VNĚJŠÍ PAMĚTI A I/O ZAŘÍZENÍ

1. VNĚJŠÍ PAMĚTI A I/O ZAŘÍZENÍ Výpočetní systémy I 5. přednáška

2. Obsah probírané problematiky • Pevné disky – HDD • Disková pole – ATA RAID • Optická paměťová média • Přenosná média s vysokou kapacitou • Monitory • Tiskárny • Skenery Výpočetní systémy I - přednáška č.5

3. Pevné disky - HDD • Zkratka odvozena ze slovHardDisc • Používá se pro nepřechodné ukládání dat (data zůstanou na disku zachována i po vypnutí napájení PC) • Disk obsahuje pevné plotny (většinou 2 - 5 ) diskového tvaru, vyrobené z hliníku či skla (na rozdíl od disket se plotny nemohou ohýbat) Výpočetní systémy I - přednáška č.5

4. Činnost pevného disku • Nad otáčejícími-se plotnami se pohybují hlavy, které čtou a zapisují data do soustředných prstenců (stop), rozdělených na segmenty (512ti bytové sektory) • Každá plotna má dvě strany, na něž je možné ukládat data • Shodně umístěné stopy na obou stranách všech ploten tvoří cylindr Výpočetní systémy I - přednáška č.5

5. HDD má většinou jednu hlavu pro každou stranu plotny, hlavy jsou připevněny ke společnému závěsu hlav, tj. pohybují se společně • Během provozu se hlavy nedotýkají povrchu ploten, po vypnutí PC jsou přesunuty na vnitřní cylindr, kde přistanou –tzv. zaparkování hlav • Obvyklá rychlost otáčení pevných disků je 7 200 otáček za minutu, existují i disky s 15 000 otáčkami za minutu • Velikost dnešních HDD se pohybuje v desítkách až stovkách GB Výpočetní systémy I - přednáška č.5

6. Parametry výkonu HDD Základní parametry, ovlivňující výkon disku: • Přenosová rychlost– rychlost, s jakou je HDD s řadičem schopen předávat data do systému, závisí zejména na sestavě hlav disku a dále na řadiči. Pro výpočet přenosové rychlosti je třeba znát: • Rychlost otáčení disku – v otáčkách za minutu • Průměrný početsektorů ve stopě Max. přenosová rychlost (MB/s) = (Počet sektorů ve stopě * 512 bytů * otáčky za minutu) / 60 sekund / 1048 000 bytů Výpočetní systémy I - přednáška č.5

7. Průměrná doba vyhledávání – průměrná doby, kterou disk potřebuje k přesunu hlav jednoho cylindru, na druhý, náhodně vybraný cylindr,udává se milisekundách Průměrná doba vyhledávání (ms) = celková doba, potřebná pro vykonání určitého počtu náhodných vyhledávání různých stop / počet vyhledávání • Latence – průměrná doba, která je nutná k tomu, aby se hlavy dostaly nad požadovaný sektor poté, kdy se nastavily nad správnou stopu, udává se také v milisekundách • Průměrná doba přístupu– průměrná doba, kterou disk potřebuje k tomu, aby se hlava dostala nad požadovaný sektor a mohla se číst data na něm uložená, dána součtem průměrné doby vyhledávání a latence Výpočetní systémy I - přednáška č.5

8. Disková pole - ATA RAID • Zkratka RAID odvozena ze slov Redundant Array of Independent Disks • Cílem vývoje diskového pole bylo zvýšit: • výkonnost systémů určených pro ukládání dat • odolnost systémů proti chybám • Základem je skupina HDD, vzájemně propojených pomocí speciálního SW a HW • OS pracuje se skupinou disků jako s diskem jediným Výpočetní systémy I - přednáška č.5

9. Typy diskových polí • RAID 0 (proužkování)– data současně zapisována na všechny disky v poli, vysoká rychlost čtení a zápisu, nízká bezpečnost, nutné min. 2 disky • RAID 1 (zrcadlení)–data, zapsaná na jeden disk duplikována i na druhý disk, vysoká odolnost vůči chybám, ale nulové zvýšení výkonu • RAID 2 (kontrola a oprava chyb na úrovni bitů) – data jsou po bitech zapisována na několik disků, ECC je zapisován na ostatní disky, vysoká výkonnost, zvýšená odolnost ale nutný velký počet disků – v současné době nejsou na trhu dostupné žádné řadiče pro RAID 2 Výpočetní systémy I - přednáška č.5

