскольку ИС создаются для удовлетворения информационных потребностей в рамках
конкретной предметной области, то каждой предметной области (сфере применения)
соответствует свой тип ИС. Перечислять все эти типы не имеет смысла, так как
количество предметных областей велико, но можно указать в качестве примера
следующие типы ИС:
Экономическая информационная система — информационная система,
предназначенная для выполнения функций управления на предприятии.
Медицинская информационная система — информационная система,
предназначенная для использования в лечебном или лечебно-профилактическом
учреждении.
Географическая информационная система — информационная система,
обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение
пространственно-координированных данных (пространственных данных).
Классификация информационных систем по охвату задач (масштабности)
Персональная информационная система предназначена для решения некоторого
круга задач одного человека.
Групповая информационная система ориентирована на коллективное
использование информации членами рабочей группы или подразделения.
Корпоративная информационная система в идеале охватывает все
информационные процессы целого предприятия, достигая их полной согласованности,
безызбыточности и прозрачности. Такие системы иногда называют системами
комплексной автоматизации предприятия.
4. Системы счисления. Правила перевода из одной позиционной с.с. в другую.
КОДИРОВАНИЕ информации - представление информации в той или иной стандартной
форме.
СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ - способы кодирования числовой информации,т.е. способ записи
чисел с помощью некоторого алфавита, символы которого называют цифрами.
В позиционных системах счисления один и тот же числовой знак (цифра) в записи
числа имеет различные значения в зависимости от того места (разряда), где он
расположен. К числу таких систем относится современная десятичная система
счисления, возникновение которой связано со счётом на пальцах.
где l – количество разрядов числа, уменьшенное на 1,
i – порядок разряда,
m – основание системы счисления,
ai – множитель, принимающий любые целочисленные значения от 0 до m-1, и
соответствующий цифреi-го порядка числа.
Например, для десятичного (m = 10) числа 345 его полное значение рассчитывается
по формуле:
3*102 + 4*101 + 5*100 = 345.
Непозиционные системы счисления
В непозиционных системах счисления величина, которую обозначает цифра, не
зависит от положения в числе. При этом система может накладывать ограничения на
положение цифр, например, чтобы они были расположены в порядке убывания.
В современной информатике используются в основном три системы счисления (все –
позиционные): двоичная, шестнадцатеричная и десятичная.
Двоичная система счисления используется для кодирования дискретного сигнала,
потребителем которого является вычислительная техника. Такое положение дел
сложилось исторически, поскольку двоичный сигнал проще представлять на
аппаратном уровне. В этой системе счисления для представления числа применяются
два знака – 0 и 1.
Шестнадцатеричная система счисления используется для кодирования дискретного
сигнала, потребителем которого является хорошо подготовленный пользователь –
специалист в области информатики. В такой форме представляется содержимое любого
файла, затребованное через интегрированные оболочки операционной системы,
например, средствами Norton Commander в случае MS DOS. Используемые знаки для
представления числа – десятичные цифры от 0 до 9 и буквы латинского алфавита –
A, B, C, D, E, F.
Десятичная система счисления используется для кодирования дискретного сигнала,
потребителем которого является так называемый конечный пользователь –
неспециалист в области информатики (очевидно, что и любой человек может
выступать в роли такого потребителя). Используемые знаки для представления числа
– цифры от 0 до 9.
Соответствие между первыми несколькими натуральными числами всех трех систем
счисления представлено в таблице перевода:
Десятичная
система Двоичная система Шестнадцатеричная система
0 0 0
1 1 1
2 10 2
3 11 3
4 100 4
5 101 5
6 110 6
7 111 7
8 1000 8
9 1001 9
10 1010 A
11 1011 B
12 1100 C
13 1101 D
14 1110 E
15 1111 F
16 10000 10
Правила перевода целых чисел
Результатом перевода целого числа всегда является целое число.
Перевод из десятичной системы счисления в двоичную и шестнадцатеричную:
а) исходное целое число делится на основание системы счисления, в которую
переводится (на 2 - при переводе в двоичную систему счисления или на 16 - при
переводе в шестнадцатеричную); получается частное и остаток;
б) если полученное частное меньше основания системы счисления, в которую
выполняется перевод, процесс деления прекращается, переходят к шагу в). Иначе
над частным выполняют действия, описанные в шаге а);
в) все полученные остатки и последнее частное преобразуются в соответствии с
таблицей перевода в цифры той системы счисления, в которую выполняется перевод;
г) формируется результирующее число: его старший разряд – полученное последнее
частное, каждый последующий младший разряд образуется из полученных остатков от
деления, начиная с последнего и кончая первым. Таким образом, младший разряд
полученного числа – первый остаток от деления, а старший – последнее частное.
7. Ферромагнитные жидкости
Рис. 1.20. Зависимость удельного сопро¬тивления образцов La-Ca-Mn-О от
прило¬женного магнитного поля в районе точки Кюри (250 К).
Ферромагнитные жидкости — это коллоиды, обычно состоящие из 10-нанометровых
магнитных частиц, покрытых поверхностно-активным веществом для предотвращения их
агрегации и взвешенных в керосине или трансформаторном масле. Наночастицы
представляют собой однодоменные магниты, ориентация магнитных моментов которых в
отсутствии магнитного поля случайна в каждый момент времени, так что полная
намагниченность жидкости равна нулю. При наложении магнитного поля моменты
отдельных частиц выстраиваются по направлению поля, и жидкость намагничивается.
Обычно в таких жидкостях используются частицы магнетита Fe3O4. На рис. 1.22
показана кривая намагничивания феррожидкости с 6-нанометровыми частицами
магнетита, гистерезис которой практически отсутствует. Таким образом,
ферромагнитные жидкости — суперпарамагнитные магнитомягкие материалы. Интересно,
что суспензии магнитных частиц в жидкостях использовались в магнитных вакуумных
затворах начиная с 1940-х годов, но брались частицы больших, микронных,
размеров. Помещение такой суспензии в постоянное магнитное поле приводит к ее
загущению до твердого состояния, так что в намагниченном состоянии этот материал
жидкостью не является. Нанометровый масштаб размеров частиц является необходимым
условием для существования ферромагнитной жидкости. Эти жидкости обладают массой
интересных свойств, таких как зависимость от магнитного поля анизотропии
оптических свойств.
Рис. 1.22. Кривая намагничивания ферромагнитной жидкости на основе наночастиц
магнетита, Fe304, демонстрирует магнигомягкое поведение (отсутствие
гистерезиса). 1 Эрстед = 10-4 Тесла.
Рис. 1.23. Фотография цепочек магнитных наночастиц в пленке ферромагнитной
жидкости при наложении параллельного пленке магнитного поля, полученная через
оптический микроскоп.
Рис. 1.24. (а) — Зависимость расстояния между цепочками магнитных наночастиц от
индукции магнитного поля, параллельного поверхности пленки; (б) —зависимость
тол¬щины цепочек от магнитного поля.
Аналогичные свойства наблюдаются у жидких кристаллов, состоящих из длинных
молекул, обладающих электрическим дипольным моментом, на ориентацию которых в
жидкой фазе можно влиять с помощью электрического поля. Управляемое
электрическим полем двулучепреломление жидких кристаллов широко используется в
оптических устройствах, например жидкокристаллических дисплеях наручных часов
или переносных компьютеров. Это подсказывает потенциальные применения
ферромагнитных жидкостей на основе их двулучепреломления, зависящего от
магнитного поля. Для наблюдения этого явления жидкость помещают в закрытую
стеклянную ячейку слоем толщиной несколько микрон. При наложении магнитного поля
параллельно поверхности с помощью оптического микроскопа можно наблюдать, как
некоторые магнитные частицы в жидкости собираются в иглообразные цепочки,
ориентированные вдоль поля. На рис. 1.23 изображены такие цепочки при наблюдении
в микроскоп. С ростом магнитного поля все большее количество частиц
присоединяется к этим цепочкам, которые становятся и толще, и длиннее.
Расстояние между цепочками также уменьшается. На рис. 1.24а и 1.24б приведены
данные о расстоянии между цепочками и их толщине в зависимости от напряженности
магнитного поля. При наложении поля перпендикулярно поверхности пленки цепочки
упорядочиваются в структуру, снимок которой через оптический микроскоп показан
на рис. 1.25. Первоначально, при низких полях, концы цепочек располагаются на
плоскости случайно. Когда при увеличении напряженности поля достигается
критическое значение, цепочки упорядочиваются в показанную на рисунке
гексагональную структуру. Такое поведение аналогично образованию решетки вихрей
в сверхпроводнике второго рода.
Образование цепочек в феррожидкости в магнитном поле делает ее оптически
анизотропной. При распространении света или, в общем случае, электромагнитной
волны, вектора напряженностей электрического и магнитного поля колеблются в
плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны. Свет называется
линейно поляризованным в том случае, если колебания вектора одного типа
происходят в одной перпендикулярной лучу плоскости, а не в случайном поперечном
направлении. Когда линейно поляризованный свет падает на пленку ферромагнитной
жидкости, находящуюся в магнитном поле, он выходит с другой стороны пленки
эллиптически поляризованным. Это называют эффектом Коттона-
Рис. 1.25. Изображение концов цепочек магнитных наночастиц в ферромагнитной
жидкости в перпендикулярном пленке магнитном поле, полученное в оптическом
микроскопе. Напряженность поля доста¬точна для формирования гексагональной
решетки из цепочек.
Рис. 7.26. Экспериментальная установка для измерения эффекта оптической
поляризации на пленке ферромагнитной жидкости в магнитном поле, параллельном
поверхности.
Мутона. Экпериментальная установка для наблюдения этого эффекта показана на рис.
1.26. Линейно поляризованный дополнительным поляроидом луч гелий-неонового
лазера падает на пленку ферромагнитной жидкости. Для исследования поляризации
выходящего из пленки света используется другой поляроид, называемый
анализатором. Он размещается между пленкой и детектором света, в качестве
которого выступает фотоумножитель. Интенсивность прошедшего пучка света
измеряется как функция угла ориентации направления поляризации анализатора,
обозначенного на рисунке буквой η. Из рис. 1.27 видно, что интенсивность
проходящего света сильно зависит от угла η. Этот эффект может быть положен в
основу оптических переключателей, в которых интенсивность пропускаемого света
меняется посредством изменения магнитного поля или направления поляроида.
Рис. 1.27. Интенсивность пучка света, про¬ходящего через анализатор, показанный
на
рис. 1.26, в зависимости от угла η в нулевом магнитном поле и в поле 200 Э (0.02
Тл).
С помощью ферромагнитной жидкости можно также создать настраиваемые магнитным
полем дифракционные решетки. Дифракция возникает в результате наложения двух или
большего количества световых волн с одинаковой длиной волны, приходящих на
детектор, например, фотопленку, по путям слегка разной длины. Если длина путей
отличается на половину длины волны, такие волны гасят друг друга, а на пленке
образуется темная область. Если длина путей отличается на длину волны,
интенсивности волн складываются, образуя яркую область на детекторе.
Дифракционная решетка состоит из тонких щелей, разнесенных друг от друга на
расстояния порядка длины волны падающего света. Выше было показано, что при
помещении пленки ферромагнитной жидкости в достаточно сильное постоянное
магнитное поле, направленное перпендикулярно пленке, агрегированные в цепочки
ферромагнитные наночастицы образуют равновесную двумерную гексагональную
решетку. Такая структура может выступать в качестве двумерной оптической
дифракционной решетки, на которой падающий на нее свет будет дифрагировать. На
рис. 1.28 показано черно-белое изображение цветных дифракционных колец,
выглядящих как чередование светлых и темных участков. Эта структура образуется в
результате дифракции параллельного пучка белого света на пленке ферромагнитной
жидкости, помещенной в магнитное поле. Дифракционная картина определяется
уравнением
Рис. 1.28. Черно-белое изображение цветных дифракционных колец, образующихся при
прохождении света через пленку ферромагнитной жидкости в перпендикулярном к ее
поверхности магнитном поле.
где d — расстояние между цепочками наночастиц, θ — угол между нормалью к
поверхности пленки и выходящим из нее пучком света, n — целое число, а λ — длина
световой волны. Ранее было показано, что расстояние d между цепочками зависит от
напряженности приложенного магнитного поля. Таким образом можно получить
перестраиваемую дифракционную решетку, которую можно подстраивать на требуемую
длину волны, изменяя напряженность магнитного поля.
Ферромагнитные жидкости уже коммерчески используются в нескольких приложениях.
Они выступают в качестве герметика, препятствующего проникновению пыли внутрь
корпуса жестких дисков персональных компьютеров, и вакуумных уплотнителей,
необходимых для введения быстро вращающихся осей в высоковакуумированную
зону. В последнем случае
Рис. 1.29. Иллюстрация использования ферромагнитной жидкости в качестве
ва¬куумного затвора между вращающимся валом из материала с высокой магнитной
проницаемостью и неподвижными полю¬сами постоянного магнита.
жидкость используется для герметизации щели между вращающимся валиком и
поддерживающей его опорой, как показано на рис. 1.29. Уплотнение состоит из
нескольких капель ферромагнитной жидкости в промежутке между осью и втулкой, в
качестве которой используется цилиндрический постоянный магнит. Жидкость
образует вокруг оси непроницаемое кольцо, не вызывающее, однако, заметного
трения. Уплотнения такого типа используются во многих применениях.
Ферромагнитные жидкости используются в акустических динамиках для демпфирования
мембраны. Даже природа использует ферромагнитные жидкости. Например, считается,
что ферромагнитная жидкость играет определенную роль в системе ориентации
форели. Полагают, что в носу форели существуют клетки, содержащие суспензии
наночастиц магнетита. Когда рыба меняет свою ориентацию по отношению к
магнитному полю Земли, направление намагниченности ферромагнитной жидкости в
клетках меняется. Это изменение обрабатывается мозгом форели для получения
информации о ее ориентации.
6. Гигантское и колоссальное магнитосопротивление
Магнитосопротивлением называется эффект, сводящийся к изменению электрической
проводимости материала при помещении его в магнитное поле. Это явление в обычных
металлах известно уже многие годы и объясняется тем, что электроны проводимости
в магнитном поле должны двигаться по спиральным траекториям. Эффект становится
заметным только в достаточно сильных полях, при которых траектория электрона
существенно искривляется на длине свободного пробега. Длина свободного пробега -
это среднее расстояние, на которое смещается электрон в металле под действием
электрического поля между двумя соударениями с атомами решетки, дефектами или
атомами примеси. Сопротивление материала вызывается рассеянием электронов в
таких соударениях, так как их направление движения после соударения изменяется.
Магнитосопротивление в металлах наблюдается только в очень сильных полях при
низких температурах. Например, в чистой меди при 4 К и индукции поля 10 Т
проводимость меняется в 10 раз.
Из-за необходимости высоких полей и низкой температуры магнитосопротивление в
металлах первоначально имело мало возможностей использования на практике.
Однако, ситуация изменилась в 1988 году с открытием того, что теперь называют
гигантским магнитосопротивлением в материалах, искусственно созданных путем
осаждения на подложку чередующихся слоев ферромагнитного и неферромагнитного
металлов нано-метровой толщины. Схема этой слоис¬той структуры и чередующиеся
на¬правления вектора намагниченности ферромагнитных слоев показаны на рис.
1.15а. Эффект впервые наблюдался на пленках, в которых чередовались слои железа
и хрома, но затем были обнаружены и другие возможные комбинации слоев,
составляющих пленку. Так, в материале из чередующихся слоев кобальта и меди
магнитосопротивление намного больше. На рис. 1.16 показано влияние постоянного
магнитного поля на сопротивление многослойной системы железо-медь. Величина
изменения сопротивления зависит от толщины слоев железа и достигает максимума
при толщине 7 нм, как показано на рис. 1.17.
Рис. 1.15. Три структуры, в которых наблюдается гиганское магнитосопротивление:
(а) — чередующиеся слои немагнитного материала с ферромагнитными слоями,
намагниченными в противоположных направлениях (направление намагниченности
указано стрелками);
(б) — случайно ориентированные ферромагнитные наночастицы кобальта (большие
кружки) в немагнитной медной матрице (маленькие кружки);
(в) смешанная система, состоящая из серебряных слоев с наночастицами кобальта и
магнитных слоев из сплава Ni-Fe с чередующимися направлениями намагниченности,
указанными стрелками.
Эффект возникает из-за зависимо¬сти рассеяния электронов от направле¬ния их
спина по отношению к вектору намагниченности. Электроны, спин которых направлен
противоположно направлению намагниченности М, рассеиваются сильнее, чем те, спин
ко¬торых сонаправлен с М. Приложение постоянного магнитного поля вдоль слоев
ориентирует векторы намагни¬ченности во всех слоях в одном на¬правлении.
Электроны проводимости, спин которых направлен в сторону, противоположную
намагниченности, рассеиваются на границах металл-ферромагнетик сильнее, чем со
спином в направлении намагниченности. Так как оба канала работают параллельно,
канал с меньшим сопротивлением определяет полное сопротивление материала.
Рис. 1.16. Зависимость электрического со¬противления R(B), нормированного на
значение при нулевом поле R(0), многослойной Fe-Cr системы от магнитного поля,
приложенного параллельно поверхности слоев.
Рис. 1.17. Зависимость изменения магнитосопротивления ΔR от толщины магнитного
слоя железа в многослойной структуре Fe-Cr в постоянном магнитном поле
Эффект магнитосопротивления в этих слоистых материалах служит чувствительным
детектором постоянного магнитного поля и является основой для создания новых
высокочувствительных считывающих головок магнитных дисков. До открытия этого
эффекта устройства магнитного хранения информации использовали индукционные
обмотки, и для намагничивания малой области носителя в определенном направлении
(режим записи), и для последующего определения направления намагниченности
(режим считывания). Магниторезистивные считывающие головки существенно
чувствительнее, чем индукционные.
Материалы, состоящие из однодоменных ферромагнитных наночастиц со случайно
ориентированным вектором намагниченности, находящихся в немагнитной матрице,
также обладают гигантским магнитосопротивлением. На рис. 1.15б показана схема
такой системы. В отличие от слоистых структур магнитосопротивление в этой
системе изотропно. При помещении ее в магнитное поле вектора намагниченности
ферромагнитных наночастиц ориентируются по полю, что уменьшает электрическое
сопротивление. Влияние магнитного поля на сопротивление увеличивается при
увеличении напряженности поля и уменьшении размеров магнитных частиц. На рис.
1.18 показаны типичные результаты измерений на пленке, состоящей из наночастиц
кобальта в медной матрице, при 100 К. Гибридные
системы, состоящие из наночастиц в металлической матрице, расположенной между
двумя ферромагнитными слоями, демонстрируют аналогичные магниторезистивные
свойства.
Рис. 1.18. Зависимость изменения магнитосопротивления ΔR от приложенного
магнитного поля для тонкой пленки наночастиц кобальта в медной матрице.
Рис. 1.19. Кристаллическая структура LaMn03, в которой при легировании Са или
Sr, замещающих La, наблюдается ко¬лоссальное магнитосопротивление.
Обнаружены материалы, имеющие большее значение магнитосопротивления, чем
слоистые системы, и такое явление в них названо колоссальным
магнитосопротивлением. Эти материалы также имеют множество возможностей для
применения, например в записывающих магнитных головках или в чувствительных
элементах магнитометров. В материалах типа перовскита LaMn03 марганец имеет
валентность три. Если La3+ частично заменить двухвалентными ионами, например Са,
Ва, Sr, Pb или Cd, для сохранения электронейтральности некоторые ионы марганца
изменят состояние с Мn3+ на Мn4+. В результате образуется система со смешанной
валентностью Мn3+/Мn4+, в которой присутствует значительное количество подвижных
носителей заряда. Обнаружено, что такая система демонстрирует очень большое
магнитосопротивление. Элементарная ячейка этого кристалла показана на рис. 1.19.
Например, сопротивление системы La0.67Са0.33МпОх в постоянном поле 6 Т
изменяется более, чем в тысячу раз. На рис. 1.20 показана зависимость удельного
сопротивления тонкой пленки этого материала от приложенного постоянного
магнитного поля. Температурная зависимость удельного сопротивления при
температурах ниже точки Кюри также демонстрирует необычное поведение, показанное
на рис. 1.21. Хотя влияние наноструктурирования на такие материалы еще не
изучено подробно, ожидается его ярко выраженное действие на величину эффекта
магнитосопротивления.
Рис. 1.21. Температурная зависимость удельного сопротивления отожженных
об¬разцов La-Ca-Mn-О в нулевом магнитном поле.
5. Наноуглеродные ферромагнетики
Для формирования и роста углеродных нанотрубок в процессе пиролиза необходимо
присутствие частиц железа или кобальта. Показано, что в образовании
сонаправленных углеродных нанотрубок при пиролизе фталоцианида железа (II)
(FePc) принимают участие две частицы железа. Маленькая частица железа служит
зародышем, на котором образуется трубка, а с другого конца трубки большая
частица железа ускоряет ее рост. Сонаправленные нанотрубки получают на кварцевом
стекле пиролизом FePc в аргон-водородной атмосфере.
Рис. 1.11. Изображение частиц железа (светлые точки) на концах ориентированных
углеродных нанотрубок в сканирующем электронном микроскопе.
На рис. 1.11 показано изображение частиц железа на концах сонаправленных
нанотрубок, полученное в сканирующем электронном микроскопе. На рис. 1.12
приведены кривые намагничивания при 5 и 300 К в направлении вдоль трубок, из
которого видно, что при 5 К гистерезис больше. На рис. 1.13 и 1.14 представлены
графики температурной зависимости коэрцитивной силы Нс и отношения остаточной
намагниченности Мг к намагниченности насыщения Ms. Видно, что при уменьшении
температуры от комнатной (300 К) до жидкого гелия (4 К) коэрцитивная сила
увеличивается более чем в три раза. Эти частицы железа на концах сонаправленных
нанотрубок могут стать основой для устройств магнитной записи высокой плотности.
Стенки нанотрубок могут обеспечить немагнитные разделительные элементы между
наночастицами железа, функция которых состоит в уменьшении магнитного
взаимодействия между соседними наночастицами до приемлемых значений. При слишком
сильном взаимодействии между ферромагнитными частицами для переориентации их
магнитного момента будет требоваться слишком большое поле. Повышенный интерес к
синтезированию неполимерных органических ферромагнетиков обусловлен перспективой
получения таких веществ, которые в результате химической модификации молекул
системы могут оказаться диэлектриками и иметь меньшую плотность. Электронное
сродство молекулы С60 очень велико, то есть она активно стремится связывать
электроны. С другой стороны, молекула C2N2(CH3)8, или диметиламиноэтилен,
является активным электронным донором, то есть легко отдает электрон другой
молекуле. При растворении С60 и диметиламиноэтилена в смеси бензола и толуола
комплексное соединение С60 и C2N2(CH3)8 выпадает в осадок. Этот комплекс имеет
соотношение компонентов 1:1 и кристаллизуется в моноклинную решетку. Для этого
вещества обнаружено большое увеличение магнитной восприимчивости при температуре
16 К, что является признаком возникновения ферромагнитного состояния. До
последнего времени это была самая высокая температура Кюри для органических
ферромагнетиков.
Рис. 1.12. Петля гистерезиса кривой намагничивания наночастиц железа на концах
ориентированных нанотрубок в параллельном нанотрубкам магнитном поле Н при
температурах 4 и 320 К.
Рис. 1.13. Зависимость коэрцитивной силы Нс наночастиц железа на концах
ориентированных нанотрубок от температуры Т.
Рис. 1.14. Зависимость отношения оста¬точной намагниченности Мг к
намагни¬ченности насыщения Ms наночастиц железа на концах ориентированных
нанотрубок от температуры Т.
Под давлением 6 ГПа при температуре 1000 К формируется новая кристаллическая
структура С60. В этой структуре молекулы фуллерена лежат в параллельных
плоскостях и связаны в этих плоскостях друг с другом так, что образуют
гексагональную решетку. Структура очень похожа на структуру графита, в которой
роль атомов углерода играют молекулы С60. Хотя эта структура и формируется при
высоком давлении, она оказывается стабильной и при нормальных условиях. Изучение
магнитных свойств этого материала показало, что переход в ферромагнитное
состояние у него происходит при поразительно высокой температуре, а именно около
500 К. Однако, этот результат вызывает в научном сообществе некоторый
скептицизм, так как в гексагональной структуре С60 нет неспаренных электронов,
необходимых для возникновения ферромагнетизма. Исследователи, получившие этот
результат, предполагают, что в материале присутствуют дефекты, такие как
разорванные химические связи между соседними молекулами С60. Такие оборванные
связи могут быть источником электронов проводимости, которые могли бы вызвать
зонный ферромагнетизм. Таковым называется ферромагнетизм спинов, носители
которых могут передвигаться по кристаллу. Независимых подтверждений этого
результата пока нет.
4. Магнитные частицы в
нанопорах
Другой областью продолжающихся исследований в наномагнетизме является создание
материалов путем заполнения пористых субстанций магнитными наночастицами. В
природе действительно существуют материалы с молекулярными полостями,
заполненными наноразмерными магнитными частицами. Ферритин — это биологическая
молекула, содержащая 25% железа по массе, состоящая из симметричной белковой
оболочки в форме полой сферы с внутренним диаметром 7,5 нм и внешним диаметром
12,5 нм. Эта молекула в биологических системах играет роль хранилища Fe3+ в
организме. Одна четверть железа, присутствующего в теле человека, находится в
молекулах ферритина, а 70% — в гемоглобине. Полость ферритина в нормальных
условиях заполнена кристаллическим оксидом железа 5Fe203 • 9Н20. Оксид железа из
окружающего раствора может попадать в полость молекулы, в которой количество
атомов железа может меняться от нескольких штук до нескольких тысяч. Магнитные
свойства молекулы зависят от количества и типа частиц в полости. Она может быть
как ферромагнитной, так и антиферромагнитной. Температура блокирования Тв - это
температура, ниже которой термоактивированные переходы между различными
магнитными ориентациями заморожены. Из рис. 1.9 видно, что температура
блокирования понижается, при уменьшении количества атомов в полости. При очень
низких температурах в ферритине наблюдалось и квантовое туннелирование. В
нулевом магнитном поле при температуре 0,2 К намагниченность когерентно
туннелирует между двумя минимумами. Этот эффект проявляется резонансной линией в
частотной зависимости магнитной восприимчивости. На рис. 1.10 показаны
результаты измерения резонансной частоты
Рис. 1.9. Зависимость температуры вымо¬раживания Тв от количества атомов железа
в полости ферритина.
Рис. 1.10. Резонансная частота ферритина f как функция количества атомов в
полости молекулы.
магнитнойвосприимчивости в зависимости от количества атомов железа в каждой
молекуле. Видно, что частота уменьшается с 3 • 108 Гц для 800 атомов до 106 Гц
для 4600 атомов. При включении внешнего магнитного поля резонанс исчезает, так
как симметрия двойной потенциальной ямы нарушается.
