Velká kniha o počítačích

Transkript

qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwerty
uiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasd
fghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzx
cvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq
Velká kniha o počítačích
KVD FPE ZČU Plzeň
wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui
© KVD Press 2010
opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg
hjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxc
vbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq
opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg
hjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxc
vbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq
Obsah
Obsah
1
Předmluva .......................................................................................................................... 1-1
2
Jak pracuje automatický test po zapnutí ........................................................................... 2-1
2.1
3
Automatický test při zapnutí počítače ....................................................................... 2-1
Jak probíhá zavádění z disku .............................................................................................. 3-3
3.1
4
Zavádění operačního systému z disku ....................................................................... 3-4
Jak pracuje operační systém .............................................................................................. 4-5
4.1
Paměť operačního systému ....................................................................................... 4-6
4.2
Operační systém: software a hardware ..................................................................... 4-7
5
Jak pracuje paměť RAM ..................................................................................................... 5-8
5.1
Zápis dat do RAM ....................................................................................................... 5-9
5.2
Čtení z RAM .............................................................................................................. 5-10
6
Jak pracuje mikroprocesor ............................................................................................... 6-10
6.1
7
Mikroprocesor .......................................................................................................... 6-11
Jak pracuje paměť cache pro RAM................................................................................... 7-12
7.1
8
Ukládání dat ............................................................................................................. 7-13
Jak pracuje disková paměť ............................................................................................... 8-15
8.1
Zápis a čtení bitů na disku ........................................................................................ 8-16
8.2
Formátování disku.................................................................................................... 8-16
8.3
Zápis souboru na disk ............................................................................................... 8-17
8.4
Čtení souboru z disku ............................................................................................... 8-18
9
Jak pracují disketové mechaniky ...................................................................................... 9-18
10
Jak pracují pevné disky ............................................................................................... 10-20
11
Jak pracují paměti cache pro disk .............................................................................. 11-22
11.1
12
12.1
13
Paměť cache pro disk ............................................................................................. 11-23
Jak pracují mechaniky CD ROM .................................................................................. 12-24
Mechanika CD ROM ............................................................................................... 12-25
Jak pracují magneticko optické mechaniky ................................................................ 13-26
13.1
Zápis dat na magneticko optický disk .................................................................... 13-26
13.2
Čtení dat z magneticko optického disku ................................................................ 13-27
14
14.1
15
Jak pracují Bernoulliho mechaniky ............................................................................. 14-27
Bernoulliho mechanika .......................................................................................... 14-28
Jak pracují mechaniky zálohovacích magnetických pásek ......................................... 15-28
i
Obsah
15.1
Záložní mechanika s čtvrtpalcovou kazetou (QIC).................................................. 15-29
15.2
Záložní mechanika s digitální audio páskou (DAT) ................................................. 15-30
16
Jak pracuje diskové pole ............................................................................................. 16-31
16.1
Pole zrcadlových disků ........................................................................................... 16-32
16.2
Pole disků s rozloženým záznamem ....................................................................... 16-32
17
Jak pracuje sběrnice ................................................................................................... 17-33
17.1
Přenos dat po sběrnicích ........................................................................................ 17-34
17.2
Rozdíly ve sběrnicích .............................................................................................. 17-34
18
Jak pracuje klávesnice ................................................................................................ 18-35
18.1
Klávesy s kapacitní vazbou ..................................................................................... 18-36
18.2
Klávesy s galvanickou vazbou ................................................................................. 18-36
18.3
Klávesnice a kódy kláves......................................................................................... 18-37
19
Jak pracuje displej počítače ........................................................................................ 19-38
19.1
Stolní monitor VGA................................................................................................. 19-39
19.2
Displej s tekutými krystaly ...................................................................................... 19-40
20
20.1
21
21.1
22
Jak pracuje paralelní port ........................................................................................... 20-41
Paralelní port .......................................................................................................... 20-42
Jak pracuje myš .......................................................................................................... 21-43
Mechanická myš ..................................................................................................... 21-44
Jak pracuje modem .................................................................................................... 22-44
22.1
Modem ................................................................................................................... 22-45
22.2
Světelné signály na panelu modemu...................................................................... 22-47
23
Jak pracuje skener a optické rozpoznávání znaků...................................................... 23-48
23.1
Plochý skener ......................................................................................................... 23-49
23.2
Ruční skener ........................................................................................................... 23-50
23.3
Optické rozpoznávání znaků................................................................................... 23-51
24
Jak pracují počítače s perem ...................................................................................... 24-52
24.1
Počítače s perem .................................................................................................... 24-52
24.2
Rozpoznávání znaků a pohybu pera ....................................................................... 24-53
25
Jak pracuje topologie sítě ........................................................................................... 25-53
25.1
Sběrnicová síť ......................................................................................................... 25-54
25.2
Kruhová síť s rámcem (Token Ring) ........................................................................ 25-55
25.3
Hvězdicová síť ......................................................................................................... 25-55
26
Jak pracuje komunikace v síti ..................................................................................... 26-55
ii
Obsah
26.1
27
Komunikace v síti ................................................................................................... 26-56
Jak pracují bitové a vektorové fonty .......................................................................... 27-57
27.1
Bitové fonty ............................................................................................................ 27-58
27.2
Vektorové fonty ..................................................................................................... 27-58
28
28.1
29
29.1
30
30.1
31
31.1
Jak pracuje bodová tiskárna ....................................................................................... 28-59
Bodová tiskárna...................................................................................................... 28-60
Jak pracuje laserová tiskárna ..................................................................................... 29-61
Laserová tiskárna ................................................................................................... 29-61
Jak pracuje inkoustová tiskárna ................................................................................. 30-63
Inkoustová tiskárna ................................................................................................ 30-63
Jak pracuje tepelná tiskárna....................................................................................... 31-64
Tepelná barevná tiskárna ....................................................................................... 31-64
iii
1 Předmluva
1 Předmluva
Zlí čarodějové mají svoje kouzelné hůlky, čarodějnice mají svoji havěť – kreatury
převlečené za domácí dobytek, mystici mají své golemy – probuzené k životu, aby vykonávali
rozkazy svých pánů.
My máme svoje osobní počítače!
Náš výklad bude založen na dvou myšlenkách:
První: Kouzlo, kterému rozumíme je bezpečnější a mocnější než kouzlo, které
neznáme.
Druhá: Znalost sama o sobě je užitečným a cenným cílem.
Výklad je zamýšlen jako odpověď na vaše dohady o tom co se děje uvnitř té
záhadné skříňky před kterou sedíte denně několik hodin. Pokud výklad vaše dohady zodpoví
nebo vyvolá dohady nové, byl cíl splněn.
Výklad bude zaměřen na počítače IBM PC kompatibilní provozované obvykle
s procesory Intel a nejčastěji s operačním systémem MS DOS. Výklad některých obecnějších
témat se hodí i pro počítače Apple Macintosh a pracovní stanice Unix.
2 Jak pracuje automatický test po zapnutí
Po zapnutí počítače probíhá řada činností, jejichž cílem je zjistit, zda všechny
komponenty počítače pracují správně a vydat varování, když něco není v pořádku.
Předtím, než se počítač pokusí zavést operační systém, musí se přesvědčit, že
všechny hardwarové komponenty běží a že CPU a paměť fungují správně. To je úkol pro
automatický test při zapnutí nebo také POST (Power-On Self-Test).
Procedury POST jsou první věcí, kterou počítač po zapnutí provádí a poprvé se
dostane varování, když jsou s některou komponentou potíže. Varování je ve formě výpisu na
obrazovku nebo ve formě řady zvukových signálů. POST umí obvykle odhalit jen nejzávažnější
typy chyb.
2.1 Automatický test při zapnutí počítače
Po zapnutí počítače projde pevně naprogramovanou cestou do CPU elektrický
signál a vynuluje obsah jejich vnitřních paměťových registrů. Jeden z registrů CPU, kterému
2-1
2.1 Automatický test při zapnutí počítače
říkáme programový čítač, je tímto signálem nastaven na určitou hodnotu. V případě počítačů
AT a novějších je to hodnota F000h. Hodnota v programovém čítači sděluje jednotce CPU
adresu následující instrukce, která se má provést. V tomto případě je to adresa začátku
zaváděcího programu, který je trvale uložen na adrese F000h. Je to v části paměti, ze které se
dá jenom číst (ROM) a kde je uložen základní systém pro vstup a výstup s počítače (BIOS).
Jednotka CPU použije tuto adresu pro spuštění zaváděcího programu ROM BIOS,
který okamžitě vyvolá POST. Jednotka CPU nejprve zkontroluje sama sebe a program POST tak,
že z různých míst čte kód programu a porovnává jej s pevně nastaveným vzorovým záznamem.
Jednotka CPU posílá signály na systémovou sběrnici, do obvodů, které spojují všechny části
počítače vzájemně mezi sebou, a zjišťuje, zda jsou všechny ve stavu schopném provozu.
U starších počítačů, které mají v paměti ROM jádro programovacího jazyka BASIC
je kontrolována i tato část. Jednotka CPU kontroluje systémový časovač (timer), který je
odpovědný za to, že všechny činnosti počítače jsou řádným způsobem časově sladěny,
synchronizovány.
Procedura POST testuje paměť nacházející se v adaptéru obrazovky a videosignály,
které řídí obrazovku. Potom je kód BIOS adaptéru obrazovky připojen ke všeobecnému kódu
BIOS v paměti. Právě v tomto okamžiku uvidíme něco poprvé na obrazovce počítače.
Procedura POST provede řadu testů, které mají za úkol zjistit, zda paměťové
obvody pracují bez závad. Jednotka CPU do každého obvodu zapíše určitá data, vzápětí je
přečte a srovná to, co přečetla s daty, která tam předtím zapsala. Během testu je na obrazovce
vidět neustále se měnící číslo, které udává velikost paměti, která již byla otestována.
Jednotka CPU zjišťuje, zda je správně připojena klávesnice a zda byly stisknuty
nějaké klávesy.
Procedura POST vysílá určeným způsobem signály po sběrnici do všech diskových
mechanik a z přijaté odpovědi určuje typy dostupných mechanik.
Na počítačích AT a novějších se výsledky zjištěné procedurou POST srovnávají se
záznamem v paměti CMOS, kde je seznam komponent, které jsou v počítači instalovány. Paměť
typu CMOS je schopna uchovávat data i po vypnutí počítače, a to tak dlouho, dokud může
odebírat nepatrný proud z baterie. Jakékoliv změny v základní konfiguraci systému musí být
zaznamenány do paměti CMOS.
2-2
3 Jak probíhá zavádění z disku
U systémů, které obsahují komponenty s vlastním systémem BIOS, jako jsou např.
karty řadičů disků, je tento kód BIOS rozpoznán a začleněn jako část vlastního systémového
BIOS a paměti. Počítač je nyní připraven udělat další krok v procesu zavádění: načíst operační
systém z disku do paměti.
3 Jak probíhá zavádění z disku
Osobní počítač neumí dělat nic užitečného, pokud na něm neběží operační systém
– software, který dovolí používat jiné programy. Ale předtím, než na něm může operační
systém běžet, potřebuje počítač mít nějaký pro prostředek, jak načíst operační systém z disku
do paměti RAM. Tomuto prostředku říkáme zavaděč (anglicky bootstrap, čti bůtstrep nebo
krátce boot, bůt) – je to malé množství kódu, které je trvale uloženo v počítači.
Anglický název bootstrap vtipně vystihuje, o co jde, protože počítač dělá něco na
vlastní pěst, bez jakékoliv podpory zvenčí. Operace zavádění toho ovšem mnoho neudělá. Ve
skutečnosti má pouze dvě funkce: jednou je spuštění POST neboli automatického testu po
zapnutí (popsáno v předcházejícím odstavci) a druhou hledání mechaniky s operačním
systémem. Jsou-li tyto dvě funkce provedeny, operace zavádění spustí proces čtení souborů
s operačním systémem z disku a jejich přenos do paměti RAM.
Proč počítače používají takovouto okliku? Proč není jednoduše do počítače trvale
začleněn vlastní operační systém? Některé jednodušší nebo specializované počítače to dělají,
mají permanentní operační systém (na speciálním čipu). Ve většině případů se však operační
systém zavádí z disku, a to ze dvou důvodů:
Při zavádění z disku je jednodušší provést modernizaci operačního systému. Když
výrobce chce přidat nové prvky nebo odstranit vážnou chybu, tak jednoduše vydá novou sadu
disket. Někdy je nutné změnit pouze jediný soubor, kterým se napraví nějaká závada
v operačním systému. Pro výrobce je levnější distribuovat operační systém na disketách než
navrhnout mikročip, který by obsahoval operační systém. Ale i pro uživatele počítačů je
jednodušší instalovat nový operační systém z disket než vyměňovat čipy.
Dalším důvodem pro zavádění operačního systému z disku je to, že tento způsob
dává uživateli možnost volby operačního systému. Třebaže většina osobních počítačů
postavených na bázi mikroprocesoru používá MS-DOS, existují i jiné operační systémy jako
OS/2, DR DOS a UNIX. U některých počítačů lze dokonce volit, který operační systém se má při
zapnutí počítače použít.
3-3
3.1 Zavádění operačního systému z disku
3.1 Zavádění operačního systému z disku
Poté, co POST zkontroluje všechny hardwarové komponenty počítače, se ke slovu
dostane zaváděcí program uložený v paměti ROM BIOS počítače a podívá se, zda je
v mechanice A založena naformátovaná disketa. Jestliže ji tam najde, tak program na určitých
místech na disketě hledá soubory, které tvoří první dvě části operačního systému. Za
normálních okolností tyto soubory na disku nevidíte, protože jsou opatřeny zvláštními atributy,
které je skrývají před příkazem DOS DIR. Na většině osobních počítačů mají tyto soubory jména
IO.SYS a MSDOS.SYS. Na strojích IBM se tyto soubory jmenují IBMBIO.COM a IBMDOS.COM.
Když je disketová mechanika prázdná, snaží se zaváděcí program tyto systémové soubory
nalézt na pevném disku. Jestliže ani na pevném disku tyto soubory nejsou, vydá zaváděcí
program chybové hlášení.
Jakmile je zjištěn disk se systémovými soubory, zaváděcí program přečte data
uložená v prvním sektoru na disku a uloží je na určené místo do paměti RAM. Data zde uložená
představují zaváděcí záznam. Zaváděcí záznam je na všech formátovaných discích uložen vždy
na témže místě. Zaváděcí záznam je pouze 512 bytů dlouhý, právě tolik, kolik je potřeba pro
přečteni obou skrytých systémových souborů. Když zaváděcí program BIOS načte zaváděcí
záznam do paměti na hexadecimální adresu 7C00h, skokem na tuto adresu mu předá řízení.
Zaváděcí záznam převezme řízení počítače a do paměti RAM uloží IO.SYS. Soubor
IO.SYS má v sobě rozšíření ROM BIOS a obsahuje rutinu zvanou SYSINIT, která řídí zbytek
zavádění. Zaváděcí záznam není po uložení IO.SYS nadále zapotřebí a v paměti RAM je přepsán
jiným kódem.
SYSINIT přebere řízení procesu spouštění a do paměti RAM uloží MSDOS.SYS.
Soubor MSDOS.SYS spolupracuje s BIOS při obsluze souborů, spouštění programů a
odpovědích na signály z hardware.
SYSINIT prohledává kořenový adresář zaváděcího disku a hledá soubor se jménem
CONFIG.SYS. Jestliže CONFIG.SYS existuje, nařídí SYSINIT programu MSDOS.SYS, aby zpracoval
příkazy uložené v tomto souboru. Soubor CONFIG.SYS je soubor vytvořený uživatelem. Příkazy
uložené v tomto souboru sdělují operačnímu systému jak provádět jisté operace, jako třeba
kolik souborů nejvíce smí být současně otevřeno. CONFIG.SYS může také obsahovat instrukce
pro uložení ovladačů zařízení. Ovladače zařízení u soubory, které obsahují kód rozšiřující
schopnosti BIOS pro řízení paměti nebo hardwarových zařízení.
3-4
4 Jak pracuje operační systém
SYSINIT
nařídí
programu
MSDOS.SYS,
aby
do
paměti
uložil
soubor
COMMAND.COM. Tento soubor operačního systému se skládá ze tří částí. V jedné z nich je
další rozšířeni funkcí pro vstup a výstup. Tato část je uložena do paměti s BIOS a stává se
permanentní součástí operačního systému.
Druhou část COMMAND.COM tvoří vnitřní příkazy systému DOS, např. DIR, COPY
a TYPE. Jsou uloženy na horní konec konvenční paměti RAM, kde je mohou přepsat aplikační
programy, pokud tuto paměť potřebují.
Třetí část COMMAND.COM je použita pouze jednou a pak už není zapotřebí. Tato
část hledá v kořenovém adresáři soubor se jménem AUTOEXEC.BAT. Tento soubor je vytvořen
uživatelem počítače a obsahuje řadu příkazů DOS pro dávkové soubory případně jména
programů, které si uživatel přeje spustit pokaždé, když se počítač zapne. Počítač je nyní plně
připraven k práci.
Jméno nejpopulárnějšího operačního systému pro osobní počítače založené na
procesoru Intel – MS-DOS – je zkratkou z anglického Microsoft disk operating system (česky:
diskový operační systém firmy Microsoft). Původně byl operační systém předurčen jako
prostředek pro provádění většiny složitých operací vstupu a výstupu – pro komunikaci
s nejrůznějšími diskovými mechanikami. Brzy se však z operačního systému stal univerzální
prostředník mezi osobním počítačem a programovým vybavením na něm spouštěným.
Bez operačního systému by každý programátor sám musel přijít na to, jak něco
vypsat na obrazovku, jak poslat data na tiskárnu, jak zapisovat nebo číst z disku a jak provést
mnoho dalších funkcí, které leží na pomezí hardware a software. Operační systém je však něco
víc než jen způsob, jak usnadnit život programátorům.
Operační systém vytváří základnu pro veškeré programové vybavení, které
používáte. Bez operačního systému byste nebyli schopni uložit soubory vytvořené dvěma
různými programy na tentýž disk, protože každý z nich by asi měl vlastní formát pro ukládání
souborů. Operační systém vám rovněž dává do ruky nástroj, kterým můžete provést úkony
mimo aplikační program – rušení a kopírování souborů, výpis seznamu i provedení příkazů
uložených v dávkovém souboru.
Operační systém nepracuje osamoceně. Je závislý nejen na spolupráci s jinými
programy, ale i na propojení se systémem BIOS. Jak je zřejmé z předcházejících odstavců,
4-5
4.1 Paměť operačního systému
určité části operačního systému jsou přečteny z disku, připojeny k BIOS a poté spojeny
s ovladači zařízení. Všechno dohromady pak provádí rutinní hardwarové funkce. Operační
systém je ve skutečnosti složen ze všech těchto tří komponent. Bylo by zjednodušením,
kdybychom si mysleli, že operační systém jsou pouze soubory uložené na disku, který máte
v počítači.
Dohromady provádějí BIOS, ovladače zařízení a operační systém tolik funkcí, že je
nemožné popsat jejich složitost na pár stránkách s obrázky. Tady se jen podíváme, jak operační
systém používá paměť a ukážeme si typický jednoduchý příklad aplikačního programu, který
má na tiskárně vytisknout jediný znak.
4.1 Paměť operačního systému
Po uložení systému MS-DOS do počítače se jednotlivé části operačního systému
objeví na různých místech paměti, na adresách začínajících od 0 do 1MB. Tato oblast paměti je
logicky souvislá. Některé adresy jsou však ve skutečnosti fyzicky umístěny v různých částech
počítače – v obvodech ROM, které obsahují BIOS počítače, v obvodech BIOS v adaptéru
obrazovky, v obvodech RAM na základní desce počítače nebo v paměťových obvodech
přídavných desek.
Prvních 1024 bytů paměti obsahuje vektory přerušení, které nastavuje jak BIOS,
tak i DOS; mohou je nastavovat i aplikační programy. Vektor obsahuje adresu začátku
programové rutiny uložené někde v paměti, která se má spustit v případě, že určitá část
počítače dá zvláštní signál, kterému říkáme přerušení.
Následujících asi 256 bytů obsahuje data pro BIOS, kterým říkáme příznaky.
Používají se pro evidenci nejrůznějších vnitřních stavů systému. V této oblasti je rovněž
vyrovnávací paměť klávesnice o délce 16 bytů, ve které se přechodně ukládají informace o
stisknutých klávesách, když je počítač jinými úkoly tak zaneprázdněn, že na stisk těchto kláves
nemůže reagovat bezprostředně.