10. RAID 3 (proužkování s paritou) – kombinace RAID1 s dalším diskem, využívaným pro zápis paritních dat, vysoká odolnost proti chybám (ztracená data lze dopočítat na základě parity) • RAID 4 (zápis dat po blocích s paritou) – podobný RAID3, ale data jsou na disky zapisována po větších blocích, vysoký výkon při čtení velkých souborů • RAID 5 (zápis dat po blocích s distribuovanou paritou) – vychází z RAID4, ale parita je zapisována na několik disků • RAID 6 (zápis po blocích s duplicitním zápisem distribuované parity) – založena na RAID5, ale paritní informace jsou zapisovány dvakrát a jsou vypočítávány dvěma různými metodami Výpočetní systémy I - přednáška č.5

11. Optická záznamová média • Zkratkou CD-ROM(Compact Disc Read Only Memory) se označují nejen optická média, ale i mechaniky pro práci s těmito médii • Existují i další formáty: • CD-R (CD-Recordable) a • CD-RW (CD-ReWritable), rozšiřující původní technologii CD-ROM o možnost zápis dat • DVD(Digital Versatile Disc) • CD mechaniky, sloužící ke čtení datových disků, se podobají přehrávačům zvukových CD, hlavním rozdílem jsou obvody, zajišťující dodatečnou kontrolu a opravu chyb Výpočetní systémy I - přednáška č.5

12. Čtení informací je založeno na rozdílném odrážení paprsku od jamek a pevnin na disku Spodní strana disku je osvětlována laserovým paprskem a fotocitlivý senzor zachytává odrazy tohoto světla. Pokud světlo dopadne na: pevninu – je odraženo zpět jamku– neodrazí se téměř vůbec Při přechodu laseru z pevniny na jamku či naopak zaznamená senzor změnu odraženého světla a je detekován bit 1, v oblasti beze změn je detekován bit 0 Princip práce CD-ROM mechaniky Výpočetní systémy I - přednáška č.5

13. Laser, používaný pro čtení, má obvykle vlnovou délku 780 nm a výkon 1 mW • Jamky jsou vyraženy do jediné spirálovité stopy (dlouhé 5,77 km), její závity jsou vzdálené o 1,48 (1,6) mikronu • Stopa je rozdělena na sektory, čtené rychlostí 75 sektorů za minutu • Na disku, umožňujícím uložení záznamu o délce 74 min je 333 000 sektorů, každý sektor se dělí na 98 rámců informací, z nichž každý obsahuje 33 bytů - kapacita sektoru je 3 324 bytů, celková kapacita CD je 700 MB Výpočetní systémy I - přednáška č.5

14. Celý disk je rozdělen na 6 částí: • Oblast pro uchycení média – využívá CD-ROM pro uchycení média, nejsou zde žádná data • Oblast kalibrace výkonu – je na mechanikách CD-R/CD-RW, mechanika si zde testuje optimální výkon laseru, potřebný pro provedení záznamu • Oblast programové paměti –také jen na CD-R/CD-RW, využívána pro ukládání tabulky obsahu, v době, kdy záznam ještě není dokončen, po dokončení záznamu je TOC přepsána do zaváděcí oblasti Výpočetní systémy I - přednáška č.5

15. Zaváděcí oblast – uloženy počáteční adresy a délky všech stop, délka oblasti pro data a programy a informace o jednotlivých zaznamenaných sekvencích • Oblast pro data a programy – začíná ve vzdálenosti 25 mm od středu média • Ukončovací oblast – označuje konec oblasti pro data a programy nebo konec jedné záznamové sekvence, neobsahuje žádná data, je to pouze značka Výpočetní systémy I - přednáška č.5

16. Výkon mechanik CD-ROM Základní parametry, ovliňující výkon mechaniky: • Přenosová rychlost – určuje, s jakou rychlostí je mechanika schopna číst velké soubory, udávána dvěma způsoby: • CD/DVD: základní přenosová rychlost ( CD – 153,6 KB/s, DVD – 1,385 MB/s) * rychlost udávaná na mechanice (40x) • Mechaniky pro čtení: CD-R – dvě rychlosti (zápis, čtení) CD-RW – tři rychlosti (zápis média CD-R, zápis média CD-RW, čtení) DVD-ROM – čtyři rychlosti (první tři shodné s CD-RW, poslední určuje rychlost při čtení DVD médií) Výpočetní systémy I - přednáška č.5

17. Přístupová doba – u mechanik se měří stejně jako u HDD, tj. je dána zpožděním mezi přijetím příkazu pro čtení a okamžikem načtení prvního bitu dat, udává se v milisekundách, skutečná přístupovádoba závisí na tom, kde jsou data na disku umístěna • Velikost zásobníku či Cache paměti – levné mechaniky vybavovány menším zásobníkem, to může způsobit horší výkon • Využití CPU – závisí na třech faktorech: rychlost mechaniky, velikost zásobníku a typ rozhraní, ke zvýšení výkonu a snížení zátěže CPU využívají řadiče IDE mechanismu DMA (přímý přístup do paměti) Výpočetní systémy I - přednáška č.5