Цеолиты — это кристаллические силикаты с внутренними порами хоро¬шо определенных
размеров и формы. Эти материалы можно использовать как матрицу для помещения в
нее магнитных наночастиц. Измерения темпе¬ратурной зависимости магнитной
восприимчивости частиц железа, введенных в поры цеолита, демонстрируют их
парамагнитное поведение с зависимостью восприимчивости χ от температуры,
подчиняющейся закону Кюри: χ = С/Т, где С — константа. Признаков ферромагнетизма
в таком материале не наблюдается.
3. Динамика наномагнитов
Изучение магнитных материалов, преимущественно пленок из наноразмерных магнитных
частиц, иногда называемое мезоскопическим магнетизмом, подогревается желанием
увеличить емкость магнитных накопителей информации, таких как жесткие диски
компьютеров. Основной механизм хранения информации включает в себя
намагничивание в определенном направлении очень малой области магнитного
носителя, называемой битом. Для достижения плотности хранения 10 Гигабит (1010
бит) на квадратный дюйм отдельный бит должен занимать место длиной 70 нм и
шириной 1 мкм. Толщина пленки должна составлять около 30 нм. Существующие
магнитные устройства хранения информации, такие как жесткие диски, основаны на
крошечных кристаллах сплава хрома и кобальта. Одна из сложностей, возникающих
при размерах бита менее 10 нм, состоит в том, что вектор намагниченности может
поменять направление под действием тепловых флуктуаций, по сути, стирая память.
Одно из решений этой проблемы состоит в использовании наноразмерных зерен с
большими значениями намагниченности насыщения, и, следовательно, с более сильным
взаимодействии между зернами. Группа в IBM получила магнитные нанозерна FePt с
намного большим значением намагниченности. Частицы FePt получались при нагреве
раствора ацетилацетоната платины и карбонила железа с добавлением
восстановителя. В качестве поверхностно-активного вещества также использовалась
олеиновая кислота, покрывающая частицы и препятствующая их агрегации. После
распыления раствора на подложку он испарялся, оставляя на ней пассивированные
частицы. Получившаяся в результате этой операции тонкая пленка затем в течение
30 минут выдерживалась при температуре 560 °С, что приводило к образованию
твердого углеродного слоя, содержащего 3-х нанометровые частицы FePt. Такой
размер магнитных наночастиц может привести к плотности записи в 150 Гигабайт на
квадратный дюйм, то есть примерно в 10 раз плотнее, чем в ныне существующих
коммерчески доступных носителях.
Рис. 1.6. Зависимость коэрцитивного поля Нс от размера частиц Nd-B-Fe
постоянного магнита.
Рис. 1.7. Зависимость намагниченности насыщения Ms цинкового феррита от размера
частиц d, отнесенной к значению Мs(90) для зерен размером 90 нм.
Когда размеры магнитных наночастиц становятся столь малыми, магнитные вектора
атомов в присутствии внешнего магнитного поля ориентируются одинаково в пределах
зерна, устраняя сложности, возникающие из-за наличия доменных стенок и
соседствующих областей с разными направлениями намагниченности. Рассмотрим
динамику поведения системы вытянутых наноразмерных магнитных частиц в рамках
модели Стоуна-Вольфарта. Обычно в магнитных носителях используются именно
вытянутые зерна. В этой модели предполагается, что в отсутствие магнитного поля
эллипсоидальные зерна имеют только два возможных устойчивых направления
магнитного момента: вверх или вниз по отношению к длинной оси магнитной частицы,
как показано на рис. 1.8. Зависимость магнитной энергии от ориентации вектора
магнитного момента представляет собой симметричную потенциальную яму с двумя
минимумами, разделенными потенциальным барьером. Под действием тепловой
флуктуации частица может поменять ориентацию магнитного вектора в соответствии с
термоактивационным уравнением Аррениуса, из которого следует, что вероятность
переориентации Р пропорциональна
где Е — высота энергетического барьера, отделяющего две ориентации. Частица
также может с гораздо меньшей вероятностью поменять свою ориентацию посредством
квантовомеханического туннелирования. Это может наблюдаться, когда тепловая
энергия квТ много меньше высоты барьера. Туннелирование — чисто
квантовомеханический эффект, возникающий вследствие того, что решение волнового
уравнения этой системы дает небольшую вероятность изменения магнитного состояния
с направления «вверх» на направление «вниз». Во внешнем магнитном поле потенциал
меняется, как показано на рис. 1.8 пунктирной линией, и при достижении полем
значения, равного коэрцитивной силе, один из уровней становится неустойчивым.
Эта модель дает простое объяснение многим магнитным свойствам маленьких
магнитных частиц, например форме петли гистерезиса. Однако у такой теории есть и
свои ограничения. Она переоценивает величину коэрцитивного поля, так как в ней
возможен только один способ переориентации. Магнитная энергия частиц в модели
является функцией коллективной ориентации спинов магнитных атомов, составляющих
частицу, и внешнего магнитного поля. В описанной модели принимается простейшая
(линейная) зависимость магнитной энергии частиц от их объема. Однако, когда
размер частиц приближается к 6 нм, большинство атомов находится на поверхности.
Это означает, что они могут иметь магнитные свойства, сильно отличающиеся от
параметров больших частиц. Показано, что обработка поверхности наночастиц α-
железа длиной 600 нм и шириной 100 нм различными химическими веществами приводит
к изменению коэрцитивной силы до 50%, что подчеркивает важную роль поверхности
наноразмерных магнитных частиц в формировании магнитных свойств зерна. Таким
образом, динамическое поведение очень малых магнитных частиц несколько более
сложно, чем следует из рассмотренной модели Стоуна-Вольфарта, и остается
предметом исследований.
Рис. 1.8. Схема потенциала двойной ямы, на которой показана зависимость энергии
от ориентации магнитного момента в отсутствие (сплошная линия) и при наличии
(прерывистая линия) внешнего магнитного поля.
2 Влияние наноструктурирования объемного материала на магнитные свойства
Различные применения магнитных материалов требуют разных типов кривой
намагничивания и ее характеристик. Материалы, используемые в трансформаторах и
вращающихся электрических машинах, подвергаются воздействию быстро меняющегося
магнитного поля, так что им приходится перемагничиваться много раз в секунду.
Это приводит к потере эффективности и нагреву материала. Нагрев является
следствием внутреннего трения, возникающего при непрерывной переориентации
магнитных доменов. Величина потерь энергии в каждом цикле, выделяющейся в виде
тепла, пропорциональна площади, ограничиваемой петлей гистерезиса. Для подобного
использования необходимы материалы с малой или близкой к нулевой коэрцитивной
силой, что уменьшает площадь петли. Такие материалы называют магнитомягкими. С
другой стороны, постоянные магниты, используемые для создания больших сильных
магнитных полей, должны обла¬дать большой коэрцитивной силой, то есть широкой
петлей гистерезиса. Такие материалы называют магнитожесткими. Для них также
требуются большие зна¬чения насыщения намагниченности.
Рис. 1.4. Обратимая кривая намагничивания нанопорошка сплава Ni-Fe-Co,
демонстрирующая отсутствие гистерезиса. 1 Эрстед =10-4 Тесла
Рис. 1.5. Зависимость остаточной намагниченности Мr от размера d частиц,
составляющих Nd-B-Fe постоянный магнит, отнесенной к значению MS(90) для размера
зерен 90 нм.
Наноструктурирование объемных магнитных материалов может применяться для
создания материалов с заданным видом кривой намагничивания. Ленты аморфного
сплава с составом Fe73.5Cu1Nb3Si13.5В9, полученные методом быстрого охлаждения
на холодном барабане и отожженные при температурах от 673 до 923 К в течение
одного часа в атмосфере инертного газа, состоят из твердого раствора 10 нм
наночастиц железа. Такой сплав достигает индукции насыщения 1,24 Тл, его
остаточная индукция составляет 0,67 Тл, а коэрцитивная сила очень мала – 0,53 А/
м. Гистерезис петли намагничивания наноразмерных порошков аморфных сплавов с
составом Fe69Ni9CO2 и размером зерен 10-15 нм, полученных путем разложения
растворов Fe(CO)5, Ni(CO)4 и Co(NO)(CoO)3 в углеводородном растворителе декалине
(С10Н18) в атмосфере инертного газа, почти отсутствует. На рис. 1.4 показана
кривая намагничивания этого материала. Магнитные материалы, в каждом зерне
которых существует только один домен, демонстрируют отсутствие гистерезиса и
называются суперпарамагнетиками.
Самые сильные постоянные магниты изготавливают из неодима, железа и бора. Их
остаточная индукция составляет до 1,3 Т, а коэрцитивная сила — 0,95 106 А/м.
Исследовалось влияние размера наномасштабных зерен на свойства Nd2Fe14B.
Результаты, приведенные на рис. 1.5 и 1.6, показывают, что для этого материала
коэрцитивная сила существенно уменьшается при размере зерна менее 40 нм, а
остаточная намагниченность увеличивается. Другой подход к изменению параметров
кривой намагничивания этого материала состоит в создании нано-масштабной смеси
магнитотвердых частиц Nd2FeI4B и магнитомягкой α-фазы железа. Измерения влияния
магнитомягких частиц железа, смешанных с магнитотвердым веществом, подтверждает,
что остаточное поле таким путем можно увеличить. Полагают, что это происходит
вследствие обменного взаимодействия между твердыми и мягкими наночастицами,
которое ориентирует вектора намагниченности частиц мягкой фазы в направлении
намагниченности частиц твердой фазы.
Показано, что размер магнитных наночастиц также влияет и на величину Ms, при
которой магнетик насыщается. На рис. 1.7 показано влияние размера частиц на поле
насыщения цинкового феррита, откуда видно, что намагниченность насыщения
существенно возрастает для зерен с размерами меньше 20 нм. Таким образом,
уменьшая размер наночастиц зернистого магнитного материала, можно существенно
улучшить качество производимых из них магнитов.
ФЕРРОМАГНЕТИЗМ В НАНОСТРУКТУРАХ. Основы ферромагнетизма
1.1. Основы ферромагнетизма
В этой главе будет обсуждаться влияние наноструктуры на различные характеристики
ферромагнетиков, а именно, влияние на них размеров нанозерен, составляющих
объемные магнитные материалы. Будет рассмотрен вопрос конструирования свойств
магнитных материалов, использующихся в разных областях деятельности, посредством
изменения размеров зерна. Для лучшего понимания роли наноструктуры в
ферромагнетизме далее будет представлен краткий обзор свойств ферромагнетиков. В
Главе 4 было показано, что некоторые атомы, имеющие не до конца заполненные
электронные оболочки, обладают собственным магнитным моментом и, в сущности,
ведут себя как маленькие постоянные магниты. Степень намагниченности
макроскопического тела определяется величиной суммарного магнитного момента,
являющегося векторной сумой атомарных магнитных моментов. Атомы различных
переходных подгрупп периодической таблицы Менделеева могут обладать собственным
магнитным моментом, поскольку содержат не полностью заполненные внутренние
электронные оболочки, на которых присутствуют электроны с неспаренным спином. В
атоме железа вокруг ядра движутся 26 электронов. Восемнадцать из них заполняют
внутренние оболочки так же, как в атоме аргона. На d уровне с п = 3 присутствуют
только 6 из возможных 10 электронов, так что он не заполнен, и на нем остается 4
свободных места. Эта незаполненность электронной d-оболочки приводит к наличию у
атома железа большого магнитного момента.
При образовании кристалла из атомов, обладающих магнитными моментами, например,
железа, может реализоваться один из нескольких различных способов расположения
магнитных моментов отдельных атомов по отношению друг к другу. На рис. 1.1
показаны некоторые возможные типы упорядочения в двумерном случае. Острие
стрелки обозначает северный полюс крошечного магнита, связанного с атомом. Если
магнитные моменты ориентированы случайно, как показано на рис. 1.1а, полный
магнитный момент кристалла равен нулю, и такое состояние называется
парамагнитным. При приложении постоянного магнитного поля к такому кристаллу
происходит некоторое упорядочивание магнитных моментов с преимущественной их
ориентацией по полю, что создает в кристалле небольшой суммарный магнитный
момент. В ферромагнитном кристалле в пределах некоторого объема все атомные
моменты ориентированы одинаково даже в отсутствие внешнего магнитного поля, как
показано на рис. 1.1б, так что кристалл как целое обладает магнитным моментом и
ведет себя как стержневой магнит, создавая вокруг себя постоянное магнитное
поле. Если кристалл со¬стоит из двух типов атомов с разной величиной магнитного
момента, может возникнуть состояние, называемое ферримагнитным, что показано на
рис. 1.1в, где длина стрелки соответствует величине момента атома. Такие
кристаллы также ведут себя как постоянные магниты. В антиферромагнетике соседние
моменты ориентированы антипараллельно, как показано на рис. 1.1г, и такой
материал не обладает магнитным моментом. В данной главе будет рассматриваться
преимущественно ферромагнитное упорядочение.
Рис. 1.1. Схемы различных типов упорядочивания магнитных моментов отдельных
атомов, составляющих (а) парамагнетик, (б) ферромагнетик, (в) ферримагнетик и
(г) антиферромагнетик.
Теперь рассмотрим причины того, что в некоторых материалах моменты отдельных
атомов упорядочиваются, а в некоторых — нет. Когда постоянный магнит помещают в
постоянное магнитное поле, магнитный момент стремится занять положение по
направлению поля. В кристалле каждый атом, обладающий магнитным моментом,
создает вокруг себя магнитное поле. Если магнитный момент достаточно велик,
создаваемое им постоянное магнитное поле может вынудить магнитные моменты
ближайших соседей сориентироваться так же, как и он сам. Это может произойти в
том случае, если энергия взаимодействия больше, чем энергия kвТ тепловых
колебаний атомов решетки. Взаимодействие между магнитными моментами атомов может
быть двух типов: обменное и дипольное. Обменное вза¬имодействие является чисто
квантовым эффектом и обычно сильнее, чем ди¬польное.
В случае малых частиц, обладающих магнитным моментом (таких, например, как
электроны), наложение магнитного поля приводит к тому, что проекция вектора
спина на направление магнитного поля может принимать лишь два значения: ±1/2 μB,
где μB – единичный магнитный момент, называемый магнетоном Бора. Волновая
функция состояния +1/2 μB обозначается α, состояния –1/2 μB - β. Числа ±1/2
называются спиновыми квантовыми числами ms. Для двухэлектронной системы
невозможно указать, какой электрон в каком состоянии находится. Принцип запрета
Паули запрещает двум электронам, находящимся на одном энергетическом уровне,
иметь одинаковые спиновые квантовые числа ms. В квантовой механике это
учитывается посредством введение требования антисимметричности волновой функции,
то есть, если поменять два электрона местами, их волновая функция меняет знак.
Волновая функция, удовлетворяющая этому условию, выглядит так:
Энергия их электростатического взаимодействия в этом случае дается интегралом:
Раскрывая скобки, получаем:
Первый член соответствует обычному кулоновскому взаимодействию двух заряженных
частиц. Второй член, называемый обменным взаимодействием, описывает разницу
кулоновской энергии между случаями параллельных и антипараллельных спинов. Можно
показать, что при некоторых допущениях обменное взаимодействие можно записать в
гораздо более простой форме, а именно, как JS1S2, где J называют обменным
интегралом или константой обменного взаимодействия. Для ферромагнетиков J имеет
отрицательный знак, для антиферромагнетиков — положительный. Из-за того, что
обменное взаимодействие имеет место для перекрывающихся орбиталей, это —
преимущественно взаимодействие между ближайшими соседями, причем обычно такое
взаимодействие доминирует. Другое взаимодействие, имеющее место в решетке
магнитных ионов, называется диполь-дипольным и записывается в виде
где r — пространственный вектор между магнитными моментами μ1 и μ2, а r — модуль
этого вектора.
Намагниченность М объемного образца определяется как полный магнитный момент
единицы объема. Она является векторной суммой магнитных моментов всех атомов,
деленной на объем образца. При охлаждении от высоких температур намагниченность
возрастает, особенно сильно при температуре Кюри Тс, когда материал становится
ферромагнитным, и продолжает расти при дальнейшем уменьшении температуры и ниже
точки Кюри. Эмпирическая зависимость намагниченности от температуры при
температурах существенно ниже точки Кюри выглядит так:
Рис. 1.2. (а) — Некоторые примеры доменной структуры ферромагнетиков, (б) - Ее
изменения путем вращения или роста доменов под действием магнитного поля.
где М(0) — намагниченность при нуле Кельвин, а с — константа. Магнитная
восприимчивость χ образца определяется как отношение намагниченности при
определенной температуре к напряженности приложенного магнитного поля H, то есть
χ — М / Н.
Обычно магнитный момент объемных ферромагнитных материалов ниже точки Кюри
меньше, чем теоретический предел, рассчитываемый для случая, когда все атомные
моменты направлены одинаково. Это объясняется образованием доменов. Доменами
называются области, в которых все магнитные моменты атомов направлены одинаково,
так что в пределах одного домена намагниченность достигает насыщения, то есть
принимает максимально возможное значение. Однако у разных доменов в образце
векторы намагниченности не параллельны друг другу. Таким образом, полная
намагниченность всего образца меньше, чем при полном упорядочивании ориентации
всех атомных магнитных моментов. Некоторые примеры доменной структуры показаны
на рис. 1.2а. Такая структура появляется в образце благодаря уменьшению
магнитной энергии образца при формировании доменов.
Наложение магнитного поля может увеличить магнитный момент образца. Это
происходит двумя способами. В слабых внешних полях объем доменов,
ориентированных вдоль поля, увеличивается за счет соседних доменов. В сильных
полях имеет место другой механизм намагничивания образца, а именно поворот
векторов намагниченности доменов в сторону направления внешнего поля. Оба эти
процесса проиллюстрированы на рис. 1.2б. На рис. 1.3 приведена кривая
намагничивания ферромагнитного материала, то есть зависимость полной
намагниченности М образца от напряжённости приложенного внешнего постоянного
магнитного поля H. В системе СИ и H, и М измеряются в амперах на метр, в системе
СГС единицей М является электромагнитная единица на грамм, а единицей H –
эрстед. При первоначальном повышении Н намагниченность М растет до достижения
точки насыщения Ms. При уменьшении Н от точки насыщения М не уменьшается до тех
же значений, которые были в процессе увеличения поля. Кривая при уменьшении поля
лежит выше. Такое явление называется гистерезисом и происходит вследствие того,
что домены, упорядоченные при возрастании поля, не возвращаются к
первоначальному состоянию при понижении поля. Когда внешнее поле достигает
нулевого значения, образец все еще сохраняет намагниченность, называемую
остаточной намагниченностью Мr. Для обнуления этой намагниченности требуется
приложить поле Нс в обратном направлении, как показано на рис. 1.3. Это поле,
называемое коэрцитивным, вынуждает домены вернуться к первоначальному состоянию.
Характер кривой намагничивания ферромагнетика важен при использовании магнитных
материалов, так что исследования в этой области с целью создания материалов с
разными формами кривой намагничивания продолжаются.
- ФЕРРОМАГНЕТИЗМ В НАНОСТРУКТУРАХ
ФЕРРОМАГНЕТИЗМ В НАНОСТРУКТУРАХ
1. Основы ферромагнетизма
В этой главе будет обсуждаться влияние наноструктуры на различные характеристики ферромагнетиков, а именно, влияние на них размеров нанозерен, составляющих объемные магнитные материалы. Будет рассмотрен вопрос конструирования свойств магнитных материалов, использующихся в разных областях деятельности, посредством изменения размеров зерна. Для лучшего понимания роли наноструктуры в ферромагнетизме далее будет представлен краткий обзор свойств ферромагнетиков. В Главе 4 было показано, что некоторые атомы, имеющие не до конца заполненные электронные оболочки, обладают собственным магнитным моментом и, в сущности, ведут себя как маленькие постоянные магниты. Степень намагниченности макроскопического тела определяется величиной суммарного магнитного момента, являющегося векторной сумой атомарных магнитных моментов. Атомы различных переходных подгрупп периодической таблицы Менделеева могут обладать собственным магнитным моментом, поскольку содержат не полностью заполненные внутренние электронные оболочки, на которых присутствуют электроны с неспаренным спином. В атоме железа вокруг ядра движутся 26 электронов. Восемнадцать из них заполняют внутренние оболочки так же, как в атоме аргона. На d уровне с п = 3 присутствуют только 6 из возможных 10 электронов, так что он не заполнен, и на нем остается 4 свободных места. Эта незаполненность электронной d-оболочки приводит к наличию у атома железа большого магнитного момента.
При образовании кристалла из атомов, обладающих магнитными моментами, например, железа, может реализоваться один из нескольких различных способов расположения магнитных моментов отдельных атомов по отношению друг к другу. На рис. 1.1 показаны некоторые возможные типы упорядочения в двумерном случае. Острие стрелки обозначает северный полюс крошечного магнита, связанного с атомом. Если магнитные моменты ориентированы случайно, как показано на рис. 1.1а, полный магнитный момент кристалла равен нулю, и такое состояние называется парамагнитным. При приложении постоянного магнитного поля к такому кристаллу происходит некоторое упорядочивание магнитных моментов с преимущественной их ориентацией по полю, что создает в кристалле небольшой суммарный магнитный момент. В ферромагнитном кристалле в пределах некоторого объема все атомные моменты ориентированы одинаково даже в отсутствие внешнего магнитного поля, как показано на рис. 1.1б, так что кристалл как целое обладает магнитным моментом и ведет себя как стержневой магнит, создавая вокруг себя постоянное магнитное поле. Если кристалл со¬стоит из двух типов атомов с разной величиной магнитного момента, может возникнуть состояние, называемое ферримагнитным, что показано на рис. 1.1в, где длина стрелки соответствует величине момента атома. Такие кристаллы также ведут себя как постоянные магниты. В антиферромагнетике соседние моменты ориентированы антипараллельно, как показано на рис. 1.1г, и такой материал не обладает магнитным моментом. В данной главе будет рассматриваться преимущественно ферромагнитное упорядочение.
Рис. 1.1. Схемы различных типов упорядочивания магнитных моментов отдельных атомов, составляющих (а) парамагнетик, (б) ферромагнетик, (в) ферримагнетик и (г) антиферромагнетик.
Теперь рассмотрим причины того, что в некоторых материалах моменты отдельных атомов упорядочиваются, а в некоторых — нет. Когда постоянный магнит помещают в постоянное магнитное поле, магнитный момент стремится занять положение по направлению поля. В кристалле каждый атом, обладающий магнитным моментом, создает вокруг себя магнитное поле. Если магнитный момент достаточно велик, создаваемое им постоянное магнитное поле может вынудить магнитные моменты ближайших соседей сориентироваться так же, как и он сам. Это может произойти в том случае, если энергия взаимодействия больше, чем энергия kвТ тепловых колебаний атомов решетки. Взаимодействие между магнитными моментами атомов может быть двух типов: обменное и дипольное. Обменное вза¬имодействие является чисто квантовым эффектом и обычно сильнее, чем ди¬польное.
В случае малых частиц, обладающих магнитным моментом (таких, например, как электроны), наложение магнитного поля приводит к тому, что проекция вектора спина на направление магнитного поля может принимать лишь два значения: ±1/2 μB, где μB – единичный магнитный момент, называемый магнетоном Бора. Волновая функция состояния +1/2 μB обозначается α, состояния –1/2 μB - β. Числа ±1/2 называются спиновыми квантовыми числами ms. Для двухэлектронной системы невозможно указать, какой электрон в каком состоянии находится. Принцип запрета Паули запрещает двум электронам, находящимся на одном энергетическом уровне, иметь одинаковые спиновые квантовые числа ms. В квантовой механике это учитывается посредством введение требования антисимметричности волновой функции, то есть, если поменять два электрона местами, их волновая функция меняет знак. Волновая функция, удовлетворяющая этому условию, выглядит так:
Энергия их электростатического взаимодействия в этом случае дается интегралом:
Раскрывая скобки, получаем:
Первый член соответствует обычному кулоновскому взаимодействию двух заряженных частиц. Второй член, называемый обменным взаимодействием, описывает разницу кулоновской энергии между случаями параллельных и антипараллельных спинов. Можно показать, что при некоторых допущениях обменное взаимодействие можно записать в гораздо более простой форме, а именно, как JS1S2, где J называют обменным интегралом или константой обменного взаимодействия. Для ферромагнетиков J имеет отрицательный знак, для антиферромагнетиков — положительный. Из-за того, что обменное взаимодействие имеет место для перекрывающихся орбиталей, это — преимущественно взаимодействие между ближайшими соседями, причем обычно такое взаимодействие доминирует. Другое взаимодействие, имеющее место в решетке магнитных ионов, называется диполь-дипольным и записывается в виде
где r — пространственный вектор между магнитными моментами μ1 и μ2, а r — модуль этого вектора.
Намагниченность М объемного образца определяется как полный магнитный момент единицы объема. Она является векторной суммой магнитных моментов всех атомов, деленной на объем образца. При охлаждении от высоких температур намагниченность возрастает, особенно сильно при температуре Кюри Тс, когда материал становится ферромагнитным, и продолжает расти при дальнейшем уменьшении температуры и ниже точки Кюри. Эмпирическая зависимость намагниченности от температуры при температурах существенно ниже точки Кюри выглядит так:
Рис. 1.2. (а) — Некоторые примеры доменной структуры ферромагнетиков, (б) - Ее изменения путем вращения или роста доменов под действием магнитного поля.
где М(0) — намагниченность при нуле Кельвин, а с — константа. Магнитная восприимчивость χ образца определяется как отношение намагниченности при определенной температуре к напряженности приложенного магнитного поля H, то есть χ — М / Н.
Обычно магнитный момент объемных ферромагнитных материалов ниже точки Кюри меньше, чем теоретический предел, рассчитываемый для случая, когда все атомные моменты направлены одинаково. Это объясняется образованием доменов. Доменами называются области, в которых все магнитные моменты атомов направлены одинаково, так что в пределах одного домена намагниченность достигает насыщения, то есть принимает максимально возможное значение. Однако у разных доменов в образце векторы намагниченности не параллельны друг другу. Таким образом, полная намагниченность всего образца меньше, чем при полном упорядочивании ориентации всех атомных магнитных моментов. Некоторые примеры доменной структуры показаны на рис. 1.2а. Такая структура появляется в образце благодаря уменьшению магнитной энергии образца при формировании доменов.
Наложение магнитного поля может увеличить магнитный момент образца. Это происходит двумя способами. В слабых внешних полях объем доменов, ориентированных вдоль поля, увеличивается за счет соседних доменов. В сильных полях имеет место другой механизм намагничивания образца, а именно поворот векторов намагниченности доменов в сторону направления внешнего поля. Оба эти процесса проиллюстрированы на рис. 1.2б. На рис. 1.3 приведена кривая намагничивания ферромагнитного материала, то есть зависимость полной намагниченности М образца от напряжённости приложенного внешнего постоянного магнитного поля H. В системе СИ и H, и М измеряются в амперах на метр, в системе СГС единицей М является электромагнитная единица на грамм, а единицей H – эрстед. При первоначальном повышении Н намагниченность М растет до достижения точки насыщения Ms. При уменьшении Н от точки насыщения М не уменьшается до тех же значений, которые были в процессе увеличения поля. Кривая при уменьшении поля лежит выше. Такое явление называется гистерезисом и происходит вследствие того, что домены, упорядоченные при возрастании поля, не возвращаются к первоначальному состоянию при понижении поля. Когда внешнее поле достигает нулевого значения, образец все еще сохраняет намагниченность, называемую остаточной намагниченностью Мr. Для обнуления этой намагниченности требуется приложить поле Нс в обратном направлении, как показано на рис. 1.3. Это поле, называемое коэрцитивным, вынуждает домены вернуться к первоначальному состоянию. Характер кривой намагничивания ферромагнетика важен при использовании магнитных материалов, так что исследования в этой области с целью создания материалов с разными формами кривой намагничивания продолжаются.
