Глава 6. Организация ввода-вывода

6.1. Система ввод/вывода

Назначением системы ввода-вывода является обеспечение обмена информацией между внешними (периферийными) устройствами и оперативной памятью. К внешним устройствам относятся:

• внешняя память (гибкие и жесткие магнитные диски, оптические и магнитооптические диски, магнитные ленты, флеш-память и т.д.),

• устройства ввода (клавиатура, мышь, сканер и т.д.),

• устройства вывода (принтер, монитор, графопостроитель и т.д.),

• устройства коммуникации, обеспечивающие связь с другими ЭВМ или управляемыми объектами, включая удаленные объекты.

Устройства внешней памяти

Информация, хранимая в устройствах внешней памяти, организована в файловые структуры. Файл – это единица информации в виде массива байт произвольной длины, которому присвоен уникальный идентификатор (имя).

Каждый идентификатор может содержать трехсимвольное расширение, отделенное от имени точкой. Расширение может быть использовано для задания группового признака (типа файла), характеризующего хранимую информацию: текстовую, графическую и т.д. Например, запись vc.exe означает идентификатор vc с расширением exe (исполняемый файл).

Отдельные файлы объединяются в каталоги (папки). Каждый каталог имеет свое имя и может быть зарегистрирован в другом каталоге. Тогда он называется подкаталогом. Так образуется древовидная файловая структура для каждого логического устройства. Корневой каталог является каталогом высшего уровня. Логическое внешнее устройство – это устройство, различимое программой. Физическое внешнее устройство может отображаться на одно логическое устройство или быть разделено на несколько логических устройств с непересекающимися областями носителя информации.

Поиск информации во внешней памяти на логическом уровне производится по идентификатору файла. Перед идентификатором файла указывается путь в виде имени логического устройства и перечня имен всех каталогов ветви файловой структуры до искомого файла – пути к файлу. Например, адрес с:\vc\nc.exe означает файл nc.exe, который находится в каталоге vc на логическом устройстве внешней памяти "с".

Преобразование логического адреса файла в физический и поиск информации на физическом уровне зависят от типа устройства внешней памяти. Наиболее распространенными устройствами внешней памяти до настоящего времени являлись накопители на основе записи на магнитную поверхность. Это магнитные ленты, а также магнитные, оптические и магнитооптические диски. В настоящее время они вытесняются новыми формами записи.

Запись и чтение информации в накопителях на магнитной поверхности производится при помощи магнитных головок. Простейшая магнитная головка (рис. 10) состоит из катушки с магнитопроводом. Магнитопровод имеет воздушный зазор. При протекании тока через катушку в магнитопроводе возникает магнитный поток, который в области воздушного зазора выходит за пределы головки и может замыкаться через магнитоактивный слой носителя информации.

Запись информации на магнитную поверхность основана на явлении остаточной намагниченности.

Если к локальному участку поверхности с магнитоактивным слоем подвести магнитное поле определенной интенсивности, то после снятия магнитного поля на участке поверхности остается остаточная намагниченность магнитоактивного слоя (магнитный отпечаток). Направление остаточной намагниченности определяется ориентацией подводимого магнитного поля. Создание магнитного поля производится при помощи подачи тока определенной силы и направления на катушку магнитной головки.

Локализация магнитного поля на участке поверхности производится при помощи воздушного зазора кольцевого магнитопровода магнитной головки. Так производится запись одного бита информации. При движении магнитной головки относительно поверхности носителя информации производится запись многобитовой информации.

Чтение записанной информации чаще всего производится благодаря магнитоиндукционным явлениям. При движении магнитной головки над поверхностью носителя остаточное поле магнитных отпечатков замыкается через магнитопровод головки. При этом на обмотках катушки наводится напряжение, пропорциональное произведению скорости изменения магнитного потока через катушку на число витков катушки. То есть напряжение на обмотках катушки будет зависеть от чередования записанных магнитных отпечатков.

Запись информации на магнитооптических дисках также основана на явлении остаточной намагниченности, но физические методы записи и чтения здесь свои.

Наиболее простые магнитооптические диски используют запись на предварительно намагниченную поверхность. Запись магнитного отпечатка производится при помощи кратковременного нагрева локального участка магнитоактивного слоя лазерным лучом и подачи внешнего перемагничивающего поля. Напряженность поля выбирается меньше порога перемагничивания материала магнитоактивного слоя. Но порог перемагничивания падает с ростом температуры. Поэтому перемагничивание магнитоактивного слоя происходит только в локальной области нагрева поверхности лазерным лучом. Плотность записи при этом значительно возрастает.

Возросшая плотность записи исключает использование при чтении обычных магнитоиндукционных головок. Чтение информации производится лазерным лучом. Намагниченность участка магнитоактивного слоя меняет плоскость поляризации отраженного лазерного луча. Это явление используется при чтении информации.

В оптических дисках запись информации основана на изменении рельефа отражающей поверхности диска. Чтение информации производится за счет различного рассеивания лазерного луча, отраженного от поверхности диска. По функциональным возможностям магнитные диски могут быть:

• с однократной записью информации емкостью до 700 Мбайт (CD ROM - компакт диск только для чтения),

• с возможностью многократной записи емкостью до 700 Мбайт (CD RW - компакт диск для чтения и записи),

• с однократной записью информации емкостью до 4 Гбайт (DVD R - диск только для чтения),

• с возможностью многократной записи емкостью до 4 Гбайт (DVD RW - диск для чтения и записи).

Кроме этого файловую структуру используют относительно новые виды внешней памяти на основе МДП-транзисторов с плавающим затвором. Это различные устройства флэш-памяти. Запись информации производится благодаря туннелированию электронов на изолированный затвор, чтение – аналогично чтению в однотранзисторных ячейках динамической памяти. Один из способов групповой записи информации в ячейки флэш-памяти с дублирующей динамической памятью реализуется подачей магнитного поля, уменьшающего порог туннелирования электронов в область затвора.

Устройства ввода. Это устройства ввода данных в систему оперативной памяти из системы устройств внешней памяти или устройств связи с внешними объектами.

К устройствам ввода относятся:

• клавиатура (ввод символьной информации),

• мышь (выбор координаты на экране монитора для ввода символьной или графической информации),

• сканер (ввод цифровой и графической информации с бумажного носителя и т.д.),

• устройства связи с внешними объектами.

Устройства вывода. Это устройства вывода данных из системы оперативной памяти в систему внешней памяти или на устройства связи с внешними объектами.

Процессор может осуществлять программное управление операциями ввода/вывода, но не может являться объектом операции ввода или вывода.

Устройства коммуникации. Это устройства, обеспечивающие связь с другими ЭВМ или управляемыми объектами, включая удаленные объекты.

Контрольные вопросы:

1. Устройства, относящиеся к системе ввода/вывода.

2. Понятие файловой структуры размещения информации на внешней памяти.

3. Основы чтения и записи информации в накопителях с записью на магнитной поверхности.

4. Накопители с записью на магнитной поверхности.

5. Флеш-память, физика записи и чтения.