18. Přenosná média s vysokou kapacitou • Využívají se pro přenos a zálohování rozsáhlých datových souborů, bezpečné uschování dat, apod. Existují tři druhy přenosných médií: • Disková média(magnetická, floptická, magnetooptická)– kapacita nižší než u páskových médií, rychlejší přístup k jednotlivým souborům (metoda náhodného přístupu k datům), rychlá při kopírování jednoho či dvou souborů, ale pomalá při kopírování velkých objemů dat Výpočetní systémy I - přednáška č.5

19. Příklad magnetického média: • Mechaniky Iomega Zip – určeny pro média o kapacitě 100 až 250 MB, dodávány mechaniky s rozhraním IDE či SCSI, jak externí, tak i interní, ve srovnání se standardní 3,5“ disketou mají cca dvojnásobnou tloušťku • Problémem těchto mechanik byla jejich spolehlivost – tzv. klapot smrti (mechanika se opakovaně pokouší číst médium a zničí jak toto médium, tak i sama sebe) Výpočetní systémy I - přednáška č.5

20. Příklady floptických médií: • Mechaniky Iomega Jaz – určeny pro média s kapacitou 1 či 2 GB, proto lze tato média oprávněně nazvat přenosnými pevnými disky, byly vyráběny pouze s rozhraním SCSI. nevýhoda vysoká cena, výroba již byla zastavena • Mechaniky Iomega Peerles – určeny pro přenosné pevné disky o kapacitách 10 a 20 GB, součástí disků jsou hlavy pro čtení a zápis, umístěné v utěsněném pouzdře, firma Iomega uvedla na trh moduly rozhraní IEEE1394 a USB 1, předpokládá se uvedení modulů pro USB 2 a SCSI Výpočetní systémy I - přednáška č.5

21. Média standardu Flash Memory – média skládající se ze speciálních paměťových čipů, které nepotřebují k udržení svého obsahu žádné napájení, mají většinou podobu malých karet Typy médií Flash Memory: • Compact Flash – založena na technologii ATA, díky které se médium po připojení do PC chová jako pevný disk, označený vlastním písmenem jednotky • Smart Media – jednodušší médium typu Flash Memory, příslušná karta obsahuje pouze paměť bez řídících obvodů , nevýhodou jsou problémy se zpětnou kompatibilitou Výpočetní systémy I - přednáška č.5

22. MultiMedia Card – novější médium Flash memory, navržené pro užití v digitálních fotoaparátech, mobilních telefonech, MP3 přehrávačích a videokamerách. MMC využívají pro připojení k PC jednoduché sériové rozhraní se 7 vývody a obsahují nízkopaměťové čipy Flash ROM • MemoryStick – vyvinutá firmou SONY, mají speciální přepínač, zajišťující ochranu před nechtěných přepisem • PC Card – jako média Compact Flash se po připojení k PC chovají jako další pevný disk (technologie ATA) Výpočetní systémy I - přednáška č.5

23. Pásková média– vhodné médium při přístupu k mnoha souborům současně (sekvenční přístup), obvykle nelze jednotlivé soubory na pásce měnit či smazat, je nutné celou pásku vymazat a poté přepsat – vhodné pro zálohování celých disků či OS Kritéria výběru páskových mechanik: • Množství dat, které je potřeba zálohovat • Rozhraní mechaniky • Rychlost zálohování • Standard pásek, který odpovídá potřebám zálohování • Cenu mechaniky a médií • Software a ovladače, dodaných s mechanikou Výpočetní systémy I - přednáška č.5

24. Monitory • Důležitá součást rozhraní mezi uživatelem a PC Při výrobě monitorů může být použito několik technologií: • CRTmotinory(Cathode Ray Tube) – používá se při výrobě TV obrazovek. CRT obsahuje vzduchoprázdnou elektronku, jeden konec elektronky obsahuje elektronová děla (RGB) a na druhém, rozšířeném konci, se nachází obrazovka, jejíž vnitřní povrch je pokryt sloučeninou fosforu. Výpočetní systémy I - přednáška č.5