Zbytek paměti RAM až do 640KB představuje pracovní paměť. Do ní se běžně
ukládá program COMMAND.COM, ovladače zařízení, programy trvale uložené v paměti (tzv.
rezidentní programy) a aplikační programy. Manažery paměti, např. QEMM386 nebo
HIMEM.SYS dodávaný se systémem MS-DOS 5.O, dovolují přemapování této paměti tak, že
ovladače zařízení, rezidentní programy a v DOS 5.0 i COMMAND.COM, lze uložit do paměti nad
640KB, která je rezervována pro aplikační programy. Když takový manažer paměti
4-6
nepoužijeme, je COMMAND.COM ukládán na nejvyšší adresy pracovní paměti, kde ho smí
jakýkoliv aplikační program přepsat, potřebuje-li paměť.
Nad pracovní pamětí je oblast, jejíž část je
rezervována pro použití v BIOS na nejrůznější typy
adaptérů obrazovky a pro takové adaptéry jako jsou
síťové karty a řadiče pevných disků. Manažery paměti
mohou
Obrázek 1: Počítačová sestava
paměť
přidělenou
těmto
zařízením
přemapovat tak, že vzniknou větší souvislé oblasti
nepoužité paměti, do které mohou manažery ukládat
další ovladače zařízení a programy.
Posledních přibližně 64KB oblasti paměti obsazuje BIOS uložený v obvodech ROM
počítače. V systému IBM je zde také uložen jednoduchý kód zvaný ROM BASIC.
Třebaže DOS umí přímo adresovat pouze prvních 1024KB paměti, dovolují zvláštní
adresovací techniky používat i paměť s adresami nad 1024KB, označovanou jako rozšiřující
paměť. Tuto paměť RAM lze použít pouze u procesorů Intel 80286 a vyšších. V systému DOS
nelze do rozšiřující paměti ukládat programy, lze ji použít pouze pro data.i
4.2 Operační systém: software a hardware
Jakmile na výzvu systému DOS zadáte z klávesnice jméno aplikačního programu,
COMMAND.COM vystaví na BIOS požadavek, aby se pokusil nalézt zadaný program a
zkopírovat ho z disku na první volnou adresu v paměti RAM. Jakmile je program hodně velký,
může přemazat i samotný COMMAND.COM.
Prostřednictvím spuštěného aplikačního programu sdělíte požadavek na tisk
nějakého dokumentu. Software vygeneruje přerušení, což je zvláštní kód, kterým se po
operačním systému požaduje okamžitá pozornost. Hodnota spojená s přerušením informuje
operační systém, jaká služba se právě požaduje. V případě tisku jednoho znaku je číslo
přerušení jednoznačné, protože ho lze použít pro řadu služeb. Číslo přerušení je rovno 33 a
služba pro zaslání jednoho znaku na tiskárnu má číslo 5.
Signál přerušení je zpracován čipem pro řízení přerušení, což je speciální čip
v počítači, který nedělá nic jiného, než že jen zpracovává přerušení.
Čip pro řízení přerušení upozorní procesor, že nastalo přerušení, které je nutno
ihned vyřídit.
4-7
4.2 Operační systém: software a hardware
Aby si procesor zapamatoval stav výpočtu v okamžiku přerušení, uloží si adresu
naposled prováděné instrukce aplikačního programu na zásobník. Zásobník je zvláštní oblast
paměti pro ukládání adres. Pracuje jako zásobník na čisté talíře v restauraci. Každý nový talíř
stlačí ty předchozí dolů, přičemž jako první se vždy odebírá ten talíř, který byl v zásobníku
uložen jako poslední.
Procesor se podívá do části pamětí RAM, kde jsou zapsány vektory přerušení, aby
mezi nimi našel položku pro přerušení číslo 33, služba 5. Vektor pro toto přerušení obsahuje
adresu paměti obsazenou systémem ROM BlOS.
Rutina BIOS odešle jeden byte dat paralelním portem na tiskárnu.1
Jestliže tiskárna není schopna z nějakého důvodu data přijmout – chybí v ní papír
nebo je dosud zaměstnána tisknutím předchozího znaku – zašle do počítače chybový signál.
BIOS chybu rozpozná a pokusí se o nápravu bez vědomí aplikačního programu. Náprava
spočívá v tomto případě v několikrát opakovaném pokusu zaslat daný znak znovu do tiskárny.
Když se to ani teď nepodaří, vygeneruje BIOS vlastní přerušení, které vyvolá podobný řetěz
činností, končící spuštěním rutiny uložené do paměti RAM aplikačním programem. Tato rutina
vypíše na obrazovku chybové hlášení.
Jestliže rutina BIOS skončí úspěšně, vygeneruje BIOS návrat z přerušení, neboli
instrukci IRET. IRET sděluje procesoru, aby použil adresu uloženou na vrcholu zásobníku.
Procesor pokračuje ve zpracování programu od adresy odebrané ze zásobníku.
Adresa označuje místo v programové rutině, kterou procesor prováděl, když došlo k přerušení
33. Skokem na tuto adresu procesor pokračuje v provádění programu od toho místa, kde
přestal.
Jestliže aplikační program při ukládání do paměti přepsal COMMAND.COM,
operační systém při ukončení programu znovu zapíše COMMAND.COM do paměti RAM.
5 Jak pracuje paměť RAM
Paměť s libovolným přístupem (Random Access Memory, RAM). Předtím, než
počítač může udělat cokoliv užitečného, musí přesunout z disku do paměti RAM nějaký
1
U některých počítačů lze zrychlit tisk pomocí spooleru. Je-li spooler uložen v paměti, změní si vektor
přerušení 33 služba 5 tak, aby obsahoval adresu rutiny v paměti RAM používanou spoolerem. Tato rutina
obvykle nařídí procesoru, aby tisknutý znak zapsal do vyrovnávací paměti v rozšířené paměti RAM, kde
znak čeká, až ho vlastní rutina spooleru odešle na tiskárnu
5-8
5 Jak pracuje paměť RAM
program. Data obsažená v dokumentech, tabulkách, grafice, databázích nebo i jiném typu
souboru musejí být rovněž, byť na okamžik, uložena do RAM. Teprve potom může software
použít procesor na zpracování těchto dat.
Bez ohledu na to, jaký typ dat počítač používá a bez ohledu na to, jak složitá se
nám tato data mohou zdát, se pro počítač jeví pouze jako nuly a jedničky. Dvojková čísla jsou
přirozeným jazykem počítačů. Někdy se tomu říká strojový jazyk počítače.
Lidé neovládají dvojkovou reprezentaci tak plynně jako počítače, proto se objevují
tato dvojková čísla i obrazovce ve srozumitelnějším tvaru – obvykle jako znaky abecedy nebo
jako desítková čísla. Když např. klávesnicí zadáte velké písmeno A, operační systém a software
použijí konvenci známou jako ASCII, ve které určitá čísla představují určitá písmena. Počítač
umí manipulovat s čísly, a to s jejich nejjednodušší strojovou reprezentací – s dvojkovým
kódem. Ale pro programátory a uživatele je snazší pracovat s čísly desítkovými. Velké písmeno
A je zapsáno jako desítkové číslo 65; B jako 66; C je 67 atd. V počítači jsou však čísla stále
zobrazována pomocí jejich dvojkových ekvivalentů.
Je to dvojková notace, která vyplňuje vaše disky a paměť počítače. Když ale
počítač zapnete, je RAM „prázdná“. Postupně se však zaplní nulami a jedničkami, které se
přečtou z disku nebo vytvoří při práci počítače. Když počítač vypnete, vše co bylo v paměti
RAM je ztraceno, zmizí.
5.1 Zápis dat do RAM
Software ve spolupráci se systémem DOS vysílá elektrické signály na adresové
vedení, což jsou mikroskopické nitky elektricky vodivého materiálu vyleptaného do čipu RAM.
Signál identifikuje místo, kam se mezi množství adresových vedení v čipu RAM mají data
zapsat.
V každém paměťovém místě v čipu RAM, kam lze uložit data, elektrický signál
sepne (uzavře) tranzistor, který je spojen s datovým vedením.
Jakmile jsou tranzistory sepnuty, software vyšle elektrické signály po zvoleném
datovém vedení. Každý signál představuje bit – buď 1 nebo 0 – v přirozeném jazyku procesoru
a tedy konečnou jednotku informace, se kterou počítač manipuluje.
Jakmile se elektrický signál dostane na adresové vedení, podle kterého byly
sepnuty tranzistory, elektrický puls projde sepnutým tranzistorem a nabije kondenzátor. Tento
proces je neustále opakován, aby se obnovoval náboj na kondenzátoru, který by se jinak
5-9
5.2 Čtení z RAM
pomalu vybíjel. Vypne-li se napájení počítače, všechny kondenzátory svoje náboje ztratí. Každý
nabitý kondenzátor představuje bit 1. Nenabitý kondenzátor bit 0. Počítač používá bity 1 a 0
jako dvojková čísla pro uložení a manipulaci s informacemi.
5.2 Čtení z RAM
Pokud chce software přečíst data uložená v RAM, odešle po adresovém vedení
jiný signál, který ještě jednou sepne tranzistory k němu připojené.
Všechny nabité kondenzátory podél tohoto adresového vedeni se vybijí přes
obvod vytvořený sepnutým tranzistorem, čímž se po datovém vedení odešlou elektrické pulsy.
Software pozná, ze kterých datových vedení přišel puls a chápe ho jako 1, každé
vedení, ze kterého puls nepřišel jako 0. Kombinace jedniček a nul z osmi datových vedení tvoří
jeden byte dat.
6 Jak pracuje mikroprocesor
Třebaže mikroprocesor INTEL 80386 – první 32 bitový procesor použitý v osobních
počítačích se systémem MS-DOS – není tím nejvýkonnějším procesorem používaným
v počítačích, zůstává důležitý, protože představuje minimální standard výpočetních kapacit.
V jednom okamžiku umí manipulovat až s 32 bity dat, proto zpracovává instrukce dvakrát až
třikrát rychleji než jeho předchůdce, lntel 80286, který je zase alespoň pětkrát rychlejší než
Intel 8088 z původního osobního počítače IBM PC.
Šest základních jednotek Intelu 80386 získává data a instrukce z paměti, ukládá
obojí tam, kde je ostatní jednotky budou mít po ruce, rozpoznává smysl instrukcí a pak
instrukce provádí a výsledky zapisuje zpět do RAM. Váš vlastní stůl je analogií pro činnost
procesoru 80386. Ekvivalentem kódu a dat, se kterými čip pracuje, jsou zprávy a jiné
písemnosti uložené ve vstupní přihrádce. V ní je například požadavek vašeho šéfa na
vyhotovení nějaké zprávy a obchodní data, která máte ve zprávě použít. Protože jste
v okamžiku, kdy požadavek přišel, zaneprázdněni něčím jiným, uložíte tento požadavek do
zásobníku věcí k vyřízení. Když jste se současnou prací hotovi, podíváte se na tento požadavek
a jeho data a šéfovu instrukci zpracujete. Pak ke zprávě připojíte rozdělovník a uložíte ji do
výstupní přihrádky. Mikroprocesor je ale při provádění těchto úkolů daleko efektivnější než vy,
protože tyto akce provádí souběžně. Jednotlivé kroky odpovídají úlohám, které provádí
jednotka pro styk se sběrnicí, jednotka pro předběžné načtení kódu, jednotka pro dekódování
instrukce, výpočetní jednotka a segmentová a stránková jednotka. Uvedený příklad ukazuje,
jak tyto části spolupracují při provádění jednoduchého sečítání 2 + 2.
6-10
6 Jak pracuje mikroprocesor
6.1 Mikroprocesor
Jednotka pro předběžné načtení kódu, která zařadí instrukci do fronty na
zpracování, požádá jednotku pro styk se sběrnicí, aby z paměti načetla další instrukci – v našem
případě instrukci pro sečtení dvou čísel. Úkolem jednotky pro předběžné načtení kódu je
zajistit, aby jednotka pro dekódování instrukcí nezahálela po dobu načítání další instrukce.
V tutéž dobu segmentová a stránková jednotka převádějí adresu instrukce
z virtuální adresy na fyzickou adresu (skutečnou adresu v paměti), které rozumí jednotka pro
styk se sběrnicí.
Jednotka pro styk se sběrnicí, která spojuje čip 386 s ostatními částmi počítače,
získává instrukci z RAM a odesílá ji do jednotky pro předběžné načtení kódu.
Jednotka pro předběžné načtení kódu posílá instrukci dál do dekódovací jednotky,
která zkoumá kód, indentifikuje ho jako instrukci pro sečtení dvou čísel, přetvoří ji do tvaru,
kterému porozumí výpočetní jednotka a odešle ji do této jednotky.
Uvnitř výpočetní jednotky se řídící jednotka chápe koordinace kroků potřebných
pro provedení každé instrukce. Ostatním částem výpočtové jednotky nařizuje, co mají dělat a
kdy. Pro tuto operaci zašle řídící jednotka virtuální adresu prvního čísla, které se má sečíst a
které je uloženo v RAM, do jednotky pro test ochrany.
Jednotka pro test ochrany zabezpečuje, že operace prováděné výpočetní
jednotkou jsou přípustné, že nedochází k přepsání míst v paměti nebo k přístupu k zařízením
tam, kde to není dovoleno. V našem případě jednotka pro test ochrany zjistí, že řídicí jednotka
má povolen přístup na adresu, kde je první číslo a předá ji dál segmentové a stránkové
jednotce, kde je virtuální adresa převedena na fyzickou adresu, aby ji mohla použít jednotka
pro styk se sběrnicí.
Jednotka pro styk se sběrnicí najde a přečte číslo uložené na dané adrese. Číslo
putuje zpět přes jednotku pro test ochrany do výpočetní jednotky, kde uloženo do jednoho
z vnitřních registrů čipu. Registry pracují ve výpočetní jednotce jako kombinace zápisníkové a
pracovní paměti. Podobné operace se provedou i s druhým číslem, které se také uloží do
výpočetní jednotky.
Aritmeticko-logická jednotka vypočte součet čísla, právě získaného z RAM a čísla,
které bylo uloženo do vnitřních registrů.
6-11
6.1 Mikroprocesor
Řídicí jednotka přikáže jednotce pro styk se sběrnicí, aby součet uložila do RAM.
Segmentová a stránková jednotka převedou virtuální adresu uvedenou řídící jednotkou pro
uložení součtu na fyzickou adresu, čímž instrukce končí.2
7 Jak pracuje paměť cache pro RAM
Čipy paměti RAM najdeme sice ve všech počítačích, ale ne všechny paměťové čipy
jsou si rovny. Některé jsou při obnovování elektrických napětí v kondenzátorech, které
představují data, rychlejší než ostatní. Rychlost obnovování – obvykle vyjadřovaná
v nanosekundách – ovlivňuje rychlost, s jakou může mikroprocesor získat z paměti data, která
má zpracovat.
Čím jsou čipy RAM rychlejší, tím jsou dražší. Aby se cena osobních počítačů
udržela nízko, používá většina výrobců pomalejší paměťové čipy pro hlavní objem paměti
počítače a o něco rychlejší, dražší čipy RAM na základní desce jako externí cache RAM. Cache,
obvykle obsahující 64 až 256 kilobytů paměti, pomáhá snížit zpoždění při přesunu dat mezi
hlavní pamětí a procesorem. Paměť cache pro RAM má na urychlení přístupu k paměti tentýž
vliv jako disková cache na urychlení přístupu k disku.
Bez paměti cache by procesor po dobu několika cyklů musel nečinně zahálet,
dokud by nedostal požadovaná data. Hodinový cyklus je nejkratší doba, během které se
v počítači může provést nějaká operace. S pamětí cache si však počítač může data, která bude
s největší pravděpodobností potřebovat, držet takříkajíc na dosah ruky. Data uložená
v rychlých čipech lze procesoru doručit s minimálním zpožděním, někdy dokonce i bez
jakéhokoliv zpoždění.
Efektivnost paměti cache určují dva faktory. Jedním z nich je rychlost čipu
použitého v paměti cache – čím je rychlejší, tím lépe. Dalším faktorem je algoritmus, který
paměť cache používá pro určení dat, která se mají do paměti cache uložit. Čím přesněji je
algoritmus schopen odhadnout, která data se budou v následujících okamžicích zpracovávat,
tím vyšší je míra úspěšnosti zásahu.
2
Existuje několik typů mikroprocesoru 386. Většinou se liší pracovní rychlostí, která je vyjadřovaná
v megahertzech. Pro 386 také existují verze DX a SX. SX komunikuje s pamětí RAM pomocí 32 bitů široké
cesty. SX interně zpracovává data po 32 bitech v jednom okamžiku, stejně jako to dělá čip DX, ale
komunikace s RAM probíhá po 16 bitech najednou. Jedinou výhodou čipu SX je levnější a jednodušší
zabudování do starších koncepcí PC. Od doby dokončení 386 vytvořil Intel procesor 80486. Ten rovněž
manipuluje s 32 bitovými daty najednou, ale oproti 80386 má dvě komponenty navíc Jednou je
zabudovaná 8k paměť cache pro RAM, která pracuje jako vnější RAM cache Ta zajišťuje, že procesor není
nucen čekat na data, která ke své práci potřebuje. Další komponentou je vestavěný matematický
koproresor.
7-12
7 Jak pracuje paměť cache pro RAM
Pokud váš software potřebuje nová data, paměť cache vyřadí data, která byla
v rychlých čipech nejdéle a nahradí je novými daty a daty z okolních adres paměti. Děje se tak
podle pravidla FIFO, které je založeno na principu, že data, která byla delší dobu nepoužita,
zřejmě nebudou softwarem požadována ani v budoucnu.
Váš software prostřednictvím procesorové jednotky (CPU) vyžaduje pro použití
data nebo další část programového kódu.
Paměť cache pro RAM, která je zabudována jako část hlavních obvodů v počítači,
zachytí tento požadavek na jeho cestě do paměti RAM. Paměť získá data z RAM a dodá je do
CPU. Když jsou data načítána poprvé, může to trvat několik hodinových cyklů, po které CPU
nemůže dělat žádnou užitečnou práci.
Paměť cache si uloží kopii dat, která již přečetla z RAM do rychlých paměťových
čipů, které používá pouze cache.
Jakmile cache zjistí, že CPU zahálí, načítá data nebo kód programu z paměťových
adres, které sousedí s původní adresou dat, jež software požadoval. Paměť cache uloží tato
data do rychlých paměťových čipů.
Pokud v příštích okamžicích požaduje software další data pro CPU, testuje cache,
zda již data nejsou uložena v rychlých paměťových čipech. Jestliže ano, může cache tato data
odeslat do CPU přímo, bez nutnosti přístupu do pomalé hlavní pamětí. CPU tak při výpočtech
stráví kratší dobu čekáním.
Potřebuje-li CPU změnit obsah části paměti, rozhoduje cache3 nejprve o tom, zda
se měněná data nacházejí v rychlých paměťových čipech. Je-li tomu tak, cache srovnává
zapsaná data se změnami a do hlavní paměti zapisuje data jen tehdy, když adresy v hlavní
paměti RAM obsahují jiná data než jsou v rychlých čipech. Je to rychlejší než změna celého
bloku dat.
7.1 Ukládání dat
RAM má jednu obrovskou nevýhodu. Až na několik málo výjimek ztrácejí všechny
paměťové čipy informaci v nich uloženou, jakmile počítač vypneme. Naštěstí existuje někoIik
způsobů, jak nabídnout trvalou paměť která zůstane nedotčena i po vypnutí proudu.
3
Kromě paměti cache pro RAM, se kterou se shledáme u mnoha osobních počítačů s mikroprocesory
Intel 80386 a 80486 DX a SX, obsahují procesory 486DX svou vlastní 8K cache uvnitř čipu samotného.
Tato vnitřní paměť cache pracuje podobným způsobem jako externí cache pro RAM a ještě více urychluje
přenosy dat.
7-13
7.1 Ukládání dat
Nejobvyklejší formou trvalé paměti jsou magnetické disky. Magnetická paměť se rovněž
používá ve formě páskových mechanik – trvalé paměti, která je k dispozici téměř tak dlouho jak
počítače existují. Popularitu získávají nová zařízení, která pro čtení nebo zápis dat používají
laseru. A nedávno výrobci počítačů provedli průlom směrem k trvalým paměťovým čipům,
které neztrácejí obsah při vypnutí počítače, protože mají svůj vlastní, vestavěný zdroj napětí.
Všechny tyto metody trvalého ukládání dat mají svoje výhody a nevýhody.
Diskety jsou univerzální, přenosné a levné, ale mají malou kapacitu a nízkou
rychlost. Pevné disky jsou pravděpodobně po všech stránkách nejlepším paměťovým médiem.