2. Влияние наноструктурирования объемного материала на магнитные свойства
Различные применения магнитных материалов требуют разных типов кривой намагничивания и ее характеристик. Материалы, используемые в трансформаторах и вращающихся электрических машинах, подвергаются воздействию быстро меняющегося магнитного поля, так что им приходится перемагничиваться много раз в секунду. Это приводит к потере эффективности и нагреву материала. Нагрев является следствием внутреннего трения, возникающего при непрерывной переориентации магнитных доменов. Величина потерь энергии в каждом цикле, выделяющейся в виде тепла, пропорциональна площади, ограничиваемой петлей гистерезиса. Для подобного использования необходимы материалы с малой или близкой к нулевой коэрцитивной силой, что уменьшает площадь петли. Такие материалы называют магнитомягкими. С другой стороны, постоянные магниты, используемые для создания больших сильных магнитных полей, должны обла¬дать большой коэрцитивной силой, то есть широкой петлей гистерезиса. Такие материалы называют магнитожесткими. Для них также требуются большие зна¬чения насыщения намагниченности.
Рис. 1.4. Обратимая кривая намагничивания нанопорошка сплава Ni-Fe-Co, демонстрирующая отсутствие гистерезиса. 1 Эрстед =10-4 Тесла
Рис. 1.5. Зависимость остаточной намагниченности Мr от размера d частиц, составляющих Nd-B-Fe постоянный магнит, отнесенной к значению MS(90) для размера зерен 90 нм.
Наноструктурирование объемных магнитных материалов может применяться для создания материалов с заданным видом кривой намагничивания. Ленты аморфного сплава с составом Fe73.5Cu1Nb3Si13.5В9, полученные методом быстрого охлаждения на холодном барабане и отожженные при температурах от 673 до 923 К в течение одного часа в атмосфере инертного газа, состоят из твердого раствора 10 нм наночастиц железа. Такой сплав достигает индукции насыщения 1,24 Тл, его остаточная индукция составляет 0,67 Тл, а коэрцитивная сила очень мала – 0,53 А/м. Гистерезис петли намагничивания наноразмерных порошков аморфных сплавов с составом Fe69Ni9CO2 и размером зерен 10-15 нм, полученных путем разложения растворов Fe(CO)5, Ni(CO)4 и Co(NO)(CoO)3 в углеводородном растворителе декалине (С10Н18) в атмосфере инертного газа, почти отсутствует. На рис. 1.4 показана кривая намагничивания этого материала. Магнитные материалы, в каждом зерне которых существует только один домен, демонстрируют отсутствие гистерезиса и называются суперпарамагнетиками.
Самые сильные постоянные магниты изготавливают из неодима, железа и бора. Их остаточная индукция составляет до 1,3 Т, а коэрцитивная сила — 0,95 106 А/м. Исследовалось влияние размера наномасштабных зерен на свойства Nd2Fe14B. Результаты, приведенные на рис. 1.5 и 1.6, показывают, что для этого материала коэрцитивная сила существенно уменьшается при размере зерна менее 40 нм, а остаточная намагниченность увеличивается. Другой подход к изменению параметров кривой намагничивания этого материала состоит в создании нано-масштабной смеси магнитотвердых частиц Nd2FeI4B и магнитомягкой α-фазы железа. Измерения влияния магнитомягких частиц железа, смешанных с магнитотвердым веществом, подтверждает, что остаточное поле таким путем можно увеличить. Полагают, что это происходит вследствие обменного взаимодействия между твердыми и мягкими наночастицами, которое ориентирует вектора намагниченности частиц мягкой фазы в направлении намагниченности частиц твердой фазы.
Показано, что размер магнитных наночастиц также влияет и на величину Ms, при которой магнетик насыщается. На рис. 1.7 показано влияние размера частиц на поле насыщения цинкового феррита, откуда видно, что намагниченность насыщения существенно возрастает для зерен с размерами меньше 20 нм. Таким образом, уменьшая размер наночастиц зернистого магнитного материала, можно существенно улучшить качество производимых из них магнитов.
3. Динамика наномагнитов
Изучение магнитных материалов, преимущественно пленок из наноразмерных магнитных частиц, иногда называемое мезоскопическим магнетизмом, подогревается желанием увеличить емкость магнитных накопителей информации, таких как жесткие диски компьютеров. Основной механизм хранения информации включает в себя намагничивание в определенном направлении очень малой области магнитного носителя, называемой битом. Для достижения плотности хранения 10 Гигабит (1010 бит) на квадратный дюйм отдельный бит должен занимать место длиной 70 нм и шириной 1 мкм. Толщина пленки должна составлять около 30 нм. Существующие магнитные устройства хранения информации, такие как жесткие диски, основаны на крошечных кристаллах сплава хрома и кобальта. Одна из сложностей, возникающих при размерах бита менее 10 нм, состоит в том, что вектор намагниченности может поменять направление под действием тепловых флуктуаций, по сути, стирая память. Одно из решений этой проблемы состоит в использовании наноразмерных зерен с большими значениями намагниченности насыщения, и, следовательно, с более сильным взаимодействии между зернами. Группа в IBM получила магнитные нанозерна FePt с намного большим значением намагниченности. Частицы FePt получались при нагреве раствора ацетилацетоната платины и карбонила железа с добавлением восстановителя. В качестве поверхностно-активного вещества также использовалась олеиновая кислота, покрывающая частицы и препятствующая их агрегации. После распыления раствора на подложку он испарялся, оставляя на ней пассивированные частицы. Получившаяся в результате этой операции тонкая пленка затем в течение 30 минут выдерживалась при температуре 560 °С, что приводило к образованию твердого углеродного слоя, содержащего 3-х нанометровые частицы FePt. Такой размер магнитных наночастиц может привести к плотности записи в 150 Гигабайт на квадратный дюйм, то есть примерно в 10 раз плотнее, чем в ныне существующих коммерчески доступных носителях.
Рис. 1.6. Зависимость коэрцитивного поля Нс от размера частиц Nd-B-Fe постоянного магнита.
Рис. 1.7. Зависимость намагниченности насыщения Ms цинкового феррита от размера частиц d, отнесенной к значению Мs(90) для зерен размером 90 нм.
Когда размеры магнитных наночастиц становятся столь малыми, магнитные вектора атомов в присутствии внешнего магнитного поля ориентируются одинаково в пределах зерна, устраняя сложности, возникающие из-за наличия доменных стенок и соседствующих областей с разными направлениями намагниченности. Рассмотрим динамику поведения системы вытянутых наноразмерных магнитных частиц в рамках модели Стоуна-Вольфарта. Обычно в магнитных носителях используются именно вытянутые зерна. В этой модели предполагается, что в отсутствие магнитного поля эллипсоидальные зерна имеют только два возможных устойчивых направления магнитного момента: вверх или вниз по отношению к длинной оси магнитной частицы, как показано на рис. 1.8. Зависимость магнитной энергии от ориентации вектора магнитного момента представляет собой симметричную потенциальную яму с двумя минимумами, разделенными потенциальным барьером. Под действием тепловой флуктуации частица может поменять ориентацию магнитного вектора в соответствии с термоактивационным уравнением Аррениуса, из которого следует, что вероятность переориентации Р пропорциональна
где Е — высота энергетического барьера, отделяющего две ориентации. Частица также может с гораздо меньшей вероятностью поменять свою ориентацию посредством квантовомеханического туннелирования. Это может наблюдаться, когда тепловая энергия квТ много меньше высоты барьера. Туннелирование — чисто квантовомеханический эффект, возникающий вследствие того, что решение волнового уравнения этой системы дает небольшую вероятность изменения магнитного состояния с направления «вверх» на направление «вниз». Во внешнем магнитном поле потенциал меняется, как показано на рис. 1.8 пунктирной линией, и при достижении полем значения, равного коэрцитивной силе, один из уровней становится неустойчивым.
Эта модель дает простое объяснение многим магнитным свойствам маленьких магнитных частиц, например форме петли гистерезиса. Однако у такой теории есть и свои ограничения. Она переоценивает величину коэрцитивного поля, так как в ней возможен только один способ переориентации. Магнитная энергия частиц в модели является функцией коллективной ориентации спинов магнитных атомов, составляющих частицу, и внешнего магнитного поля. В описанной модели принимается простейшая (линейная) зависимость магнитной энергии частиц от их объема. Однако, когда размер частиц приближается к 6 нм, большинство атомов находится на поверхности. Это означает, что они могут иметь магнитные свойства, сильно отличающиеся от параметров больших частиц. Показано, что обработка поверхности наночастиц α-железа длиной 600 нм и шириной 100 нм различными химическими веществами приводит к изменению коэрцитивной силы до 50%, что подчеркивает важную роль поверхности наноразмерных магнитных частиц в формировании магнитных свойств зерна. Таким образом, динамическое поведение очень малых магнитных частиц несколько более сложно, чем следует из рассмотренной модели Стоуна-Вольфарта, и остается предметом исследований.
4. Магнитные частицы в нанопорах
Другой областью продолжающихся исследований в наномагнетизме является создание материалов путем заполнения пористых субстанций магнитными наночастицами. В природе действительно существуют материалы с молекулярными полостями, заполненными наноразмерными магнитными частицами. Ферритин — это биологическая молекула, содержащая 25% железа по массе, состоящая из симметричной белковой оболочки в форме полой сферы с внутренним диаметром 7,5 нм и внешним диаметром 12,5 нм. Эта молекула в биологических системах играет роль хранилища Fe3+ в организме. Одна четверть железа, присутствующего в теле человека, находится в молекулах ферритина, а 70% — в гемоглобине. Полость ферритина в нормальных условиях заполнена кристаллическим оксидом железа 5Fe203 • 9Н20. Оксид железа из окружающего раствора может попадать в полость молекулы, в которой количество атомов железа может меняться от нескольких штук до нескольких тысяч. Магнитные свойства молекулы зависят от количества и типа частиц в полости. Она может быть как ферромагнитной, так и антиферромагнитной. Температура блокирования Тв - это температура, ниже которой термоактивированные переходы между различными магнитными ориентациями заморожены. Из рис. 1.9 видно, что температура блокирования понижается, при уменьшении количества атомов в полости. При очень низких температурах в ферритине наблюдалось и квантовое туннелирование. В нулевом магнитном поле при температуре 0,2 К намагниченность когерентно туннелирует между двумя минимумами. Этот эффект проявляется резонансной линией в частотной зависимости магнитной восприимчивости. На рис. 1.10 показаны результаты измерения резонансной частоты
Рис. 1.9. Зависимость температуры вымо¬раживания Тв от количества атомов железа в полости ферритина.
Рис. 1.10. Резонансная частота ферритина f как функция количества атомов в полости молекулы.
магнитнойвосприимчивости в зависимости от количества атомов железа в каждой молекуле. Видно, что частота уменьшается с 3 • 108 Гц для 800 атомов до 106 Гц для 4600 атомов. При включении внешнего магнитного поля резонанс исчезает, так как симметрия двойной потенциальной ямы нарушается.
Цеолиты — это кристаллические силикаты с внутренними порами хоро¬шо определенных размеров и формы. Эти материалы можно использовать как матрицу для помещения в нее магнитных наночастиц. Измерения темпе¬ратурной зависимости магнитной восприимчивости частиц железа, введенных в поры цеолита, демонстрируют их парамагнитное поведение с зависимостью восприимчивости χ от температуры, подчиняющейся закону Кюри: χ = С/Т, где С — константа. Признаков ферромагнетизма в таком материале не наблюдается.
5. Наноуглеродные ферромагнетики
Для формирования и роста углеродных нанотрубок в процессе пиролиза необходимо присутствие частиц железа или кобальта. Показано, что в образовании сонаправленных углеродных нанотрубок при пиролизе фталоцианида железа (II) (FePc) принимают участие две частицы железа. Маленькая частица железа служит зародышем, на котором образуется трубка, а с другого конца трубки большая частица железа ускоряет ее рост. Сонаправленные нанотрубки получают на кварцевом стекле пиролизом FePc в аргон-водородной атмосфере.
Рис. 1.11. Изображение частиц железа (светлые точки) на концах ориентированных углеродных нанотрубок в сканирующем электронном микроскопе.
На рис. 1.11 показано изображение частиц железа на концах сонаправленных нанотрубок, полученное в сканирующем электронном микроскопе. На рис. 1.12 приведены кривые намагничивания при 5 и 300 К в направлении вдоль трубок, из которого видно, что при 5 К гистерезис больше. На рис. 1.13 и 1.14 представлены графики температурной зависимости коэрцитивной силы Нс и отношения остаточной намагниченности Мг к намагниченности насыщения Ms. Видно, что при уменьшении температуры от комнатной (300 К) до жидкого гелия (4 К) коэрцитивная сила увеличивается более чем в три раза. Эти частицы железа на концах сонаправленных нанотрубок могут стать основой для устройств магнитной записи высокой плотности. Стенки нанотрубок могут обеспечить немагнитные разделительные элементы между наночастицами железа, функция которых состоит в уменьшении магнитного взаимодействия между соседними наночастицами до приемлемых значений. При слишком сильном взаимодействии между ферромагнитными частицами для переориентации их магнитного момента будет требоваться слишком большое поле. Повышенный интерес к синтезированию неполимерных органических ферромагнетиков обусловлен перспективой получения таких веществ, которые в результате химической модификации молекул системы могут оказаться диэлектриками и иметь меньшую плотность. Электронное сродство молекулы С60 очень велико, то есть она активно стремится связывать электроны. С другой стороны, молекула C2N2(CH3)8, или диметиламиноэтилен, является активным электронным донором, то есть легко отдает электрон другой молекуле. При растворении С60 и диметиламиноэтилена в смеси бензола и толуола комплексное соединение С60 и C2N2(CH3)8 выпадает в осадок. Этот комплекс имеет соотношение компонентов 1:1 и кристаллизуется в моноклинную решетку. Для этого вещества обнаружено большое увеличение магнитной восприимчивости при температуре 16 К, что является признаком возникновения ферромагнитного состояния. До последнего времени это была самая высокая температура Кюри для органических ферромагнетиков.
Рис. 1.12. Петля гистерезиса кривой намагничивания наночастиц железа на концах ориентированных нанотрубок в параллельном нанотрубкам магнитном поле Н при температурах 4 и 320 К.
Рис. 1.13. Зависимость коэрцитивной силы Нс наночастиц железа на концах ориентированных нанотрубок от температуры Т.
Рис. 1.14. Зависимость отношения оста¬точной намагниченности Мг к намагни¬ченности насыщения Ms наночастиц железа на концах ориентированных нанотрубок от температуры Т.
Под давлением 6 ГПа при температуре 1000 К формируется новая кристаллическая структура С60. В этой структуре молекулы фуллерена лежат в параллельных плоскостях и связаны в этих плоскостях друг с другом так, что образуют гексагональную решетку. Структура очень похожа на структуру графита, в которой роль атомов углерода играют молекулы С60. Хотя эта структура и формируется при высоком давлении, она оказывается стабильной и при нормальных условиях. Изучение магнитных свойств этого материала показало, что переход в ферромагнитное состояние у него происходит при поразительно высокой температуре, а именно около 500 К. Однако, этот результат вызывает в научном сообществе некоторый скептицизм, так как в гексагональной структуре С60 нет неспаренных электронов, необходимых для возникновения ферромагнетизма. Исследователи, получившие этот результат, предполагают, что в материале присутствуют дефекты, такие как разорванные химические связи между соседними молекулами С60. Такие оборванные связи могут быть источником электронов проводимости, которые могли бы вызвать зонный ферромагнетизм. Таковым называется ферромагнетизм спинов, носители которых могут передвигаться по кристаллу. Независимых подтверждений этого результата пока нет.
6. Гигантское и колоссальное магнитосопротивление
Магнитосопротивлением называется эффект, сводящийся к изменению электрической проводимости материала при помещении его в магнитное поле. Это явление в обычных металлах известно уже многие годы и объясняется тем, что электроны проводимости в магнитном поле должны двигаться по спиральным траекториям. Эффект становится заметным только в достаточно сильных полях, при которых траектория электрона существенно искривляется на длине свободного пробега. Длина свободного пробега - это среднее расстояние, на которое смещается электрон в металле под действием электрического поля между двумя соударениями с атомами решетки, дефектами или атомами примеси. Сопротивление материала вызывается рассеянием электронов в таких соударениях, так как их направление движения после соударения изменяется. Магнитосопротивление в металлах наблюдается только в очень сильных полях при низких температурах. Например, в чистой меди при 4 К и индукции поля 10 Т проводимость меняется в 10 раз.
Из-за необходимости высоких полей и низкой температуры магнитосопротивление в металлах первоначально имело мало возможностей использования на практике. Однако, ситуация изменилась в 1988 году с открытием того, что теперь называют гигантским магнитосопротивлением в материалах, искусственно созданных путем осаждения на подложку чередующихся слоев ферромагнитного и неферромагнитного металлов нано-метровой толщины. Схема этой слоис¬той структуры и чередующиеся на¬правления вектора намагниченности ферромагнитных слоев показаны на рис. 1.15а. Эффект впервые наблюдался на пленках, в которых чередовались слои железа и хрома, но затем были обнаружены и другие возможные комбинации слоев, составляющих пленку. Так, в материале из чередующихся слоев кобальта и меди магнитосопротивление намного больше. На рис. 1.16 показано влияние постоянного магнитного поля на сопротивление многослойной системы железо-медь. Величина изменения сопротивления зависит от толщины слоев железа и достигает максимума при толщине 7 нм, как показано на рис. 1.17.
Рис. 1.15. Три структуры, в которых наблюдается гиганское магнитосопротивление:
(а) — чередующиеся слои немагнитного материала с ферромагнитными слоями, намагниченными в противоположных направлениях (направление намагниченности указано стрелками);
(б) — случайно ориентированные ферромагнитные наночастицы кобальта (большие кружки) в немагнитной медной матрице (маленькие кружки);
(в) смешанная система, состоящая из серебряных слоев с наночастицами кобальта и магнитных слоев из сплава Ni-Fe с чередующимися направлениями намагниченности, указанными стрелками.
Эффект возникает из-за зависимо¬сти рассеяния электронов от направле¬ния их спина по отношению к вектору намагниченности. Электроны, спин которых направлен противоположно направлению намагниченности М, рассеиваются сильнее, чем те, спин ко¬торых сонаправлен с М. Приложение постоянного магнитного поля вдоль слоев ориентирует векторы намагни¬ченности во всех слоях в одном на¬правлении. Электроны проводимости, спин которых направлен в сторону, противоположную намагниченности, рассеиваются на границах металл-ферромагнетик сильнее, чем со спином в направлении намагниченности. Так как оба канала работают параллельно, канал с меньшим сопротивлением определяет полное сопротивление материала.
Рис. 1.16. Зависимость электрического со¬противления R(B), нормированного на значение при нулевом поле R(0), многослойной Fe-Cr системы от магнитного поля, приложенного параллельно поверхности слоев.
Рис. 1.17. Зависимость изменения магнитосопротивления ΔR от толщины магнитного слоя железа в многослойной структуре Fe-Cr в постоянном магнитном поле
Эффект магнитосопротивления в этих слоистых материалах служит чувствительным детектором постоянного магнитного поля и является основой для создания новых высокочувствительных считывающих головок магнитных дисков. До открытия этого эффекта устройства магнитного хранения информации использовали индукционные обмотки, и для намагничивания малой области носителя в определенном направлении (режим записи), и для последующего определения направления намагниченности (режим считывания). Магниторезистивные считывающие головки существенно чувствительнее, чем индукционные.
Материалы, состоящие из однодоменных ферромагнитных наночастиц со случайно ориентированным вектором намагниченности, находящихся в немагнитной матрице, также обладают гигантским магнитосопротивлением. На рис. 1.15б показана схема такой системы. В отличие от слоистых структур магнитосопротивление в этой системе изотропно. При помещении ее в магнитное поле вектора намагниченности ферромагнитных наночастиц ориентируются по полю, что уменьшает электрическое сопротивление. Влияние магнитного поля на сопротивление увеличивается при увеличении напряженности поля и уменьшении размеров магнитных частиц. На рис. 1.18 показаны типичные результаты измерений на пленке, состоящей из наночастиц кобальта в медной матрице, при 100 К. Гибридные
системы, состоящие из наночастиц в металлической матрице, расположенной между двумя ферромагнитными слоями, демонстрируют аналогичные магниторезистивные свойства.
Рис. 1.18. Зависимость изменения магнитосопротивления ΔR от приложенного магнитного поля для тонкой пленки наночастиц кобальта в медной матрице.
Рис. 1.19. Кристаллическая структура LaMn03, в которой при легировании Са или Sr, замещающих La, наблюдается ко¬лоссальное магнитосопротивление.
Обнаружены материалы, имеющие большее значение магнитосопротивления, чем слоистые системы, и такое явление в них названо колоссальным магнитосопротивлением. Эти материалы также имеют множество возможностей для применения, например в записывающих магнитных головках или в чувствительных элементах магнитометров. В материалах типа перовскита LaMn03 марганец имеет валентность три. Если La3+ частично заменить двухвалентными ионами, например Са, Ва, Sr, Pb или Cd, для сохранения электронейтральности некоторые ионы марганца изменят состояние с Мn3+ на Мn4+. В результате образуется система со смешанной валентностью Мn3+/Мn4+, в которой присутствует значительное количество подвижных носителей заряда. Обнаружено, что такая система демонстрирует очень большое магнитосопротивление. Элементарная ячейка этого кристалла показана на рис. 1.19. Например, сопротивление системы La0.67Са0.33МпОх в постоянном поле 6 Т изменяется более, чем в тысячу раз. На рис. 1.20 показана зависимость удельного сопротивления тонкой пленки этого материала от приложенного постоянного магнитного поля. Температурная зависимость удельного сопротивления при температурах ниже точки Кюри также демонстрирует необычное поведение, показанное на рис. 1.21. Хотя влияние наноструктурирования на такие материалы еще не изучено подробно, ожидается его ярко выраженное действие на величину эффекта магнитосопротивления.
7. Ферромагнитные жидкости
Ферромагнитные жидкости — это коллоиды, обычно состоящие из 10-нанометровых магнитных частиц, покрытых поверхностно-активным веществом для предотвращения их агрегации и взвешенных в керосине или трансформаторном масле. Наночастицы представляют собой однодоменные магниты, ориентация магнитных моментов которых в отсутствии магнитного поля случайна в каждый момент времени, так что полная намагниченность жидкости равна нулю. При наложении магнитного поля моменты отдельных частиц выстраиваются по направлению поля, и жидкость намагничивается. Обычно в таких жидкостях используются частицы магнетита Fe3O4. На рис. 1.22 показана кривая намагничивания феррожидкости с 6-нанометровыми частицами магнетита, гистерезис которой практически отсутствует. Таким образом, ферромагнитные жидкости — суперпарамагнитные магнитомягкие материалы. Интересно, что суспензии магнитных частиц в жидкостях использовались в магнитных вакуумных затворах начиная с 1940-х годов, но брались частицы больших, микронных, размеров. Помещение такой суспензии в постоянное магнитное поле приводит к ее загущению до твердого состояния, так что в намагниченном состоянии этот материал жидкостью не является. Нанометровый масштаб размеров частиц является необходимым условием для существования ферромагнитной жидкости. Эти жидкости обладают массой интересных свойств, таких как зависимость от магнитного поля анизотропии оптических свойств.
Рис. 1.22. Кривая намагничивания ферромагнитной жидкости на основе наночастиц магнетита, Fe304, демонстрирует магнигомягкое поведение (отсутствие гистерезиса). 1 Эрстед = 10-4 Тесла.
Рис. 1.23. Фотография цепочек магнитных наночастиц в пленке ферромагнитной жидкости при наложении параллельного пленке магнитного поля, полученная через оптический микроскоп.
Рис. 1.24. (а) — Зависимость расстояния между цепочками магнитных наночастиц от индукции магнитного поля, параллельного поверхности пленки; (б) —зависимость тол¬щины цепочек от магнитного поля.
Аналогичные свойства наблюдаются у жидких кристаллов, состоящих из длинных молекул, обладающих электрическим дипольным моментом, на ориентацию которых в жидкой фазе можно влиять с помощью электрического поля. Управляемое электрическим полем двулучепреломление жидких кристаллов широко используется в оптических устройствах, например жидкокристаллических дисплеях наручных часов или переносных компьютеров. Это подсказывает потенциальные применения ферромагнитных жидкостей на основе их двулучепреломления, зависящего от магнитного поля. Для наблюдения этого явления жидкость помещают в закрытую стеклянную ячейку слоем толщиной несколько микрон. При наложении магнитного поля параллельно поверхности с помощью оптического микроскопа можно наблюдать, как некоторые магнитные частицы в жидкости собираются в иглообразные цепочки, ориентированные вдоль поля. На рис. 1.23 изображены такие цепочки при наблюдении в микроскоп. С ростом магнитного поля все большее количество частиц присоединяется к этим цепочкам, которые становятся и толще, и длиннее. Расстояние между цепочками также уменьшается. На рис. 1.24а и 1.24б приведены данные о расстоянии между цепочками и их толщине в зависимости от напряженности магнитного поля. При наложении поля перпендикулярно поверхности пленки цепочки упорядочиваются в структуру, снимок которой через оптический микроскоп показан на рис. 1.25. Первоначально, при низких полях, концы цепочек располагаются на плоскости случайно. Когда при увеличении напряженности поля достигается критическое значение, цепочки упорядочиваются в показанную на рисунке гексагональную структуру. Такое поведение аналогично образованию решетки вихрей в сверхпроводнике второго рода.
Образование цепочек в феррожидкости в магнитном поле делает ее оптически анизотропной. При распространении света или, в общем случае, электромагнитной волны, вектора напряженностей электрического и магнитного поля колеблются в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны. Свет называется линейно поляризованным в том случае, если колебания вектора одного типа происходят в одной перпендикулярной лучу плоскости, а не в случайном поперечном направлении. Когда линейно поляризованный свет падает на пленку ферромагнитной жидкости, находящуюся в магнитном поле, он выходит с другой стороны пленки эллиптически поляризованным. Это называют эффектом Коттона-
Рис. 1.25. Изображение концов цепочек магнитных наночастиц в ферромагнитной жидкости в перпендикулярном пленке магнитном поле, полученное в оптическом микроскопе. Напряженность поля доста¬точна для формирования гексагональной решетки из цепочек.
Рис. 7.26. Экспериментальная установка для измерения эффекта оптической поляризации на пленке ферромагнитной жидкости в магнитном поле, параллельном поверхности.