25. Princip tvorby obrazu: • Po zahřátí emituje elektronové dělo proud elektronů o vysoké rychlosti • Elektrony jsou přitahovány na druhý konec elektronky • Paprsek je zaostřován do určitého bodu na mřížce vychylovacími a zaostřovacími cívkami, které jsou podél elektronky • Po zasažení elektronky se daný bod rozsvítí, čímž se stane viditelným z druhé strany obrazovky • Zobrazení barev je dosaženo tím, že děla jsou v elektronce tři, každé z nich vyzařuje proud elektronů pro jednu ze základních barev – zelenou, modrou a červenou Výpočetní systémy I - přednáška č.5

26. Vnitřní povrch obrazovky je pokryt třemi vrstvami fosforu, z nichž každá je určena pro jednu z uvedených barev • Na vnitřní straně obrazovky se nachází stínící maska, slouží k seskupení vždy tří bodů různých barev do skupiny – výsledná barva je pak tvořena prokládáním různobarevných bodů na vnitřní straně obrazovky • Body mřížky se po dopadu paprsku rozsvítí, avšak začnou rychle zhasínat –obraz musí být obnovován. Rychlost obnovování obrazu se nazývá obnovovací frekvence (optimální hodnota je 85 Hz a výše) Výpočetní systémy I - přednáška č.5

27. LCD panely • Výroba velkých LCD panelů je shodná s technologií výroby LCD displejů pro notebooky • Výhodami LCD panelů jsou nízké odlesky, dokonale plochý obraz, dokonalé zarovnání obrazu,nízká spotřeba, žádné elektromagnetické vyzařování • Nevýhodami je zatím poněkud omezené maximální rozlišení a velké pořizovací náklady, zobrazení na LCD panelu je pomalejší než u CRT monitoru a ani kvalitní LCD panely nejsou schopné zobrazit takové množství velmi světlých a tmavých odstínů jako CRT monitory Výpočetní systémy I - přednáška č.5

28. Princip práce plochého panelu: • Světlo v plochém panelu prochází přes 2 polarizační filtry z tekutých krystalů – úkolem prvního filtru je řízení směru procházejícího světla, úkolem druhého je změna množství procházejícího světla • U barevných LCD displejů je jeden bod obrazovky tvořen třemi buňkami – každá pro jednu barvu (RGB) • Čím více světla projde přes buňku, tím je daný bod panelu světlejší • Zobrazení barev je stejné jako u CRT monitorů – prokládáním bodů o různých barvách Výpočetní systémy I - přednáška č.5

29. Kritéria kvality monitoru • Rozlišení – množství detailů, které je monitor schopen zobrazit, vyjadřuje se pomocí počtu horizontálně a vertikálně zobrazených bodů (pixelů), čím je zobrazený počet bodů vyšší, tím více detailů je na obraze vidět • Rozteč mřížky – vyjadřuje vzdálenost mezi jednotlivými body na stínítku, čím je rozteč bodů menší, tím je kvalita obrazu vyšší • Frekvence – monitor by měl podporovat vertikální a horizontální frekvence, které generuje grafický adaptér na svém výstupu: Výpočetní systémy I - přednáška č.5

30. Frekvence: • Horizontální(řádkování) – běžně v rozmezí od 31,5 do 90 kHz • Vertikální(obnovovací frekvence) důležitá z hlediska člověka, určuje stabilitu obrazu, ergonomická hranice minimálně je 75 Hz • Jas a kontrast obrazu – jen u LCD: • Jas – udává se v kandelách ne čtvereční metr, čím vyšší jas, tím lepší panel • Kontrast– udává se pomocí kontrastního poměru, vyjadřujícího rozdíl jasů mezi černou a bílou, čím vyšší je kontrastní poměr, tím je text ostřejší a barvy sytější Výpočetní systémy I - přednáška č.5

31. Prokládaný a neprokládaný režim – • U neprokládaného režimu elektronový paprsek přejíždí obrazovku řádek po řádku – z levého horního rohu do pravého spodního • U prokládaného režimu paprsek také přejíždí obrazovku shora dolů, ale dvakrát: nejprve jsou překresleny všechny liché řádky a teprve poté všechny sudé – obraz je překreslován zdánlivě rychleji, ale dochází k třepání obrazu • Další – velikost monitoru (15 - 42 palců), spotřeba energie, ochrana zdraví (vyzařování, správa napájení), ovládání Výpočetní systémy I - přednáška č.5

32. Barvy a kvalita zobrazení • Starší digitální monitory byly digitální a barvy se vytvářely pouze zapnutím či vypnutím příslušného paprsku – pro 3 paprsky je pak max. počet zobrazitelných barev 8 (23) • Firma IBM zvýšila počet barev na 16 tím, že začala používat u grafických adaptérů a monitorů další signál, určující intenzitu paprsku • Člověk hodnotí kvalitu obrazu podle počtu barev – vývojáři IBM přešli k analogovým obvodům, umožňujícím zobrazit každou s možných barev s 64 úrovněmi intenzity – počet barev se zvýšil na 262 144 (643) Výpočetní systémy I - přednáška č.5