Data zapisují a čtou rychle, mají kapacitu pro uložení velkého objemu dat a jejich cena za
megabyte je nízká. Ale pevné disky jsou obecně nepřenosné, s výjimkou nových verzí
prodávaných za vyšší ceny. Páskové mechaniky nabízejí téměř nekonečnou paměť za nízkou
cenu, jsou však pomalé pro jiné použití než jako záložní
médium.
Některé
nové
formy
pamětí slouží
těm
uživatelům osobních počítačů, kteří ukládají mimořádná
množství dat. Mechaniky CD-ROM pojmou více než 500
megabytů dat na disk, který je identický s laserovým
kompaktním diskem, na kterém je nahrána hudba – disky
CD-ROM se přitom dají levně vyrábět. Jsou to ale zařízení, ze Obrázek 2: Mechanika CD-ROM
kterých lze pouze číst, což znamená, že můžete používat jen
ta data, která byla na disk zapsána v okamžiku jeho výroby; klasické kompaktní disky nemůžete
použít pro uložení vlastních dat. Informace lze ukládat na speciální zapisovatelná média CDROM v jednotkách k tomu určených. Náklady na pořízení takového vlastního kompaktního
disku jsou zatím velmi vysoké. Magneticko-optické mechaniky používají podobně jako CD ROM
pro čtení dat laser, ale mají tu výhodu, že data na ně můžete také snadno zapisovat. Jsou
rychlé, přenosné a mají obdivuhodnou kapacitu paměti, ale jejich cena teprve nedávno klesla
na úroveň, která je obecně dostupná.
Dva typy paměťových čipů uchovávají svou informaci i po vypnutí počítače. Paměť
EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory, vymazatelná, programovatelná paměť
umožňující jen čtení) nalezneme v téměř každém osobním počítači. Jsou to čipy, které obsahují
informace pro zavádění systému. Jsou ale pomalé, a jejich data lze změnit pouze tehdy, když je
před zápisem vystavíme ultrafialovému záření. Paměťové čipy tzv. flash RAM, které kombinují
možnost zápisu s možností udržet data, i když se zdroj napětí vypne, slibují stát se v budoucnu
7-14
8 Jak pracuje disková paměť
obecně používanou pamětí a mohou být ideálním trvalým paměťovým médiem. Dnes jsou však
příliš drahé na to, aby zcela nahradily pevné disky.
Navzdory těmto různým technologiím ukládání dat, má každá z nich podobný
způsob záznamu dat a podobný způsob ukládání informace, aby ji bylo možno později opět
nalézt.
V další části se podíváme, jak různé druhy trvalé paměti řeší úlohu ukládání dat
tak, aby je bylo možno snadno vyhledat a jak různá paměťová zařízení data zapisují a čtou.
Disky jsou nejobvyklejší formou trvalého ukládání dat. Jejich kapacita se pohybuje
od několika set kilobyte až po několik gigabyte, všechny však mají určité prvky společné.
Způsob jakým mechanika vytváří 1 nebo 0, může být odlišný, ale cílem je změnit mikroskopicky
malé oblasti na povrchu disku tak, že určité oblasti představují 0 a jiné 1.
Jiným společným prvkem je schéma, které udává, jak jsou data na disku
organizována. Toto schéma určuje operační systém počítače, kterým je na většině počítačů
MS-DOS. Operační systém řídí tolik operací v počítači, že mnozí uživatelé zapomínají, že DOS je
zkratkou od „diskový operační systém“, a že jeho prvotní funkcí bylo řídit diskové mechaniky.
Předtím, než lze na disk zapsat jakoukoliv informaci, musí být disk nejprve
formátován. Formátování vytvoří na disku jakousi cestovní mapu, která mechanice umožní
ukládat a vyhledávat data řádným způsobem. Tato cestovní mapa obsahuje magnetické kódy,
které jsou zabudovány do povrchové vrstvy, tak aby povrch disku rozdělily na sektory (kruhové
výseče) a stopy (soustředné kružnice). Data pak lze zaznamenávat logickým způsobem a lze
k nim rychle přistupovat pomocí hlaviček pro čtení/zápis, které se pohybují sem a tam nad
otáčejícím se diskem. Počet sektorů a stop na disku udává kapacitu.
Poté, co je disk zformátován, je zápis nebo psaní i nejjednoduššího souboru
složitým procesem, na jehož průběhu se podílí jak váš software, tak DOS, BIOS osobního
počítače a mechanismus samotné diskové mechaniky. Operační systém musí umět najít na
disku požadovaný soubor. Protože soubor může být rozprostřen do mnoha oddělených částí,
musí existovat způsob, jak podržet informace o všech těchto částech. A musí existovat způsob,
jak soubor vymazat a místo, které obsazoval, uvolnit pro uložení jiných souborů.
8-15
8.1 Zápis a čtení bitů na disku
8.1 Zápis a čtení bitů na disku
Předtím, než dojde k zápisu jakýchkoliv dat na disk, jsou kovové částečky v tenké
magnetické vrstvě, která povrch disku pokrývá, rozmístěny zcela náhodným způsobem, což je
podobná situace jako u zvukových pásek nebo videopásek. Aby došlo k přeměně náhodně
rozptýlených částeček na data, musí procházet proud vinutou cívkou, která je navinuta na
železném jádru ve čtecí/zápisové hlavě diskové mechaniky. Hlava je umístěna nad povrchem
disku. Elektřina mění jádro cívky na elektromagnet, který dokáže pohybovat molekulami
v povrchové vrstvě disku.
Cívka prochází nad diskem a proud vinutím indukuje magnetické pole v jádru. Pole
magnetizuje molekuly železa na povrchu disku a nutí je natočit své kladné póly směrem
k zápornému pólu čtecí/zápisové hlavy a záporné póly ke kladnému pólu hlavy.
Poté, co hlava na otáčejícím se disku vytvoří jeden magnetický proužek, je další
proužek vytvořen hned vedle. Tyto dva proužky společně představují nejmenší diskrétní prvek
dat, se kterým může počítač pracovat – bit. Jestliže bit má prezentovat hodnotu 1, tak se po
vytvoření prvního proužku proud v cívce převrátí, takže magnetické póly cívky si vymění místa
a molekuly druhého proužku jsou seřazeny v opačném směru. Jestliže bit má mít hodnotu 0,
jsou molekuly v obou proužcích seřazeny v témže směru.
Jakmile je uložen druhý bit, je polarita jeho prvního proužku vždy opačná než
v proužku předcházejícím, aby se tak dalo najevo, že začíná nový bit. I ty nejpomalejší
mechaniky potřebují na vytvoření každého pásku jen zlomek sekundy.
Při čtení se do čtecí/zápisové hlavy, která pluje nad diskem, nepouští žádný proud.
Místo toho dochází k magneticky opačnému pochodu, než je zápis. Proužky polarizovaných
molekul na povrchu disku jsou samy o sobě slabými magnety, vytvářejí tedy magnetické pole,
kterým prochází čtecí/zápisová hlava. Pohyb hlavy magnetickým polem indukuje elektrický
proud, který prochází vinutím v hlavě jedním nebo druhým směrem. Směr proudu závisí na
polaritě proužků. Zjištěním směru pohybu proudu se počítač dozví, zda čtecí/zápisová hlava
prochází přes 1 nebo 0.
8.2 Formátování disku
První úlohou mechaniky je naformátovat disk, který má používat. Děje se to
zápisem vzorku z nul a jedniček na povrch disku, jakýchsi magnetických značek. Vzorek rozdělí
disk ve směru poloměru do sektorů a soustředných kruhů. Jak se čtecí/zápisová hlava pohybuje
8-16
sem a tam nad otáčejícím se diskem, čte tyto magnetické značky, a zjišťuje, jaká je její poloha
vzhledem k datům na povrchu disku.
Spojením dvou nebo více sektorů na jedné stopě vzniká skupina neboli blok
(cluster, blok). Počet byte v jedné skupině se může lišit v závislosti na verzi systému DOS
použité při formátování disku a na velikosti disku. Skupina je nejmenší jednotkou, kterou
používá DOS pro ukládání informace. I když má soubor třeba jen jeden byte, použije se pro
uložení souboru celá 256 bytová skupina. Počet sektorů a stop a tím pádem i počet skupin,
které může mechanika vytvořit na disku, určuje kapacitu disku.
Mechanika vytvoří na začátku disku důležitou tabulku nazývanou FAT (file
allocation table, tabulka umístění souborů). Tabulka FAT je místo, kam DOS ukládá informaci o
struktuře adresáře disku a o tom které skupiny sektorů jsou použity pro uložení souborů.
V novějších verzích systému DOS je identická kopie FAT uložena i na jiném místě pro případ,
kdyby došlo k poškození dat v první tabulce FAT. Za normálních okolností nespatříte obsah
žádné z tabulek FAT.
8.3 Zápis souboru na disk
Jakmile zadáním příkazu nebo pomocí myši způsobíte, že váš software bude chtít
zapisovat soubor na disk, tak program, který používáte, zašle do systému DOS příkaz,
požadující, aby systém provedl kroky nezbytné k uložení souboru na disk. V tomto příkladě
předpokládáme, že pro uložení souboru se jménem DOPIS.TXT používáte textový editor.
Systém DOS změní strukturu adresáře uloženého ve FAT tak, aby obsahoval
informaci o tom, že soubor se jménem DOPIS.TXT bude uložen do aktuálního adresáře (nebo
jiného adresáře, pokud zadáte cestu k jinému adresáři).
Systém DOS rovněž v tabulce FAT zjišťuje číslo skupiny sektorů, do které může
soubor uložit, aniž by došlo k přepsání jiných dat, která již na disk byla uložena. V našem
případě je ve FAT uvedeno, že pro zápis dat je volná skupina číslo 3.
Z tabulky FAT systém DOS rovněž zjistí, že skupina 3 se skládá ze sektorů 2, 3, 4 a 5
na stopě 1. Systém DOS tuto informaci předá do systému BIOS počítače.
BIOS za software vykoná detailní činnosti spojené s uložením souboru. Z paměti
RAM, používané editorem, získá data, která tvoří soubor DOPIS.TXT. V tutéž dobu vydá příkaz
řadiči disku, aby uložil zaslaná data, do sektorů 2 až 5 na stopě 1.
8-17
8.4 Čtení souboru z disku
Jestliže je soubor větší než počet byte obsažených v jedné skupině, požádá DOS
tabulku FAT o udání polohy další skupiny sektorů, do které smí v ukládání souboru pokračovat.
Skupiny sektorů na disku nemusí na sebe nutně vzájemně navazovat. Tabulka FAT obsahuje
záznam o řetězu skupin sektorů, ve kterých je soubor uložen. Tento postup se opakuje tak
dlouho, dokud systém DOS nenarazí na zvláštní kód, kterému říkáme příznak konce souboru.
Nakonec systém DOS sdělí tabulce FAT, aby označila skupiny, které obsahují
DOPIS.TXT – aby později DOS poznal, že tyto skupiny jsou již použity.
Pokud pomocí příkazu nebo položky z menu vašeho software vyvoláte funkci pro
přečtení souboru se jménem DOPIS.TXT, váš software předá příkaz a jméno souboru do
systému DOS.
Systém DOS testuje v tabulce FAT, zda aktuální adresář obsahuje DOPIS.TXT. (Když
v něm není, a vy jste nezadali úplnou cestu do adresáře, sdělí DOS danému software, že soubor
nemůže najít, načež software vypíše vlastní chybovou zprávu.)
Když systém DOS soubor DOPIS.TXT ve správném adresáři nalezne, dostane od
tabulky FAT adresu první skupiny sektorů, která obsahuje začátek souboru a také adresu všech
dalších skupin, které byly pro uložení souboru použity.
Systém DOS předá informaci o adresách do BIOS, kde dojde k vydání povelu do
řadiče diskové mechaniky, aby čtecí/zápisové hlavy ve správném pořadí přesunoval do skupin
sektorů, které obsahují soubor, a tak přečetl soubor od začátku do konce.
Mechanika odesílá data přečtená z disku přes BIOS, který je zapisuje do paměti
RAM, kde je může dále zpracovat software.ii
9 Jak pracují disketové mechaniky
Uprostřed superrychlých a supervelkých pevných disků, magneticko-optických
mechanik, mechanik CD ROM a všech ostatních nejnovějších high-tech zázraků je jistě těžké
projevovat nadšení nad obyčejnými disketovými mechanikami. Jsou pomalé a ve srovnání
s jinými typy mechanik ani nemají příliš velkou kapacitu.
Přes všechny svoje nedostatky jsou disketové mechaniky podceňovaným
zázrakem. Na disketě, kterou můžete strčit do kapsy nebo náprsní tašky, může být umístěna
celá kniha informací. Disketové mechaniky jsou přítomné prakticky u každého počítače, čímž se
9-18
9 Jak pracují disketové mechaniky
stávají jistým a výhodným prostředníkem, jak dostat data
z jednoho osobního počítače na druhý. Žádné komunikační
linky, sítě nebo infračervená spojení nejsou zapotřebí;
jenom vyjmete disketu z jednoho stroje a založíte do
druhého.
Steve Jobs zkoušel na svém počítači NeXT
zcela vyřadit disketové mechaniky a prosadit magnetickooptické mechaniky jako ideální metodu distribuce
Obrázek 3: Diskety
komerčního software. Myšlenka sice byla poznamenána
technologickým idealismem, ale nikdo ji příliš neocenil. Pro
všechno svoje všeobecné dědictví je disketa spolehlivá a respektovaná. Bude s námi v určité
podobě žít ještě dlouhou dobu.
Se svou dnešní kapacitou od 700 kilobyte po 2,88 megabyte mohou tyto 3,5’’
disky nést více dat, než jejich větší příbuzní. Jejich ochranné obaly znamenají, že se nemusíme
tak starat o to, jak s nimi zacházíme. Jsou neskonale levnější než výměnné pevné disky – tak
levné, že jejich cena není rozhodujícím faktorem. A u přenosných počítačů jsou již standardem.
Někdy snad budeme mít levnou, přenosnou paměť používající ploché paměťové
čipy v provedení ne větším, než je kreditní karta. Ale ještě po dobu mnoha let si můžeme být
jisti, že určitý druh disketových mechanik bude standardním vybavením každého osobního
počítače.
Zasouváme-li 3,5’’ disketu4 do mechaniky, zatlačí na soustavu páček. Jedna páčka
otevře záklopku a obnaží se mylarová disketa potažená na obou stranách magnetickým
materiálem vhodným pro záznam dat.
Další páčky a soukolí pohnou dvěma čtecími/zápisovými hlavami tak, že se z obou
stran téměř dotknou povrchu diskety. Hlavy, což jsou tenké elektromagnety, používají
magnetické pulsy na změnu orientace kovových částeček roztroušených na povrchu diskety.
Deska s elektronickými obvody mechaniky přijímá od řadiče disketové mechaniky
signály obsahující data a povely pro zápis dat na disketu. Elektronické obvody převedou přijaté
povely na signály, které řídí pohyb diskety a čtecích/zápisových hlav.
4
Nehledě na rozdíl ve velikosti a obalu, je disketa 5,25’’ jednoduše větší, pomalejší a méně složitou verzí
diskety 3,5’’. Nemá žádná dvířka na otevírání, ale ochrana proti zápisu je také řešena pomocí testu
existence zářezu a čtecí/záznamové hlavy pracují úplně stejně jako hlavy u menší mechaniky.
9-19
Jestliže signály obsahují povely pro zápis dat na disketu, elektronika nejprve
testuje, zda malým, uzavíratelným okénkem v jednom rohu pouzdra diskety neprochází světlo.
Jestliže je toto okénko otevřeno, paprsek vycházející ze světelné diody na jedné straně je
zjištěn fotodiodou na opačné straně diskety a mechanika ví, že disketa je chráněna proti zápisu
a zápis nových dat odmítne.
Motor umístěný vedle diskety otáčí hřídelí, která zapadne do zářezu ve středu
diskety.
Krokový motor, který se umí v závislosti na signálech z elektroniky otáčet
kterýmkoli směrem o určitý úhel, pohne druhou hřídelí, která má na svém povrchu
vysoustruženou spirálovou drážku. Raménko připojené ke čtecím/zápisovým hlavám dosedá
v této drážce. Pohyb hřídele posunuje raménko sem a tam, čímž nastavuje čtecí a zápisové
hlavy nad disketu.
Když se hlavy ocitnou ve správné poloze, elektrický signál vytvoří magnetické pole
v jedné ze dvou hlav a dojde k zápisu na horní nebo dolní stranu diskety. Při čtení dat hlavy
reagují na magnetické pole tvořené kovovými částečkami na disketě.
zápisu je také řešena pomocí testu existence zářezu a čtecí/záznamové hlavy
pracují úplně stejně jako hlavy u menší mechaniky.
10 Jak pracují pevné disky
Diskové plochy, na kterých jsou uložena data, se otáčejí velkou rychlostí hned od
okamžiku zapnutí počítače (s výjimkou přenosných počítačů, které disk zapínají jen občas, aby
se tak prodloužila životnost baterie). Každý přístup na mechaniky pevného disku při čtení nebo
zápisu souboru má za následek sled pohybů čtecích/zápisových hlav, které se ovšem musí dít
s mikroskopickou přesností. Tolerance mechaniky pevného disku jsou tak přesné, že mezera
mezi hlavou a povrchem disku je užší než síla lidského vlasu.
Kapacita, formát a výkon pevných disků se od svého zavedení u prvního IBM XT
s pevným diskem v roce 1980 dramaticky změnily. Ohlédneme-li se nazpět, kapacita 10
megabyte byla považována za úctyhodnou. Mechanika disku byla 3 až 4 palce silná a zabírala
zásuvku pro mechaniku 5,25“ diskety. Přístupová doba 87 milisekund byla zlomkem přístupové
rychlosti disketových mechanik. O deset let později už pevné disky obsahovaly 200 megabyte a
jejich velikost byla menší než 3,5“ disketová mechanika. S přístupovou rychlostí 18 milisekund
nejsou drahé a tudíž všeobecně použitelné. Nejmodernější mechaniky pevných disků uloží 120
10-20
10 Jak pracují pevné disky
megabyte nebo víc na výměnný disk ne větší než je krabička od zápalek. V budoucnosti bude
zmenšování velikosti mechanik pokračovat se současným růstem jejich kapacity.
Zapečetěné kovové pouzdro disku chrání vnitřní součásti před prachovými
částicemi, které by se mohly dostat do uzounké škvírky mezi čtecí/zápisovou hlavou disku a
způsobit tak havárii poškrábáním magnetického povrchu disku.
Ve spodní části mechaniky je uložena deska logiky, která přijímá povely řadiče
disků, řízeného operačním systémem. Deska logiky přetváří tyto signály do změn napětí, které
nutí pohon hlav, aby s čtecími/zápisovými hlavami pohyboval nad povrchem disků. Deska také
zajišťuje, že hřídel otáčející diskovými plochami se otáčí stálou rychlostí a hlavám nařizuje, kdy
mají na disk psát a kdy z něho mají číst. U některých disků je řadič disků součástí desky
s logikou.
Hřídel připojená k elektrickému motoru pohání až osm diskových kotoučů
s magnetickým povrchem rychlostí několika tisíc otáček za minutu. Počet kotoučů a složení
magnetického materiálu na jejich povrchu určuje kapacitu disku. Moderní kotouče jsou
obvykle pokryty vrstvičkou, jejíž tloušťka je asi 3 miliontiny palce.
Pohon hlav s vysokou přesností zasouvá a vysouvá hřeben s raménky
čtecích/zápisových hlav nad povrchem disků. Tím nastavuje hlavičky nad stopy, které leží
v soustředných kružnicích na povrchu disku.
Čtecí/zápisové hlavy se na koncích pohyblivých ramének nad povrchem
otáčejících se ploch disku pohybují současně. Hlava zapisuje data zasílaná z řadiče disků tím, že
na povrchu disku uspořádává (polarizuje) magnetické částečky; hlava čte data tak, že zjišťuje
polaritu již uspořádaných částic.
Když vy nebo váš software sdělíte operačnímu systému přání číst nebo zapisovat
soubor, operační systém vyšle do řadiče pevných disků povel na přesun čtecích/zápisových
hlav do místa, kde je uložena tabulka FAT. Operační systém čte FAT a určuje skupiny sektorů na
disku, kde existující soubor začíná nebo kde je volné místo pro zápis nového souboru.
Jeden soubor může být rozprostřen v mnoha stech oddělených skupinách sektorů,
nacházejících se na několika plochách. Operační systém uloží začátek souboru do první skupiny
sektorů, kterou jako neobsazenou najde v tabulce FAT. Tabulka FAT uchovává zřetězený
záznam o skupinách sektorů obsazených souborem; každý odkaz v řetězci ukazuje na další
skupinu sektorů obsahující další části souboru. Jakmile se jednou data z tabulky FAT dostanou
10-21
přes elektroniku mechaniky a řadič disku zpět do operačního systému, začne operační systém
vydávat mechanice příkazy, aby přemisťovala čtecí/zápisové hlavy nad povrchem disku a
z otáčejících se ploch četla nebo na ně zapisovala skupiny sektorů. Když operační systém zapíše
na disk nový soubor, přesune čtecí/zápisové hlavy zpět do FAT, kam zapíše seznam všech
skupin sektorů se souborem.