Мутона. Экпериментальная установка для наблюдения этого эффекта показана на рис. 1.26. Линейно поляризованный дополнительным поляроидом луч гелий-неонового лазера падает на пленку ферромагнитной жидкости. Для исследования поляризации выходящего из пленки света используется другой поляроид, называемый анализатором. Он размещается между пленкой и детектором света, в качестве которого выступает фотоумножитель. Интенсивность прошедшего пучка света измеряется как функция угла ориентации направления поляризации анализатора, обозначенного на рисунке буквой η. Из рис. 1.27 видно, что интенсивность проходящего света сильно зависит от угла η. Этот эффект может быть положен в основу оптических переключателей, в которых интенсивность пропускаемого света меняется посредством изменения магнитного поля или направления поляроида.
Рис. 1.27. Интенсивность пучка света, про¬ходящего через анализатор, показанный на
рис. 1.26, в зависимости от угла η в нулевом магнитном поле и в поле 200 Э (0.02 Тл).
С помощью ферромагнитной жидкости можно также создать настраиваемые магнитным полем дифракционные решетки. Дифракция возникает в результате наложения двух или большего количества световых волн с одинаковой длиной волны, приходящих на детектор, например, фотопленку, по путям слегка разной длины. Если длина путей отличается на половину длины волны, такие волны гасят друг друга, а на пленке образуется темная область. Если длина путей отличается на длину волны, интенсивности волн складываются, образуя яркую область на детекторе. Дифракционная решетка состоит из тонких щелей, разнесенных друг от друга на расстояния порядка длины волны падающего света. Выше было показано, что при помещении пленки ферромагнитной жидкости в достаточно сильное постоянное магнитное поле, направленное перпендикулярно пленке, агрегированные в цепочки ферромагнитные наночастицы образуют равновесную двумерную гексагональную решетку. Такая структура может выступать в качестве двумерной оптической дифракционной решетки, на которой падающий на нее свет будет дифрагировать. На рис. 1.28 показано черно-белое изображение цветных дифракционных колец, выглядящих как чередование светлых и темных участков. Эта структура образуется в результате дифракции параллельного пучка белого света на пленке ферромагнитной жидкости, помещенной в магнитное поле. Дифракционная картина определяется уравнением
Рис. 1.28. Черно-белое изображение цветных дифракционных колец, образующихся при прохождении света через пленку ферромагнитной жидкости в перпендикулярном к ее поверхности магнитном поле.
где d — расстояние между цепочками наночастиц, θ — угол между нормалью к поверхности пленки и выходящим из нее пучком света, n — целое число, а λ — длина световой волны. Ранее было показано, что расстояние d между цепочками зависит от напряженности приложенного магнитного поля. Таким образом можно получить перестраиваемую дифракционную решетку, которую можно подстраивать на требуемую длину волны, изменяя напряженность магнитного поля.
Ферромагнитные жидкости уже коммерчески используются в нескольких приложениях. Они выступают в качестве герметика, препятствующего проникновению пыли внутрь корпуса жестких дисков персональных компьютеров, и вакуумных уплотнителей, необходимых для введения быстро вращающихся осей в высоковакуумированную зону. В последнем случае
Рис. 1.29. Иллюстрация использования ферромагнитной жидкости в качестве ва¬куумного затвора между вращающимся валом из материала с высокой магнитной проницаемостью и неподвижными полю¬сами постоянного магнита.
жидкость используется для герметизации щели между вращающимся валиком и поддерживающей его опорой, как показано на рис. 1.29. Уплотнение состоит из нескольких капель ферромагнитной жидкости в промежутке между осью и втулкой, в качестве которой используется цилиндрический постоянный магнит. Жидкость образует вокруг оси непроницаемое кольцо, не вызывающее, однако, заметного трения. Уплотнения такого типа используются во многих применениях. Ферромагнитные жидкости используются в акустических динамиках для демпфирования мембраны. Даже природа использует ферромагнитные жидкости. Например, считается, что ферромагнитная жидкость играет определенную роль в системе ориентации форели. Полагают, что в носу форели существуют клетки, содержащие суспензии наночастиц магнетита. Когда рыба меняет свою ориентацию по отношению к магнитному полю Земли, направление намагниченности ферромагнитной жидкости в клетках меняется. Это изменение обрабатывается мозгом форели для получения информации о ее ориентации.
4.4. Контроль размерных параметров при травлении
На разброс рабочих характеристик прибора кроме обычных технологических факторов
влияет ряд дополнительных, например разброс геометрических разме¬ров ЧЭ
преобразователя. Этот разброс определяется точностью не процесса
фо¬толитографии, а процессов локального травления при формировании ЧЭ.
Разра¬ботаны различные способы контроля и обеспечения воспроизводимости длины,
ширины или диаметра ЧЭ. Погрешность воспроизводимости толщины может дос¬тигать
нескольких десятков процентов. Отсюда становится очевидной важность контроля и
воспроизводимости толщины для уменьшения разброса характеристик
преобразователей.
Следует отметить, однако, что в от¬личие от обычных интегральных схем в
преобразователях повышение точности контроля толщины и ее воспроизводимо¬сти
меньше влияет на выход годных структур по двум причинам: во-первых, из-за всегда
существующей необходимо¬сти индивидуальной настройки и градуи¬ровки
преобразователей и, во-вторых, из-за того, что разбраковка по толщине
про¬исходит не по принципу "годен — него¬ден", а по принципу "в какой класс
го¬ден?".
К настоящему моменту разработано несколько способов контроля обеспечения
воспроизводимости размеров. Наиболее важные из них:
- контроль по времени травления;
- оптический способ;
- контрольное подтравливание;
- использование самотормозящихся видов травления;
- контроль жесткости упругого эле¬мента.
Контроль по времени травления.
Прямым способом контроля толщины ЧЭ преобразователя является контроль ис¬ходной
толщины кремниевой пластины и глубины травления по времени травления. Факторами,
определяющими точность этого способа, являются следующие: по¬грешность
определения длительности процесса травления т.е. интервал вре¬мени, в течение
которого пластина поме¬щается в травитель и извлекается из него; непостоянство
скорости травления ; неравномерность исходной толщины пла¬стины . Если толщина
исходной пла¬стины равна Н, желаемая толщина ЧЭ h, то погрешность получения
толщины ЧЭ при рассматриваемом способе контро¬ля выражается следующим
образом:
Оптический способ контроля. Из¬вестно, что у кремния коэффициент по¬глощения
оптического излучения сравни¬тельно плавно увеличивается при возрас¬тании
энергии поглощаемых фотонов. Поэтому цвет кремниевой пластины на
Рис. 2.25. Схема установки контроля процесса травления оптическим способом:
1 - источник света; 2 - нагреватель;
3 - зеркало; 4 - сосуд с подогретой водой;
5 - емкость с травителем; 6 - прозрачная
пластина; 7 - кремниевая пластина;
5 - стеклянная крышка
просвет будет изменяться при изменении толщины пластины. Окраска меняется с
темно-красной при толщине порядка 22 мкм на оранжево-красную при толщи¬не -10
мкм и меньше. Практически ока¬зывается возможным с достаточной
вос¬производимостью контролировать толщи¬ну кремниевой пластины с погрешностью
2,5 мкм. На этом свойстве и основан оп¬тический метод контроля толщины
крем¬ниевых пластин в процессе их травления.
Схема установки для контроля тол¬щины пластины приведена на рис. 2.25.
Наблюдатель через стеклянную крышку может следить за изменением окраски
отраженного пучка света в про¬цессе травления.
Достоинством этого способа являет¬ся сравнительно высокая точность незави¬симо
от глубины травления, недостатком -его ограниченность: толщина кремниевых ЧЭ <
25 мкм.
Контрольное подтравливание. Этот способ заключается в том, что по периметру
кристалла с лицевой стороны, на которой изготовляются активные
(пре¬образовательные) элементы, производят контрольное подтравливание в виде
коль¬цевой канавки на глубину, равную желае¬мой толщине элемента преобразователя
(рис. 2.26, а). В процессе выполнения глу¬бокого травления в зоне
предварительно¬го травления образуется сквозное окно (рис. 2.26, б) и происходит
отделение час¬тицы кристалла, что является сигналом о прекращении дальнейшего
травления.
К недостаткам рассмотренного спо¬соба относятся следующие. Поскольку
формирование элемента и отделение кри¬сталла от пластины - заключительная
технологическая операция, необходимо использовать специальные виды металли¬зации
для токоведущих дорожек и кон¬тактных площадок, не стравливаемых в процессе
травления кремния. Другой не¬достаток - требуется специальное обо¬рудование для
автоматического удаления
4.2. Анизотропное травление
Особенностью анизотропного трав¬ления является то, что в разных
кристал¬лографических направлениях скорость удаления атомных слоев с поверхности
травления, т.е. скорость травления, имеет неодинаковые значения. Это объясняется
различной плотностью упаковки атомов в разных плоскостях, а также различным
характером связи поверхностных атомов между собой и с атомами, расположен¬ными в
объеме кристаллической структу¬ры полупроводника. Скорость травления в
зависимости от кристаллографического направления соответствует следующему ряду:
V[100] > V[110] > V[210] > V[211] >V[221] > V[111].
Для получения ЧЭ микродатчиков кремниевые заготовки в виде пластин ча¬ще всего
ориентируют в плоскостях (100), (110), (111).
Анизотропные травители представ¬ляют собой многокомпонентные раство¬ры,
состоящие из окислителя кремния до гидратированного диоксида, растворителя
последнего и замедлителя или ускорителя процесса травления. В составе травителей
используются системы: гидразин - вода; гидразин - изопропиловый спирт - вода;
этилендиамин - пирокатехин-вода; едкое кали - пропиловый спирт - вода; едкий
натр - вода; едкое кали - изопропиловый спирт - вода и др. В этих системах
эти¬лендиамин, гидразин и едкое кали выпол¬няют роль окислителя; пирокатехин,
про¬пиловый и изопропиловый спирт - ком¬плексные агенты. Вода служит
катализа¬тором.
Процесс анизотропного травления заключается в поэтапном удалении атом¬ных слоев
(слой за слоем) с поверхности кристалла, т.е. в процессе травления на
поверхности кристалла образуются мик¬роскопические ступеньки. Поэтому
ани¬зотропное травление не дает зеркальных поверхностей и полученный элемент
об¬рабатывают в течение 30 с в полирующем растворе изотропного травителя,
сос¬тоящего из смеси плавиковой, уксусной и азотной кислот, взятых в пропорции 1
: 1,2 : 6,2. Обработка в полирующем растворе сглаживает микронеровности,
остающиеся после анизотропного травле¬ния. В результате повышается также пре¬дел
прочности до разрушения ЧЭ в 3-4 раза.
На скорость травления значительное влияние оказывают концентрация приме¬сей и их
тип в кремнии. Поэтому при травлении р- и n-кремния в составы ани¬зотропных
травителей вводят различные присадки. Разработаны также разнообраз¬ные
самотормозящиеся виды травления. Комбинируя предварительные диффузии с
анизотропными и изотропными трави-телями, можно получать с заданной раз¬мерной
точностью весьма сложные объ¬емные микроформы ЧЭ.
Скорость травления диоксида крем¬ния во всех применяемых травителях ока¬зывается
значительно ниже скорости травления кремния. Поэтому при локаль¬ном травлении
защита поверхности кремниевой пластины от травления может
Рис. 2.23. Анизотропное травление в плоскостях (100) и (110):
а-(100); б-(110)
быть осуществлена с помощью оксидной пленки. Оксидные маски локализуют процесс
травления профилированных уг¬лублений, сквозных отверстий и пазов. На рис. 2.23
показаны формы углублений [17] и соответствующие им маски при анизотропном
травлении на плоскостях (100) и (110).
При воздействии травителя на плос¬кости (100) и ориентации кромок оксид¬ной
маски в направлении [110] скорости травления в направлениях [100] и [111]
отличаются на два порядка и больше. В результате происходит смыкание граней
(111) при незначительном подтравлива-нии под маску (рис. 2.24).
При этом размер дна L1 образующей¬ся канавки определяется уравнением
,
где - размер ширины канавки в маске; t - время травления; А = - степень
анизотропии травления; V100, V111 - ско¬рости травления в направлениях [100] и
[111]; - угол между плоскостями (100) и (110).
Смыкание боковых граней возможно, если А > 1/ . Время, необходимое для
смыкания, равно
Глубина травления в момент смыка¬ния определяется формулой:
При высокой степени /анизотропии (V100 >>V111) приведенная формула упро¬щается:
Рис. 2.24. Формы фигур анизотропного травления кремния на плоскости (100)
Необходимый размер окна в маске для заданной глубины определяется зависимостью
. Подтравлива-ние под маску определяется формулой .
Приведенные соотношения могут быть использованы и при расчете пара¬метров
травления на плоскости (110) при подстановке соответствующих значений V и .
2.4.3. Другие виды травления
При любых видах химических травителей эффективность их воздействия воз¬растает
при перемешивании растворов. В химико-динамическом травлении ис¬пользуют мешалки
лопастного типа и ультразвуковые вибраторы. Избиратель¬ное удаление слоя кремния
и других ма¬териалов при наличии защитной маски возможно с помощью вакуумно-
плазменного травления, которое обеспечивает избирательность, скорость и
анизотроп¬ность травления. Слой кремния удаляется путем химического
взаимодействия ионов и радикалов активного газа с атомами кремния с образованием
летучих соеди¬нений.
Плазмохимическое травление под¬разделяется на плазменное и радикаль¬ное. В
первом случае пластины кремния находятся непосредственно в плазме хи¬мически
активных газов [четыреххлори-стый углерод СF4 или дифтордихлорметан СF4Сl2
(фреон-12)], а во втором пластины находятся в вакуумной камере, отделен¬ной от
газоразрядной химически активной плазмы перфорированными металличе¬скими
экранами или магнитными и элек¬трическими полями.
Разряд возбуждается высокочастот¬ным генератором мощностью до 300 Вт и "горит"
вне камеры, в которой находятся пластины. Давление в камере -0,01 Па. Скорость
травления -400 нм/мин. После травления промывки практически не тре¬буется.
Электролитическое травление ре¬комендуется применять при обработке кремния в
плоскости (111). В качестве травителей используют растворы кислот и щелочей,
например плавиковую кислоту, щелочь КОН.
При электролитическом локальном травлении воспроизводимость формы лу¬нок
травления определяется в основном воспроизводимостью скорости травления, которая
зависит кроме всех отмечавшихся ранее факторов от значения и способа подведения
напряжения между поверхно¬стью травления и электролитом. Напри¬мер, увеличение
плотности тока обеспе¬чивает, в общем, рост скорости травления и улучшает
качество поверхности. Однако при этом, как правило, ухудшается рав¬номерность
фронта травления.
Изменение анодного тока влияет также на отношение размеров бокового
подтравливания под край защитной маски к глубине травления. При малой плотно¬сти
тока характер травления практически совпадает с изотропным. В случае увели¬чения
тока травление в глубину начинает превалировать над травлением под маску, что
происходит, по-видимому, из-за пере¬распределения анодного тока между
раз¬личными участками поверхности лунки травления.
Применение электроискрового микропрофилирования кремния ограни¬чивается размером
инструмента (элек¬трод) и наличием на поверхности пластин микротрещин. Наиболее
приемлем ком¬бинированный способ обработки: вначале электроискровой обработкой
получают предварительные размеры, а затем с по¬мощью электролитического
травления или полирующими травителями доводят размеры до заданных значений.
Травление поликристаллического кремния. Практически все травители,
воздействующие на монокристаллический кремний, травят и поликристалл. Однако
более перспективны травители, в которых пленка диоксида кремния оказывается
надежной защитой при локальном травлении пластины на большую глубину, на¬пример
почти на всю толщину пластины.
По сравнению с изотропным травле¬нием монокристаллического кремния травление
поликристаллического кремния приводит к несколько худшей воспроиз¬водимости
формы упругих элементов преобразователей из-за существенно большей
неоднородности поликристалла. Но в отличие от изотропного травления
рассматриваемый процесс характеризует¬ся определенной направленностью. Во всех
случаях боковое подтравливание под край маски происходит медленнее, чем
травление в глубину.
Электролитическое травление наряду с изотропным является одним из самых
распространенных и хорошо отработан¬ных методов травления полупроводников.
Микропрофилирование сапфира основано на травлении в потоке водорода и метана при
температуре 1900 °С и дав¬лении 1,3 Па. Локальность травления обеспечивается
маскированием поверхно¬сти сапфировой пластины с помощью вольфрамовой пленки,
выращенной из парогазовой смеси. Указанное травление носит анизотропный
характер. Отношение скорости травления в глубину к скорости бокового
подтравливания равно 4. При травлении сапфира на глубину 100 мкм боковой растрав
< 25 мкм.
Травление защитных покрытий. Для защиты поверхности полупроводни¬кового кремния
наряду с оксидной плен¬кой SiО2 используется нитрид кремния Si3N4, а также
пленки из алюминия, золо¬та, хрома и др.
Для удаления оксидной пленки при¬меняется так называемый буферный тра-витель в
составе: плавиковая кислота НF -40%-ная, фтористый аммоний NН4F, вода в
соотношении 2:7: 1.
Заметим, что защитные металличе¬ские пленки различной толщины могут быть
получены за несколько десятков се¬кунд методом термического вакуумного
напыления.
Для размерного травления металли¬ческих пленок хорошо зарекомендовали себя
щелочные и кислотные травители.
4.1. Изотропное травление
Изотропное травление является од¬ним из самых известных и распростра¬ненных
способов локального микропро¬филирования. Характерная особенность изотропного
травления состоит в одина¬ковом воздействии во всех кристаллогра¬фических
направлениях. Этот процесс известен как подрезание (рис. 2.22 а, б), а также как
химическое полирование.
В качестве изотропных травителей используются травители на основе плави¬ковой и
азотной кислот. Медленный тра-витель содержит НNO3 : НF : СН3СООН (в соотношении
7 : 1 : 3) и применяется для получения мелких рельефов при ско¬рости травления
около 0,1 мкм/мин. Бы¬стрый травитель имеет такой же состав, но в соотношении 3
: 1 : 1 и служит для получения глубоких рельефов при скоро¬сти ~4...8 мкм/мин.
Скорость травления полупроводника зависит от большого числа факторов:
- типа травителя и его температуры;
- скорости отвода продуктов реакции и подвода реагентов к поверхности
полу¬проводника (т.е. скорость перемешивания травителя);
- наличия или отсутствия дефектов как в самом полупроводнике, так и в за¬щитной
маске, обеспечивающей локаль¬ность травления;
- испарения травителя, приводящего к изменению его концентрации, и т.д.
Большинство этих факторов плохо поддается контролю, и в результате
можетзамедлиться скорость травления, а в неко¬торых случаях (глубокие и узкие
каналы) оно может остановиться. Однако этот эф¬фект можно ликвидировать
перемешива¬нием травителя, делая в структурах почти точные и скругленные
поверхности, диа¬метр которых определяется по формуле (рис. 2.22, в)
D = 2(а + V/t),
где а - радиус отверстия в маске; V - ско¬рость травления; t- время травления.
Специфическая форма микропрофи¬ля, а также сложность обеспечения ло¬кальной
защиты от длительного воздейст¬вия травителя не позволяют рассматри¬вать
изотропное травление как перспек¬тивный способ микропрофилирования для
изготовления преобразователей.
4. ТРАВЛЕНИЕ
Требуемая конфигурация чувстви¬тельного элемента с глухими и сквозными
отверстиями, щелями и пазами обеспечи¬вается преимущественно локальным
хи¬мическим травлением. Доступ к кремнию травителей осуществляется вскрытием
защитного слоя литографическими про¬цессами.
По характеру взаимодействия с кремнием химическое травление является реакцией
растворения, которое в зависи¬мости от кинетики делится на молекуляр¬ное, ионное
и реактивное.
В зависимости от условий травления различают два механизма травления крем¬ния
при отсутствии внешнего источника тока: электрохимический и химический.
Электрохимический механизм харак¬теризуется протеканием на поверхности кремния
двух реакций: анодного окисле¬ния и катодного восстановления окисли¬теля.
Наиболее широко используются травители на основе системы азотной НNO3 и
фтористо-водородной НF кислот. Кислота НNОз выполняет функцию окис¬лителя
кремния, а кислота НF является комплексообразователем - растворителем оксида.
При химическом механизме травле¬ния на поверхности кремния протекают
окислительно-восстановительные реак¬ции, связанные с чисто химическим
взаи¬модействием молекул травителя с по¬верхностными атомами. Состав травите-
лей, как правило, подбирается опытным путем. Травители - это смеси, состоящие из
окислителя, комплексообразователя (образование растворимых соединений с
оксидами), растворителя, ускорителя или замедлителя реакций окисления и
раство¬рения оксида и специальных добавок, обеспечивающих, например,
избиратель¬ное травление.
Химическое травление подразделяют на изотропное, анизотропное и селективное.
Рис. 2.22. Изотропное травление:
с перемешиванием травителя; б- без его перемешивания; в - структура с
характерными размерами
3.3. Рентгеновская литография
Метод рентгеновской литографии иллюстрируется рис. 2.21.
Маска состоит из мембраны, про¬зрачной для рентгеновских лучей и под¬держивающей
пленку, которая имеет за-
Рис. 2.21. Схематическое изображение рентгеновской литографии
данный рисунок и сделана из материала, сильно поглощающего рентгеновские лу¬чи.
Эта маска располагается на подложке, покрытой радиационно-чувствительным
резистом. На определенном расстоянии от маски находится точечный источник
рентгеновского излучения, которое воз¬никает при взаимодействии
сфокусиро¬ванного электронного луча с мишенью. Рентгеновские лучи облучают
маску, соз¬давая соответствующие проекционные тени от поглотителя рентгеновских
лучей на полимерной пленке.
Это пока единственный способ экс¬понирования резиста рентгеновскими лу¬чами,
поскольку линз и зеркал для управ¬ления ими сделать нельзя. Вставка в кружке к
рис. 2.21 иллюстрирует величи¬ну полутени 8 рентгеновского луча, кото¬рая
является результатом конечного зна¬чения ширины d рентгеновского пучка, присущей
любому источнику рентгенов¬ского излучения. При каждой экспозиции величина 5
может быть уменьшена путем правильного выбора параметров. Полуте¬невое
изображение снижает четкость ли¬ний на фоторезисте и определяет мини¬мально
допустимую величину литографи¬ческого разрешения системы
,
где s - ширина зазора между фотошабло¬ном и подложкой.
Поскольку в рентгеновской литогра¬фии используемые длины волн составля¬ют 1 нм,
дифракционные эффекты пре¬небрежимо малы, и поэтому маску можно располагать на
некотором небольшом расстоянии от подложки.
ФИЗИКА_През_Основы ТЕХН_МАТЕР и ПЛЕНКИ
Обычно источником электронов яв¬ляется подогреваемый катод, который испускает
электроны вследствие термо¬электронной эмиссии. Эти электроны за¬тем ускоряются
электростатическими по¬лями и фокусируются с помощью элек¬тромагнитных полей.
Для того чтобы по¬лучить четкий рисунок, пучок электронов управляется и
отклоняется посредством магнитных и электростатических полей.
Сканирующий электронный луч по¬зволяет создавать рисунки с высоким раз¬решением
(с шириной линии < 0,5 мкм). Кроме того, он обладает такими достоин¬ствами,
как управляемость с помощью ЭВМ, достаточно большая глубина про- никновения
(10 мкм) и возможность фо¬кусировки и контроля его положения с использованием
уже хорошо отработанных систем электронной микроскопии.
При изготовлении микроэлектронных структур сканирующая электроннаялитография
применяется для двух целей: для создания рисунка сканирующим элек¬тронным лучом
непосредственно на фо¬торезисте, нанесенном на кремниевую пластину, и для
изготовления фотошабло¬на, рисунок которого может быть затем перенесен на
подложку.
2.1. Эпитаксия
Эпитаксия - процесс наращивания на кристаллической подложке атомов,
упо¬рядоченных в монокристаллическую структуру, с тем чтобы структура
нара¬щиваемой пленки полностью повторяла кристаллическую ориентацию подложки.
Если подложка и наращиваемая пленка состоят из одного вещества, то процесс
называют автоэпитаксиальным, если из различных веществ, то гетероэпитаксиальным.
Основное достоинство техники эпитаксии - получение чрезвычайно чис¬тых пленок
при сохранении возможности регулирования уровня легирования. Леги¬рующая примесь
может быть как n-, так и p-типа независимо от типа подложки.
Схема установки для газовой эпитак¬сии показана на рис. 2.12.
Газообразный водород с примесью SiCl контролируемой концентрации про¬пускается
через реактор, в котором на графитовом основании расположены кремниевые
пластины. Индукционным нагревом с помощью высокочастотных катушек графит
прогревается до высокой температуры (>1000 °С). Эта температура необходима для
обеспечения правильной ориентации осаждаемых атомов в решет¬ке и получения
монокристаллической пленки.
В основе процесса лежит реакция SiCl + 2Н2 = Si (твердый) + 4НСl.
Рис. 2.12. Схема установки для газовой эпитаксии
Для получения эпитаксиального слоя п-типа используются жидкие (РС1, РВг3) или
газообразные (РН3) легирующие ве¬щества, содержащие фосфор или другие элементы
этой группы. Слой р-типа полу¬чают в результате легирования кремния бором или
его соединениями.
К газовой эпитаксии относится также конденсация на подложке разреженных паров
вещества. Этот способ называется еще вакуумной, или молекулярно-лучевой,
эпитаксией. Кремний испаряется из жидкой или твердой фазы и конденсиру¬ется на
нагретую до заданной температу¬ры монокристаллическую подложку. Ато¬мы кремния
вследствие высокой темпера¬туры диффундируют в ее поверхность в те места
решетки, где минимум свободной энергии. Таким образом образуется эпитаксиальный
слой. В промышленности применяют од¬нокамерные и двухкамерные установки
молекулярно-лучевой эпитаксии. Послед¬няя проводится в сверхвысоком вакууме (10-
10...10-11 Па) и основана на взаимо¬действии нескольких молекулярных пуч¬ков с
нагретой монокристаллической под¬ложкой. Этот процесс иллюстрируется на рис.
2.13.
Каждый нагреватель содержит ти¬гель, являющийся источником одного из составных
элементов пленки.
Температура каждого нагревателя выбирается таким образом, чтобы давле¬ние паров
испаряемых материалов было достаточным для формирования соответ¬ствующих
молекулярных пучков. Нагре¬ватели располагаются так, чтобы макси¬мумы
распределений интенсивности от¬дельных пучков пересекались на подлож-
Рис. 2.13. Система источников-нагревателей для молекулярно-лучевой эпитаксии
2. ВЫРАЩИВАНИЕ И
ДЕПОНИРОВАНИЕ ТОНКИХ
ПЛЕНОК
Развитие микротехнологии обеспе¬чило так называемый планарный процесс, или
планарную технологию, суть которой заключается в последовательном изготов¬лении
слоев с заданным рисунком, распо¬ложенных друг над другом и состоящих из
материалов с различными электриче¬скими свойствами.