33. Standardy grafických adaptérů: • Grafické adaptéry VGA – umožňuje rozlišení 640 x 480 bodů, nabízející 16 barev, minimální podporovaná vertikální frekvence musí být 60 Hz, minimální podporovaná horizontální frekvence je 31,5 kHz • Grafické adaptéry SVGA – nabízí rozlišení 800 x 600 či 1024 x 768 a stejný či větší počet barev jako VGA adaptéry • Standardy VESA SVGA – současné standardy VESA pokrývají téměř všechny kombinace rozlišení a počtu barev až do 1 280 x 1 024 s 16 miliony barev (24bitová barevná hloubka), pro rozlišení 1 880 x 1 440 vytvořila VESA formát GTF(General Timing Format) Výpočetní systémy I - přednáška č.5

34. Tiskárny • Používají se tam, kde nestačí zobrazení informací na obrazovce displeje • Základní rozdělení tiskáren je na: • Znakové – tisknou jen omezenou množinu znaků (zastaralé) • Grafické – mohou tisknout libovolné geometrické objekty a tedy i libovolné objekty Výpočetní systémy I - přednáška č.5

35. Dále lze tiskárny rozdělit z hlediska realizace vlastního tisku: • Mechanické – dnes se již používají pouze jehličkové tiskárny ( jednotlivé body obrazu jsou na papíře, vytvářeny jehličkami, které tisknou úderem přes barvicí pásku) • Nemechanické – lze dále rozdělit na: • Tryskové (inkoustové) – sada trysek vystřeluje kapičky inkoustu, ty jsou vychylovány elektrostatickým polem, aby dopadly na místo, kde mají vytvořit bod Výhody: kvalitní tisk, nízká pořizovací cena Nevýhody: vyšší provozní náklady, zasychání trysek Výpočetní systémy I - přednáška č.5

36. Termografické – v tiskové hlavě jsou tělíska, která lze elektrickým impulsem zahřát na vysokou teplotu, tiskne se přes barvicí pásku, pokrytou voskovou vrstvou, ta se ohřeje o rozpuštění barevný vosk se přenese na papír Výhody: velmi kvalitní tisk Nevýhody: nákladný provoz (vysoká cena barvicí pásky) • Elektrografické– vytváření obrazu je založeno na elektrografickém principu, jako u kopírek, patří sem především laserové tiskárny Výhody: kvalitní tisk, značná rychlost tisku, přijatelné provozní náklady Nevýhody: vyšší pořizovací cena Výpočetní systémy I - přednáška č.5

37. Princip elektrografického tisku: • Tiskárna přijímá kódy znaků, které mají být vytištěny • Znaky jsou převedeny na elektrické signály, kterými je modulován laserový paprsek • Paprsek je pomocí optické soustavy vychylován, tak aby dopadal na tiskový válec s elektricky nabitým povrchem • V místech dopadu paprsku dojde k vybití náboje • Na válec je nanášen toner, který ulpívá pouze na osvětlených (vybitých) místech • Barva je elektrostaticky přenášena na papír a fixováno pomocí vyhřívacích válečků Výpočetní systémy I - přednáška č.5

38. Skenery • Funkce skeneru je založena na snímání obrazové grafiky a přenos její digitalizované formy do paměti PC • Typy skenerů – ruční, ploché (stolní), rotační a knižní skenery • Parametry skenerů: • Rozlišení – do jaké podrobnosti ze snímané předlohy lze skenerem skenovat • Interpolace – zda zařízení dokáže znásobit dané rozlišení • Barevná hloubka – kolik barevných odstínů dokáže skener rozlišit Výpočetní systémy I - přednáška č.5

39. Princip snímání předlohy (ploché skenery): • Pod skleněnou deskou se pohybuje světelný zdroj • Světlo vyzařované zdrojem projde sklem a odrazí se od předlohy (světlá místa odráží více světla a tmavá méně) • Odražené světlo je soustavou zrcadel dopraveno na detektory CCD, které jej přemění na elektrický proud (jeho intenzita odpovídá množství odraženého světla) • Prvky CCD jsou uspořádány v řádcích po třech (RGB), tyto tři nasnímané obrázky se na monitoru složí do jednoho obrazu v přirozených barvách Výpočetní systémy I - přednáška č.5

40. ZÁVĚR PŘEDNÁŠKY Děkuji za pozornost! Výpočetní systémy I - přednáška č.5