11 Jak pracují paměti cache pro disk
Nejpomalejší částí každého počítače jsou diskové mechaniky. Disky a klávesnice
jsou jediné hlavní části vašeho osobního počítače, které obsahují pohyblivé součástky.
Mechanické části se však pohybují v reálném světě hmoty a setrvačnosti. Bez ohledu na to, jak
rychlé mohou být vaše disky, dělají z nich jejich mechanické komponenty lenocha ve srovnání
s jinými prvky počítače, které přenášejí data rychlostí elektřiny.
Existuje způsob, jak co nejvíce zmenšit vrozenou lenost disku. Některé mechaniky
jsou rychlejší než jiné. Můžete se přesvědčit, zda soubory na disku nejsou fragmentovány, tj.
zda skupiny sektorů se souborem se nacházejí blízko sebe, takže čtecí/zápisové hlavy nemusejí
cestovat přes celý disk, aby se dostaly k jednotlivým částem souboru. Nebo místo fyzického
disku můžete používat logický RAM disk, který je vytvořen v paměti počítače a který pro
počítač vytváří iluzi, že je skutečným fyzickým diskem.
Jestliže však odhlédneme od těchto triků, je zcela nemožné zkrátit přístup k disku.
Čtení programů a datových souborů z disku je základním prvkem pro jakýkoliv smysluplný
výpočet. Nejúčinnějším a nejuniverzálnějším způsobem, jak se vyrovnat s malou rychlostí
diskových mechanik, je použít pro ně paměť cache. Disková paměť cache podstatně urychluje
operace ve vašem počítači, protože v paměti RAM uchovává ta disková data vaší aplikace,
která jsou nejčastěji zapotřebí.
Koncepce, na které je princip diskové paměti cache založen, je podobná jako u
paměti cache pro RAM. (Viz „Jak pracuje paměť cache pro RAM“). Díky velkému rozdílu
rychlosti diskové mechaniky a paměti, jsou výsledky, kterých dosahuje paměť cache pro disk
daleko dramatičtější, než jakých dosahuje paměť cache pro RAM. K mání je několik programů
realizujících paměť cache pro disk a jeden z nich je dokonce přímo dodáván se systémem DOS.
Některé programy jsou lepší než jiné, ale i ta nejméně efektivní paměť cache pro disk je úžasná
ve srovnání s diskem bez paměti cache.
11-22
11 Jak pracují paměti cache pro disk
Dokonalejší řadiče disků se dodávají s obvody pro realizaci paměti cache ve své
vlastní paměti RAM, takže tato cache nemusí používat paměť, kterou by mohly potřebovat
vaše programy. Podobných výsledků však dosáhnete i použitím nepříliš drahého programu pro
cache, který je trvale uložen v paměti, a který používá hlavní paměť systému pro urychlení
činnosti vašich diskových mechanik.
11.1 Paměť cache pro disk
Po spuštění programu pro realizaci paměti cache pro disk, si tento, v paměti trvale
uložený program, vyhradí část konvenční nebo rozšiřující paměti pro svoje účely. Velikost této
paměti, používané programem cache, se pohybuje mezi několika kilobyte až po několik
megabyte RAM; obecně platí, že čím více paměti RAM může program cache užít, tím
efektivnější je jeho přínos. Některé programy cache rezervují jen určitou část paměti; jiné si
zaberou veškerou dostupnou paměť, ale později její části uvolňují pro potřebu ostatních
programů.
Jednotka CPU pod řízením vašeho aplikačního programu vydá pevnému disku
povel na přečtení dat. Program cache tento požadavek na data zachytí.
Program cache přečte data z disku, ale kromě těchto požadovaných dat si z disku
nabere dat o něco víc, obvykle ještě z následující skupiny sektorů. Program cache předá
požadovaná data do CPU, ale jich kopii si zároveň s daty přečtenými z vlastní iniciativy uloží do
paměti RAM, kterou si předtím rezervoval.
Během okamžiků, kdy CPU není aktivně zaměstnána prováděním instrukcí (což
bývá poměrně často), převezme program cache řízení a přečte z disku ještě další data, která si
uloží do RAM. Obvykle to jsou data z okolních sektorů těch souborů, které již byly čteny. Každý
program cache má vestavěnou logiku, která inteligentním způsobem odhaduje, které skupiny
sektorů bude aplikace v budoucnu požadovat. Inteligence této logiky ovlivňuje efektivnost
programu cache.
Požaduje-li později program další data, program cache opět tento požadavek
zachytí a zkoumá, zda požadovaná data již nejsou v paměti RAM. Pokud tam jsou, předá je
ihned do CPU bez toho, že by se přistupovalo k disku. Pokud tam ale nejsou, program cache
opakuje předešlý proces, získá nová data, předá je do CPU a společně s daty přečtenými
z dalších skupin sektorů je uloží do RAM. Jak se paměť RAM používaná programem cache
postupně zaplňuje, program cache uvolňuje ty části paměti, kde jsou data, která již nebyla delší
dobu použita a nahrazuje je daty, která byla přečtena při posledních přístupech na disk.
11-23
11.1 Paměť cache pro disk
Jakmile váš program vydá povel pro zápis dat na disk, některé programy cache
data zachytí a zápis na disk odloží do té doby, než se uvolní jednotka CPU. Tím se urychlí
činnost počítače, protože pozornost CPU není tříštěna mezi psaní na disk a ostatní aktivity.
Jestliže se soubor zapisovaný na disk ještě nachází v paměti RAM řízené
programem cache5, pak program cache zapíše na disk jen ty skupiny sektorů, které se skutečně
změnily. Některé programy cache rovněž odkládají zápis na disk a provádějí ho pak
v posloupnosti, která minimalizuje pohyby čtecích/zápisových hlav diskové mechaniky.
12 Jak pracují mechaniky CD ROM
Mechaniky CD ROM instalované v počítačích používají malé plastikové disky, jako
jsou kompaktní disky s hudebními nahrávkami, ze kterých se pomocí laserového paprsku čtou
data. A jako hudební CD mohou i počítačové CD disky obsahovat obrovská množství informací,
protože pro záznam dat se používá světlo ve formě mnohem soustředěnější, než lze dosáhnout
u čtecích/zápisových hlav konvenční mechaniky, která pracuje na magnetickém principu.
Stejně jako hudební CD je běžný počítačový CD zařízením, ze kterého lze pouze číst; pro zápis
vlastních dat ho použít nemůžete.
Obrovská kapacita a možnost jen číst se u disků CD ROM snoubí s relativně nízkou
cenou mechanik, čímž z nich činí skvělý prostředek pro ukládání velkých objemů dat, u kterých
není požadavek časté aktualizace. Snadno najdete disky CD ROM, které jsou zaplněny klipy,
fotografiemi, encyklopediemi, kompletními díly pana Shakespeara a celými policemi literatury.
Mechaniky CD ROM jsou rovněž základními částmi multimediálních systémů, které používají
obrazové a zvukové soubory, což jsou mamuti mezi datovými soubory. Příjemným přídavkem
jejich multimediálních schopností je to, že většina mechanik CD ROM také umí přehrávat
normální hudební kompaktní disky.
Na rozdíl od přehrávače hudebních CD je počítačová mechanika CD ROM takřka
zbavena tlačítek displejů s tekutými krystaly s výjimkou tlačítka pro uložení a odebrání disku a
jednoho světélka, které svítí, když se z disku právě něco čte. Mechanika CD ROM je řízena
programem z počítače, který odesílá povely do řídicích obvodů, které jsou buď na základní
desce počítače, nebo na zvláštní desce instalované do rozšiřujícího slotu. Program spolu
5
Řadiče disků s funkcemi programu cache pracují podobně jako tyto programy, ale nepoužívají žádnou
hlavní paměť, dokonce ani pro logiku, která řídí cache nebo manipulaci s uloženými daty. Řadiče disků
s vlastní cache nabízejí obecně vyšší výkonnost, ale jsou dražší než samotné programy cache.
12-24
12 Jak pracují mechaniky CD ROM
s obvody ovládají špičkové technologické komponenty, proti kterým se diskové mechaniky
zdají být primitivními.
12.1 Mechanika CD ROM
Motor neustále mění rychlost otáčení disku CD ROM tak, aby se část disku pod
detektorem pohybovala stále stejnou rychlostí.
Z laseru vychází soustředěný paprsek světla, který je dále zaostřován zaostřovací
elektronikou
Laserový paprsek proniká ochrannou vrstvou umělé hmoty a dopadá na
odrazovou vrstvu, která vypadá jako hliníková fólie na spodní straně disku.
Povrch odrazové vrstvy je zbrázděn vyvýšeninami a prohlubněmi. Prohlubně jsou
rovinné, ploché oblasti; vyvýšeniny jsou tenké hrbolky na odrazové vrstvě. Tyto dva povrchy
jsou záznamem jedniček a nul používaných pro uložení dat.
Světlo, které dopadne na vyvýšeninu je rozptýleno, světlo, které dopadne do
ploché prohlubně se odrazí přímo zpět do detektoru, kde prochází hranolem odklánějícím
vstupující světlo na světlocitlivou diodu.
Každý záblesk světla, které dopadne na citlivou diodu, vybudí malé elektrické
napětí. Toto napětí je synchronizováno s hodinovými obvody a vytváří se tak proud nul a
jedniček, kterým může počítač porozumět.67
6
Magnetické disky, které jsou používány v mechanikách pevných disků, mají data uspořádána
v soustředných kruzích zvaných stopy, jež jsou ve směru poloměru rozděleny na sektory. Při použití
schématu známého jako konstantní úhlová rychlost, se magnetický disk otáčí vždy stejnou rychlostí; tj.
stopy, které jsou na okraji disku, se pohybují rychleji než stopy blíže středu. Protože se vnější sektory
pohybují pod čtecími/zápisovými hlavami rychleji, musí být tyto sektory fyzicky delší, aby se do nich vešlo
stejné množství dat jako do vnitřních sektorů. Tento formát promrhá velkou část paměťového prostoru,
ale maximalizuje rychlost, se kterou lze data získat.
7
Disky CD ROM používají typově jiné schéma než magnetické disky na dohled nad oblastmi na disku,
kam se zapisují data. Namísto několika stop uspořádaných do soustředných kruhů, jsou data na disku CD
ROM zapsána na nové stopě, která má tvar spirály začínající ve středu a táhnoucí se až k obvodu. Stopa
je také rozdělena na sektory, ale všechny sektory mají tutéž fyzickou délku. Použitá metoda, známá jako
konstantní obvodová rychlost znamená, že se rychlost otáčení disku neustále mění tak, že při pohybu
detektoru směrem ke středu disku se otáčky disku snižují. Důsledkem je to, že kompaktní disk může
obsahovat, více sektorů než magnetický disk a tím pádem také více dat. Když se detektor pohybuje
směrem ke středu disku, klesající otáčky prodlužují dobu nutnou pro získání dat z disku. Moderní jednotky
CD disků se otáčejí vícenásobnou rychlostí než původní standard.
12-25
13.1 Zápis dat na magneticko optický disk
13 Jak pracují magneticko optické mechaniky
Magnetické signály používané u konvenčních disketových mechanik a pevných
disků ukládají data v mikroskopických proužcích. Ze širšího hlediska jsou však magnetické
signály primitivním prostředkem. Jako kontrast si uveďme paprsek světla vytvářen laserem,
který lze zaostřit do oblasti mnohem menší, než oblast ovlivňovaná i tou nejcitlivější
magnetickou čtecí/zápisovou hlavou. Je zřejmé, že pokud pro zápis a čtení dat z disku
použijeme laser, podaří se nám na stejné místo dostat daleko více dat.
První pokus, zapřáhnout laserový paprsek do služeb zařízení pro čtení/zápis,
vyústil v konstrukci disků WORM – což je zkratka z Write Once, Read Many (česky jednou
zapsat, víckrát číst). Disk WORM skutečně mohl našlapat stovky megabyte dat na jediný
vyměnitelný disk. Problém s diskem WORM spočívá v tom, že jakmile data na disk jednou
zapíšete, nemůžete je změnit nebo vymazat. Promyšlené schéma rozmístění souboru na
stopách umožní zapsat novou verzi souboru na disk s tím, že stará verze bude neviditelná. Toto
schéma pracovalo celkem dobře, ale nebylo to řešení ideální. Teoreticky je možné zaplnit celý
500 MB disk WORM jediným 1k bytovým souborem. Dnes jsou mechaniky WORM užitečné
pouze v situacích, kdy chcete mít nepřepsatelný protokol o provedených transakcích.
Jedno z řešení potřeby výměnné velkokapacitní paměti, kterou lze vymazat a
měnit, přichází ve formě magneticko-optických mechanik (MO), které kombinují technologii a
výhody konvenčních magnetických mechanik a laserových mechanik CD ROM a WORM. Laser
použitý v MO mechanikách zapisuje data tak hustě, že na jednom disku je uloženo několik set
megabyte informací. Disk lze přitom – podobně jako kompaktní disk – přenášet od jednoho
stroje ke druhému. Podobně jako u magnetického disku můžete zapisovat, měnit a vymazávat
vaše data, čímž je překonáno omezení disků CD ROM, které dovolovaly pouze číst a disků
WORM, na které šlo zapsat pouze jednou. Díky tomu, že čtecí/zápisová hlava MO disků je od
povrchu dál, jsou havárie méně pravděpodobné. Průlom této nové zdvojené technologie činí
magneticko-optické disky ideálním médiem pro záložní a výměnnou velkokapacitní paměť.
13.1 Zápis dat na magneticko optický disk
Intenzívní laserový paprsek se zaostří na povrch disku, který je složen z krystalické
kovové slitiny, jejíž tloušťka činí jen několik atomů. slitina, která polarizuje světlo je nanesena
na hliníkovém substrátu. Jak slitina, tak hliníkový substrát jsou z obou stran pokryty plastickou
hmotou.
13-26
14 Jak pracují Bernoulliho mechaniky
Laserový paprsek zahřeje tenký kroužek ve slitině nad kritickou teplotu zvanou
Curieův bod. V Curieově bodě – který je pro různé materiály různý – jsou krystaly ve slitině
dostatečně volné na to, aby s nimi pohnulo magnetické pole.
Zápisová hlava, podobná té u konvenčních mechanik, vytvoří magnetické pole,
které přeskupí krystaly slitiny pro reprezentaci 1 do jednoho směru a pro reprezentaci 0 do
jiného směru. Oblast ovlivněná laserovým paprskem je tak malá, že na jednu stranu disku o
průměru 5,25” lze uložit přes 500 MB dat.
13.2 Čtení dat z magneticko optického disku
Slabší laserový paprsek se zaměří na stopu, která obsahuje data zapsaná silnějším
laserovým paprskem.
Laserový paprsek se odrazí od hliníkového povrchu pod vrstvou slitiny. Paprsek
procházející přes slitinu je přitom polarizován seskupenými krystaly, které dovolí projít jen
paprskům kmitajícím v určitém směru.
Čidlo snímá odražené světlo a určuje směr jeho polarizace. Seskupení krystalů
znamenající 1 polarizuje světlo v jednom směru, seskupení krystalů znamenající 0 je polarizuje
v jiném směru.
14 Jak pracují Bernoulliho mechaniky
Švýcarský matematik 18. století, David Bernoulli, byl prvním člověkem, který
popsal jev týkající se dynamiky kapalin, jenž je patrný v pohybující se vodě nebo vzduchu.
Bernoulliho princip, umožňuje letadlu vzlétnout ze země.
Bernoulli si všiml, že čím rychleji se vzduch pohybuje, tím menším tlakem působí
na předměty, které obtéká. Křídlo letadla je v horní části zakřiveno, takže vzduch proudící nad
křídlem musí urazit delší dráhu než vzduch pod křídlem. Ale protože vzduch nad a pod křídlem
musí urazit svou dráhu za tutéž dobu, musí se vzduch nad křídlem pohybovat rychleji. Jelikož
vzduch pod křídlem tlačí proti křídlu větší silou než vzduch nad křídlem, letadlo vzlétá. Princip
si můžete sami demonstrovat tak, že budete foukat nad povrchem malého proužku papíru.
Bernoulliho princip inspiroval firmu Iomega Corporation (začátkem roku 1980)
k vytvoření neobvyklého paměťového zařízení. Bylo neobvyklé, protože mělo stejnou kapacitu
jako pevné disky tehdejší doby, disk však bylo možné vyjmout jako disketu. Bernoulliho disky,
jak se jim říká, poskytují neomezenou paměťovou kapacitu ve formě, která je mnohem
výhodnější než diskety.
14-27
14.1 Bernoulliho mechanika
Konkurující si firmy vyrobily různé typy výměnných pevných disků. Ale jen málo
zařízení kromě Bernoulliho disků nabízí tutéž vylepšenou ochranu proti havárii diskových hlav.
14.1 Bernoulliho mechanika
Pokud je měkký materiál, ze kterého je vyroben disk uvnitř Bernoulliho kazety
v klidu, disk se pochopitelně prohne dolů, dál od čtecí/zápisové hlavy mechaniky.
Jakmile se hřídel mechaniky začne otáčet, pohyb vytlačuje vzduch skrz otvory
v talíři a přes povrch disku. Vzduch pod diskem je relativně stabilní a tlačí proti dolní části disku
silněji, než vzduch pohybující se nad diskem tlačí shora dolů. Rozdíl v tlacích způsobí, že se disk
zvedne směrem k talíři. Tentýž Bernoulliho jev je vyvolán, když se čtecí/zápisová hlava vynoří
nad talíř a disk je k ní silněji zdvihán.
Disk se hlavy nedotkne, protože nepohyblivý talíř vytváří vzduchovou překážku
mezi hlavou a diskem. Opačné síly vztlaku a vzduchová překážka vyústí v ustálení disku ve
vzdálenosti 0,25 mikrometru od čtecí/zápisové hlavy, což je méně než vzdálenost mezi pevným
diskem a jeho čtecí/zápisovou hlavou.
V případě vzniku situace, která by běžně mohla způsobit havárii pevného disku –
jako je ztráta napětí nebo otřes disku – dojde u Bernoulliho mechanik jen ke ztrátě vztlaku a
disk padá od čtecí/zápisové hlavy, čímž je omezena pravděpodobnost, že se disk setká
s hlavou, která zničí tenkou magnetickou vrstvu s uloženými daty.
15 Jak pracují mechaniky zálohovacích magnetických pásek
Zálohování pevných disků na páskovou mechaniku je jako jedno z varování vaší
matky když jste byli dětmi: V oblačný den si s sebou vezmi deštník a vždycky nos plášť do
deště. Jistě, maminka měla jednou za čas pravdu – mohlo by se dát do deště a zmokli bychom,
ale to by nebylo to nejhorší. Takže co s tím, když se porušila vaše tabulka FAT a ztratili jste
polovinu souborů? Před několika lety nebyla obnova těch pár megabyte na disku zase takovým
problémem, protože jste několik základních datových souborů mohli překopírovat na diskety.
Dnes se ovšem důsledky havárie „malého“ disku značně zhoršily. Dnes o disku
jako malém nemluvíte tehdy, když je na něm pár megabyte, ale když má jen několik set
megabyte. Jediný program pro Windows může mít až 20 megabyte souborů. A u takových
složitých prostředí jako jsou Windows, nestačí nikdy mít jenom samotný program. Každý
program pod Windows, který instalujete, změní alespoň jeden z INI souborů ve Windows.
Navíc kolik zásahů jste ve svém systému nadělali – od tajuplných parametrů na řádce
15-28
15 Jak pracují mechaniky zálohovacích magnetických pásek
v souboru CONFIG.SYS pro ovladač manažeru paměti až po barevné ladění Windows, se kterým
jste si hráli hodiny – zásahů, na které byste si nikdy netroufali vzpomenout?
A ve stejné době, která začíná být pro zálohování disků kritičtější než jindy, se
stále více hroutí představy zálohování disků o velikosti nad 200 megabyte na diskety.
Podívejme se na nové pokolení nepříliš drahých, zato však velkou kapacitou oplývajících,
páskových záložních mechanik. A na možnost snadno kopírovat gigabyte nebo víc na jedinou
pásku, i v případě těch největších disků.
Uvedeme dva nejpopulárnější typy zálohovacích pásek, kterými jsou: čtvrtpalcová
kazeta (QIC, quarter inch cartridge) a digitální audio páska (DAT, digital audio tape).