Слои с различными электрическими свойствами можно получать, изменяя свойства
подложки, например, путем ее легирования или окисления, или же осаж¬дения на ее
поверхность слоя с помощью внешнего источника посредством испаре¬ния или
распыления в вакууме. Заданный рисунок получается в процессе фотолито¬графии.
При этом рисунок с фотографическо¬го трафарета проецируется на поверх¬ность
подложки, предварительно покры¬тый слоем фоторезиста. Фоторезистивные материалы
обладают двумя свойствами. Одно из них заключается в том, что под действием
света способность фоторезиста растворяться в определенном классе рас¬творителей
изменяется. После проявления в таком растворителе спроецированный рисунок
остается на поверхности подлож¬ки. Другое свойство состоит в том, что
нерастворенные области фоторезиста со¬вершенно не взаимодействуют (резистивны) с
другим классом растворителей, ко¬торые способны травить или изменять каким-либо
образом нижележащий слой материала.
Если один и тот же материал не об¬ладает одновременно этими двумя свой¬ствами,
то для получения заданного ри¬сунка необходимо добавить промежуточ¬ный слой,
имеющий резистивные свойст¬ва, нужные для травления подложки или другого
изменения ее свойств.
Титан и хром
Титан и хром являются материалами для подслоев. Титан отличается высокой
механической прочностью и коррозион¬ной стойкостью. Однако, из-за высокого
удельного сопротивления и возможности образования оксидной пленки он
исполь¬зуется в виде систем: Si - Ti – Au ; Si - Ni -Мo - Au и др. Хром
характеризуется хо¬рошей адгезией с кремнием, но при тем¬пературе > 200 °С
взаимодействует с ди¬оксидом кремния.
Платина, титан и молибден служат для создания разделительных (барьерных) слоев.
Наилучшими разделительными свойствами обладает платина. Ее пленка толщиной 0,05
мкм исключает взаимодей¬ствие между большинством металлов, используемых в
качестве контактных и проводящих слоев. Со свойствами мате¬риалов, применяемых в
производстве кон¬тактных систем, можно ознакомиться по литературе [4, 17, 20].
Получение тонких металлических пленок возможно одним из следующих способов:
- физическим осаждением или кон¬денсацией из газовой среды
(термоваку¬умное или катодное распыление);
- химическим осаждением из газовой фазы (пиролиз, реактивное распыление);
- электролитическим или гальвани¬ческим осаждением из растворов солей
металлов (нанесение гальванических покрытий, химическое меднение);
- анодным или термическим окисле¬ние поверхности;
- ионным распылением.
Промышленность выпускает установки для получения тонких пленок тер¬мовакуумным
испарением, принцип которого состоит в том, что осаждаемый мате¬риал нагревом
переводится в парогазовую фазу. Образующийся парогазовый поток распространяется
в вакуумной камере прямолинейно и попадает на подложку, температура которой
ниже, чем пара. Происходят конденсация и образование пленки.
Метод тонкого распыления позволя¬ет получать пленки из проводящих,
ди¬электрических и полупроводниковых ма¬териалов, а также из тугоплавких и
мно¬гокомпонентных. Принцип этого метода основан на бомбардировке мишени из
осаждаемого материала быстрыми части¬цами, например, положительными ионами
аргона. Выбитые из мишени частицы об¬разуют поток материала, который осажда¬ется
на подложках в виде тонких пленок. Подложки располагаются на пути потока на
некотором расстоянии от мишени.
Толщина, электрическое сопро¬тивление и адгезия - основные контро¬лируемые
параметры пленок. Для измере¬ния толщины используют методы микро¬взвешивания,
многолучевой интерферо¬метрии и разности частот кварцевого ре¬зонатора. Качество
адгезии пленки с под¬ложкой обычно проверяется по силе на отрыв пленки от
подложки с помощью напаянного на пленку цилиндра.
Размеры контактных площадок и пленочных проводников назначаются с учетом
ограничений, обусловленных воз¬можностями технологии и накопленным опытом.
Укажем для примера, что минимальное расстояние между пленочными элементами и
контактными площадками 300 мкм при использовании масок, и 50 мкм при
фотолитографии, минимально допустимые размеры контактных площа¬док составляют:
для приварки гибких вы¬водов 200x150 мкм, а для припайки -400x400 мкм.
Для применения в МЭМС-устройствах рассматриваются и другие материалы. Например,
полиамиды - класс органиче¬ских пленок, которые могут конкуриро¬вать с диоксидом
кремния, как изолято¬ром, т.е. это новое поколение диэлектри¬ков с низкой
диэлектрической проницае¬мостью.
Серебро
Серебро также обладает хорошей электропроводимостью и теплопроводно¬стью и также
имеет плохую адгезию с кремнием. Следовательно, и здесь необ¬ходим подслой, что
усложняет техноло¬гию получения пленки. Кроме того, так как атомы серебра
способны мигрировать по подложке, возможно образование ни¬тей из серебра между
соседними прово¬дящими линиями.
Медь
Основная причина использования меди в МЭМС состоит в том, что она от¬личается
более высокой проводимостью, чем алюминий и золото. Медь - пре¬восходный
проводник теплоты. Однако из-за плохой адгезии с кремнием она в настоящее время
служит только в качест¬ве проводника.
Физические свойства меди
Плотность, г/см3 8,89
Точка плавления, °С 1083
Удельная теплоемкость, Дж/(г •°С) 0,39
Модуль Юнга (объемное
значение), ГПа 115
Коэффициент Пуассона 0,36
Предел прочности, МПа 220
Теплопроводность, Вт/(см•°С) 3,98
Коэффициент теплового расши¬
рения, °С
Удельное сопротивление, Ом•см ..
Золото
Золото - вещество, которое все больше находит применение в области
мэмс.
Физические свойства золота
Плотность, г/см 19,3
Точка плавления, °С 1063
Удельная теплоемкость, Дж/(г •°С) 0,13
Модуль Юнга (объемное значение), ГПа 75
Коэффициент Пуассона 0,42
Критический предел прочности при растяжении, МПа 125
Теплопроводность, Вт/(см • °С) 3,15
Коэффициент теплового расширения, °С
Удельное сопротивление, Ом •см
Золото почти всегда наносится на поверхность более твердого материала или
используется в изделиях, не связан¬ных с механическим движением. Золото имеет
проблемы адгезии с SiO2, но есть некоторые установленные методы для их обхода.
Один из методов состоит в том, чтобы использовать посреднический слой хрома как
связующий материал, посколь¬ку он формирует связи Cr2O с SiO2, а также
отличается сильным сцеплением с золотом.
Главный стимул для использования золота в МЭМС-изделиях заключается в том, что
оно является лучшим электриче¬ским проводником, чем алюминий. Кроме
того, золото не сразу окисляется в атмо¬сфере, что делает его привлекательным
для применения в изделиях, связанных с непосредственным воздействием атмосферы.
Алюминий
Обычно используется в МЭМС как напыляемая пленка, наносимая поверх обработанной
структуры. Закрывая струк¬туру проводящей пленкой, в устройстве создают
эквипотенциальные поверхности, которые являются необходимыми для действия многих
электростатических уст¬ройств. Алюминий также обычно исполь¬зуется как
электрический проводник в полупроводниковых технологиях.
Физические свойства алюминия
Плотность, г/см3 2,71
Точка плавления, °С 659
Удельная теплоемкость,
Дж/(г •°С) 0,90
Модуль Юнга (объемное значе¬
ние), ГПа 70
Коэффициент Пуассона 0,35
Критический предел прочности,
МПа:
при сдвиге 70
при растяжении 110
Теплопроводность, Вт/(см • °С) 2,37
Коэффициент теплового расширения,
°С
Удельное сопротивление,
Ом • см
Длительное время алюминий был единственным хорошим проводником, который мог быть
легко объединен в ин¬тегральных схемах. Так как алюминий формирует связи Аl2O3 с
SiO2, он отлича¬ется хорошей адгезией со слоями пасси¬вирования.
1.5. Металлы
Металлы используются в МЭМС как электрические проводники и иногда в ка¬честве
структурного материала. Омиче¬ские контакты, контактные соединения и пленочные
проводники служат для элек¬трических связей: со слоями на подложке, между
слоями, внутрисхемных соединений и соединений внутренних элементов
мик¬роэлектронных средств преобразователя с внешними электрическими цепями.
Схемы контактов приведены на рис. 2.11.
Контакт должен удовлетворять следующим требованиям:
- быть невыпрямляющим, т.е. его сопротивление не должно изменяться при
изменении направления электрического тока;
- иметь линейную вольт-амперную характеристику, т.е. его сопротивление не
должно зависеть от величины протекающего тока;
- обладать малым сопротивлением как в направлении, перпендикулярном к
плоскости р-п-перехода, так и параллельном ей;
- отличаться хорошей адгезией с полупроводником и оксидной пленкой;
- характеризоваться высокой теплопроводностью;
- не инжектировать неосновные носители заряда;
- иметь температурные коэффициенты линейного расширения полупроводника и
материала вывода, близкие друг к другу;
- представлять собой стабильную металлургическую систему с
полупровод¬ником и материалом вывода;
- не проникать глубоко в полупроводник;
- материал контакта должен позволять проводить фотолитографию и быть
достаточно пластичным.
Материалов, полностью отвечающих указанным требованиям, не существует: каждый из
них характеризуется своими достоинствами и недостатками.
Карбид кремния
Свойства карбида кремния в боль¬шой степени зависят от условий обработ¬ки и
могут изменяться в широких преде¬лах (табл. 2.8).
2.8. Физические свойства карбида кремния
Тип Sic Содержание Sic,%
Плот¬ность,
г/см3 Модуль Юнга, ГПа Коэффици¬ент теплово¬го расшире¬ния,
Тепло¬провод¬ность, Вт/(м •К) Сопро¬тивление изгибу, МПа
Керамическая связка До 95
2,55
100 5,8 16 30
Повторно кри-сталлизованый 100 240 5,0 28 100
Плавленый 95 410 4,9 50 450
Горячепрессо-ванный 98 450 4,5 55 650
Карбид кремния используется из-за его большой твердости и высокого
темпе¬ратурного сопротивления. Многие SiC-структуры менее эластичны, чем
кремний, что полезно для некоторых МЭМС-устройств. Коэффициент Пуассона SiC
изменяется от 0,183 до 0,192. SiC - луч¬ший природный изолятор для кремния и
арсенида галлия. Его удельное сопротивление равно Ом•см, хотя добавле¬ние
присадок может его изменить до 1012Oм•см.
Нитрид кремния
Нитрид кремния плохо реагирует со многими технологиями травления и по¬этому его
часто используют как защиту от распространения примесей и ионного за¬грязнения.
Физические свойства нитрида кремния
Плотность, г/см3 3,1
Точка плавления, °С 1900
Модуль Юнга, ГПа 73
Разрушающее напряжение, МПа ... 460
Коэффициент теплового расшире¬
ния, °С
Теплопроводность, Вт/(см•°С) 0,28
Удельное сопротивление, Ом•см ... 10
Диэлектрическая постоянная 9,4
Пленки нитрида кремния, исполь¬зуемые в большинстве МЭМС-устройств, аморфны и
обычно или напыляются, или депонируются методами химического осаждения из
паровой (газовой) фа¬зы. Чтобы поддерживать структурную целостность пленок, их
обычно выращи¬вают толщиной порядка нескольких сотен нанометров. Наиболее общая
пленка име¬ет модуль Юнга около 260...330 ГПа и коэффициент Пуассона 0,25.
Нитрид кремния обладает многими механическими свойствами, которые де¬лают его
желательным материалом. Он является более хорошим тепловым изолятором, чем
поликремний, что важно для изоляции поверхности микромеханической структуры.
Благодаря высокой механической прочности он стал идеальной пленкой для барьера
от пыли и трения.
Рис. 2.11. Схемы контактов:
а - обычного; б- на легированной поверхности; в - на поверхности диэлектрика; 1
- вывод; 2 - контакт; 3 - слой диэлектрика; 4 - легированная область
Одно из неудачных свойств нитрида кремния - не столь хорошие изоляцион¬ные
свойства, как у кремниевого диокси¬да. Из-за этого некоторые проектировщи¬ки
любят формировать большинство изо¬ляторов из SiO и затем покрывать его
поверхность Si N .
1.4. Кремниевые компаунды
Диоксид кремния в МЭМС-уст-ройствах используется как структурный материал и как
изолятор.
Окисление кремниевой пластины яв¬ляется хорошо исследованным процессом. Однако
по сравнению со стандартной технологией здесь есть особенности [4, 17, 20].
Рассмотрим их.
1. Качественный оксид должен быть получен с обеих сторон пластины.
2. Толщина оксида определяется уже не только обычными требованиями
(на¬пример, защитными свойствами при диф¬фузии примесей, паразитными емкостями
проводников на подложку и т.п.), но и специфическими. Например, существует
необходимость защиты поверхности кремния при глубоком микропрофилиро¬вании
пластины методом анизотропного химического травления.
Слой диоксида кремния формируется обычно на подложке путем химического
соединения в полупроводнике атомов кремния с кислородом, который подается к
поверхности кремниевой подложки, на¬гретой в технической печи до высокой
температуры (900... 1200 °С).
Окисление происходит гораздо бы¬стрее в атмосфере влажного кислорода, поэтому
влажное окисление используется
для образования более толстых защитных слоев. Процесс окисления происходит на
границе Si-SiO , поэтому молекулы окис¬лителя диффундируют через все
предва¬рительно сформированные слои оксида и лишь затем вступают в реакцию с
крем¬нием на его границе с оксидом.
Физические свойства диоксида кремния
Плотность, г/см3 2,65
Точка плавления,°С 1728
Модуль Юнга, ГПа 66
Предел прочности, МПа 69
Теплопроводность, Вт/(см•°С) ...
Коэффициент теплового
расширения, °С
Диэлектрическая постоянная 3,78
Удельное сопротивление, Ом-см .. 10
Наиболее часто используется толщи¬на, составляющая десятые доли микрона, а
верхний практический предел по тол¬щине для обычного термического окисле¬ния
составляет 1.. .2 мкм.
Физические свойства АIGаАs
Физические свойства АIGаАs
Кристаллическая структура Цинковая обманка
Постоянная кристаллической решетки, А 5,66
Количество атомов/см3 1022
Плотность, г/см3 3,76
Точка плавления, °С 1467
Удельная теплоемкость, Дж/(г•°С) 0,48
Константы жесткости, ГПа:
120,2
57,0
58,9
Тепловой коэффициент расширения, °С-1
Теплопроводность, Вт/(см•°С) 0,9
Диэлектрическая проницаемость 10,06
Колебания решетки
Во всех рассмотренных случаях мы считали, что атомы находятся в определенных
местах решетки, но в действительности они непрерывно движутся около своих
положения равновесия. Эти флуктуации возникают из-за тепловых колебаний решетки
и становятся сильнее при увеличении температуры. Так как атомы связаны друг с
другом посредством тех или иных связей, смещение одного атома из положения
равновесия вызывает смещение соседей. Химические связи действуют как пружинки,
которые постоянно сжимаются и растягиваются при таких осцилляциях. В результате
множество атомов колеблется в унисон, и это коллективное движение
распространяется на весь кристалл. Каждый тип решетки обладает своими
характерными модами или частотами колебаний, называемыми нормальными модами.
Всеобщее коллективное колебательное движение решетки является комбинацией, или
суперпозицией многих нормальных мод. У двухатомной решетки, такой как GaAs, есть
низкочастотные моды, называемые акустическими, в которых тяжелые и легкие атомы
колеблются в унисон, или в фазе друг с другом, и высокочастотные моды,
называемые оптическими, в которых они колеблются в противофазе. Простой моделью
для рассмотрения этих колебательных мод является одномерная цепочка чередующихся
атомов с большой массой М и малой массой m, связанных друг с другом пружинами
(~) следующим образом:
~ m ~ М ~ m ~ М ~ m ~ М ~ m ~ М ~
Когда одна из пружин сжата или растянута на величину Δх, на соседние массы
действует сила величиной СΔх, где С – жесткость пружины. Так как пружины
растягиваются и сжимаются последовательно друг с другом, имеет место продольная
колебательная мода, в которой атомы движутся вдоль направления пружин. Каждая
нормальная мода характеризуется своей частотой ω, волновым числом k = 2π/λ, где
λ — длина волны, и энергией Е, связанной с ней посредством Е = hω. Существуют и
поперечные нормальные моды, в которых атомы колеблются перпендикулярно линии их
связей. На рисунке показана зависимость ω от k для низкочастотных акустических
и высокочастотных оптических продольных мод. Видно, что частота акустической
ветви монотонно увеличивается с увеличением волнового числа, а оптической —
монотонно падает. Эти две ветви имеют предельные частоты (2С/М)1/2 и (2С/m)1/2 с
энергетической щелью между ними на границе зоны Бриллюэна kmах = π/а, где а —
равновесное расстояние между атомами М и m. Зона Бриллюэна — это элементарная
ячейка в пространстве волновых чисел, или обратном пространстве, что будет
излагаться далее в этой главе. Оптическая колебательная ветвь находится в
инфракрасном диапазоне, обычно на частотах от 1012 до 3х1014 Гц. Характерные
частоты акустической ветви много ниже. В трехмерном случае ситуация более
сложна, и следует рассматривать продольную акустическую, продольную оптическую,
поперечную акустическую и поперечную оптическую ветви.
Рис. 2.10. Зависимость круговой частоты w продольной колебательной моды от
волнового числа k = 2π/λ для цепочки атомов двух типов с чередующимися массами m
< М на расстоянии а, связанных пружинами с жесткостью С.
Атомы в молекулах также подвержены тепловым колебаниям. Молекула из N атомов
обладает 3N-6 колебательными степенями свободы. Конкретные молекулярные группы,
такие как гидроксильная – ОН, амино- – NH2, нитро- – NO2, имеют свои
характерные нормальные моды, которые позволяют обнаруживать присутствие таких
групп в молекулах и твердых телах.
Обсуждаемые колебания атомов относятся к типу стоячих волн. Бывают и бегущие
волны, когда локализованная область колеблющихся атомов перемещается по
кристаллу. Примерами таких бегущих волн являются звук, распространяющийся в
воздухе или сейсмические колебания почвы, расходящиеся от эпицентра
землетрясения на тысячи километров и позволяющие сейсмографам зарегистрировать
землетрясение спустя многие минуты. Локализованные бегущие волны колебаний
атомов в кристалле называются фононами. Их энергия квантуется как Е = hω = hv,
где v =ω/2π – частота колебаний в такой волне. Фононы играют важную роль в
физике твердого тела.
- Атомарная структура
Атомарная структура
4.1. Размерные эффекты
4.1. Размерные эффекты
Многие свойства твердых тел зависят от их характерных размеров. При изучении объемных материалов микроскопические детали усредняются. В традиционных областях физики — механике, электромагнетизме, оптике, имеющих дело с мак¬ромасштабами, изучаются образцы с размерами от миллиметров до километров. Свойства таких материалов — это усредненные характеристики — плотность и мо¬дуль Юнга в механике, электрическое сопротивление и намагниченность в элек¬тромагнетизме, диэлектрическая проницаемость в оптике. Когда измерения про¬водятся в микронном или нанометровом диапазоне, многие свойства материала, например, механические, сегнетоэлектрические и ферромагнитные, изменяют¬ся. Целью лекции является описание характеристик твердых тел в диапазоне размеров — от 1 до 100 нанометров. Ниже него ле¬жит атомный масштаб порядка 0.1 нм, еще ниже — ядерный, порядка фемтомет¬ра (10-15 м). Для понимания свойств на наномасштабном уровне необходимо иметь представление о соответствующих свойствах на макроскопическом и мезоскопическом уровне.
Многие важные наноструктуры приготавливаются из элементов IV группы — Si и Ge, полупроводниковых соединений АIIIВV, например, GaAs, или АIIВVI (CdS). Так что изменение объемных свойств полупроводников при их включе¬нии в наноструктуры будет демонстрироваться на этих материалах. Римские ци¬фры III, IV, V относятся к столбцам периодической системы, называемым груп¬пами. Таблицы различных свойств этих полупроводников можно найти в справочниках.
2. Кристаллические решетки
Большинство твердых тел имеют кристаллическую структуру с атомами,
располо¬женными упорядоченным образом т.е. присутствует так называемый дальний
порядок, так как упорядоченность распространяется на весь кристалл.
В противо¬положность этому, аморфные материалы, такие как стекло или воск, не
имеют дальнего порядка, зато имеют ближний порядок, так как локальное окружение
каждого атома подобно окружению других таких же атомов, но этот порядок не
сохраняется на сколько-нибудь значительных расстояниях. В жидкостях также
наблюдается ближний порядок при отсутствии дальнего. У газов нет ни дальнего, ни
ближнего порядка.
Рис. 2.1 показывает пять возможных способов упорядочения в двумерном случае:
квадратный (а), простой прямоугольный (б), центрированный прямо¬угольный (в),
гексагональный (г) и косоугольный (д). Эти компоновки называют решетками Бравэ.
Для общей, или косоугольной решетки Бравэ параметры ре¬шетки а и b не равны друг
другу и угол φ между ними произвольный. В случае пер¬пендикулярности сторон φ =
90°, получается решетка прямоугольного типа. При φ = 60° и а = b решетка
становится гексагональной, состоящей из равносто¬ронних треугольников. У каждой
решетки есть своя элементарная ячейка, пока¬занная на рисунке, которая
повторяется в плоскости, образуя решетку. Кристал¬лическая структура получается
организацией атомов или молекул в упорядочен¬ную систему, соответствующую
решетке.
На рис. 2.2 показана двумерная кристаллическая структура, основанная на простой
прямоугольной решетке, имеющей две двухатомных молекулы А-В в эле¬ментарной
ячейке. Одна элементарная ячейка определяет всю решетку.
В трехмерном случае решетка определяется тремя параметрами решетки а, b, c и
тремя углами: а между b и c, β между а и с и γ между а и b. Существует 14
ре¬шеток Бравэ: от наименее симметричной триклинной, в которой все три
постоян¬ные решетки и все три угла в общем случае отличаются друг от друга, до
наиболее симметричной кубической решетки, в которой все три постоянные решетки
рав¬ны друг другу и все три угла прямые. Есть три решетки Бравэ кубической
систе¬мы, а именно: простая кубическая, в которой атомы занимают восемь вершин
ку¬бической элементарной ячейки, как показано на рис. 2.3а,
объемноцентрированная кубическая (ОЦК) с атомами, находящимися в вершинах и
центре кубической ячейки, как показано на рис. 2.3б, и гранецентрированная
кубичес¬кая (ГЦК), в которой атомы располагаются в вершинах и центрах граней,
как по¬казано на рис. 2.3в.
Для двух измерений наиболее эффективным способом упаковки одинаковых кругов
является упорядочивание по вершинам равносторонних треугольников, по¬казанное на
рис. 2.4а, соответствующее гексагональной решетке Бравэ на рис. 2.1г. Для
получения наиболее эффективной двухслойной упаковки второй гексагональ¬ный слой
из сфер можно расположить поверх первого, как показано на рис. 2.4б. Для
эффективной упаковки третий слой можно расположить либо над первым сло¬ем с
атомом в положении, отмеченном буквой Т, либо третьим возможным спосо¬бом с
атомом в позиции, отмеченной буквой X. В первом случае получается
гекса¬гональная решетка с гексагональной плотноупакованной структурой (ГПУ), а
во втором случае — гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК). Первую увидеть
легко, но вторую не так просто показать на рисунке.
В трехмерном случае плотноупакованных сфер между ними остаются пус¬тые
пространства, где могут находиться меньшие атомы. Точка, отмеченная буквой X на
рис. 2.4б, называемая октаэдрическим положением, равноудалена от трех сфер,
лежащих ниже нее, и трех, лежащих выше. Атом, находящийся в этом положении,
имеет координационное число 6. Радиус октаэдрической по¬зиции аoct равен
(2.1)
где а — постоянная решетки, а0 — радиус сфер. Количество октаэдрических пози¬ций
равно количеству сфер. Существуют также и промежутки меньших разме¬ров,
называемые тетраэдрическими положениями, отмеченные на рис. 2.4б бук¬вой Т. Атом
в этом положении равноудален от четырех сфер — одной снизу и трех сверху, так
что координационное число в нем равно 4. Тетраэдрических позиций вдвое больше,
чем сфер в структуре. У многих двуха¬томных оксидов и сульфидов, таких как MgO,
MgS, MnO и MnS, большие по раз¬мерам анионы кислорода или серы располагаются в
совершенной— гранецентрированной кубической решетке (ГЦК), а меньшие —
металлические катионы — занимают окгаэдрические позиции. Такие решетки
называются решетками типа NaCl, где термин анион используется для
от¬рицательного иона (например Cl-), а катион — для положительного (например
Na+).
4. Тетраэдрические полупроводниковые структуры
В полупроводниковых соединениях типа АIIIВV и АIIВVI, таких как GaAs и ZnS
со¬ответственно, атомы одного типа кристаллизуются в ГЦК решетку рис. 2.8б.
Такая решетка называется сфалеритом, цинковой обман¬кой или решеткой типа ZnS
рис. 2.9. На рисунке видно, что каждый атом цинка (светлый кружок) находится в
центре тетраэдра из атомов серы (темные кружки) и наобо¬рот, каждый атом серы
имеет в качестве ближайших соседей четыре атома цинка.
Кремний и германий кристаллизуются в такую же решетку, причем атомы этих веществ
занимают узлы обеих подрешеток, так что в элементарной ячейке оказываются восемь
одинаковых атомов. Такое расположение атомов, показан¬ное на рис. 2.8а,
называется алмазной решеткой. И кремний, и германий имеют валентность, равную
четырем, так что с точки зрения образования химических связей, четыре соседа в
вершинах правильного тетраэдра является оптимальной конфигурацией.
Рис. 2.8. Элементарная ячейка со структу¬рой алмаза (а), состоящая только из
одного типа атомов, и соответствующая элемен¬тарная ячейка со структурой
цинковой об¬манки (сфалерита) (б), состоящая из двух типов атомов. Стержнями
показаны тетраэдрические связи между ближайшими со¬седями. Меньший куб,
показанный пунк¬тирной линией на рисунке (б), ограничи¬вает один тетраэдр.
Рис. 2.9. Упаковка больших атомов серы и меньших атомов цинка в структуре
цин¬ковой обманке ZnS. Каждый атом распо¬ложен в центре тетраэдра из атомов
друго¬го типа.
3. Наночастицы с гранецентрированной решеткой
Большинство металлов кристаллизуются в плотноупакованные решетки. Так, Ag, А1,
Со, Сu, Рb, Рt и Rh, как и благородные газы Ne, Ar, Kr, Xe, кристаллизуют¬ся в
ГЦК решетку, а Mg, Nd, Os, Re, Ru, Y, Zn - в ГПУ. Некоторые другие металлы
кристаллизуются в не столь плотно упакованную ОЦК решетку, а такие как Сr, Li,
Sr могут кристаллизоваться во все три вышеупомянутых типа решеток в зависи¬мости
от условий. Каждый атом в обеих плотноупакованных решетках имеет 12 соседей. На
рис. 2.5 показаны 12 соседей атома, находящегося в центре куба (выделен темным
цветом) для ГЦК решетки. Такие 13 атомов составляют наименьшую из теоретически
возможных наночастиц для ГЦК решетки. На рис. 2.6 показан четырнадцатигранник с
минимальным объемом, образу¬емый соединением этих атомов плос¬кими гранями
(многогранник кубоктаэдр).