15.1 Záložní mechanika s čtvrtpalcovou kazetou (QIC)
Pokud použijete příslušný software a čtvrtpalcové mechanice vydáte povel pro
zálohování, tak program přečte tabulku FAT vašeho disku a najde soubory, jejichž zálohování
požadujete. Software zapíše do 32k oblasti v paměti RAM vašeho stroje adresářovou
informaci. Soubory pak zkopíruje do téže oblasti. Před každým souborem je úvodní informace,
která identifikuje soubor a jeho umístění uvnitř adresářového stromu na pevném disku.
Je-li řadič páskové mechaniky osazen čipem, který provádí ošetření chyb, software
přenese celou oblast RAM do vlastní paměti řadiče, kde čip přidá kód pro opravu chyby (EC,
error correction). Pokud řadič tento čip nemá, vypočte kód pro opravu chyby sám software.
Kód je vypočten z posloupnosti 0 a 1 v souboru a připojí se na konec dat zapsaných v oblasti
paměti RAM. Software pak veškerý obsah oblasti kopíruje do paměti řadiče. Když jsou data
přenesena do řadiče, je oblast v paměti RAM volná pro zápis dalšího bloku dat z disku.
Řadič páskové mechaniky vyšle signály do páskové mechaniky, aby se rozběhlo
médium. Mechaniky QIC se starají o to, aby páska byla stále napnutá. Jakmile pohon
mechaniky otočí kazetovou cívkou – elastický pásek ovinutý okolo cívek s páskou se jemně
napne, až pásku uchopí, takže je zajištěno, že tažná síla navíjecí cívky je shodná s odporem
odvíjecí cívky. To nutí pásku k tlaku proti hlavě mechaniky s konstantní silou, čímž se
minimalizují chyby při zápisu a čtení.
Řadič odešle proud dat do zápisové hlavy mechaniky. Mnoho páskových mechanik
má trojdílnou hlavu, umožňující čtení během zápisu. Dvě čtecí hlavy rámují střední zápisovou
hlavu, která přenáší data do magnetického povrchu pásky. V závislosti na směru pohybu pásky
čte jedna z čtecích hlav data, která byla právě zapsána zápisovou hlavou, aby se tak
zkontrolovalo, zda se data na pásce opravdu shodují s tím, co tam zápisová hlava zapsala. Když
15-29
15.2 Záložní mechanika s digitální audio páskou (DAT)
je kontrola skončena, je paměť v řadiči vyprázdněna a mechanika se dá do dalšího kusu dat
přečtených z disku. Objeví-li kontrola chybu, jsou data znovu zapsána na další část pásky.
Formát pásky QIC v typickém případě obsahuje až 32 rovnoběžných stop. Když se
cívka přetočí na konec, pohyb se obrátí a tok dat jde zpět spirálovým způsobem směrem
k vnějšku pásky. Každá stopa je rozdělena na bloky po 512 nebo 1024 byte a segment
v typickém případě obsahuje 32 bloků. Mimo bloky v segmentu jich 8 obsahuje kód pro opravu
chyby. Dále na konci každého bloku mechanika vypočítá kód cyklické kontroly (CRC, cyclic
redundancy check) pro další opravy chyb a připojí ho za blok. Většina zálohovacích programů
rezervuje místo pro adresář zálohovaných souborů na začátku stopy 0 nebo na zvláštní
adresářové stopě.
Jakmile se hlava mechaniky dostane na konec pásky, otvory vystřihnuté v pásce
signalizují mechanice, že je potřeba otočit směr pohybu pásky, posunout aktivní oblast
zápisové hlavy nahoru nebo dolů na další stopu a pokračovat v zápisu. Když jsou na pásku
zapsána všechna data, zálohovací program zapíše umístění stopy a segmentu zálohovaného
souboru do adresáře na pásce.8
15.2 Záložní mechanika s digitální audio páskou (DAT)
Pokud použijete příslušný software a vydáte povel pro zálohování, program přečte
tabulku FAT vašeho disku a najde soubory, jejichž zálohování požadujete. Nato kopíruje data,
soubor po souboru, do pracovní paměti v mechanice digitální audio pásky, která má obvykle
místo na 512 kilobyte až 1 megabyte dat. Stejně jako pásková mechanika QIC i mechanika DAT
provádí výpočet kódu pro opravu chyb, který přidá na konec dat v pracovní paměti.
Rozdílná koncepce čtecí/zápisové hlavy u mechanik DAT je to, co umožňuje zapsat
obrovská množství dat na malou páskovou kazetu velikosti krabičky od zápalek. Mechanismem
je tady rotující válec se čtyřmi hlavami posunutými o 90 stupňů. Dvě z těchto hlav, zápisová
hlava A a B, zapisují zálohovaná data a dvě odpovídající čtecí hlavy data přezkušují. Válec je
lehce nakloněn, takže vzhledem pásce se otáčí pod určitým úhlem. Válec se za minutu otočí
2000 krát, zatímco páska před válcem běží ve směru proti otáčení válce rychlostí 8,5 mm za
sekundu.
8
Obnovení souboru z pásky se děje tak, že mechanika použije adresář na pásce, aby zjistila, kde soubor je
a pak data souboru přečte do paměti. Řadič vypočítává kód CRC pro každý čtený blok a srovnává jej
s kódem CRC zapsaným na konci bloku. Jakmile mechanika naplní vyhrazenou pracovní paměť, data se
zapíší na pevný disk do příslušného adresáře.
15-30
16 Jak pracuje diskové pole
Během doby, po kterou je zápisová hlava A ve styku s páskou, zapíše hlava okolo
128 kilobytů dat a opravných kódů z pracovní paměti mechaniky na stopu na pásce. Jelikož je
válec nakloněn, setká se páska při zahájení zápisu s jedním krajem pásky a pak se pohybuje
diagonálně přes pásku, až se dostane na druhou stranu. Výsledkem je úzká úhlopříčná stopa,
asi osmkrát delší než je šířka pásky.
Čtecí hlava A znovu čte data zapsaná na stopu a srovnává je bit po bitu
s původním obsahem pracovní paměti. Jsou-li kontrolovaná data na pásce v pořádku, jsou
odstraněna z pracovní paměti a z pevného disku se přečtou data další. Jestliže data na stopě A
obsahují nějakou chybu, budou při dalším průchodu přepsána
Zápisová hlava B při přechodu pásky zapisuje data na stopu pod 40 stupňovým
sklonem vůči straně A, čímž vytváří stromečkový vzor, který překrývá stopu A. Překrývání dat
směstná na palec pásky více informací; později při čtení nedochází k chybě, protože
magnetické bity zapsané dvěma zápisovými hlavami mají rozdílnou polaritu a různé čtecí hlavy
čtou data pouze z vhodně umístěných stop.
Čtecí hlava B a zápisová hlava B provádějí tytéž kroky, střídajíc se s hlavami A,
dokud nejsou všechna zálohovaná data zapsána. Pak mechanika pásku přetočí a zapíše adresář
uložených souborů buď do zvláštního oddílu na začátku pásky, nebo do souboru na pevném
disku.9
16 Jak pracuje diskové pole
Disková pole pracují podle teorie, která říká, že jeden pevný disk je dobrý, dva
pevné disky dvakrát tak dobré a pět pevných disků pětkrát tak dobrých. Při použití více
mechanik pevných disků konfigurovaných tak, že si operační systém myslí, že jde o disk jediný,
může osobní počítač dosáhnout vyšší rychlosti při čtení dat z mechanik nebo lepší ochranu
před ztrátou dat. V ideálním případě můžete ekonomicky dosáhnout obojího.
Nejobvyklejším typem diskového pole je RAID, což je zkratka od „Redundant Array
of Inexpensive Drives“ (česky pole nepříliš drahých mechanik s možností redundance). Cena
pevných disků s rostoucí kapacitou a rychlostí vzrůstá. Ale s pomocí RAID můžete použít
několik levnějších mechanik, jejichž celková cena je menší než cena vysoce výkonné
mechaniky, a získat tak podobný výkon s větší bezpečností dat. Pole RAID používají určitou
kombinaci zrcadlení a proužkování; obě metody nabízejí větší ochranu před ztrátou dat.
9
Při obnově souboru z mechaniky DAT, přečte software adresář, přetočí pásku do místa, kde požadovaný
soubor začíná a soubor zkopíruje na pevný disk.
16-31
16.1 Pole zrcadlových disků
Zrcadlení, u kterého je jeden disk přímou kopií jiného disku, nabízí největší zvýšení výkonu,
ovšem za nejvyšší cenu. Proužkování, u kterého jsou soubory rozloženy na několika
mechanikách a chráněny daty na další mechanice, se používá, když se vyžaduje ochrana dat a
požadavek na výkonnost nemá vysokou prioritu. Disková pole se používají jen vzácně na
samostatných osobních počítačích, protože nehledě na taktiku použití levnějších mechanik,
jsou pole jako celek stále ještě drahá ve srovnání s cenou jednotlivých komponent osobních
počítačů. Pole téměř vždy najdeme na osobních počítačích používaných jako síťové servery.
16.1 Pole zrcadlových disků
Zapisuje-li se na zrcadlové disky nějaký soubor, řadič souběžně zapisuje identické
kopie souboru na každou mechaniku v poli. Pole zrcadlových disků tedy musí mít alespoň dva
disky.
Pokud se soubor z diskového pole čte, řadič střídavě čte skupiny sektorů z každé
mechaniky a z kousků souboru sestavuje celky dodávané do počítače. Tento proces čtení
zrychluje. Rychlost závisí na počtu mechanik v poli. Když jsou zrcadleny dvě mechaniky,
zkracuje se čas potřebný pro čtení přibližně na polovinu; tři zrcadlové disky zkracují čas čtení
asi na třetinu vůči čtení z disku jediného.
V případě chyby při čtení – způsobené buď defektem na povrchu jedné
mechaniky, nebo havárií celého jednoho disku řadič jednoduše přečte neporušenou část
souboru z bezvadného disku.
Jestliže je chyba čtení způsobena poškozením média, řadič automaticky přečte
data z kopie souboru na druhé mechanice a zapíše je do nové nepoškozené oblasti na
mechanice, kde chyba nastala.
16.2 Pole disků s rozloženým záznamem
Zapisuje-li se soubor do pole disků s rozloženým záznamem, např. tří mechanik,
rozdělí se do dvou částí a každá z nich se zapíše na jiný disk. Pole disků s rozloženým záznamem
musí mít alespoň tři mechaniky. Normálně pole zapisuje data na všechny mechaniky s výjimkou
jedné, kterou používá pro ochranu proti chybám.
Řadič nebo software pole provádí s daty zapisovanými na mechaniky booleovskou
operaci XOR a výsledek, zvaný též často paritní bit, zapíše na poslední mechaniku. Operace
XOR má jako výsledek bit 0, když jsou porovnávány dva stejné bity a výsledek 1 pro různé bity.
Například operace XOR se dvěma dvojkovými čísly 1100 a 1010 má za výsledek paritu 0110.
Obsahuje-li pole více než tři mechaniky, potom je operace XOR provedena s daty na prvních
16-32
17 Jak pracuje sběrnice
dvou mechanikách, s výsledkem a daty na další mechanice je opět provedena operace XOR a
tak dále, až je výsledek zapsán na poslední, paritní mechaniku. Tento proces snižuje výkonnost
pole, dosaženou zápisem na více mechanik současně.
Pokud se z pole disků s rozloženým záznamem čte soubor, řadič přečte části
souboru z mechanik, na kterých jsou rozloženy.
V případě, že je některá část zničena nebo jeden z disků havaruje, provádí řadič
operaci opačnou k operaci XOR. Porovnáním nezničených bitů s paritními bity může řadič
odvodit, zda chybějící bity jsou nuly nebo jedničky. Informaci lze použít také pro opravu dat
zničených v důsledku chyby média.
17 Jak pracuje sběrnice
Jednou z nejpozoruhodnějších myšlenek v osobním počítači je rozšiřující slot –
konektory v zásuvce, jež dovolují vkládat přídavné desky s obvody, které se ke zbytku počítače
připojují zvláštním obvodem, tzv. sběrnicí (angl. bus). Rozšiřující sloty dokáží přeměnit osobní
počítače tak, že umí provádět úlohy, o kterých jejich tvůrci ani nesnili. Vložením správné desky
s obvody – obvykle se jí říká adaptér nebo rozšiřující karta – můžete zvýšit rozlišení a počet
barev používaných na displeji nebo můžete svůj počítač přeměnit na stroj pro záznam a
přehrávání hudby nebo jej můžete přimět, aby pracoval s disky, tiskárnami, zálohovacími
páskami a hostil periferie, které neexistovaly v okamžiku, kdy jste si počítač kupovali. Obvody
sběrnice se také používají pro komunikaci s některými perifériemi – jako je třeba klávesnice –
které nejsou připojeny přes rozšiřující kartu.
Výhody sběrnice jsou natolik zřejmé, až můžete nabýt dojmu, že je mají všechny
počítače. Ale mnohé počítače před uvedením IBM PC měly svoje komponenty napevno
zadrátované; tj. nebylo možné je měnit. Jejich návrháři se rozhodli, že vytvořili definitivní
schéma a nedovedli si představit, že by k němu chtěl někdo něco přidávat. Když IBM uvedla
svůj první osobní počítač, byla natolik důvtipná, že nejen učinila počítač rozšířitelným, ale
uvedla ve všeobecnou známost většinu technických informací, které ostatní společnosti
potřebovaly k výrobě rozšiřujících desek pro IBM PC. Výsledkem byl do dnešního dne
bezprecedentní příval komponent, neustále posouvajících hranici využitelnosti počítače.
Sběrnice se stala, společně s mikroprocesorem osobního počítače, nejkritičtějším
místem z hlediska výkonu a klasifikátorem mezi třídami počítačů. Směr vývoje sběrnic bude
určovat, jak dobře bude v budoucnu váš osobní počítač pracovat.
17-33
17.1 Přenos dat po sběrnicích
17.1 Přenos dat po sběrnicích
Signály z procesoru nebo z jiných komponent cestují po několika souběžných
obvodových vodičích. Počet vodičů závisí na typu architektury použité pro sběrnici.
Nejjednodušší z nich – 8-mi bitová sběrnice použitá v původním IBM PC – používá pro spojení
adaptérových karet 62 vodičů. Každý signál vyslaný do adaptérové karty je přijat všemi
adaptérovými kartami.
Osm vodičů přivádí do adaptérových karet elektrické napětí. Na různých vodičích
jsou různá napětí.
Osm až třicet dva vodičů se používá pro přenášení veškerých dat, bez ohledu na
to, zda jsou data určena pro paměťové čipy, adaptér obrazovky nebo řadič disku.
Dvacet vodičů přenáší informaci reprezentující adresu určení dat. Každá rozšiřující
karta používá zvláštní, jednoznačnou adresu – z těch, které jsou volné v prvním megabyte
paměti – kterou může použít operační systém.
Zbývající vodiče se používají pro předávání řídicích signálů pro obecné povely,
např. povely pro čtení a zápis do paměti a pro každé vstupní/výstupní zařízení.
Každá adaptérová karta připojená na sběrnici hledá neustále na řídicích vodičích
vhodné signály. Pokud se objeví signál např. na zápisovém řídicím vodiči, rozpoznají jej všechna
vstupní/výstupní zařízení, nikoliv však paměťové obvody.
Vstupní/výstupní adaptéry upozorněné povelem k zápisu obrátí svoji pozornost na
adresové vodiče. Jestliže adresa uvedená na těchto vodičích není adresou používanou
adaptérem, adaptér signály zasílané na datových vodičích ignoruje.
Jestliže signály na adresových vodičích odpovídají adrese používané nějakým
adaptérem, adaptér přijme data vysílaná na adresových vodičích a použije data na datových
vodičích pro dokončení povelu zápisu.
17.2 Rozdíly ve sběrnicích
8 bitová sběrnice: Data se přenášejí do rozšiřujícího slotu a ostatních komponent
na sběrnici pouze po 8 souběžných vodičích.
16 bitová neboli ISA sběrnice: Data se přenášejí buď po 8 nebo 16 datových
vodičích v závislosti na druhu adaptérové karty použité v rozšiřujícím slotu.
17-34
18 Jak pracuje klávesnice
Sběrnice EISA nebo MCA: Data se přenášejí – po 32 datových vodičích do
adaptérové karty navržené speciálně pro 32-ti bitové sběrnice. Do rozšiřujícího slotu MCA
nelze vkládat 8-mi nebo 16-ti bitové karty.
Přizpůsobivost EISA: Koncepce rozšiřujících slotů EISA dovoluje 8-mi nebo 16-ti
bitovým kartám proniknout jen tak hluboko, aby došlo ke kontaktu s řadou 16 konektorů, které
provozují přenos dat založený na sběrnici ISA. Desky navržené speciálně pro EISA slot mohou
být zasunuty dále, až se jejich konektory setkají se 32 speciálními slotovými konektory, které
provozují přenos dat založený na specifikaci EISA. 10
S klávesnicí svého osobního počítače přijdete do styku víc než s kteroukoliv jinou
komponentou. Možná celé roky pracujete bez toho, že byste se podívali (což je mnohem méně
než dotkli) na procesor nebo pevný disk, ale většina lidí přikládá větší význam těm částem,
které určují nikoliv jak dobře pracuje počítač, nýbrž jak dobře se pracuje jim samotným.
Špatně navržená klávesnice funguje jako stabilní překážka produktivity a může
dokonce způsobit zdravotní problémy. Dobře provedená klávesnice je ta, o které vlastně
nevíte; vaše myšlenky mohou procházet přímo z hlavy na obrazovku počítače a nemusíte si
dávat pozor na to, co dělají vaše prsty.
Navzdory důležitosti klávesnice ji mnozí výrobci a také mnoho uživatelů věnuje
málo pozornosti. Některé dnešní klávesnice jsou vybaveny vestavěnými otočnými koulemi
nebo jinými druhy ukazovacích zařízení, jiné klávesnice nabízejí další lákadla, o nichž se
návrháři domnívají, že pomohou vyhnout se syndromu neustále se opakujících pohybů. Několik
málo radikálních změn, které se objevily – vyduté klávesnice s různou vzdáleností kláves od
prstů nebo klávesnice, které lze ovládat jednou rukou – se neuchytily.
10
Nedávno získal na oblibě nový způsob komunikace s periferiemi – lokální sběrnice. Tato koncepce
překonává rychlostní omezení známá ze všech ostatních koncepcí sběrnic. Původní sběrnice byla
navržena pro práci na kmitočtu 8MHz, který byl zhruba dvakrát rychlejší než procesor původního IBM PC
8088. Se zvyšováním rychlosti procesoru na 10, 25, 33, 50MHz a výš, zůstávala sběrnice 8MHz. Lokální
sběrnice je navržena na přenos 32 bitů dat lokální rychlostí procesoru osobního počítače. Osobní počítač
s lokální sběrnicí obvykle omezuje danou architekturu na jeden nebo dva sloty použité pro adaptér
obrazovky a pro řadič disků, kde jsou přenosové poměry nejkritičtější. Pomalejší rozšiřující sloty se
používají pro komunikaci se sériovými a paralelními porty a s klávesnicí, kde rychlost není kritická.
18-35
18.1 Klávesy s kapacitní vazbou
Bez ohledu na to, zda výrobci jsou bez potřebné představivosti nebo zda uživatelé
se o to prostě nestarají, se základní způsob práce klávesnic od uvedení prvního IBM PC v roce
1980 významně nezměnil.
Třebaže rozložení všech kláves s výjimkou alfanumerických je snadno dostupné –
zvláště u klávesnic přenosných počítačů – je jediným praktickým rozdílem v systému klávesnice
mechanismus, který převádí pohyb stisknuté klávesy na signál zasílaný do počítače. Podíváme
se na oba běžně používané mechanismy: kapacitní a galvanický. S výjimkou tohoto rozdílu je
cesta signálu od klávesnice k počítači provedena technologií, kterou prověřil sám čas.
18.1 Klávesy s kapacitní vazbou
U klávesnice s kapacitní vazbou stisknutí klávesy stlačí pružinu a způsobí, že se
plunžrový píst z plastu a kovu přiblíží ke dvěma podložkám, které mají velkou plochu pokrytou
směsí cínu, niklu a mědi. Podložky jsou spojeny tištěnými obvody elektronické desky
klávesnice. Třebaže se tyto dvě kovové plochy nikdy nedotknou, vytvářejí kondenzátor, kde na
jedné z podložek je kladné a na druhé záporné napětí téže velikosti. Stlačení pružinky je na
některých klávesnicích doprovázeno mechanickým zvukem.
Kovový plunžrový píst dosedající mezi obě podložky sníží velikost napětí mezi nimi.
Rozdíl v napětí způsobí malý, ale zjistitelný proud v obvodu napojeném na kondenzátor.
Po uvolnění klávesy se pružina roztáhne, vrátí klávesu do původní výšky a oddálí
plunžrový píst od kovových podložek. Tím se proud procházející obvodem napojeným na
kondenzátor vrátí na svoji původní úroveň.
18.2 Klávesy s galvanickou vazbou
U klávesnice s galvanickou vazbou způsobí stisknutí klávesy stlačení sloupku
pěnové gumy.
Stlačená guma působí proti štítku z plastu, na jehož spodní straně je kovová ploška
spojená s deskou elektroniky. Kovový povrch se dotkne podobné plošky na druhém
plastikovém štítku a vznikne tak galvanické spojení, které umožní průchod proudu přes tištěné
spoje připojené ke každému z kontaktů.
Po uvolnění klávesy se sloupek pěnové gumy vymrští zpět do svého původního
tvaru, čímž uvolní tlak na plastický štítek. Plastická hmota se také vrátí do svého původního
tvaru, galvanické spojení se přeruší a proud přestane protékat.
18-36
18.3 Klávesnice a kódy kláves
Bez ohledu na to, jakým nápisem je opatřena horní plocha klávesy, způsobí její
stisknutí proudovou změnu v obvodech příslušejících
této klávese.
Mikroprocesor vestavěný do klávesnice,
jako např. Intel 8048, neustále sleduje obvody vedoucí
ke klávesám. Zajímá ho zvětšení nebo zmenšení proudu
v obvodu stisknuté klávesy. Zjištěním změny proudu
může procesor poznat jednak to, kdy byla klávesa
stisknuta a pak, kdy byla opětovně uvolněna. Každá
klávesa má jednoznačně stanovený kód, což platí i u
kláves, které mohou uživatelům připadat identické.
Obrázek 4: Obsluha počítače
Procesor umí například rozlišit mezi levou a pravou
klávesou přeřaďovače. Aby mohl být rozlišen skutečný signál od náhodného proudového
kmitu, opakují se vyhledávací cykly mnohosetkrát za sekundu. Pouze signály zjištěné ve dvou
nebo více cyklech po sobě jsou procesorem zpracovány.
V závislosti na tom, ze kterého obvodu přijde do mikroprocesoru signál,
vygeneruje mikroprocesor číslo, kterému říkáme kód klávesy. Pro každou klávesu existují dva
kódy. Jeden pro okamžik, kdy je klávesa stisknuta a druhý, když je klávesa opět uvolněna.
Procesor uloží číslo do vlastní paměti klávesnice a ta je zapíše do spojovacího portu, který
může přečíst BIOS počítače. Procesor pak kabelem klávesnice vyšle signál přerušení, aby tak
informoval počítač, že pro něj má kód klávesy. Přerušení sdělí počítači, aby nechal všeho, co
právě dělá a obrátil svoji pozornost na požadovanou službu.
Systém BIOS přečte kód klávesy z portu klávesnice a do klávesnice odešle signál,
který znamená, že může ze své paměti zpracovaný kód klávesy odstranit.
Jestliže kód klávesy patří jedné z rozšiřujících kláves nebo některé z kláves, které
jsou pokládány za zvláštní rozšiřující klávesy – Ctrl, Alt, Num Lock, Caps Lock, Scroll Lock nebo
Insert – změní BIOS obsah dvou byte ve zvláštní oblasti paměti, ve které si uchovává informaci
o stisku těchto kláves.
Pro všechny ostatní klávesy BIOS tyto dva byte testuje, aby zjistil polohu
rozšiřovacích a přepínacích kláves. V závislosti na jejich stavu BIOS přetransformuje kód klávesy
do kódu ASCII, používaného na osobních počítačích, který představuje buď nějaký znak nebo
18-37
18.3 Klávesnice a kódy kláves
zvláštní kód funkční klávesy nebo klávesu pro pohyb kurzoru. Velká a malá písmena mají různé
kódy ASCII. Ve všech případech umístí BIOS ASCII nebo zvláštní kód do své vlastní pracovní
paměti, kde si jej ihned po ukončení operace může přečíst operační systém nebo aplikační
software.
19 Jak pracuje displej počítače
Před několika lety byly barevné monitory u počítačů pokládány za neužitečnou
hříčku – vhodné spíše pro hraní her, než pro vážnou práci. Většina software byla orientována
textově a text zobrazený na barevném monitoru byl primitivní a těžko čitelný. Dokonce i pro
grafické aplikace byly monitory CGA (Color Graphics Adapter), které byly prvními monitory pro
počítače se systémem DOS, vážnou překážkou pro svoji neschopnost zobrazit více než čtyři
barvy z 16 možných nabízených monitorem v jeho nejvyšší hustotě zobrazení – hustotě, kde
místo hladkých křivek a přímých čar zbyly jen zubaté čáry. Dnes se ale všechno změnilo; nejen
že je barva přijímána i pro vážně míněné projekty, ale dokonce je jí a počítačové scéně dávána
přednost u takových graficky orientovaných prostředí jako jsou Windows a OS/2. Dnešní
software používá barvu nejen proto, aby oku více lahodil, ale aby také barvou přinášel více
informací. Moderní barevné displeje jsou na hony vzdáleny od omezených, primitivních barev
a grafiky z doby před deseti lety. Místo 4 barev je obecně k mání paleta 256 barev, některé
displeje nabízejí tisíce až miliony barevných odstínů. Místo kostrbaté hustoty monitoru CGA o
200 řádcích po 640 barevných bodech, nabízejí moderní monitory hustotu 768 řádků po 1024
barevných bodech. Barevný bod (angl. pixel) je nejmenší logickou jednotkou, kterou můžeme
použít pro vytvoření obrazu na stínítku obrazovky. Jeden barevný bod je obvykle vytvářen
několika spojujícími se světelnými body. Čím méně světelných teček se pro tento barevný bod
použije, tím jemnější má monitor zobrazení. Tajemství dnešních lepších displejů spočívá
v kombinaci adaptérů VGA (Variable Graphics Array) a přizpůsobivých monitorů, které umějí
pracovat s různými typy signálů z adaptéru. Starší adaptéry displejů používaly výlučně digitální
informaci, což znamenalo, že barevný bod byl buďto zapnut nebo vypnut a bylo tedy těžké
dosáhnout jemnějších barevných odstínů. Princip VGA používá analogový signál, který digitální
informaci převádí na různé úrovně napětí, jimiž se dá měnit jas barevného bodu. Celý proces
vyžaduje méně paměti a je mnohem přizpůsobivější. Displeje SuperVGA používají zvláštní sady
čipů a větší paměť pro další zvětšení počtu barev a jemnější zobrazení. Některé formáty VGA se
stanou dlouholetým standardem. Zde se podíváme na dva typy barevných displejů VGA – stolní
monitor a obrazovku s tekutými krystaly pro přenosné osobní počítače.
19-38
19 Jak pracuje displej počítače
19.1 Stolní monitor VGA
Digitální signály z operačního systému nebo aplikačního software jsou přijímány
adaptérem VGA (někdy vestavěným do základní desky počítače). Adaptér prožene signál
obvodem zvaným digitálně-analogový převodník (DAC, Digital to Analog Converter). Obvody
DAC jsou většinou uloženy na jednom specializovaném čipu, který ve skutečnosti obsahuje
převodníky tři – po jednom pro každou ze tří základních barev používaných na displeji:
červenou, modrou a zelenou.
Obvody DAC převádějí číselné hodnoty zasílané počítačem na analogové tabulky,
které obsahují příhodné úrovně napětí pro tři základní barvy potřebné na namíchání barvy
jednoho barevného bodu. Tabulka obsahuje hodnoty pro 262 144 možných barev. Z nichž 256
lze uložit do paměti adeptéru VGA. (Displeje SuperVGA, které mají více paměti, mohou
pracovat s více barvami i pro vyšší rozlišení i s více barevnými body.)
Adaptér zasílá signály do tří elektronových děl umístěných v zadní části obrazovky
(CRT). Každé elektronové dělo vystřeluje proud elektronů, pro jednu ze tří základních barev.
Intenzita proudů je řízena signály přicházejícími z adaptéru.
Adaptér vysílá signály i do mechanismu v hrdle obrazovkové trubice, který
elektronový paprsek zaostřuje a směruje. Část tohoto mechanismu, magnetické vychylovací
cívky, používají elektromagnetické pole pro ohyb proudu elektronů. Signály zasílané do
vychylovacího mechanismu určují rozlišení monitoru – počet barevných bodů svisle a
vodorovně a také obnovovací kmitočet, který udává, jak často se obrázky na stínítku obnovují.
Paprsek prochází otvory v kovové desce, tzv. stínící masce. Účelem masky je
udržet přesnou cílovou polohu elektronového paprsku na vnitřní straně stínítka obrazovky.
Rozteč bodů na obrazovce je mírou toho, jak těsně u sebe jsou otvory; čím blíž otvory jsou, tím
menší je rozteč bodů, což na druhé straně vytvoří ostřejší obrázek. Otvory ve většině stínících
mřížek jsou uspořádány do trojúhelníků s výjimkou obrazovky Sony Trinitron, která je
používána mnoha dalšími výrobci. Otvory u Trinitronu jsou uspořádány jako rovnoběžná
mřížka.
Elektrony dopadnou na fosforový povlak vnitřní strany stínítka (fosfor je materiál,
který po dopadu svazku elektronů září). Používají se tři rozdílné fosforové materiály – pro
červenou, zelenou a modrou barvu. Čím silnější je svazek elektronů, který na fosfor dopadá,
tím více světla fosfor vyzařuje. Když je zasažen červený, zelený i modrý bod v sestavě stejnou
silou elektronových paprsků, má to za následek vytvoření bílého bodu. Pro umíchání různých
19-39
19.2 Displej s tekutými krystaly
barev se intenzita každého ze tří paprsků mění. Jakmile paprsek fosforový bod opustí, tento
bod rychle dohasíná, což je jev zvaný setrvačnost. Aby bylo obrázek na stínítku vidět trvale,
musí být fosforové body opakovaně zažíhány dopady svazků z elektronového děla.
Když elektrony dokončí pouť přes stínítko ve vodorovném směru, paprsek
elektronů se vypne na dobu, po kterou elektronové dělo mění zacílení elektronových paprsků
zpět na levý okraj stínítka právě o bod níž, než byl předchozí řádek. Tomuto procesu říkáme
rastrování nebo řádkování.
Magnetické vychylováni plynule mění úhel, pod kterým se elektronový paprsek
ohýbá tak, že postupně putuje přes celé stínítko z levého horního do pravého dolního rohu.
Celé cestě přes obrazovku říkáme pole. Po ukončení pole se paprsek vrátí do levého horního
rohu, aby tam zahájil práci na novém poli. Obrazovka se normálně obnovuje (refresh) asi 60
krát za sekundu.
Některé adaptéry displejů pracují v každém poli ob řádek. Tomuto procesu říkáme
prokládané řádkování (interlacing). Prokládané řádkování umožňuje adaptéru dosáhnout větší
hustotu – neboli více řádků – s nepříliš drahými součástkami. Ovšem pohasínání fosforu mezi
každým průchodem může být více patrné, a může způsobit blikání obrazovky. Všechny
moderní grafické adaptéry pracují i v nejvyšším rozlišení v neprokládaném režimu (non
interlaced mode).
19.2 Displej s tekutými krystaly
Světlo – vyzařované ze světélkujícího panelu zadní části displeje přenosného
počítače – se šíří vlněním, které kmitá všemi směry.
Polarizačním filtrem před světelným panelem procházejí jen ty světelné vlny,
které kmitají přibližně vodorovně. Skutečnost, že polarizační filtr není zcela přesný, umožňuje
vytvořit na displeji různé barvy.
V některých buňkách vrstvy tekutých krystalů vytvoří grafický adaptér napětí a
ostatní buňky zůstávají bez napětí. V buňkách s napětím se dlouhé tyčovité molekuly, tvořící
materiál tekutého krystalu, nastaví tak, že vytvoří z molekul spirálu. Při silnějším napájení se
molekuly na jednom konci zkroutí vůči orientaci molekul na druhém konci o úhel 90 stupňů.
Polarizované světlo vstupující zvenčí do buňky se stočí podél spirálových molekul.
Buňky s plným napětím otáčejí kmity procházejícího polarizovaného světla o 90 stupňů oproti
původním. Světlo procházející buňkami, které nemají žádné napětí, se v tomto smyslu nemění.
19-40
20 Jak pracuje paralelní port
Buňky, které dostaly napětí jen částečně, otočí světlo v nějakém úhlu mezi 0 a 90 stupni,
v závislosti na velikosti napětí.
Světlo vycházející z každé buňky s tekutými krystaly prochází jedním ze tří blízko
sebe umístěných barevných filtrů – červeným, zeleným nebo modrým.
Obarvené paprsky světla prostupují druhým polarizačním filtrem nastaveným tak,
že propustí jen ty světelné vlny, které kmitají přibližně svisle. Světlo, které prošlo tekutými
krystaly s plným napětím je nyní orientováno tak, že druhým filtrem projde perfektně.
Filtr není úplně přesný, proto některé vlny, které prošly buňkou s jen částečným
napětím – a kde byly z toho důvodu jen částečně pootočeny – procházejí filtrem, zatímco
ostatní jsou zadrženy.
Světlo, které nebylo otočeno vůbec – po průchodu buňkou s tekutými krystaly bez
napětí – je nyní zadrženo zcela. Příklad: Např. prochází 100 procent červeného světla, 50
procent zeleného světla a ani trochu modrého světla. Lidskému oku se takto vytvořený
světelný bod jeví jako světle hnědá skvrnka.11
20 Jak pracuje paralelní port
Od svého uvedení byl paralelní port – často také nazývaný port Centronics –
synonymem pro port tiskárny. Třebaže pro zasílání dat z počítače do nějakého modelu tiskárny
lze použít i sériový port, je paralelní port rychlejší. Sériový port posílá data bit po bitu přes
jednosměrné vedení; paralelní port může poslat současně několik bitů přes osm souběžných
vedení. Po dobu, kdy sériový port vysílá jediný bit, paralelní port vysílá celý byte. Podívejme se
na celou věc ještě jinak: v okamžiku, kdy sériový port dokončil přenos písmene A, má paralelní
port přeneseno celé slovo Aksnemak. Paralelní spojení má jeden neduh. Napětí ve všech
vedeních vytváří takzvaný přeslech, což je situace, kdy se napětí přelévá z jednoho vedení do
druhého, zrovna tak, jako když někdy v telefonu slyšíte cizí hovor, který se připletl do vašeho
spojení. Přeslechy bývají horší na delších paralelních kabelech; hranice délky většiny
11
Model zde popsaný je jedním ze způsobů, jak tekuté krystaly a polarizace umí zacházet se světlem.
Některé LCD panely používají dva polarizátory s týmž natočením tak, že napětí přivedené do buňky
s tekutými krystaly má za následek, že světlo je zadržováno, protože je pootočeno. Pro napájení buněk
s tekutými krystaly existují dva postupy. Displej, kde je pasivní matice, používá jen relativně málo
elektrod seřazených do pásů podél vrstev tekutých krystalů a spoléhají se na časování, které zajišťuje
napájení správných buněk. Napětí v pasivních maticích odeznívá rychle, barvy pak jsou bledší. Displeje,
kde je aktivní matice, mají pro každou buňku samostatný tranzistor. Samostatné tranzistory poskytují
přesnější a silnější napájení a vytvářejí živější barvy. Aktivní matice jsou však výrobně dražší a 80 procent
displejů se v současné době musí při výrobě vyřadit, protože mají vadný tranzistor.
20-41
20.1 Paralelní port
paralelních spojení leží někde u 3 metrů. Některé starší tiskárny a souřadnicové zapisovače
používaly sériový port pro komunikaci s počítačem. Dnes ale, kdy jsou v tištěných
dokumentech obvyklé grafické a vektorové fonty, které vyžadují posílat do tiskárny ohromná
množství dat, je paralelní port jediným rozumným řešením. Paralelní porty se kromě toho
používají pro přenos dat mezi dvěma počítači a obliba přenosných počítačů, které často nemají
rozšiřující sloty, dala vzniknout trhu s periferiemi, jako jsou mechaniky a zvukové generátory
které mohou pracovat na paralelním portu.
20.1 Paralelní port
Signál přicházející do počítače z periferie, kterou je obvykle tiskárna, po vodiči 13
– zvaném též výběr – sděluje počítači, že tiskárna je zapnutá a připravená na příjem dat.
Data se ukládají na vodiče 2 až 9 v podobě napětí – okolo 5V – znamenajícího 1 – a
napětí nulového nebo blízkého nule znamenajícího 0.
Jakmile je napětí přivedeno na všechny datové vodiče, pošle vodič 1 tiskárně
signál trvající jednu mikrosekundu a tak jí dá vědět, že si může přečíst napětí na datových
vodičích.
Signál z tiskárny na vodiči 11 sděluje počítači, že tiskárna je v okamžiku zaslání
byte příliš zaneprázdněna, a že by měl upustit od vysílání dalšího byte do doby, než se tento
signál ztratí. Signál o zaneprázdnění může být vyslán třeba proto, že tiskárna právě tiskne
minulý znak, že ukládá byte do své pracovní paměti, že je její pracovní paměť zaplněna, že se
zasekla barvicí páska nebo nastala jakákoliv jiná situace, která brání tiskárně přebírat další
data.
Signál z tiskárny na vodiči 10 potvrzuje příjem dat poslaných na vodičích 2 až 9 a
sděluje počítači, že tiskárna je připravena přijmout další znak.
Vodič 12 přenáší signál z tiskárny do počítače v případě, že v tiskárně není papír.
Vodič 15 používá tiskárna na sdělení chybového stavu počítači v případě, jako je
například poškozená tisková hlava nebo otevřený kryt tiskárny, ale nesděluje, o jakou chybu se
přesně jedná.
Signál z počítače po vodiči 16 způsobí, že se tiskárna vynuluje, nastaví do
počátečního stavu. Totéž se stane, když tiskárnu vypneme a zapneme.
20-42
21 Jak pracuje myš
Nízké nebo nulové napětí z počítače na vodiči 14 sděluje tiskárně, aby posunula
papír o jeden řádek v případě, když dostane znak „návrat vozíku“. Nenulové napětí sděluje
tiskárně, že papír se má o jeden řádek posunout jen v případě, když z počítače přijde znak
„nový řádek“.
Signál z počítače jdoucí po vodiči 17 sděluje tiskárně, aby nepřijímala data. Vodič
se používá jen u některých tiskáren, u kterých se počítá s možností, že je bude vypínat nebo
zapínat počítač. 12
21 Jak pracuje myš
Klávesnice není nic přirozeného nebo intuitivního. Žádné dítě se nenarodí se
znalostí psaní na klávesnici a dokonce když se to učí, má pro věc malé pochopení – nikdo mu
neumí dobře vysvětlit, proč jsou alfanumerické klávesy rozloženy tak, jak jsou. Pro mnohé
představuje klávesnice překážku při snaze naučit se používat počítač. I pro toho
nejzkušenějšího písaře na stroji není v zápisu /FS pro uložení souboru v Lotus 1-2-3 nic
intuitivního. Inženýři – vsaďme se, že žádný z nich se nechtěl písařů dotknout – z výzkumného
střediska Palo Alto Research Center (PARC) firmy Xerox Corporation vyvinuli koncepci poprvé
objevenou Douglasem C. Engelbertem ze Stanford Research Center. Tato koncepce navrhuje
ukazovací zařízení, něco co by uživatel počítače mohl použít jako svou ruku, která by způsobila
odpovídající pohyb na obrazovce. Jelikož zařízení mělo odpovídající velikost a kabel
připomínající ocásek, dostalo jméno myš. Firma Apple Computer udělala z myši standardní
výbavu počítačů Macintosh a s narůstající oblibou Windows se stává myš standardním
zařízením všech osobních počítačů. Myš není jen ukazovací zařízení, jak bylo původním
záměrem. Pákový ovladač používaný pro hry splňuje v podstatě tutéž roli, ale není pociťován
jako to pravé. Digitalizační tablety jsou populární u architektů a inženýrů, kteří musejí přenášet
přesné pohyby pera na obrazovku. Dotykové obrazovky, kterých se dotýkáte vlastními prsty
nebo speciálními světelnými pery, jsou příliš unavující, máte-li je používat delší dobu. Myš a její
sestřenice otočná koule (trackball) přežily všechny ostatní více či méně neobratné metody
navigace pomocí klávesnice. Myš nikdy klávesnici nahradit nemůže, ale může jí pomoci
v takových situacích, kdy se přesouvají nebo ukazují objekty na obrazovce, situacích, kdy se
klávesy pro pohyb kurzoru dobře nehodí. Dokud se nedostaneme do bodu, kdy budeme
s našimi počítači jednoduše mluvit, bude myš nedílnou součástí našich systémů. Mechanická
myš se stala nejpopuIámějším ukazovacím zařízením pro novou generaci operačních prostředí
12
vodiče 18 až 25 jsou zemnicí.