Рис. 2.5. Элементарная ячейка гранецентрированной кубической решетки,
постро¬енная вокруг центрального атома (затем¬нен) включает 12 его ближайших
соседей.
Рис. 2.6. 13-ти атомная ГЦК наночастица, имеющая форму 14-гранника.
У этого 14-гранника — шесть квадратных гра¬ней и 8 граней в форме
равносторон¬него треугольника.
Если нарастить на частицу еще один слой, то есть добавить к этим 13-ти атомам
еще 42, то получится час¬тица из 55 атомов. Добавляя слои к такой частице, можем
получить еще большие наночастицы. Они образуют ряд кластеров с суммарным
количест¬вом атомов N = 1,13,55,147,309,561,..., которые называют структурными
ма¬гическими числами . Для п слоев количество атомов N в та¬кой ГЦК наночастице
определяется по формуле
а число атомов на поверхности Nsurf — по формуле
Для каждого значения п в Таблице 2.1 дается количество атомов на поверхности и
их процент от всех атомов наночастицы, а также диаметр такой наночастицы,
выражающийся формулой (2п - 1 )d, где d - межцентровое расстояние ближай¬ших
соседей и d = а/ , где а — постоянная решетки. Если использовать ту же процедуру
для построения ГПУ наночастиц, обсуждаемых в предыдущем пара¬графе, то получим
несколько отличный от предыдущего ряд магических чисел, а именно: 1, 13, 57,
153, 321, 581,... .
Таблица 2.1. Количество атомов (структурные магические числа) для наночастиц
металлов или редких газов с гранецентрированной кубической структурой.
Номер оболочки Диаметр* Количество атомов в ГЦК наночастице
Всего На поверхности % на поверхности
1
1d
1
1
100
2 3d 13 12 92,3
3 5d 55 42 76,4
4 7d 147 92 62,6
5 9d 309 162 52,4
6 lid 561 252 44,9
7 13d 923 362 39,2
8 15d 1415 492 34,8
9 17d 2057 642 31,2
10 19d 2869 812 28,3
11 21d 3871 1002 25,9
12 23d 5083 1212 23,8
25 49d 4.09X104 5.76X103 11,7
50 99d 4.04X105 2.40X104 5,9
75 149d 1.38X106 5.48X104 4,0
100 199d 3.28X106 9.80X104 3,0
*Диаметр ё в нанометрах для некоторых ГЦК атомов: Al 0,286, Аr 0,376, Аu 0,288,
Сu 0,256,
Fе 0,248, Кг 0,400, Рb 0,350, Рd 0,275.
Обсуждаемые магические числа называются структурными из-за того, что они
получаются при минимизации объема и максимизации плотности наночас¬тицы с
формой, близкой к сферической, и плотноупакованной структурой, ха¬рактерной для
объемных тел. Эти магические числа не имеют никакого отноше¬ния к электронной
структуре составляющих наночастицу атомов. Иногда факто¬ром, определяющим
энергетический минимум структуры малой наночастицы, является взаимодействие
валентных электронов, составляющих частицу атомов с усредненным молекулярным
потенциалом, так что электроны находятся на ор¬битальных уровнях, определяемых
именно этим потенциалом. Конфигурации атомных кластеров, в которых такие
электроны образуют заполненные оболочки, особенно устойчивы и порождают
элек¬тронные магические числа.
- Структуры энергетических зон
Структуры энергетических зон
1. Диэлектрики, полупроводники и проводники
При связывании атомов и формировании твердого тела энергетические уровни
отдельных атомов расширяются и образуют зоны с щелями между ними. Элек¬троны
могут иметь значения энергии только лежащие внутри какой-либо зоны, а не
приходящиеся на промежутки между ними. Нижележащие зоны, соответст¬вующие
внутренним электронным уровням атомов, более узкие и заполнены электронами до
конца, так что они не оказывают влияния на электронные свой¬ства материала. Они
не показаны на рисунках. Внешние, или валентные элек¬троны, которые и связывают
кристалл в единое целое, занимают так называемую валентную зону. У диэлектриков
валентная зона заполнена электронами, кото¬рые не могут перемещаться, так как их
положения зафиксированы в химических связях. Материал является диэлектриком, так
как не существует делокализованных электронов, способных являться носителями
тока. Зона проводимости рас¬положена по энергиям намного выше валентной зоны,
как показано на рис. 2.11а, так что она недоступна тепловым флуктуациям, и
остается практически пустой. Другими словами, при комнатной температуре Т= 300 К
тепловой энер¬гии недостаточно для переброски сколько-нибудь значительной части
электро¬нов из валентной зоны в зону проводимости, так что их количество в
последней пренебрежимо мало. Еще один вариант изложения этого факта таков:
ширина энергетической щели Eg много больше величины тепловой энергии kвТ, где kв
— постоянная Больцмана.
У полупроводников щель между валентной зоной и зоной проводимости много меньше,
как показано на рис. 2.11б, так что Eg ближе к тепловой энергии kвТ. При
комнатной температуре тепловое возбуждение может забросить часть электро¬нов из
валентной зоны в зону проводимости, где они принимают участие в перено¬се
заряда, то есть в электрическом токе. Плотность электронов, достигающих зоны
проводимости в процессе теплового возбуждения, относительно мала, но ей уже
нельзя пренебречь, так что возникает небольшая проводимость, отсюда и термин —
полупроводник. Материалы такого типа называют собственными полупроводника¬ми.
Полупроводник может быть легирован донорами, которые легко отдают элек¬троны в
зону проводимости, где те переносят ток. Материал может быть легирован и
акцепторами, захватывающими электроны из валентной зоны и оставляющими в ней
эффективные положительные заряды, называемые дырками, которые также являются
носителями тока. Энергетические уровни таких доноров и акцепторов ле¬жат внутри
запрещенной зоны, как показано на рис. 2.12. В первом случае говорят о
проводимости n-типа, так как основными носителями тока являются отрицатель¬но
(negative) заряженные электроны, а во втором — p-типа, так как основные
носи¬тели — положительно (positive) заряженные дырки. Оба типа примесной
(несобственной) проводимости в полу¬проводниках зависят от температуры.
Проводники — это материалы с заполненной валентной зоной и зоной про¬водимости,
частично заполненной делокализованными электронами, выступаю¬щими эффективными
носителями электрического тока. Положительно заряжен¬ные ионы металлов,
расположенные в узлах кристаллической решетки, отдают свои внешние электроны в
зону проводимости и остаются положительно заря¬женной основой для
обобществленных электронов. На рис. 2.11в показана зон¬ная структура для этого
случая.
В реальных кристаллах зонная структура гораздо сложнее, чем показано на
схематическом рис. 2.11, так как вид зоны зависит от кристаллографического
на¬правления в решетке. Это будет обсуждаться далее.
Рис. 2.11. Энергетические зоны в диэлектрике (а), собственном полупроводнике (б)
и проводнике (в). Наличие электронов в зоне обозначено косой штриховкой.
Рис. 2.12. Энергетическая схема локальных уровней в запрещенной зоне
полупроводника. Акцепторные уровни расположены выше потолка валентной зоны на
ΔЕА. Донорные уровни лежат ниже дна зоны проводимости на ΔЕА. Уровни глубоких
ловушек лежат вблизи середины запрещенной зоны. Справа вверху для масштаба
показана типичная величина тепловой энергии kвТ.
2. Обратное пространство и решетка
Ранее рассматривалась структура различных типов кристаллов в обычном, или
координатном пространстве, так как речь шла о положениях ато¬мов в решетке. Для
изучения движения электронов проводимости удобно исполь¬зовать другой тип
пространства, называемый в математике дуальным, или сопря¬женным, координатному
пространству. Это дуальное пространство (также назы¬ваемое обратным или
обращенным) возникает в квантовой механике.
Основная зависимость между частотой f=ω/2π, длиной волны λ и скоростью v этой
волны выглядит как λ f =v. Удобно ввести волновое число k=2π/λ, получая f=
(k/2π)v. Для упругой волны, или для волны, связанной с электронами
прово¬димости, импульс p=mv электрона с массой m записывается как p=(h/2π)k
, где h - постоянная Планка, одна из универсальных констант физики, а k -
волновой вектор, модуль которого равен волновому числу. Часто используется
величина ћ=h/2π, также называемая постоянной Планка. Тогда p=ћk. Таким образом,
в этом простом случае, импульс пропорционален волновому вектору k, а k обрат¬но
пропорционален длине волны. Для описания движения электронов можно ввести
обратное пространство, называемое k - прост¬ранством.
Если одномерный кристалл имеет постоянную решетки а и длину, положим, L=10a, то
атомы будут расположены на прямой в точках с координатами 0, a, 2a, …,10a=L.
Соответствующий волновой вектор k будет принимать значения 2π/L, 4π/L,…, 20π/L =
2π/a. Видно, что наименьшее значение k равно 2π/L, а наи¬большее - 2π/a.
Элементарная ячейка в этом одномерном координатном прост¬ранстве имеет длину a,
а важная характеристика ячейки в обратном пространст¬ве, называемой зоной
Бриллюэна, равна 2π/a. Положениями электронов в зоне Бриллюэна являются точки
k=2πn/L в обратном пространстве, где n в нашем примере принимает значения n = 1,
2, ..., 10, и на границе зоны Бриллюэна (при n = 10) k=2π/a.
Рис. 2.13. Схема элементарной ячейки (а) в двумерном координатном пространстве
х,у и соответствующая зона Бриллюэна (б) в обратном пространстве кх, ку для
прямо¬угольной решетки Бравэ.
Для простой прямоугольной решет¬ки в двух измерениях с координатами х и у и
постоянными решетки а и b обрат¬ное пространство также двумерно с вол¬новыми
векторами kх и kу. По аналогии со случаем простой решетки зона Брил¬люэна в этом
двумерном обратном про¬странстве имеет длину 2π/a и ширину 2π/b, как показано на
рис. 2.13. Обобще¬ние на три измерения очевидно. Следует помнить, что kх
пропорционален со¬ставляющей импульса электрона рх по координате х, аналогично и
для kу и ру.
3. Энергетические зоны и щели в полупроводниках
Рис. 2.14. Зона Бриллюэна арсенида галлия и цинковой обманки. Показаны точки
вы¬сокой симметрии Г, К, L, U, W, X и оси симметрии Δ, Λ, Ʃ, Q, S, Z.
Электрические, оптические и другие свойства полупроводников существенно зависят
от того, как связана энергия обобществленных электронов с их волновым век¬тором
k в обратном пространстве, а, соответственно вышеприведенной форму¬ле р = тu =
ћk, и с их импульсом. Будем рассматривать трехмерные кристал¬лы, обращая особое
внимание на полупроводниковые соединения типа АIIIВV и АIIВVI. Поскольку они
имеют кубическую структуру, три постоянные решетки совпадают: a=b=c. Движение
элек¬трона в координатах kх, kу, kz обратно¬го пространства происходит в
грани¬цах зоны Бриллюэна, форма которой для этих кубических решеток показа¬на на
рис. 2.14. Точки наибольшей симметрии обозначены на рисунке за¬главными
латинскими и греческими буквами.
Рис. 2.15. Зонная структура арсенида гал¬лия, вычисленная методом
псевдопотен¬циалов.
Энергетические зоны зависят от рассматриваемого направления в зо¬не Бриллюэна.
На рис. 2.15 представ¬лена зонная структура собственного, т.е. нелегированного
полупроводни¬ка типа АIIIВV, а именно, GaAs. Из анализа рис. 2.15 видно, что в
разных направлениях в центральной точке зоны Г имеются заметные максимумы и
минимумы. Энергетическая щель, или область энергий, где ни по одному
направле¬нию нет соответствующих значений, простирается от 0 в точке Г8 до точки
Г6 — непосредственно над щелью с энергией примерно Eg = 1.35 эВ. Обла¬сти ниже
Г8 составляют валентную зону, а выше Г6 — зону проводимости. Следо¬вательно,
точка Г6 — это точка с наиниз¬шей энергией зоны проводимости, а точка Г8 — с
наивысшей энергией валентной зоны.
Рис. 2.17. Температурная зависимость кон¬центрации собственных носителей в
крем¬нии, германии и арсениде галлия.
Рис. 2.16. Схема расположения валентной зоны (внизу) и зоны проводимости
(ввер¬ху) в полупроводнике, аппроксимирован¬ных параболами. Область валентной
зоны, содержащая дырки, и область зоны прово¬димости, содержащая электроны,
заштри¬хована. Показана также прямозонная ши¬рина щели Еg.
При абсолютном нуле все зоны ниже щели запол¬нены электронами, а все зоны выше
щели пусты, так что при 0 К вещество яв¬ляется изолятором. При комнатной
температуре щель достаточно узка для то¬го, чтобы происходило тепловое
возбуждение электронов с уровней валентной зоны на уровни в зоне проводимости.
Это достаточно малое количество элек¬тронов обычно собирается в области зоны
проводимости непосредственно над минимумом Г6, которую обычно называют долиной.
Эти электроны могут про¬водить некоторый ток, так что вещество является
полупроводником.
Арсенид галлия называется прямозонными полупроводником из-за того, что дно зоны
проводимости и потолок валентной зоны находятся в одной и той же центральной
точке Г зоны Бриллюэна, как видно из рис. 2.15. Элек¬троны валентной зоны в
точке Г8 могут быть переброшены тепловыми флуктуациями в точку Г6 зоны
проводимости без изменения волнового числа k. Со¬единения GaAs, GaSb, InP, InAs,
InSb и все соединения типа АIIIВV, перечис¬ленные в Таблице В.6, - прямозонные,
но в некоторых полупроводниках, таких как Si и Ge, потолок валентной зоны и дно
зоны проводимости находят¬ся в разных точках зоны Бриллюэна. Такие
полупроводники называются непрямозонными.
Для не легиро¬ванного полупроводника количество дырок в валентной зоне равно
количе¬ству электронов в зоне проводимости, соотвествующие объемы, заполнен¬ные
электронами и дырками в k-про¬странстве равны друг другу. Такие эле¬ктроны и
дырки являются носителями электрического тока в полупроводни¬ках, а
температурные зависи- мости их концентрации п в GaAs, Si и Ge при¬ведены на рис.
2.17.
.
Рис. 2.19. Эллипсоидальные поверхности равных энергий в зоне проводимости
германия (слева) и кремния (справа). В германии они расположены вдоль осей
симметрии Λ с центром в симметричной точке L. В результа¬те они лежат наполовину
внутри зоны Бриллюэна (сплошные линии), а наполовину - снаружи ее (прерывистые
линии), так что зона содержит эквивалент четырех полных эллипсоидов. Поверхности
в кремнии лежат по шести симметричным направлениям А (т.е. вдоль ±kх, ±ky ±kz.)
с цен¬трами на расстоянии 85% от центральной точки — к точкам X. Как видно из
рисунка, все шесть эллипсоидов лежат целиком внутри зоны Бриллю¬эна.
С каждой долиной, в точках L в германии и по направлениям Δ в кремнии, связана
эллипсоидальная поверхность постоянной энергии в k-пространстве, охватывающая
электроны проводимости в соответствующей долине. Соответст¬вующие схематические
изображения приведены на рис. 2.19а для германия и 2.19б для кремния.
- МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
2.4. Структура поверхности
Для получения кристаллографической информации о приповерхностных слоях материала
используется методика дифракции низкоэнергетических электронов. Так как
электроны малых энергий (10-100 эВ) проникают в образец неглубоко,
дифракционная картина отражает положение атомов в поверх¬ностном слое. Если в
образовании ди¬фракционной картины участвуют и другие слои атомов, вклад глубже
ле¬жащих слоев имеет меньшую интен¬сивность. Электронный пучок ведет себя как
волна и отражается от крис¬таллографических плоскостей анало¬гично
рентгеновскому пучку. Его дли¬на волны λ , называемая длиной волны де Бройля,
зависит от энергии Е, выра¬женной в электронвольтах, следующим образом:
Электроны низких энергий хорошо подходят для дифрак¬ционных методов измерения.
Другим способом определения постоянной ре¬шетки приповерхностного слоя явля¬ется
дифракция высокоэнергичных электронов под скользящими углами, при которых
проникновение луча под поверхность минимально. Когда θ в ус¬ловии Брэгга-Вульфа
мал, λ так же должна быть малой, а энергия Е, в со¬ответствии с (3.6), -
большой, отсюда и необходимость в электронах с высокой энергией при дифракции
под малы¬ми углами.
2.3. Определение размеров частиц
Рис. 3.5. Метод Дебая-Шеррера дифрак¬ции на порошке. Показана схема установ¬ки
(вверху), траектория рентгеновского пучка для брэгговского угла в (внизу слева)
и изображения дифракционных колец на фотопленке от конически расходящегося пучка
(внизу справа).
Эти зерна могут иметь размеры от типичных для наночастиц до много больших частиц
ми¬кронных масштабов, тесно связанных в поликристаллический материал. Это -
объемный, или кластеризованный, предельный случай. Противоположный пре¬дельный
случай - это зерна или наночастицы, находящиеся в некоем субстрате, так что
расстояния между ними больше их характерных размеров. Полезно знать, как можно
измерять размеры или диапазоны размеров таких диспергированных частиц.
Рис. 3.6. Микрофотография полианилиновых наночастиц в полимерной матрице,
сделанная на просвечивающем электронном микроскопе.
Самый прямой способ определения размеров микронных частиц - это применение
микроскопа. Для наночастиц эту функцию выполняет просве¬чивающий электронный
микроскоп. На рис. 3.6 показана микрофотография частиц с диаметром около 100 нм,
дис¬пергированных в полимерной матрице, сделанная на таком микроскопе.
Другой способ определения размеров частиц заключается в изучении рассе¬яния на
них света. Рассеяние зависит от соотношения размеров частиц d и дли¬ны волны
падающего света λ , а также от его поляризации. Например, рассеяние белого света
с длинами волн в диапазоне от 400 нм (синего) до 750 нм (красно¬го) на молекулах
азота и кислорода с размерами 0,11 и 0,12нм соответственно объясняет, почему
днем небо кажется голубым, а солнце на рассвете и закате — красным.
При определении размеров частиц используется монохроматический (с од¬ной длиной
волны) лазерный луч, который рассеивается на определенный угол
Рис. 3.7. Измерения распределения размеров частиц проводящего полимера,
дис¬пергированного в органической жидкости, при освещении лазерным лу¬чом.
Размеры лежат в диапазоне от 9 до 30 нм с максимумом при 12 нм.
(обычно 90°) при параллельной и перпендикулярной поляризации. Измерение
интенсивностей рассеяния дает размер частиц, их концентрацию и показатель
преломления. Для интерпретации данных о рассеянии на частицах с размерами
d<0.1λ, что имеет место при рассеянии видимого света наночастичами,
исполь¬зуется теория Рэлея. Пример определения размеров наночастиц органической
су¬спензии с размерами от 9 до 30 нм и максимумом при 12 нм методом рассеяния
лазерного луча показан на рис. 3.7. Метод применим к наночастичам с размерами
более 2 нм. Для меньших частиц следует использовать другие методы.
Частицы с размерами менее 2 нм удобно измерять масс-спектрометром. Схе¬ма
типичного газового масс-спектрометра показана на рис. 3.8
Рис. 3.8. Схема масс-спектрометра,
Описанный масс-спектрометр использует стандартную конфигурацию маг¬нитного поля
масс-анализатора. Современные масс-спектрометры могут иметь другие конфигурации
поля, например квадрупольную, или масс-спектрометр на основе измерения времени
пролета, у которого каждый ион получает одинако¬вую кинетическую энергию mv2/2
во время ускорения в ионизационной камере, так что более легкие ионы движутся
быстрее и достигают детектора раньше, чем более тяжелые ионы, обеспечивая таким
способом разрешение по массе.
2.2. Кристаллография
Для того чтобы определить структуру кристалла и установить положения атомов в
решетке, вещество облучают пучком рентгеновских лучей, электронов или ней¬тронов
и измеряют углы дифракции этого пучка. Мы будем рассматривать этот метод на
примере рентгеновских лучей, но суть при использовании двух других источников
облучения не меняется. Длина волны λ рентгеновского излучения, выраженная в
нанометрах, зависит от их энергии Е в килоэлектронвольтах (кэВ) следующим
образом:
В одном из методов получения рентгенограммы — картины дифракции рентге¬новских
лучей — пучок направляют на образец под фиксированным углом, а сам кристалл
вращают в большом диапазоне углов. Каждый обнаруженный рентге¬новский сигнал
соответствует когерентному отражению, от ряда плоскостей кри¬сталла, для которых
выполняется условие Брэгга-Вульфа:
как показано на рис. 3.1, где d — расстояние между отражающими плоскостями, θ
- угол между пучком и плоскостью отражения, λ — длина волны рентгеновско¬го
излучения, а n = 1, 2, 3,...— целое число, обычно имеющее значение 1. Каж¬дая
кристаллографическая плоскость обозначается тремя индексами h, k, l, и для
кубической решетки они являются отношениями отрезков, отсекаемых плоскостью на
декартовых координатных осях х, у, z. Расстояние d между соседними
кристаллографическими плоскостями с индексом (h k l) для простой кубической
решетки с параметром решетки а выражается:
Рис. 3.1. Отражение рентгеновского пучка, падающего под углом в к двум
параллель¬ным плоскостям, разде- ленным расстояни¬ем d. Показана разность длины
путей 2dsinθ при отражении от этих двух плоскостей.
так что, чем больше индексы плоскости, тем больше брэгговский угол дифрак¬ции θ.
На рис. 3.2 показаны расстояния для плоскостей (110) и (120), где индекс l
соответствует плоскостям, параллельным направлению оси z. Из соотношения (3.3) и
рис. 3.2 ясно, что плоскости с большими индексами расположены ближе друг к
другу, а согласно уравнению (3.2) брэгговский угол для них — больше. Яркости
рефлексов от разных кристаллографических плоскостей также зависят от индек¬сов
(h k l). Для некоторых плоскостей амплитуда отраженного луча равна нулю.
Отношения яркостей помогают определить тип кристаллической решетки. На¬пример, в
одноатомной ОЦК решетке дифракционные пики наблюдаются только от таких
плоскостей, для кото¬рых выполняется условие h+ k+ l = п, где п - четное число,
а для ГЦК решет¬ки — только от плоскостей, у которых либо все индексы четные,
либо все - нечетные.
Рис. 3.2. Для двумерной кубической ре¬шетки показаны пары плоскостей (110) и
(120), перпендикулярных к поверхности, и расстояния й между ними.
Для получения полной информа¬ции о кристаллической структуре рент¬генограмма
записывается при враще¬нии образца относительно трех взаим¬но перпендикулярных
осей. Это обеспечивает полноту информации по различным кристаллографическим
плоскостям реше- тки. Следующим ша¬гом анализа является обработка этих данных
для выявления положений ато¬мов в элементарной ячейке посредст¬вом
математической операции, назы¬ваемой преобразованием Фурье. Это преобразование
позволяет определить, к какой именно пространственной группе из 230-ти
принадлежит данный образец, а также параметры решетки а, b, c и углы а, β, γ
между ними. Кроме того, могут быть вычислены и положе¬ния атомов в элементарной
ячейке.
В качестве примера определения структуры посредством дифракции рентгеновских
лучей рассмотрим рент¬генограмму нанокристаллического ни¬трида титана,
полученного путем хи¬мического осаждения из газовой фазы, с распределением
размеров зерен, по¬казанным на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Гистограмма распределения раз¬меров зерен нанокристаллического TiN по
результатам просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ). Параметры
логарифмически-нормальной аппроксими-
рующей штриховой линии О0 = 5,8 нм,
σ = 1,71 нм.
Результат рент¬геновского дифракционного сканиро¬вания показан на рис.3.4, линии
по¬мечены индексами соответствующих им кристалографических плоско¬стей. Тот
факт, что все линии имеют либо все четные, либо все нечетные индексы, позволяет
определить тип решетки как ГЦК. Из этих данных видно, что ПК кристаллизуется в
ГЦК решетку типа №С1, отсюда также мож¬но получить значение постоянной ре¬шетки
а = 0,42417 нм.
Рис. 3.4. Данные рентгеновской дифрак¬ции на нанокристаллическом TiN с разме¬ром
зерна, показанным на рис. 3.3. Облу¬чение производилось линией Ка молибде¬на с
длиной волны λ = 0.07093 нм. Рентгеновские линии помечены соответст¬вующими им
индексами кристаллографи¬ческих плоскостей (h k l). Отметим, что эти индексы
либо все четные, либо все нечет¬ные, как и ожидалось для ГЦК структуры.
Неотмеченная слабая линия при 2θ = 15° возникла из-за неидентифидированной
примеси.
Ширина брэгговских пиков на уг¬ловой зависимости амплитуды, пред¬ставленной на
рис. 3.4, содержит ин¬формацию о среднем размере зерна в образце TiN. Так как
ширина пиков определяется не только размером зер¬на, но и внутренними
напряжениями, инструментальным уширением линий и др., то для корректного
извлечения из рентгеноструктурных данных раз¬меров зерен необходимо учесть
инст¬рументальное уширение и вычесть вклад внутренних напряжений. В
предположении сферичности зерен, их диаметр D зависит от объема V как:
Разные способы коррекции данных о ширине линий дают величину сред¬него размера
зерна между 10 и 12 нм, что несколько больше, чем результат,
пред¬ставленный на рис. 3.3, полученный путем просвечивающей электронной
микро¬скопии. Таким образом, рентгеновская дифракция позволяет оценить средний
размер зерна, но для определения дей¬ствительного распределения размеров зерен
необходим электронный микро¬скоп.
Другой подход к определению уг¬лов дифракции, удовлетворяющих ус¬ловию Брэгга-
Вульфа, состоит в ис¬пользовании порошка и называется методом Дебая. Схема
метода показана на рис. 3.5. Монохроматический рент¬геновский луч падает на
образец по¬рошка, обычно находящийся в тонко¬стенной стеклянной колбе. Колбу
ино¬гда вращают для лучшего сглаживания дифракционной картины. Конически
расходящийся пучок лучей образуется для каждого угла 2θ, при котором θ
удовлетворяет условию Брэгга-Вуль-
фа, и попадает на полосу фотопленки, распо¬ложенную по дуге окружности. Из
рисунка видно, что брэгтовский угол θ = S/4R, где S - расстояние между двумя
соответствующими рефлексами на пленке, а R — радиус окружности, образуемой
пленкой. Таким образом можно получить все брэгговские углы за одно облучение
рентгеновским пучком. Метод Дебая часто используют для идентификации образцов.
Для облегчения процесса идентифика¬ции дебаеграммы более 20000 веществ находятся
в общедоступной базе данных. Этот метод часто использовался для распознавания
структуры наночастиц, полу¬ченных в порошке.