21-43
21.1 Mechanická myš
– grafických rozhraní – jejichž představiteli jsou Windows, Macintosh a OS/2. S myší počítač
neřídíte zadáváním povelů z klávesnice, nýbrž ukazováním na obrázky nebo symboly na
obrazovce. To je cesta, jakou myš převádí pohyby vaší ruky na akce na obrazovce.
21.1 Mechanická myš
Jakmile pohnete mechanickou myší – tahem po rovné ploše – tak se ve směru
pohybu pootočí kulička vyrobená z gumy nebo z kovu potaženého gumou, která vyčnívá ze
spodní strany myši
Při otáčení se kulička dotýká dvou válečků vzájemně postavených v úhlu 90 stupňů
a uvede je také do pohybu. Jeden váleček sleduje pohyb myši dopředu a dozadu, což odpovídá
pohybu ve svislé ose na obrazovce. Druhý váleček sleduje pohyb myši do stran, což odpovídá
stranovému pohybu na obrazovce.
Oba válečky jsou spojeny s kolečkem zvaným dekódovač – obdobně jako je pohon
automobilu napojen svými osami na kola. Jak se válečky otáčejí, otáčejí se i dekódovače.
Na okraji každého kola jsou umístěny tenké kovové kontakty. Dva páry
kontaktních plíšků vystupujících z pláště myši se při každém otočení dekódovače setkají s jeho
kontakty. Pokaždé. když se plíšek setká s vodivým bodem, proběhne spojením elektrický signál.
Počet signálů udává, kolika bodů se plíšky dotkly – čím více signálů, tím více jste myší pohnuli.
Směr, ve kterém se válečky otáčejí, kombinovaný s poměrem mezi signály ze svislého a
vodorovného válečku určuje, po jaké dráze se myš pohybuje.
Signály jsou přes myší ocásek zasílány programům do počítače, které počet,
kombinaci a frekvenci signálů ze dvou dekódovačů převádějí na vzdálenost, směr a rychlost
nutnou pro přesun kurzoru na obrazovce.
Stisknutí tlačítka na vrchní části myši rovněž zašle do počítače signál, který se
dostane do programu. V závislosti na tom, kolikrát tlačítko stisknete a na pozici kurzoru
v okamžiku stisku, provede program úlohu, kterou si přejete vykonat.13
22 Jak pracuje modem
Osobní počítač je digitální zařízení. Data jsou reprezentována posloupností 0 a 1.
Telefonní systém je analogové zařízení. Vznikl v době, kdy digitální elektronika nebyla známá.
13
Track ball pracuje obdobně. Je to vlastně myš otočená vzhůru nohama. Kuličkou oáčíte svými prsty a
nikoli povrchem vašeho stolu.
22-44
Je určen pro přenos různých zvuků a tónů lidského hlasu. Hlas je transportován elektronicky
pomocí analogového signálu jako spojitý elektrický proud, jehož frekvence mírně kolísá.
Modem je můstkem mezi digitálními a analogovými signály. Převádí digitální data
na analogové signály změnou (modulací) kmitočtu. Na přijímacím konci telefonického spojení
dělá pravý opak: demoduluje analogové signály zpět do digitálního kódu. Výrazy MOdulace a
DEModulace dávají modemu jeho jméno. Modemová komunikace pracuje se třemi nejméně
standardizovanými prvky osobního počítače, kterými jsou sériový port, příkazy pro modem a
komunikační software. Neslučitelnosti znemožňují popsat nějaký univerzální způsob, jak
všechny modemy pracují, nicméně operace zde uvedené přesně popisují většinu programů,
které používají sadu příkazů pro modem Hayes s 25 ti kolíkovým sériovým portem.
22.1 Modem
Váš komunikační software přivádí napětí na kolík 20 sériového portu, ke kterému
je připojen modem. Napětí představuje signál jménem Data Terminal Ready nebo krátce signál
DTR. Sděluje modemu, že počítač je zapnut a přípraven přenášet data. Ve stejnou dobu počítač
zkoumá napětí z modemu na kolíku 6 – signál Data Set Ready, krátce signál DSR – který zase
počítači oznamuje, že modem je připraven přenášet data nebo povely. U normálního
modemového spojení musí být oba dva signály přítomny předtím, než se může stát cokoliv
jiného.
Používáme-li standardní komunikační jazyk, vyšle komunikační software po vodiči
2 (vodič Transmit Data DT), povel do modemu. Povel nařizuje modemu, aby zvedl sluchátko a
zahájil komunikaci na telefonní lince. Software pokračuje dalším povelem Hayes, který nařizuje
modemu, aby vydal tónové nebo pulsní signály potřebné pro volbu daného telefonního čísla.
Modem povel potvrdí tím, že ho počítači zopakuje na vodiči 3, vodič Receive Data (RD).
Pokud modem na druhém konci telefonního spojení – vzdálený modem – na
volání odpoví, vyšle místní modem pozdravný tón, aby vzdálený modem věděl, že ho volá jiný
modem. Vzdálený modem odpoví o něco výše posazeným tónem. (Pokud je váš modem
vybaven reproduktorem, opravdu uslyšíte dva tóny).
Po navázání spojeni vyšle místní modem do počítače po vodiči 8 signál Carrier
Detect (CD). Signál sděluje komunikačnímu software, že modem přijímá nosný signál, což je
stabilní tón o určitém kmitočtu, který bude později modulován přenášenými daty.
Oba modemy si vzájemně vymění informace o tom, jak si hodlají posílat data.
Tomuto procesu se říká anglickým slovem handshake. Oba dva modemy se musí shodnout na
22-45
22.1 Modem
přenosové rychlosti, počtu bitů, které tvoří datový paket – např. jeden byte – kolik bitů bude
označovat začátek a konec paketu, zda modemy budou používat paritní bity pro kontrolu chyb
a zda budou pracovat v poloduplexu nebo plném duplexu. Pokud místní a vzdálený modem
nepoužijí tatáž nastavení, budou buď rozmotávat vysílané znaky, které nedávají smysl nebo
budou komunikaci vůbec odmítat.
Chce-li komunikační software vyslat data, nejprve po vodiči 4 pošle do sériového
portu napětí. Tento signál Request to Send (RTS) ve skutečnosti zjišťuje, zda je modem volný
pro příjem dat z počítače. Jestliže modem přijímá vzdálená data, která chce předat do počítače
v okamžiku, kdy počítač dělá něco jiného (jako třeba ukládání dřívějších dat na disk), počítač
v tom případě signál RTS přeruší, a sdělí tak modemu, aby přestal se zasíláním dat, dokud si
počítač neukončí svoji práci a znovu nevydá signál RTS.
Není-li modem příliš zaneprázdněn zpracováváním jiných dat a může tedy
přijmout z vašeho systému nová data, vrátí na sériovém vodiči 5 signál Clear to Send (CTS),
načež počítač zašle přenášená data po vodiči 2. Modem zasílá data, která obdržel od
vzdáleného systému do počítače po vodiči 3. Když modem nemůže přenášet data tak rychle,
jak mu je posílá počítač, modem přeruší signál CTS a sdělí tím počítači, aby na chvíli přestal
s dalšími daty, dokud se modem nevzpamatuje a signál neobnoví.
Na druhém konci telefonního vedení slyší vzdálený modem přicházející data jako
řadu tónů s různými kmitočty. Demoduluje tóny zpět na digitální signály a ty odešle
přijímacímu počítači. Ve skutečnosti mohou oba počítače posílat signály sem a tam současně,
protože používaný standardní systém tónů umožňuje modemům na obou koncích rozlišit
přijímané vysílané signály.
Požádáte-li komunikační software o ukončení komunikační relace, zašle do
modemu jiný povel Hayes, který způsobí přerušení telefonního spojení. Pokud je spojení
přerušeno vzdáleným systémem, váš modem přeruší signál Carrier Detect do počítače, aby
informoval software, že komunikace je přerušena.
Přenosová rychlost. Třebaže se přenosová rychlost často vyjadřuje v jednotkách
jménem baud – což je počet kmitočtových změn za sekundu – jde o jednotku zastaralou. Dnes
se používá přesnější jednotka – bit za sekundu. Přenosová rychlost činila u raných modemů
300 bitů za sekundu a dosahovala se zasíláním jednoho kmitočtu, který znamenal 0 a jiného
kmitočtu znamenajícího 1. Analogový signál na telefonní lince je omezen tím, jak rychle se
22-46
mohou přepínat kmitočty, které jsou součástí vynuceného rozdílového schématu pro zvýšení
rychlosti přenosu dat.
Skupinové kódování umožňuje, aby různé kmitočty znamenaly více než jeden bit.
Pro přenosy rychlostí např. 1200 bitů za sekundu jsou signály ve skutečnosti přenášeny
modulační rychlostí 600 baudů, ale pro reprezentaci tří různých možných párů bitů – 0/0, 0/1 a
1/1 – jsou použity tři různé kmitočty. Podobné schéma používá více frekvencí s větším
množstvím informace pro dosažení rychlosti 2400 bitů za sekundu. Pro ještě větší přenosové
rychlosti musejí oba dva modemy používat tutéž metodu komprimace dat, spočívající
v rozpoznání často se opakujících posloupností nul a jedniček a použití zkratek místo těchto
posloupností.
Datové bity. Komunikační systémy mohou pro zobrazení datových paketů
používat buď sedm, nebo osm bitů.
Start/stop bity. Každý datový paket používá jeden bit pro označení začátku znaku
a jeden nebo dva bity pro ukončení znaku. Zde uvedený příklad používá jeden stop bit.
Paritní bit. Jako používanou formu opravy chyb si oba systémy mohou dohodnout
sudou paritu, lichou paritu nebo vůbec žádnou paritu. Jestliže se domluví na sudé nebo liché
paritě, oba systémy předávají bity obsažené ve znaku a za ně přidají jiný bit, kterému se říká
paritní. Může být buď 0 nebo 1, podle toho co se hodí, aby počet všech jedničkových bitů
v celé posloupnosti byl buď sudý, nebo lichý v závislosti na dohodnutém typu parity.
Poloviční/plný duplex. Oba dva systémy se musí dohodnout na tom, kdo je
zodpovědný za výpis textu na místním počítači. Jeden systém musí být nastaven pro plný
duplex a druhý na poloviční duplex. Systém, používající plný duplex je zodpovědný za výpis
textu na obou systémech a echuje jakýkoliv text, který je mu zaslán pomocí poloduplexního
systému. Pokud tyto dva systémy nepoužívají komplementárně nastavený duplex, na místním
systému se buď neobjeví žádný text, nebo se každý znak objeví dvakrát.
22.2 Světelné signály na panelu modemu
Světelné indikátory na předním panelu externího modemu ukazují, co se děje
během komunikační relace. Umístění světýlek a jejich pořadí se může modem od modemu lišit.
Obvykle jsou však označeny dvoupísmennou zkratkou. Uvedeme si jejich význam.
HS Indikátor High Speed (vysoká rychlost) oznamuje, že váš modem právě pracuje
nejvyšší dostupnou přenosovou rychlostí.
22-47
22.2 Světelné signály na panelu modemu
AA Indikátor Auto Answer (automatická odpověď) oznamuje, že modem bude
automaticky odpovídat na přicházející hovory. Tato volba umožňuje přístup k vašemu systému
po dobu, kdy je bez obsluhy.
CD Indikátor Carrier Detect (zjištěn nosný signál) se rozsvítí pokaždé, když modem
zjistí nosný signál. To znamená, že je navázáno spojení se vzdáleným počítačem. Světlo by mělo
zhasnout pouze tehdy, když jeden z počítačů zavěsí a nosný signál se ztratí.
OH Indikátor Off-Hook (sluchátko zvednuto) se rozsvítí pokaždé, když modem
získá vládu nad telefonní linkou. Je to totéž, jako když sami zvednete telefonní sluchátko.
RD Indikátor Receive Data (příjem dat) bliká pokaždé, když modem přenáší do
vašeho počítače data. To nastane tehdy, když přijímáte data ze vzdáleného počítače.
SD Indikátor Send Data (vysílání dat) svítí v okamžicích, kdy váš počítač přenáší
data do modemu. To nastane tehdy, když vysíláte data do vzdáleného počítače.
TR Indikátor Terminal Ready (terminál připraven) se rozsvítí, když modem zjistí, že
komunikační software vysílá signál DTR (Data Terminal Ready). Tento signál informuje modem,
že komunikační program je uložen v paměti a spuštěn.
MR Indikátor Modem Ready (modem připraven) vám dává na srozuměnou, že
modem je zapnut a připraven k provozu.
23 Jak pracuje skener a optické rozpoznávání znaků
Skenery jsou očima vašeho osobního počítače.
Umožňují mu převést kresbu nebo fotografii do kódu, který
mohou použít grafické, ediční programy a ukázat ji na
obrazovce, vytisknout na grafické tiskárně nebo stránku
s textem převést do editovatelného textu. Tři základní typy
skenerů se v zásadě liší způsobem, jakým se stránka
Obrázek 5: Stolní skener
s předlohou a snímací hlava, která předlohu čte, vzájemně
pohybují. Ve skeneru s posuvem papíru je papír pod snímací hlavou posouván mechanickými
válečky. U plochých skenerů se stránka za skleněným oknem nepohybuje a pohybuje se
snímací hlava, podobně jako pracují kopírky. Ruční skener držíme v ruce a snímací hlavou
pohybujeme sami. Každá z uvedených metod má svoje výhody a nevýhody. Plochý skener
vyžaduje řadu zrcadel pro zachycení obsahu předlohy, která se při pohybu snímací hlavy
23-48
neustále snímá a zaměřuje do čoček přivádějících na řadu senzorů. Žádné zrcadlo není
dokonalé, proto při každém odrazu dojde k určitému zkreslení. Výhodou plochých skenerů je,
že mohou snímat rozměrné nebo tlusté dokumenty, jako třeba knihu. Ve skeneru s posuvem
papíru je předloha sejmuta přesněji, snímání je však omezeno na jednotlivé listy předepsaného
formátu. Ruční skener je kompromisem. Může snímat stránku v knize, ale snímací hlava často
není tak široká jako hlava v plochém skeneru nebo ve skeneru s posuvem papíru. Ruční skener,
který je při snímání závislý na pevném a přesném vedení vaší rukou, je obecně levnější, protože
nevyžaduje mechanismus pro pohyb snímací hlavy nebo papíru. Důvtip skeneru spočívá v jeho
schopnosti převést neomezený rozsah analogových napěťových úrovní do číselných hodnot.
Některé skenery rozlišují pouze černou a bílou a jsou užitečné pouze pro snímání textu.
Přesnější modely dokáží rozlišovat stupně šedi. Barevné skenery používají pro zjištění barev
v odraženém světle červené, modré a zelené filtry. Bez ohledu na citlivost skeneru na stupně
šedi nebo na to, zda posouvají papír nebo snímací hlavy, je princip činnosti všech skenerů
v podstatě jednoduchý a podobný. Podíváme se na dva představitele technologií, o kterých
jsem se zmínil – plochý skener a ruční skener pro odstíny šedi. Rovněž se budeme věnovat
jednomu z nedůležitějších důvodů pro snímání dokumentů, kterým je převod jejich obsahu do
editovatelného textu pomoci software pro rozpoznávání znaků.
23.1 Plochý skener
Zdroj světla osvětluje list papíru umístěný lícem dolů na skleněné okno nad
snímacím mechanismem. Prázdná místa na papíře odrážejí více světla než černá nebo barevná
písmena a obrázky.
Motor pohybuje snímací hlavou podél stránky. Snímací hlava při svém pohybu
zachycuje světlo odražené z jednotlivých oblastí stránky. Z každého čtverečního palce sejme
odraz 90 000 krát.
Světlo přicházející ze stránky je odráženo systémem zrcadel, která se musí
neustále natáčet tak, aby se světlo z nich dostávalo do čoček.
Čočky soustředí paprsek na světlocitlivé diody, které převádějí intenzitu
dopadajícího světla na elektrický proud. Čím více světla se odráží, tím větší je proud.
Aalogově-čislicový převodník (ADC) ukládá každý přečtený napěťový impuls jako
digitální bod, představující černou nebo bílou oblast na řádku, který obsahuje 300 bodů na
palci. Dokonalejší skenery umí napěťové impulsy převádět do stupňů šedi. Pokud je ve skeneru
23-49
23.2 Ruční skener
založen barevný obrázek, snímací hlava projíždí pod předlohou třikrát a při každém průchodu
je předloha postupně ozářena světlem přes červený, zelený a modrý filtr.
Číselná informace se odesílá programu v počítači, jenž data ukládá ve formátu, se
kterým umějí pracovat grafické programy nebo programy pro optické rozpoznávání znaků.
23.2 Ruční skener
Stisknete-li snímací tlačítko na typickém ručním skeneru, rozsvítí se světelná dioda
(LED) a osvětlí předlohu pod skenerem. Obrácené, pod úhlem skloněné zrcadlo, přímo ve
výřezu skeneru odráží obraz do čoček v zadní části tělesa skeneru.
Čočky zaostří jediný řádek předlohy do tzv. charge coupled device (CCD, česky –
nábojově vázaný prvek), který je částí určenou pro zjišťování jemných světelných rozdílů. CCD
obsahuje řadu světelných čidel. Jak se světlo dotkne těchto čidel, každé z nich zaregistruje
množství světla jako úroveň napětí, které odpovídá bílé, černé, šedé nebo odstínu barvy.
Napětí generované CCD jsou odesílána do specializovaného analogového čipu na
provedení gama korekce. To je proces, který zdůrazní černé tóny v předloze, takže lidské oko,
které je citlivější na tmavé tóny než na světlé, to bude mít při prohlížení obrázku jednodušší. U
některých skenerů je gama korekce prováděna softwarově.
Jeden řádek předlohy prochází analogově-číslicovým převodníkem (ADC). U
skenerů rozlišujících odstíny šedi převodník zapíše každý bod do 8 bitů, čímž dochází k převodu
na 256 úrovní šedi v cílovém digitalizovaném obraze. A/D převodník u skenerů, které snímají
jen černou nebo bílou, a zaznamenává barvu každého bodu pomocí jediného bitu. Jednička je
černá barva, nula je bílá barva.
Pohnete-li rukou se skenerem, pohne se rovněž váleček z tvrdé gumy (jehož
hlavním úkolem je udržet pohybující se skener v rovině), který dále uvede do pohybu řadu
soukolí otáčejících kotoučem s průzory.
Kotouč se točí, světlo prochází jeho průzory a na druhé straně kotouče je
detekováno miniaturním světelným čidlem. Světlo dopadající na čidlo sepne spínač, který do
A/D převodníku odešle signál. Signál informuje převodník, aby odeslal řádek bitů, vytvořených
převodníkem do počítače. Převodník pak odeslaná dat vymaže a je připraven přijmout novou
posloupnost napěťových pulsů z dalšího řádku předlohy.
23-50
23.3 Optické rozpoznávání znaků
Po přečtení obrazu nějakého dokumentu, skener převede tmavé části předlohy
(text a kresbu) do tvaru, kterému říkáme bitová mapa, což je matice černých (1) nebo bílých (0)
bodů. Body jsou větší než detaily většiny textu, proto tento proces degeneruje ostré okraje
znaků, asi tak jako fax rozmaže ostré znaky. Tato degradace vytváří většinu problémů
vznikajících při optickém rozpoznávání znaků (OCR, optical character recognition).
Software OCR načte bitové mapy vytvořené skenerem a provede průměrování zón
nul a jedniček na stránce, čímž ve skutečnosti mapuje bílá místa na stránce. To umožní
softwaru zjistit bloky odstavců, sloupce, řádky s nadpisy a obrázky. Bílá místa mezi řádky textu
uvnitř bloků definují základnu každého řádku, což je důležitý detail pro rozpoznávání znaků
v textu.
Při svém prvním průchodu při převodu obrazu na text se software pokouší o
srovnání každého znaku bod po bodu se vzory znaků, které má uloženy v paměti. Vzory
obsahují kompletní typy písma – číslice, interpunkci a další znaky – od takových obvyklých typů
písma jako jsou 12 bodový Courier a sada znaků IBM Selectric. Tato použitá technika vyžaduje
velmi těsnou shodu, a proto musí být přesně definovány takové atributy písma, jako je kurzíva
nebo tučné písmo. Skenery s nízkou kvalitou mohou způsobit zadrhování při srovnávání matic.