Рентгеновская кристаллография помогает изучать ряд изоморфных кристал¬лов, то
есть кристаллов с одной и той же структурой, но разными постоянными решетки,
такие как серии твердых растворов Ga1-xInxAs или GaAs1-xSbx, где х мо¬жет
принимать значения от 0 до 1. Для этих кубических кристаллов постоянная решетки
а зависит от х, так как атом индия больше галлия, а атом сурьмы больше мышьяка,
как можно увидеть в Таблице В.1. В этом случае закон Вегарда (уравне¬ние (2.8))
из параграфа 2.1.4 является хорошей аппроксимацией для оценки вели¬чины а по
известному х, или х при известном а.
2. Структура 3.2.1. Атомные структуры
Для понимания наноматериалов надо в первую очередь знать их атомарную структуру,
то есть определить типы атомов, являющихся строительными блоками, и их взаимное
расположение в пространстве. Большинство наноструктур имеет кристаллический
характер, т.е. тысячи составляющих их атомов упорядочены в систему, называемую
кристаллической решеткой. Решетку можно описать, задав положения атомов в
элементар¬ной ячейке, так что всю решетку можно построить путем многократного
повторе¬ния этой элементарной ячейки в пространстве. На рис. 2.1 показаны схемы
эле¬ментарных ячеек для четырех кристаллических систем в двумерном случае.
Существует 17 возможных типов структур, называемых пространственными группами,
что означает наличие 17-ти способов расположения атомов в двумер¬ной
элементарной ячейке. Наиболее важен случай самой плот¬ной упаковки одинаковых
атомов на поверхности, что соответствует гексагональ¬ной системе, показанной на
рис. 2.4а.
В трехмерном случае присутствуют три постоянные решетки а, b, с и три угла между
ними α, β, γ(а между β и с и т.д.). В трех измерениях сущест¬вует семь
кристаллических систем с 230-ю пространственными группами как показано в
столбце 4 Таблицы 3.1. Целью анализа кристаллической структуры является
определение симметрии пространственной группы, постоянных решетки и углов, а
также определение положений атомов в элементарной ячейке.
Таблица 3.1. Кристаллические системы и количество связанных с ними
простран¬ственных групп в двух и трех измерениях*
Размерность Система Параметры Количество
пространственных групп
2 Косоугольная a ≠ b, γ ≠ 90°
(или а = b, γ≠ 90°, 120°)
2
2 Прямоугольная а≠b, γ ≠ 90° 7
2 Квадратная а≠b , γ = 90° 3
2 Гексагональная а≠b ,γ = 90° 5
3 Триклинная а≠b≠c, a≠β≠γ 2
3 Моноклинная а≠b≠c
а=γ = 90° ≠ β 13
3 Орторомбическая а≠b≠c а=β = γ= 90° 59
3 Тетрагональная а=b≠c а=β = γ= 90° 68
3 Тригональная а=b≠c
а=β = γ < 120°≠90°
25
3 Гексагональная а=b≠c α = β = 90°
γ = 120° 27
3 Кубическая а=b≠c
а=β = γ = 90° 36
* Всего существует 17 двумерных и 270 трехмерных групп.
Для нанокристаллов важны определенные частные случаи кристаллических структур,
относящиеся к простой кубической (ПК), объемноцентрированной ку¬бической (ОЦК) и
гранецентрированной кубической (ГЦК) элементарной ячей¬ке, как показано на рис.
2.3. Другое важное структурное упорядочивание образу¬ется при наложении плоских
гексагональных слоев, обеспечивающих наиболь¬шую плотность атомов в моноатомном
слое, или наилучшую послойную упаковку идентичных сфер способами, показанными на
рис. 2.4б. Если третий слой расположен непосредственно над первым, четвертый над
вторым и т.д. в по¬следовательности типа А-Б-А-Б-..., то получается
гексагональная плотноупако- ванная структура (ГПУ).
Некоторые свойства нанообъектов зависят от их кристаллической структуры, в то
время как другие — такие как каталитическая активность и адсорбционные
характеристики — от типа открытой поверхности. Эпитаксиальные пленки ГЦК или ГПУ
кристаллов обычно растут с вышеуказанным двумерным плотноупакованным
расположением атомов.
Введение
Революция, происходящая в нанонауке, была инициирована несколькими
со¬путствующими достижениями в технологии. Широко рас¬пространенный метод
изготовления наноструктур - литография - использует для формирования заданных
конфигураций на поверхности чувствительный к облучению слой. Другим хорошо
отлаженным способом получения таких структур является молекулярно-лучевая
эпитаксия, то есть выращивание одного кристаллического материала на поверхности
другого. Кроме того, развиты разно¬образные методы химического осаждения, а
также стимуляция самосборки, т.е. спонтанного агрегирования молекулярных групп.
Непрерывное продвижение технологии с начала 70-х годов следовало закону Мура,
согласно которому количество транзисторов на чипе динамической памяти
удваивалось каждые полтора года. Это обеспечивало как постоянное улучшение
эффективности взаимосвязей в схеме, так и неуклонное уменьшение ее размеров.
Необходимость во все большей емкости запоминающих устройств и во все более
бистром и широком распространении информации по сетям связи стала эконо¬мической
подоплекой этой революции. Еще одним ключевым фактором, ответст¬венным за
нанотехнологическую революцию, явилось усовершенствование ста¬рых и создание
новых инструментальных средств для определения параметров на¬ноструктур. Многие
такие системы пока весьма громоздки, дороги (стоимостью порядка миллиона
долларов) и часто требуют для работы на них высококвалифи¬цированных
специалистов. Цель лекции состоит в объяснении принципов действия некоторых
приборов и методов и описании их возможностей.
Будут описаны установки для определения положе¬ний атомов объеме и изучения
наномасштабных структур на поверхности, а так¬же различные спектроскопические
приборы для изучения свойств наноструктур.
- Микроскопия
Микроскопия
3.3. Сканирующая микроскопия
Рис. 3.14. Ионно-полевой микроснимок конца вольфрамовой иглы, расшифрованный с
помощью сте¬реографической проекции на рис. 3.15
Рис. 3.15. Стереографическая проекция кубического кристалла в направлении [011],
соответствующая снимку вольфрама в ионно-полевом микроскопе на рис. 3.14
Эффективным способом получения изображения поверхности образца является
сканирование поверхности электронным пучком с образованием растра анало¬гично
тому, как электронная пушка сканирует экран в телевизоре. Информация о
поверхности может быть получена и с помощью сканирующего твердотельного зонда,
траектория которого проходит по отдельным областям исследуемой поверхности.
Сканирование может также выполняться зондом, изме¬ряющим ток, который создается
электронами, туннелирующими между поверх¬ностью образца и кончиком зонда, или
зондом, измеряющим силу'взаимодейст¬вия между поверхностью и кончиком иглы.
Рассмотрим установки, предназначенные для каждого из этих трех методов:
сканирующий просвечивающий электронный микроскоп, сканирующий туннельный
микро¬скоп (STM) и атомно-силовой микроскоп (AFM).
Как уже упоминалось ранее, электронная оптика сканирующего электронно¬го
микроскопа аналогична показанной на рис. 3.10 для обычного просвечиваю¬щего
электронного микроскопа за исключением того, что при просвечивании электроны
летят слева направо, а при сканировании — справа налево на показан¬ной схеме
установки. Работа электронного микроскопа рассматривалась ранее, опишем только
отклоняющую систему сканирующе¬го электронного микроскопа, показанную на рис.
3.16. Отклонение осуществля¬ется магнитным полем, создаваемым электрическим
током в катушках, по тому же принципу, что и в большинстве обычных телевизионных
приемников. Маг¬нитное поле, создаваемое катушкой, пропорционально приложенному
к ней на¬пряжению V. На верхней врезке в левой части рис. 3.16 показано
пилообразное напряжение, подаваемое на пары катушек I1,I1 и I2,I2. Магнитное
поле катушек создает силу, отклоняющую электронный пучок слева направо по
направлению, указанному линией на образце. Переменные магнитные поля катушек
f1,f1 и f2,f2 вызывают меньшие отклонения (от точки 1 к 1' и далее к 1"),
показанные на врез¬ке А. Таким образом, электронный пучок все время перемещается
по образцу сле¬ва направо и обратно постепенно смещаясь вниз и образуя растр, со
временем по¬крывающий всю площадь кадра r x r. На рис. 3.17
показаны частицы золота раз¬мером 3 нм на углеродной подложке,
сфотографированные с помощью сканирующего электронного микроскопа.
Сканирующий туннельный микроскоп в качестве зонда использует иглу с
ис¬ключительно тонким концом, который подключают к положительному по¬люсу
источника напряжения и приближают к изучаемой поверхности на рассто¬яние порядка
1 нм. Электроны, принадлежащие конкретным атомам на поверх¬ности образца,
притягиваются положительно заряженным концом и перепрыгивают (туннелируют) на
него, образуя тем самым слабый электричес¬кий ток. Зонд перемещается по
поверхности образца для получения растра так же, как и электронный луч в
предыдущем случае. Обычно используется либо переме¬щение на постоянной высоте,
либо так, чтобы постоянным был туннельный ток, как показано на рис. 3.18. В
режиме постоянного тока цепь обратной связи под¬держивает постоянное расстояние
между зондом и поверхностью, а изучаемым сигналом является вертикальное смещение
зонда.
Рис. 3.16. Двойная отклоняющая система сканирующего электронного микроско¬па.
Верхние катушки l1 - 11 отклоняют луч на угол θ, нижние катушки 12 —12 отклоняют
его назад на угол 2θ, так что электроны последовательно попадают на образец
вдоль показанной линии. На рис. слева вверху приведено пилообразное напряжение,
задающее ток в сканирующих ка¬тушках На нижней левой врезке показана
последовательность точек образца, соответствующая различным траекториям 1, 2, 3,
4, 5 электрон¬ного пучка, идущего вниз по оси микроскопа. Сканирующие катушки f1
- f1 и f2 – f2 - обеспечивают смещение луча по последовательности точек 1 - 1’ -
1’’, показанных на левом нижнем фрагменте.
Такой режим работы поддер¬живает туннельный барьер при движении вдоль
поверхности одним и тем же. В режиме постоянной высоты расстояние от зонда до
поверхности все время меняется, что отражается в изменениях измеряемого
туннельного тока в процессе сканирования. Цепь обратной связи используется для
установки первоначальной высоты над поверхностью, а затем отключается.
Сканирующий зонд показывает картину распределения атомов на поверхности.
Рис. 3.17. Микроснимок частиц золота ди¬аметром 3 нм (30 А) на углеродной
подлож¬ке, полученный на сканирующем элек¬тронном микроскопе.
Рис. 3.18. Режимы постоянной высоты (вверху) и неизменного тока (внизу)
ска¬нирующего туннельного микроскопа.
В STM-микроскопе часто исполь¬зует пьезоэлектрический трехточечный сканнер. Его
первоначальная конст¬рукция, созданная Биннигом и Рорером, показана на рис.
3.19. Пьезоэлектрик - это материал, в котором прило¬женное электрическое
напряжение вызывает механическую деформацию, и наоборот. Напряжение,
прикладыва¬емое к пьезоактуатору, вызывает пере¬мещение сканирующего зонда (или
об¬разца) с нанометровыми приращения¬ми вдоль направлений х, y или z, показанных
на стойках (3) сканнера. Первоначальная юстировка осуществ¬ляется после
установки образца с по¬мощью шагового двигателя и микроме¬трических винтов.
Туннельный ток, из¬меняющийся от ширины зазора между зондом и образцом
экспоненциально, зависит от состояния поверхности и кончика зонда.
Третьим широко используемым методом для изучения поверхности наноструктур
является атомно-сило¬вая микроскопия. На рис. 3.20 показа¬на конструкция
типичного атомно-си¬лового микроскопа (AFM). Фундамен¬тальное различие между SТМ
и АFМ состоит в том, что первый измеряет туннельный ток между зондом и
по¬верхностью, а второй - силу взаимо¬действия между ними. АFМ так же, как и
SТМ, имеет два режима работы. AFМ может работать в контактном ре¬жиме с
поверхностью, при котором ос¬новную роль играют силы отталкивания электронных
оболочек атомов зонда и поверхности, и в "бесконтактном" режиме, когда зонд
находится на большем расстоянии и доминируют силы Ван дер Ваальса. Как и в
случае SТМ, использу¬ется пьезоэлектрический сканнер. Вертикальное перемещение
зонда в процессе сканирования может контролироваться по изменению
интерференционной кар¬тины, создаваемой пучком света, направляемым по
оптоволокну, как показано в верхней части рисунка, либо по отражению
Рис. 3.20. Схема атомно-силового микро¬скопа. Показан кантилевер, снабженный
зондирующим кончиком, который переме¬щается вдоль поверхности образца с помо¬щью
пьезоэлектрического сканнера. На верхнем рисунке показан интерферен¬ционный
датчик смещений. На увеличен¬ном виде кантилевера с зондом внизу — датчик,
основанный на отклонении лазер¬ного луча. Эти датчики измеряют верти¬кальное или
горизонтальное смещение зонда в процессе сканирования.
лазерного луча, как показано на увеличенном виде кончика зонда в нижней
части рисунка. АFМ чувст¬вителен к вертикальной компоненте поверхностных сил.
Близкая к опи¬санным, но более гибкая мода АFМ называется латерально-силовой
мик¬роскопией (FFМ) и реагирует на боко¬вые силы трения между зондом и
ска¬нируемой поверхностью. При этом од¬новременно может быть измерена и
нормальная, и касательная составля¬ющая силы воздействия поверхности на зонд.
Все три описанных сканирующих микроскопа предоставляют информа¬цию о топографии
и дефектах структу¬ры поверхности с разрешением, близ¬ким к атомному. На рис.
3.21 показано трехмерное представление АFМ-изоб¬ражения наноструктуры,
образован¬ной атомами хрома на поверхности SiO2. Образец был изготовлен методом
лазерного
Рис. 3.19. Сканирующий механизм тун¬нельного микроскопа. Показаны
пьезоэле¬ктрическое основание (1), три ножки ос¬нования (2) и пьезоэлектрический
сканнер на треноге (3), удерживающий зонд, на¬правленный к образцу.
напыления атомов хрома в присутствии гауссовой стоячей волны на поверхности, что
привело к наблюдаемой упорядоченной последовательности пиков и долин на
поверхности. Когда осаждение хрома сфокусированным лазер¬ным лучом производилось
при наличии двух перпендикулярных друг другу пло¬ских волн на поверхности,
получалась двумерная структура, АFМ-изображение которой показано"на рис. 3.22.
Следует отметить, что расстояние между пиками, равное 212,78 нм, одинаково в
обоих случаях. Высота пиков в двумерном случае (13 нм) больше, чем в одномерном
(8 нм).
Рис. 3.21. Трехмерная визуализация АБМ изображения наноструктуры,
сформиро¬ванной лазерным осаждением атомов хро¬ма на БЮ2 подложку в присутствии
гаус¬совой стоячей волны.
Рис. 3.22. AFM – изображение наноструктуры, сформированной лазерным осаждением
атомов хрома в присутствии двух взаимо перпендикулярных гакссовыъ стоячих волн.
3.2. Ионно-полевая микроскопия
Ионно-полевая микроскопия даёт разрешение, приближающееся к межатомным
расстоя¬ниям. В ионно-полевом микроскопе на заострённую метал¬лическую иглу
находящуюся в камере с высоким вакуумом, подается положительный потенциал.
Электрическое поле и его градиент вбли¬зи острия весьма велики, так что
остаточные молекулы газа при приближении к нему ионизируются, передавая
электроны игле, а сами заряжаясь положитель¬но. Эти газообразные катионы
отталкиваются иглой и летят от нее вдоль линий электростатического поля на
расположенную вблизи фотопластинку, на которой при соударениях создаются
засвеченные точки. Каждая точка на пластинке соот¬ветствует атому на кончике
зонда, так что распределение точек на фотопластин¬ке представляет собой сильно
увеличенное изображение распределения атомов на вершине иглы. На рис. 3.14
показан ионно-полевой микроснимок вольфрамо¬вой иглы, на рис. 3.15 -
стереографическая проекция кубического кристалла с ориентацией, соответствующей
микроснимку рис. 3.14. "Международные таб¬лицы кристаллографии" под редакцией Т.
Хана (Хан 1996) содержат стереографи¬ческие проекции для разных точечных групп и
клас сов кристаллов.
3.1. Просвечивающая электронная микроскопия
Электронный пучок можно использовать не только для получения
кристалло¬графической информации о поверхности наночастицы, но и для создания
изо¬бражения поверхности. Такую роль он и играет в электронном микроскопе.
В просвечивающем электронном микроскопе электроны из некоторого ис¬точника,
например, электронной пушки, попадают на образец, рассеиваются при прохождении
сквозь него, фокусируются объективом, проходят через увеличительную
(проекторную) линзу и, наконец, создают искомое изображе¬ние. Эту
последовательность можно увидеть на рис. 3.10 при рассмотрении слева направо.
Длина волны электронов в падающем пучке выражается формулой (3.6), которую
удобнее использовать в виде
где энергия, полученная электронами, Е = eV, а V— ускоряющее напряжение,
выраженное в киловольтах. Если присутствуют удаленные друт от друга тяжелые
атомы, то они дают основной вклад в рассеяние со средним углом рассеяния θ,
выражающемся как θ ~ λ/d, где d — средний диаметр таких атомов. Для ускоряю¬щего
напряжения 100 кВ и среднего диаметра атомов 0,15 нм получаем θ ~ 0,026 радиана,
или 1,5°. Изображение формируется вследствие того, что разные атомы рассеивают и
поглощают быстрые электроны с разной эффективностью. Когда отдельные атомы
тяжелых элементов находятся на расстоянии, большем не¬скольких параметров
решетки, их можно в некоторых случаях разрешить этой методикой.
Электроны гораздо сильнее взаимодействуют с веществом, чем рентгенов¬ские лучи
или нейтроны со сравнимой энергией или длиной волны. Для обычно¬го упругого
рассеяния электронов с энергией ~ 100 кэВ среднее расстояние, про¬ходимое
электроном между двумя актами рассеяния в веществе, называющееся длиной
свободного пробега, составляет от нескольких десятков нанометров для легких
атомов до десятков, или, возможно, сотен нанометров для тяжелых ато¬мов. Лучшие
результаты электронная микроскопия дает для пленок с толщиной, сравнимой с
длиной свободного пробега. Существенно более тонкие пленки рас¬сеивают слишком
мало для получения полезных изображений, в то время как в более толстых пленках
преобладает многократное рассеяние, размывающее изображение и делающее его
трудно интерпретируемым.
На просвечивающем электронном микроскопе можно получать изображе¬ния и с помощью
электронной дифракции от ограниченной области (SAED),
Рис. 3.10. Схема прохождения лучей в традиционной просвечивающей электрон¬ной
микроскопии (путь сверху) и сканирующей просвечивающей элек¬тронной микроскопии
(путь снизу).
Рис. 3.11. Расположение детекторов сигна¬ла в колонне электронного микроскопа.
помещая апертуру в пучок между объективной и проекторной линзами, пока¬занными
на рис. 3.10. Основная часть электронного пучка, прошедшего через образец,
состоит из электронов, вообще не претерпевших рассеяния. В этом пучке также
присутствуют электроны, потерявшие часть энергии из-за неупру¬гого рассеяния без
изменения направ¬ления полета, и электроны, отражен¬ные от различных
кристаллографиче¬ских плоскостей (h k l). Для получения того, что называется
изображением на светлом поле, апер¬тура вводится так, чтобы проходил только
основной не отклоненный пу¬чок, как показано на рис. 3.11. Изоб¬ражение на
светлом поле наблюдается на детекторе или экране. Детали изо¬бражения в темном
поле зависят от конкретного луча (конкретной (h k l) плоскости), выбранного для
получе¬ния изображения. На рис. 3.11 пока¬заны положения апертур светлого и
темного поля. Для иллюстрации этой техники получения изображений на рис. 3.12
приведены изображения сплава железа с аустенитной ГЦКструктурой,
Рис. 3.12.
содержащей 2-3 нанометровые частицы Ni3(Ті,А1) с ГЦК структурой. Дифракционная
картина на рис. 3.12а, полученная без примене¬ния фильтров, состоит из больших
ярких рефлексов от сплава и очень малень¬ких тусклых рефлексов от γ' -
наночастиц. На изображении в светлом поле, по¬казанном на рис. 3.12б, γ' -
частицы едва видны, но созданные ими поля упру¬гих напряжений размерами около 25
нм видны отчетливо. Если для электронной дифракции от ограниченной области
выбрать апертуру так, что¬бы проходил только луч, указанный на рис. 3.12а
стрелкой, то на получившем¬ся изображении темного поля, представленном на рис.
3.12в, хорошо видны положения частиц Ni3(Ті,А1).
Для увеличения количества информации, получаемой из снимка, и изучения деталей,
интенсивность которых близка к шуму, можно использовать специаль¬ные приемы
обработки изображений. Если провести обработку изображения вы¬сокоэффективным
методом быстрого преобразования Фурье, можно получить информацию, аналогичную
результату такого преобразования обычной дифрак¬ционной картины. цы. Наконец, на
рис. 3.13ж показана реконструкция наночастицы на основе полу¬ченных данных.
Рис. 3.13. Обработка изображения частиц Ni на SiO2 субстрате с просвечивающего
электронного микроскопа, (а) - первона¬чальное изображение, (б) —
пространст¬венное быстрое преобразование Фурье снимка (а), (в) - изображение,
полученное с апертурным фильтром, показанным на врезке, (г) - дальнейшая
обработка изоб¬ражения с другим апертурным фильтром, показанным на врезке, (д) -
окончатель¬ное изображение, (е) - изображение SiO2 субстрата, полученное
вычитанием изоб¬ражения частицы, (ж) - модель наночасти- цы, воссозданная на
основе полученных данных.
Кроме прошедших насквозь электронов в пучке присутствуют и электроны, испытавшие
в образце неупрутие со¬ударения и потерявшие энергию, по¬траченную
на создание возбуждений в образце. Это может произойти при возбуждении колебаний
атомов, нахо¬дившихся около траектории пролета электрона, и, следовательно,
возбуж¬дении фононов, распространяющихся по кристаллу. Если образец
металли¬ческий, электрон может испытать не¬упругое рассеяние из-за
возбуждения плазмона, то есть коллективного воз¬буждения в электронном газе
в зоне проводимости. Третьим очень важным источником неупругого рассеяния служит
генерация одноэлектронных возбуждений атомов. Этот процесс может затрагивать
внутренние элек¬тронные оболочки атомов, например, может произойти переброс
электрона с К (п = 1) или L (п = 2) уровня на бо¬лее высокий квантовый уровень
ато¬ма, в зону проводимости или вообще выбивание этого электрону из образца
(ионизация). Меньшие потери энер¬гии могут произойти при перебросе электрона из
валентной зоны полу¬проводника в зону проводимости. Та¬кое возбуждение может
релаксировать посредством перехода электрона в ос¬новное состояние с
испусканием све¬та. Характеристики этого вторичного излучения часто могут дать
полезную информацию об образце. Этот тип пе¬ реходов используется во многих
раз¬делах электронной спектроскопии.
Данную методику можно использо¬вать для исследования поверхности, так как
глубина проникновения элек¬тронов в образец мала.
- Физические свойства, ВЫРАЩИВАНИЕ И ДЕПОНИРОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК, ТРАВЛЕНИЕ
Физические свойства, ВЫРАЩИВАНИЕ И ДЕПОНИРОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК, ТРАВЛЕНИЕ
История развития ВТ
http://mobi.ru/Articles/1207/Kak_sdelat_mobilnuyu_shpargalku.htm
jjggjg
38.Мінеральні добрива
Це речовини які у своєму складі не мають орг..сполук але містять один або кілька елем. Мін.живлення
Азотні добрива вносять у грунт для покращення росту.Використ. такі добрива аміачна селітра, карбамід.вносять навесні.
Фосфорні – важливі у початковій стадії росту.
Нестача впливає негативно на розвиток кор..сист.
Калійні – хлористий калій сильвініт і сульфат калію.
Підвищує стійкість. Вносять під осн. Оранку.
37.Агротехнічні строки вис. Нас.
Насіння дер і чагарн висів у всі пори року але найчастіше висів восени і навесні.
Час вис залежить від біолог особл породи , від грунтово клім умов, від виду і тривалості нас спокою, стійкості сходів до неспр факторів.В лісов зоні нас висів навесні
.
35.Умови зберігання нас
Розрізняють короткостр і довгострокове зберігання. Короткостр насіння зберіг до осені наступного року
Довгострокове – зберігання більше ніж 5 р
В процесі зберігання потрібно попередити проростання. Насіння зберіг в насінесховищах в сухих приміщеннях. Вологість не більше 70%
При t 0 - +5
Насіння хвойних порід попередньо очищ і просушують і зберіг у гермет бутлях або в метал посуді.Вологість для модр. –6-9% Сз і Яз – 6,5-7,5%
При трив зберіг в тару кладуть сіль.
49.Доповнення лісових культур
Це висдж лісового садивного матеріалу в ЛК на місце рослин що загинули.Доповненню підляг лк прижвл яких становить 25-85%. При нерівномірн відпаді доповнення проводять за будь-якої приж.
Проводять вручну. Викор сад матер того самого віку що і лк.
48.Удобрення грунту в розсаднику. Види добрив
Удобрюють орг. І мінер добривами. До мін відносять азотні калійні фосфорні( пит№ 38) І органічні гній компост, торф, сапропель, зелені добрива. Куряч послід і гноївка.
Гній- свіжий напівперепрілий . перепрілий і перегній.
норма внесення 20-40т/га
Компост- закладають у купах. Траншеях і ямах. До складу входить: опале листя, буряни без нас, тирса, солома і торф. Купи поливають гашеним вапном.Готовий комп перетвор в однорідну масу.
Торф- містить достат кількість мінер речовин і має низьку кислотність . норма внес – 100-110т/га
Сапропель – цінне добриво яке містить 96% орг. Речовин. Утвор в умовах де відсутня течія
Зелене добриво – люпин горох віка бобові. Скошують у період молочно-воскової стиглості.
Х = Н/В*100
45.техн приймання робіт в посівн відділенні розс
Проводять з метою перевірки якості виконаних робіт. Провод комісія центральна в лісгоспі і в кожн лісн пікомісія .при техн. Прийм визначають площі посівів , відповідн схем висівЮ їх розміщ, норму висів. Іглибину загортання. Якість нас і витрати на один площі, якість обр грунту , стан посівів на день приймання. Одночасно визнач причини незад стану посіві і признач заходи з поліпшення вирощ сад мат.
46.Відбір середнього зразка для визн посівних якостей нас
Середній зразок відбирає особа яка пройшла спец інструктаж в ДЗЛНІ. Термін відбору 10 після формування партії. Сер зразок відбир відбором виїмок. Наважка це невелика кількість нас відбір від парт за один прийом. Кількість виїмок крупного 30 , дрібного 15. вихідний зразок це сукупність усіх виїмок від однор партії нас. Маса не менше як в 10раз більша за масу сер зразка. Відбмр сер зразок методом хрестоподібного ділення. Сер зрезок це частина вих. зразка призначена для аналізу .
40. Фактори які впливаюь на плодоношення деревних порід
Урожай насіння залежить від кліматичних і погодніх умов. Факторів: освітлення, запилення, пошкодження шкідниками і хворобами. Клімат має вел вплив і на якість насіння.Велику роль відіграють умови запилення квітів. Світло необхідна умова для дозрівання плодів.
36. Контроль за станом насіння при зберіганні
Насіння яке збер в скляних бутлях оглядають на рідше ніж раз на місяць. У разі зміни кольору появи нальоту подібного до пилу нас висип на брезент для просушки.Повторно перевір на повну якість. Осбливо стежать за вологістю.
51.Особливості вирощування сіянців берези повислої Зумовлені малим розміром насіння ніжними сходами. Насіння притрушують. Сіянці краще вирощувати на легкосуглинкових і супіщ чорноземах. Особливу увагу надають передпосівному оброб грунту. Висівати можна у всі агротехнічні строки. Насіння потребує спеціальної підготовки. Насіння зміш з торфокрихтою 1 до 3. Догляд з розпушування, знищення бурянів, зрошення. Стандартних розмірів досягає у 2 роки. Викопують восени і весною. Норма висіву 2,5 г/м Передпосівна підготовка є мульчування.Схема 25-45-25-55.
История развития вычислительной техники
1. История развития вычислительной техники. Элементная база и назначение вычислительных устройств ручного, механического, электромеханического и электронного периодов.
1.Домеханическая эпоха – с древнейших времен до середины ХVII века. Элементарную базу вычислительных устройств тех лет составляли подручные предметы – камешки, палочки. Величайшие достижения домеханической эпохи – счеты и логарифмическая линейка.
Возникала необходимость в специальных приборах, которые бы облегчили и ускорили процесс выполнения повседневных расчетов. Так, в старом Риме и Греции, было создано приспособление для счета - абак. Основной его функцией было выполнение арифметических операций по средствам перемещения счетных элементов (камешков). В основном абак применялся в денежных расчетах.
2. Механическая эпоха. 17 и 18 века – время расцвета точных механических устройств. Часы, механические игрушки. Именно в это время были созданы первые конструкции вычислительных машин – суммирующая машина Паскаля (она работала по принципу вычисления с помощью металлических шестеренок) и арифмометр Бэббиджа (эта машина - огромный арифмометр с программируемым управлением, помимо простого счета, в ее возможности входило управление ходом собственной деятельности в зависимости от заложенной программы, иными словами, он представил идею программного управления над вычислительными процессами. Его изобретение стало основой для создания будущих компьютеров, и опередило эпоху на почти на 100 лет. Но и она была не без изъяна. Например, в ней применялись зубчатые колеса для запоминания ряда десятичных чисел. Воплотить свой проект в жизни ему так и не удалось, по причине недостаточного развития техники.). Однако, несмотря на все свое совершенство, машина Бэббиджа проектировалась как чисто механическая, приводимая в движение небольшим паровым двигателем.
3. Электромеханическая эпоха. В 1831 году Д.Генри в США и Сальваторе дель Негро в Италии изобрели электромагнитное реле. Сначала электромеханические элементы были очень ненадежными и неподходящими для построения сложных приборов, но уже в конце 19 века появилась техническая возможность превратить чисто механические вычислительные устройства в электромеханические, в которых передача сигналов осуществлялась не рейками и шестеренками, а импульсами тока. Начало электромеханической эпохи отмечено изобретением табулятора Холлерита, а конец – релейными вычислительными машинами типа MARK. Классическим типом средств электромеханического этапа был счетно-аналитический комплекс, предназначенный для обработки информации на перфокарточных носителях Заключительный период электромеханического этапа развития вычислительной техники характеризуется созданием целого ряда сложных релейных и релейно-механических систем с программным управлением, характеризующихся алгоритмической универсальностью и способных выполнять сложные научно-технические вычисления в автоматическом режиме со скоростями, на порядок превышающими скорость работы арифмометров с электропроводом. Эти аппараты можно рассматривать в качестве прямых предшественников универсальных ЭВМ.
4. Электронная эпоха. В начале 20 века были изобретены первые электронные приборы – радиолампы. Вакуумный диод предложен Флеммингом (1904 г.), триод – Ли де Форрестом (1906 г.). К середине 30-х г.г. электронные лампы стали применяться во всех радиотехнических устройствах, однако их использование в вычислительной технике стало возможным лишь после изобретения триггера – радиосхемы с двумя устойчивыми состояниями, которая пришла на смену электромагнитному реле. Триггер был создан независимо друг от друга М.А. Бонч-Бруевичем (СССР, 1918), а также У.Экклзом и Ф.Джорданом (Великобритания, 1919). На его основе в 20-х и 30-х годах были построены основные составляющие вычислительной техники – регистры, счетчики, логические схемы. Таким образом, к 40-м годам была создана элементарная база электронной вычислительной техники, и вскоре, в 1945 году, была создана первая ЭВМ. Первой ЭВМ принято считать машину ENIAC, созданную в США в конце 1945 г. Первоначально предназначенная для решения задач баллистики машина оказалась универсальной, т.е. способной решать различные задачи. Главным консультантом проекта являлся Д Моучли, а главным конструктором - Д Эккерт.
Классификация ЭВМ по этапам создания и используемой элементной базе
1. Классификация ЭВМ по этапам создания и используемой элементной базе, по назначению, по принципу действия.
Классификация ЭВМ по этапам создания
По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения:
• Первое поколение, 50-е годы; ЭВМ на электронных вакуумных лампах.
• Второе поколение, 60-е годы; ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах).
• Третье поколение, 70-е годы; ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни – тысячи транзисторов в одном корпусе).
• Четвертое поколение, 80-е годы; ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах – микропроцессорах (десятки тысяч – миллионы транзисторов в одном
• Пятое поколение, 90-е годы; ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;
• Шестое и последующие поколения; оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейтронной структурой – с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейтронных биологических систем.
Каждое следующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предыдущими существенно лучшие характеристики. Так, производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличивается, как правило, больше чем на порядок.
По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.
Классификация ЭВМ по назначению
Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.
Характерными чертами универсальных ЭВМ является:
• высокая производительность;
• разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятиричных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой степени их представления;
• обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных;
• большая емкость оперативной памяти;
• развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.
Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.
К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.
Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.
К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адептеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем. К таким компьютерам также относятся, например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов. Бортовые компьютеры управляют средствами ориентации и навигации, осуществляют контроль за состоянием бортовых систем, выполняют некоторые функции автоматического управления и связи, а также большинство функций оптимизации параметров работы объекта (например, оптимизацию расхода топлива объекта в зависимости от конкретных условий движения). Специализированные мини-ЭВМ, ориентированные на работу с графикой, называют графическими станциями. Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры предприятия в одну сеть, называют файловыми серверами. Компьютеры, обеспечивающие передачу информации между различными участниками всемирной компьютерной сети, называют сетевыми серверами.
Во многих случаях с задачами специализированных компьютерных систем могут справляться и обычные универсальные компьютеры, но считается, что использование специализированных систем все-таки эффективнее. Критерием оценки эффективности выступает отношение производительности оборудования к величине его стоимости.
Классификация ЭВМ по принципу действия
Компьютер - комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.
По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ).
Критерием деления вычислительных машин на эти три класса являются форма представления информации, с которой они работают.
ЦВМ – вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.
АВМ - вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).
ГВМ – вычислительные машины комбинированного действия работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.
Две формы представления информации в машинах: а – аналоговая; б – цифровая импульсная
Аналоговые вычислительные машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2-5 %). На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.
Наиболее широкое распространение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации – электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами
Классические принципы построения ЭВМ(принципы Джона фон Неймана)
3)Классические принципы построения ЭВМ (принципы Джона фон Неймана). Функциональные блоки ЭВМ и их назначение. Взаимодействие блоков ЭВМ: классическая (архитектура Джона фон Неймана) и современная (магистральная, шинная) структура ЭВМ.
Принципы фон Неймана
В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.
По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.
1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.
2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.( Пр.программного управления)
3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными. (Пр.однородности памяти)
4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании. (Пр.адресности)
5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.
Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.
Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск
основные блоки:
арифметическо-логическое устройство (АЛУ), выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти
управляющее устройство (УУ), организующее процесс выполнения программ;
УУ автоматически без участия человека управляет вычислительным процессом, посылая сигналы всем устройствам для реализации опр. действий (напр., для выполнения опр.операции АЛУ). УУ в своей работе руководствуется программой. Программа состоит из команд, каждая из которых, определяет какое либо действие и операнд. Программа в свою очередь основывается на алгоритме решения поставленной задачи
внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), или память, используется для долговр. хранения данных. Внешние запоминающие устройства (накопители на магнитных дисках, например, жесткий диск или винчестер) с емкостью намного больше, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом, используются для длительного хранения больших объемов информации. Напр., операционная система (ОС) хранится на жестком диске, но при запуске компьютера резидентная часть ОС загружается в ОЗУ и находится там до завершения сеанса работы ПК.
оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); Оперативные ЗУ хранят информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (резидентная часть операционной системы, прикладная программа, обрабатываемые данные). В ОЗУ хранится наиболее часто используемые процессором данные. Только та информация, которая хранится в ОЗУ, непосредственно доступна процессору.
устройства ввода и вывода информации (УВВ) Для ввода и вывода информации.
Классическая архитектура (фон Неймана)
Шинная структура ЭВМ
Магистральная структура ЭВМ
Принципы фон Неймана»:
• Принцип использования двоичной системы счисления для представления данных и команд.
• Принцип программного управления.
• Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности.
• Принцип однородности памяти. Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления — чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
• Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.
• Принцип последовательного программного управления
• Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой.
• Принцип условного перехода. Сам принцип был сформулирован задолго до фон Неймана Адой Лавлейз и Чарльзом Бэббиджем, однако он добавлен в общую архитектуру.
Базовая аппаратная конфигурация компьютерной модели IBM PC.
4)Базовая аппаратная конфигурация компьютерной модели IBM PC. Системы, расположенные на системной ( материнской плате), их назначение и характеристики.
Рассмотрим организацию персональных компьютеров, самых распространенных в настоящее время - IBM PC.
Персональный компьютер (ПК) представляет собой универсальную техническую систему. Его конфигурацию, т.е. состав оборудования можно гибко изменять по мере необходимости. Существует понятие базовой аппаратной конфигурации , которая считается типовой. В составе базовой аппаратной конфигурации выделяют четыре основных устройства: системный блок, монитор, клавиатуру и мышь.
Системный блок представляет собой осн. узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты.
Системный блок включает в себя:
Материнскую плату;
• Процессор;
• Шинные интерфейсы материнской платы;
• Оперативную память;
• Микросхему ПЗУ и система BIOS Энергонезависимую память CMOS;
• Жесткий диск;
• Дисковод гибких дисков;
• Дисковод компакт-дисков CD-ROM
Монитор - аппарат, предназначенный для вывода графической, текстовой или звуковой информации.
Клавиатура - одно из основных устройств ввода информации от пользователя в компьютер. Представляет собой комплект расположенных в определенном порядке клавиш (кнопок).
Мышь - Компью́терная мышь (просто «мышь» или «мы́шка») — механический манипулятор, преобразующий движение в управляющий сигнал. В частности, сигнал может быть использован для позиционирования курсора или прокрутки страниц.
Материнская плата (mother board) – основная плата персонального компьютера, представляющая из себя лист стеклотекстолита, покрытый медной фольгой. Путем травления фольги получают тонкие медные проводники соединяющие электронные компоненты.
Любая материнская плата будет содержать несколько составляющих. Одной из таких составляющих будет являться гнездо для процессора. Выбирая процессор, вы должны знать, какое гнездо для него расположено на вашей системной плате.
Слот для установки процессора. Определяет, какой именно тип процессоров можно подсоединить к материнской плате.
Процессор (микропроцессор, центральный процессор, CPU) – основная микросхема компьютера Процессор представляет собой большую микросхему, которую можно легко найти на материнской плате.
Контроллер ОЗУ (оперативно запоминающее устройство). Раньше контроллер ОЗУ встраивали в чипсет, но сейчас большинство процессоров имеют встроенный контроллер ОЗУ, что позволяет увеличить общую производительность и разгрузить чипсет.
ОЗУ – набор микросхем для временного хранения данных. В современных материнских платах имеется возможность подключения одновременно нескольких микросхем ОЗУ, обычно четырех или более
На процессоре устанавливается большой медный ребристый радиатор, охлаждаемый вентилятором.
Чипсеты (микропроцессорный комплект ) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы ;являются одним из главных компонентов системной платы. Именно они организовывают обмен данными между всеми устройствами компьютера. Чипсеты включают в себя два моста: северный и южный. Оба они находятся на системной плате, но выполняют связь разных устройств. Таким образом, северный мост отвечает за обмен данных между процессором, ОП, контролером памяти и видеокартой. В свою очередь южный мост следит за обменом данными между различными устройствами ввода/вывода и дисками. При развитии технологий, в современных системах, задачи северного моста стали потихоньку перемещаться в центральный процессор, что, по мнению разработчиков должно повлиять на увеличение быстродействия системы.
Контроллеры каналов ввода-вывода: USB, COM, LPT, ATA, SATA, SCSI, FireWire, Ethernet и др. Какие именно каналы ввода-вывода будут поддерживаться, определяется типом используемой материнской платы. В случае необходимости, дополнительные контроллеры ввода-вывода можно устанавливать в виде плат расширения;
Кварцевый генератор, вырабатывает сигналы, по которым синхронизируется работа всех элементов ЭВМ.
Таймеры
Контроллер прерываний. Сигналы прерываний от различных устройств поступают не напрямую в процессор, а в контроллер прерываний, который устанавливает сигнал прерывания с соответствующим приоритетом в активное состояние;
Разъемы для установки плат расширения: видеокарт, звуковой карты и т.д
Регуляторы напряжения, преобразующие исходное напряжение в требуемое для питания компонентов установленных на материнской плате.
Средства мониторинга, измеряющие скорость вращения вентиляторов, температуру основных элементов ЭВМ, питающее напряжение и т.д.
Звуковаая карта. Практически все материнские платы содержат встроенные звуковые карты, позволяющие получить приличное качество звука. При необходимости можно установить дополнительную дискретную звуковую карту обеспечивающую лучшее звучание, но в большинстве случаев это не требуется
Встроенный динамик. Главным образом используется для диагностики работоспособности системы, так по длительности и последовательности звуковых сигналов при включении ЭВМ можно определить большинство неисправностей аппаратуры;.
Шины – проводники для обмена сигналами между компонентами ЭВМ.
Устройства ввода-вывода ЭВМ.
5) Устройства ввода – вывода ЭВМ: назначение, принцип работы и их характеристики.
Устройства ввода-вывода относятся к внешним периферийные) устройства персонального компьютера составляют важнейшую часть любого вычислительного комплекса.
Основные устройства Ввода: клавиатура –
Стандартным устройством ввода является клавиатура. Она содержит стандартный набор алфавитно-цифровых клавиш и некоторые дополнительные клавиши - управляющие (Esc, Alt и др.) и функциональные (F1 - F12), клавиши управления курсором (обозначены стрелками), а также малую цифровую клавиатуру . Контроль вводимых данных осуществляется на экране монитора.
Курсор - светящийся символ на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак. Все символы, набираемые на клавиатуре, немедленно отображаются на мониторе в позиции курсора. Клавиатура содержит встроенный микроконтроллер (местное устройство управления), который выполняет следующие функции:
• последовательно опрашивает клавиши, считывая введенный сигнал и вырабатывая двоичный скан-код клавиши;
• управляет световыми индикаторами клавиатуры;
• проводит внутреннюю диагностику неисправностей;
• осуществляет взаимодействие с центральным процессором через порт ввода-вывода клавиатуры.
Клавиатура имеет встроенный буфер - промежуточную память малого размера, куда помещаются введённые символы. В случае переполнения буфера нажатие клавиши будет сопровождаться звуковым сигналом - это означает, что символ не введён (отвергнут). На клавиши алфавитно-цифрового поля может быть дополнительно нанесена разметка букв национального алфавита. Работу клавиатуры поддерживают специальные программы, "зашитые" в BIOS, а также драйвер клавиатуры, который обеспечивает возможность работы в режиме национального алфавита, управление скоростью работы клавиатуры и др.
Обычно используется 101-104-клавишная клавиатура американского стандарта. Кроме клавишной, клавиатура бывает мембранной и сенсорной .
На современном компьютерном рынке большой популярностью пользуются эргономические клавиатуры и прокладки для запястий, обеспечивающих наиболее комфортные условия работы. Различные модели эргономических клавиатур имеют:
• форму буквы V и разъединение посередине, угол между частями можно плавно менять по своему желанию;
• большие опоры для ладоней, поддерживающие кисти в прямом положении;
• мембранную бесшумную замену клавишам;
• сенсорную панель, движение пальцев по которой заменяет манипуляции с мышью.
графические планшеты (диджитайзеры) - для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК; Графический планшет, дигитайзер, используется для ввода в компьютер чертежей или рисунков. Изображение преобразуется в цифровые данные, отсюда название устройства от английского слова digit, что означает - "цифра". Условия создания изображения приближены к реальным, достаточно специальным пером или пальцем сделать рисунок на специальной поверхности. Результаты работы дигитайзера воспроизводятся на экране монитора и в случае необходимости могут быть распечатаны на бумаге. Дигитайзерами обычно пользуются архитекторы, дизайнеры
сканеры (читающие автоматы) - для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей; в устройстве кодирования сканера в текстовом режиме считанные символы после сравнения с эталонными контурами специальными программами преобразуются в коды ASCII, а в графическом режиме считанные графики и чертежи преобразуются в последовательности двухмерных координат;
Большое распространение в наше время прибрели устройства сканирования изображения, текстов, рисунков. Термин "сканирование" происходит от английского глагола to scan, что означает "пристально всматриваться".
Сканер распознает изображение, автоматически создает его электронную копию, которая может быть сохранена в памяти компьютера. Отличительные черты сканеров:
• глубина распознавания цвета: черно-белые, с градацией серого, цветные;
• оптическое разрешение, или точность сканирования измеряется в точках на дюйм (dpi) и определяет количество точек, которые сканер различает на каждом дюйме; стандартные разрешения - 400, 600, 1200 точек на дюйм;
• программное обеспечение: обучаемые сканеры имеют образцы почерков для распознавания рукописного текста, интеллектуальные сами обучаются;
• конструкция: ручные, страничные (листовые) и планшетные.
К важным характеристикам сканера также относятся время сканирования и максимальный размер сканируемого документа.
Сканеры находят широкое применение в издательской деятельности, системах проектирования, анимации. Сканеры незаменимы при создании иллюстративных материалов для презентаций, доков, рекламы.
манипуляторы (устройства указания):
Манипуляторы осуществляют непосредственный ввод информации, указывая курсором на экране монитора команду или место ввода данных. Манипуляторы, как правило, подключаются к коммуникационному порту (СОМ1-СОМ4).
Существуют манипуляторы: мышь, трекбол, джойстик и др..
Мышь
Мышь - наиболее распространенный тип манипуляторов. В корпусе мыши установлены кнопки для выполнения действий и шарик для ее перемещения по коврику. Движение мыши отражается на экране монитора перемещением ее указателя.
Качество мыши определяется ее разрешающей способностью, которая измеряется числом точек на дюйм - dpi (dot per inch). Эта характеристика определяет, насколько точно курсор будет передвигаться по экрану. Разрешающая способность мышей обычно составляет около 600 dpi. Это означает, что при перемещении мыши на 1 дюйм (1 дюйм = 2,54 см) указатель мыши на экране перемещается на 600 точек.
В настоящее время широко распространены оптические мыши, в которых нет механических частей. Источник света, размещенный внутри мыши, освещает поверхность, а отраженный свет фиксируется фотоприемником и преобразуется в перемещение курсора на экране.
Трекбол
Трекбол - небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. Пользователь рукой вращает шарик и перемещает, соответственно, курсор. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить в корпус машины.
Джойстик
Джойстик представляет собой ручку управления и наиболее часто используется в компьютерных играх. Джойстики управляют перемещениями курсора по экрану. С целью обеспечения эргономических требований форма ручки джойстика имеет форму, повторяющую рельеф кисти руки при обхвате ручки. Современный рынок джойстиков очень разнообразен. Созданный для досуга, он совершенствуется, и работа с ним все точнее воссоздает условия имитируемой ситуации. Среди последних моделей наиболее удачен джойстик с силовой обратной связью на события, происходящие на экране. Например, если в ходе игры вы ведете машину по ухабистой дороге под вражескими пулями, то джойстик дрожит в руке, и вы чувствуете, как пули попадают в автомобиль.
Вывода: сканер; веб-камера; мониторы; принтеры.
Монитор – устройство, отображающее текстовую, графическую информацию на экране. Качество монитора характеризуется его разрешающей способностью. Основные характеристики монитора:
Монитор – устройство изображения текстовой и графической информации на экране. Выделяют: аналоговые и цифровые. Характеристики:
1. частота кадровой развертки (у современных – 70-80 Гц);
2. разрешающая способность: 2 режима – текстовый и графический. Стандартные разрешающие способности: 640х480, 800х600, 1200х1600;
3. четкость изображения на экране является размер зерна люминофора экрана монитора – от 0,41 до 0,18 мм;
4. монохромные или цветные;
5. с плоским или выпуклым экраном
Монито́р — конструктивно законченное устройство, предназначенное для визуального отображения информации.
Современный монитор состоит из экрана (дисплея), блока питания, плат управления и корпуса. Информация для отображения на мониторе поступает с электронного устройства, формирующего видеосигнал (в компьютере — видеокарта). В некоторых случаях в качестве монитора может применяться и телевизор.
По виду выводимой информации
алфавитно-цифровые
o дисплеи, отображающие только алфавитно-цифровую информацию
o дисплеи, отображающие псевдографические символы
o интеллектуальные дисплеи, обладающие редакторскими возможностями и осуществляющие предварительную обработку данных
графические,
для вывода текстовой и графической (в том числе видео-) информации[1].
векторные (vector-scan display)
o растровые (raster-scan display) — используются практически в каждой графической подсистеме PC; IBM назвала этот тип отображения информации (начиная с CGA) отображением с адресацией всех точек (All-Points-Addressable, APA), — в настоящее времядисплеи такого типа обычно называют растровыми (графическими) поскольку каждому элементу изображения на экране соответствует один или несколько бит в видеопамяти
По типу экрана
• ЭЛТ — монитор на основе электронно-лучевой трубки
• ЖК — жидкокристаллические мониторы
• Плазменный — на основе плазменной панели
• Проектор — видеопроектор и экран, размещённые отдельно или объединённые в одном корпусе (как вариант — через зеркало или систему зеркал); и проекционный телевизор
• LED-монитор — на технологии LED (англ. light-emitting diode — светоизлучающий диод)
• OLED-монитор — на технологии OLED (англ. organic light-emitting diode — органический светоизлучающий диод)
• Виртуальный ретинальный монитор — технология устройств вывода, формирующая изображение непосредственно на сетчатке глаза
• Лазерный — на основе лазерной панели (пока только внедряется в производство
Принтеры
— печатающие устройства для вывода информации на бумажный носитель.
Компьютерный принтер (англ. printer — печатник) — устройство печати цифровой информации на твёрдый носитель, обычно на бумагу.
Современные принтеры позволяют выводить на печать текстовую информацию, а также рисунки и графики. Существует множество моделей принтеров, различающихся по качеству печати, производительности и другим характеристикам.
Основными характеристиками принтеров являются:
- количество игл или сопел (за исключением лазерных), определяющее качество печати;
- скорость печати, определяющая производительность принтера;
- количество встроенных шрифтов;
- формат бумаги и вид подачи листов (автоматическая или полуавтоматическая).
По способу получения изображения на бумаге, способу нанесения красящего материала принтеры бывают: матричные, струйные, лазерные, термические, литерные.
Основные виды принтеров:
матричные — изображение формируется из точек, печать которых осуществляются тонкими иглами, ударяющими бумагу через красящую ленту. Знаки в строке печатаются последовательно. Количество иголок в печатающей головке определяет качество печати. Недорогие принтеры имеют 9 иголок. Более совершенные матричные принтеры имеют 18 и 24 иглы;
• струйные — в печатающей головке имеются тонкие трубочки — сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайщие капельки чернил. Матрица печатающей головки обычно содержит от 12 до 64 сопел. В настоящее время струйные принтеры обеспечивают разрешающую способность до 50 точек на миллиметр и скорость печати до 500 знаков в секунду при отличном качестве печати, приближающемся к качеству лазерной печати. Струйные принтеры выполняют и цветную печать, но разрешающая способность при этом уменьшается примерно вдвое;
• лазерные — применяется электрографический способ формирования изображений. Лазер служит для создания сверхтонкого светового луча, вычерчивающего на поверхности предварительно заряженного светочувствительного барабана контуры невидимого точечного электронного изображения. После проявления электронного изображения порошком красителя (тонера), налипающей на разряженные участки, выполняется печать — перенoc тонера с барабана на бумагу и закрепление изображения на бумаге разогревом тонера до его расплавления. Лазерные принтеры обеспечивают наиболее высококачественную печать с высоким быстродействием. Широко используются цветные лазерные принтеры.
Лазерные принтеры для формирования изображения используют лазерный луч. С помощью систем линз тонкий луч лазера формирует скрытое электронное изображение на светочувствительном барабане. Во время печати на поверхность барабана подается высокое напряжение, и к заряженным участкам электронного изображения притягиваются частички порошка-красителя, который затем переносится на бумагу. Закрепляется изображение на бумаге разогревом тонера до температуры плавления. Лазерные принтеры обеспечивают наилучшее качество и высокую скорость печати, но являются наиболее дорогими. Современные принтеры имеют встроенный процессор, что позволяет значительно разгрузить центральный процессор. Одним из важных параметров лазерного принтера является «скорострельность» печати. Некоторые принтеры могут печатать до 20 страниц в минуту. Изображение, получаемое с помощью современных принтеров, состоит из точек. Чем эти точки мельче и чаще расположены, тем более качественное изображение можно получить. Качество печати принтера принято измерять максимальным количеством точек, которое он может напечатать на отрезке длиной в 1 дюйм (2,54 см). Эта характеристика называется разрешением и измеряется в единицах, обозначаемых dpi (dot per inch, точек на дюйм). Лазерные принтеры имеют разрешение от 600 до 1200 dpi, а некоторые и выше.
К принтерам близки по назначению плоттеры – специализированные устройства для вывода на бумагу чертежей и рисунков. Рисунок исполняется специальным пером, управляемым электронным блоком; для цветного плоттера необходимо несколько перьев. Плоттер необходим как часть АРМ проектировщика, инженера-конструктора, архитектора. В силу специализированное™ и высокой стоимости плоттеры не получили массового распространения.
Своеобразные устройства вывода – синтезаторы звука. Простейшие из них есть в арсенале почти у всех персональных компьютеров и представляют собой обычный малогабаритный динамик, напряжение сигнала на котором с большой частотой изменяется компьютером. Таким способом удается подать простой звуковой сигнал, указывающий на наступление какого-либо события. Многие языки программирования дополняются командами типа ВЕЕР, SOUND, позволяющими программировать серии звуков.