Znaky, které zůstanou nerozpoznány, jsou podrobeny intenzívnějšímu a časově
náročnějšímu procesu, kterému říkáme extrakce rysů. Software vypočítává x výšku textu –
výšku malého písmene x – a analyzuje každou kombinaci přímých čar, křivek a uzavřených
ploch (jako jsou třeba v o nebo v b) znaku. Program OCR ví, že například znak s ohnutým tahem
pod základní čarou a uzavřenou plochou nad je nejvíce podobný znaku g. Jelikož si software
z každého nového znaku, na který narazí, vytváří pracovní abecedu, rychlost rozpoznávání se
zvyšuje.
Pokud tyto dva procesy nedešifrují všechny znaky, přistupuje software OCR ke
zbývajícím „hieroglyfům“ dvěma způsoby. Některé programy OCR nahradí nepoznaný znak
nějakým nápadným znakem jako je ~, # nebo @ a ukončí činnost. Vy potom musíte tyto znaky
v textu vyhledat a ručně opravit. Některé programy OCR mohou také na obrazovce ukázat
zvětšeninu bitové mapy a požádat vás o stisknutí klávesy příslušející zobrazenému znaku.
Některé jiné programy OCR ještě vyvolávají zvláštní tester pravopisu, který se
snaží nalézt obvyklé chyby a možné varianty slov, která obsahují nepoznané znaky. Například
pro OCR programy vypadá číslice 1 a písmeno l velmi podobně, zrovna tak 5 a S nebo cl a d.
23-51
24.1 Počítače s perem
Takové slovo jako je downturn může být chápáno jako clownturn. Tester gramatiky je schopen
rozpoznat některé typické chyby OCR a opravit je.
Většina programů OCR vám dá na vybranou, zda chcete dokument uložit jako
ASCII soubor nebo jako soubor používaný nejpopulárnějšími textovými editory nebo
tabulkovými kalkulátory.
24 Jak pracují počítače s perem
Myš urazila jen část cesty při nahrazování klávesnice, která je pro mnoho lidí
v mnoha situacích prvotní překážkou při používání počítače. Překážku se nyní pokusí překonat
osobní počítače pracující s perem, které držíte v ruce. Aby se dosáhlo jednoduchosti, musí
počítače s perem splňovat dvě funkce: musí rozpoznávat pohyby pera a tyto pohyby převádět
na znaky nebo smysluplné funkce. Operační systémy pro počítače s perem rozpoznávají určité
tahy pera, které znamenají určité akce, jako je nakreslení kružnice nebo zrušení slova. Umí také
rozpoznávat zapsané znaky a mohou si nacvičit rozpoznávání znaků, které jsou zapisovány
vaším vlastním typickým rukopisem. Počítače s perem jsou v dnešní době ještě v plenkách a
procesory, které se ve většině z nich používají, nejsou dostatečně silné na to, aby rychle a
jednoduše chápaly psané písmo a převáděly ho do textové podoby. Z toho důvodu se první
aplikace, objevující se na počítačích s perem, propůjčují čistě jen k vyplňování formulářů, které
lze vyplnit zatrháváním a výběry z menu; například jízdenky a objednávkové formuláře. I když
se výkonnost procesoru a software zlepší na takovou úroveň, kdy skutečnost nabízená počítači
s perem bude tak dobrá, jak slibují, bude technologie z velké části stejná, jak si ji popíšeme.
Podíváme se na dvě metody zjišťování pohybu pera a obecný způsob, kterým počítače s perem
tyto pohyby převádějí na text nebo akce.
24.1 Počítače s perem
Obrazovky s drátěnou mřížkou. Jeden typ počítače s perem používá obrazovku
s tekutými krystaly, ve které je vložena drátěná mřížka. Velikost proudu protékajícího drátky se
změní, když nad nimi prochází elektromagnetické pole vytvářené perem.
Obrazovky s kovovým povlakem. Jiný typ počítačů s perem používá obrazovku
s tekutými krystaly potaženou tenkou průhlednou kovovou vrstvičkou. Elektrický proud
protéká kovovou vrstvičkou směrem z horní části obrazovky do jedné z jejích stran. Když se
pero dotkne obrazovky, způsobí elektromagnetické pole poruchu toku elektrického proudu.
Oba typy obrazovek. Pokud se pero dotkne jednoho nebo druhého typu
obrazovky, elektrický proud v peru generuje svoje vlastní elektromagnetické pole, které změní
24-52
25 Jak pracuje topologie sítě
velikost proudu procházejícího drátky nebo kovovým povlakem. Čím dál je pero od stran
obrazovky generujících proud, tím větší změna nastane. Z velikosti změny počítač odvodí
vodorovnou a svislou souřadnici pera na obrazovce a směr jeho pohybu.
24.2 Rozpoznávání znaků a pohybu pera
Po přečtení polohy pera vyšle počítač signál na obrazovku, aby zapnula (nebo
vypnula, podle barvy pozadí) bod, který se nachází v pozici pera. Tomuto procesu se říká
pouštění inkoustu. Při pohybu pera počítač neustále vypočítává jeho polohu a barví body,
kterými pero prochází. Počítač rozlišuje mezi body nakreslenými perem (vstupní plocha) a body
nakreslenými programem (výstupní plocha). Poznamenejme, že obrazovka neobsahuje dvě
fyzicky oddělené úrovně bodů na displeji; rozdíl mezi vstupní a výstupní plochou je logický. Pro
vstupní a výstupní plochu se používají tytéž body; operační systém však sleduje, pro kterou ze
dvou logických ploch byl ten který bod použit.
Na konci tahu pera předá operační systém popis celé dráhy aplikaci, která
srovnává vzor nakreslený perem s ostatními známými vzory, Software počítá s nepřesnou
kresbou, takže vzor nakreslený perem může být v určitých mezích odlišný od originálu, se
kterým je srovnáván.
Zjistí-li aplikace, že kresba vytvořená perem se shoduje s jedním z uložených
vzorů, zkoumá dále kontext, ve kterém se kresba objevila, Například znak X nakreslený do
volného prostoru v kontextu vstupujícího slova je pokládán za písmeno. Když se však X objeví
umístěné přes existující slovo, aplikace chápe tuto kresbu jako pokyn ke zrušení daného slova.
V kontextu check-boxu aplikace převede X na význam „check-box je vyplněn“.
Aplikace vymaže provedenou kresbu ve vstupní ploše a do výstupní plochy zapíše
ty znaky, které odpovídají její softwarové interpretaci.
25 Jak pracuje topologie sítě
Základním úkolem sítě LAN (local area network, místní, lokální síť) je fyzicky
vzájemně propojit několik osobních počítačů a často je spojit i se sálovým počítačem nebo
minipočítačem. Spojení se provádí pomocí řady prostředků – kroucené vodiče, vláknová
optika, telefonní linky a dokonce infračervené světlo a radiové signály.
Pro logické spojení počítačů existuje téměř tolik způsobů jako pro spojení fyzické.
Každá konfigurace sítě – neboli topologie – musí provádět jedny a tytéž úkoly. Nejobvyklejší
situace, se kterou se síť setkává, je přenášení zprávy z jednoho počítače na druhý. Touto
25-53
25.1 Sběrnicová síť
zprávou může být dotaz na data, odpověď na datový požadavek jiného počítače nebo povel
pro spuštění programu uloženého v síti. Data nebo program, které zpráva požaduje, mohou být
uložena na osobním počítači používaném spolupracovníkem v síti nebo na datovém serveru.
Datový server je obvykle vysoce výkonný osobní počítač s velkým pevným diskem, který není
výlučně využíván žádným účastníkem sítě. Existuje pouze proto, aby sloužil všem ostatním
počítačům napojeným do sítě jako společné místo pro ukládání dat, ke kterým je přístup tak
rychlý, jak je to jen možné. Síť může podobně obsahovat tiskové servery, které každý
z uživatelů LAN může použít pro tisk. Síť musí od jednotlivých počítačů připojených do sítě,
neboli uzlů, přijímat požadavky na přístup k ní a síť musí umět zpracovat současně vznikající
požadavky na její služby. Když počítač jednou služby sítě má, potřebuje síť metodu, jak zaslat
zprávu z jednoho uzlu do druhého tak, že půjde jenom do uvažovaného cílového uzlu a nebude
vyrušovat uzly, které se tohoto přenosu neúčastní. A to všechno síť musí udělat tak rychle, jak
je to možné a tak rovnoměrně, jak je to možné nabízet svoje služby všemu uzlům LAN. Tři
síťové topologie – sběrnice, kruh s rámcem a hvězda – platí za nejpoužívanější konfigurace
LAN. Ukážeme si, jak tyto tři topologie řeší požadavky na služby a konflikty.
25.1 Sběrnicová síť
Všechny uzly na sběrnicové síti jsou k LAN připojeny jako větve na společném
vedení. Každý uzel má jednoznačnou adresu. Síťová karta instalovaná v uzlu, kterým může být
buď další osobní počítač, datový server nebo tiskový server naslouchá, zda se po síti neposílají
nějaké signály. Pokud ne, pošle pomocí vysílače zprávu do jiného zařízení. Každý uzel má svůj
vlastní vysílač.
Vysílač vysílá zprávu oběma směry, takže se dostane do všech ostatních uzlů v síti.
Zpráva obsahuje adresu určení a odesílatele, pakety pro kontrolu chyb a samotná data.
Každý uzel na sběrnici zkoumá adresovou informaci obsaženou ve zprávě. Uzly,
pro které zpráva není určena, ji ignorují.
Pokud uzel objeví ve zprávě svou vlastní adresu, přečte data, ověří, zda v nich
nejsou chyby a zašle potvrzení odesílateli na adresu, která byla součástí zprávy.
Vyšlou-li dva uzly zprávu současně, dojde ke kolizi těchto dvou zpráv, při které
vznikne typická elektrická interference, jež se šíří po celé síti a je odhalena oběma vysílači.
První z vysílačů, který kolizi objeví, vyšle zvláštní signál, jenž celou síť zahluší –
ostatní uzly tak ví, že je síť blokována. Přenosy ze všech uzlů jsou zastaveny a každý z uzlů čeká
náhodně dlouhý časový interval, než se pokusí svou zprávu znovu vyslat.
25-54
26 Jak pracuje komunikace v síti
25.2 Kruhová síť s rámcem (Token Ring)
Všechny uzly v síti s kruhovým rámcem jsou spojeny do jednoho obvodu, který má
podobu uzavřené smyčky. Rámec, který se skládá ze zprávy pro všeobecné nulování,
pravidelně obíhá smyčkou adaptérové karty, sítě ho čtou pokaždé, když míjí jejich uzel.
Uzel, který chce vyslat zprávu, se chopí kolemjdoucího rámce, změní jeho binární
kód tak, že je nyní označen jako používaný a vloží do něj zprávu současně s adresou příjemce,
kterému je určena a kontrolním kódem. V síti může v jednom okamžiku obíhat nejvýš jedna
zpráva.
Elektrický odpor, který je přítomen v každém obvodu, by mohl rámec postupně
zeslabovat až zničit, proto je v každém uzlu zabudován opakovač, který celou zprávu obnoví a
uchová tak původní sílu a celistvost dat.
Každý uzel prohledává kolemjdoucí rámec, aby se podíval, zda v něm není jeho
adresa. Uzel, pro nějž je zpráva určena si vytvoří její kopii a pak pokračuje v jejím odesílání po
kruhu.
Zpráva se nakonec vrátí do původního uzlu, který zprávu vyjme a rámec vrátí do
původního stavu se signálem pro všeobecné nulování.
25.3 Hvězdicová síť
Uzly v síti s hvězdicovou konfigurací jsou připojeny na oddělená vedení, z nichž
všechna vedou do téže ústřední stanice. Ústřední stanice je vybavena přepínači, které spojují
každý uzel s každým.
Uzel odešle do ústřední stanice zprávu, která obsahuje adresu přijímacího uzlu,
vlastní data a kontrolní kódy. V jeden okamžik může zprávu odesílat více než jeden uzel.
Přepínací stanice pravidelně vyvolává každý připojený uzel. Při otevírání a zavírání
přepínačů stanice zajišťuje, aby nedošlo ke kolizi zpráv.
Aby si žádný z uzlů nemohl síť monopolizovat, dovoluje přepínací stanice průchod
vždy jen malé části jedné zprávy. Další zprávy zatím čekají, až se k nim stanice opět vrátí.
26 Jak pracuje komunikace v síti
Posílání zpráv v síti není jednoduchým procesem přenášení bitů reprezentujících
alfanumerické znaky. Komunikace v síti zahrnuje osobní počítače pod systémem DOS, počítače
Macintosh, sálové počítače a minipočítače, z nichž všechny mají své vlastní standardy pro
26-55
26.1 Komunikace v síti
kódování dat a komunikací. Přidejme si k tomu skutečnost, že aplikace na každé platformě mají
svoje vlastní standardy pro komunikaci a hned je vidět, že vyslání a přijetí i těch
nejjednodušších dat se stává složitým problémem. Aby se zajistilo, že data se z jednoho uzlu
dostanou do dalšího uzlu nebo serveru, kam jsou adresována – a že se tam dostanou
neporušena, nezkomolena – je potřeba systém, který je dobře chápán všemi prvky sítě. Jedním
takovým systémem je model Open System Interconnection (OSI), na kterém je založeno
mnoho sítí osobních počítačů.
Sedmivrstvý model OSI není nějaká zvláštní sestava hardware a software, je to
spíše schéma, které lze implementovat různými způsoby. Model je založen na vrstvách: každá
součást sítě je určena pro existenci v určité vrstvě systému a přímo může komunikovat pouze
s vrstvou bezprostředně nad ní nebo pod ní. Každá vrstva poskytuje služby vrstvě nad sebou a
používá služby vrstvy pod sebou.
26.1 Komunikace v síti
Aplikační vrstva je jedinou částí komunikačního procesu, kterou vidí uživatel: a
nejen to, uživatel nevidí většinu práce, kterou aplikační program dělá pro přípravu zprávy
k jejímu odeslání přes síť. Vrstva převádí data zprávy z formy čitelné člověkem do bitů a
připojuje k ní záhlaví. kde je identifikován vysílací a přijímací počítač.
Presentační vrstva zajišťuje, že zpráva bude přenesena v jazyku, který může cílový
počítač interpretovat (často je to ASCII). Je-li to zapotřebí, tato vrstva změní jazyk a provede
případnou kompresi a zašifrování dat. Přidá další záhlaví, kde je uveden jazyk a schémata pro
kompresi a šifrováni.
Relační vrstva zahajuje komunikaci a má za úkol udržovat disciplínu při komunikaci
mezi všemi uzly v síti. Na začátek a konec zprávy dosadí závorky, které určují, zda se pro
odeslání zprávy použije poloviční duplex, kdy každý počítač přepíná vysílání a příjem, nebo plný
duplex, kdy oba počítače vysílají a přijímají současně. Detaily tohoto rozhodování jsou
umístěny do záhlaví relace.
Transportní vrstva chrání odeslaná data. Dělí je do segmentů, vytváří kontrolní
součty – matematické součty pořízené z obsahu dat – které mohou být později použity pro
určení toho, zda nedošlo ke zkomolení dat. Může také vytvořit záložní kopii dat. Transportní
záhlaví identifikuje kontrolní součet každého segmentu a jeho polohu ve zprávě.
Síťová vrstva vybírá pro zprávu trasu. Přetváří data do paketů, počítá je a přidává
záhlaví obsahující posloupnost paketů a adresu přijímacího počítače.
26-56
27 Jak pracují bitové a vektorové fonty
Datová vrstva dohlíží na přenos. Potvrzuje kontrolní součty a pak adresuje a
duplikuje pakety. Tato vrstva udržuje kopii každého paketu, dokud nedostane potvrzení
z vedlejšího uzlu na cestě, že paket v pořádku došel.
Fyzická vrstva kóduje pakety na médium, které je bude přenášet – jako je třeba
analogový signál, když zpráva prochází telefonním vedením – a pakety po tomto médiu odešle.
Vložený uzel pro každý paket vypočítává a ověřuje kontrolní součet. Může také
změnit trasu zprávy, aby se vyhnula vzniklé zácpě v síti.
V přijímacím uzlu se zpracování vrstev, které vedlo k vyslání zprávy na cestu,
provádí opačně. Fyzická vrstva konvertuje zprávu zpět do bitů. Datová vrstva znovu vypočítá
kontrolní součet, potvrdí příjem a nabere pakety. Síťová vrstva přepočítá vstupující pakety
z důvodů bezpečnosti a fakturace. Transportní vrstva přepočítá kontrolní součty a sestaví
segmenty zprávy. Relační vrstva podrží jednotlivé části zprávy tak dlouho, až je zpráva
kompletní a odešle ji další vrstvě. Presentační vrstva dekomprimuje a dešifruje zprávu.
Aplikační vrstva převede bity do čitelných znaků a data předá do příslušné aplikace.
27 Jak pracují bitové a vektorové fonty
Všechny tiskárny – ať bodové, inkoustové, laserové nebo tepelné – provádějí
v zásadě tutéž činnost: na listu papíru vytvářejí vzor z teček. Tečky mohou mít různou velikost
nebo mohou být složeny z různých inkoustů nanesených na papír různými způsoby, ale všechny
texty i grafika jsou vytvořeny z teček. Čím menší tyto tečky jsou, tím přitažlivější může být
konečný výsledek. Bez ohledu na to, jak jsou tečky na papíře vytvářeny, musí existovat obecné
schéma pro určení jejich umístění; nejobecnějším schématem jsou bitové a vektorové fonty.
Bitové fonty mají předem definovanou velikost a tloušťku. U vektorových fontů lze za pochodu
měnit jejich velikost a dávat jim zvláštní atributy. Každý typ má svoje výhody a nevýhody
v závislosti na typu požadovaného výstupu. Bitové obrázky jsou v podstatě omezeny na text a
jsou rychlým způsobem, jak vytvořit tiskovou stránku, která používá jen několik typů písma.
Když se na stránce má kromě textu objevit i grafický obrázek, musí váš software zaslat do
tiskárny povely, kterým bude tiskárna rozumět. Vektorové fonty pracují jazykem pro popis
stránky, který chápe všechno na stránce – i text – jako grafiku. Text a grafika použitá
softwarem jsou převáděny na řadu povelů, které jazyk tiskárny pro popis stránky používá
určení polohy tištěného bodu. Jazyky pro popis stránky jsou při vytváření tiskové stránky
obecně pomalejší, ale jsou mnohem přizpůsobivější při vytváření různých velikostí písmen
s nejrůznějšími atributy nebo zvláštními efekty a jejich výsledky jsou mnohem atraktivnější.
27-57
27.1 Bitové fonty
27.1 Bitové fonty
Bitové fonty jsou tvary písmen určité velikosti s určitými atributy nebo
charakteristikami, jako je třeba tučné písmo nebo kurzíva. Bitová mapa je záznam soustavy
bodů potřebných pro vytištění daného znaku v určité velikosti s určitými atributy. Bitové mapy
pro velké písmeno A o velikosti 36 bodů písma Times Roman medium, pro tučné velké písmeno
A o velikosti 36 bodů Times Roman bold a velké písmeno A o velikosti 30 bodů Times Roman
medium jsou všechny různé.
Většina tiskáren je z výroby vybavena jen několika málo bitovými fonty – obvykle
Courier Line printer – ve variantě normální a tučné, které jsou uloženy v její permanentní
pamětí. Většina tiskáren má kromě toho paměť RAM, do které může počítač zaslat bitové
mapy pro další fonty. Další bitové fonty lze rovněž přidat ve formě vkládaných kazet,
používaných mnoha laserovými tiskárnami.
Vydáte-li povel k tisku na tiskárně pracující s bitovými fonty – buď z operačního
systému nebo z vaší aplikace – nejdřív sdělí počítač tiskárně, kterou z tabulek bitových map
uložených v paměti má použít.
Pak pro každé písmeno, interpunkční znak nebo pohyb papíru – jako třeba
tabulátor nebo návrat vozíku – který chce program vytvořit na tiskárně, zašle počítač do
tiskárny jeden kód ASCII. Kódy ASCII sestávají z šestnáctkových čísel, které se porovnávají s čísly
v tabulce bitových map. Šestnáctková čísla mají za základ číslo 16 a jako číslice se používají 0, 1,
2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E a F. Když do počítače odešleme např. šestnáctkové číslo 41
(desítkově je to 65), procesor tiskárny najde 41H ve své tabulce a zjistí, že toto číslo odpovídá
vzoru z teček, který po vytisknutí vytvoří velké písmeno A, ať už jde o tabulku s jakoukoliv
velikostí nebo tvarem a atributy písma.
Tiskárna používá tuto bitovou mapu pro určení povelu pro své ostatní části, aby se
vzor uložený v paměti reprodukoval na papíře. Všechny znaky jsou postupně jeden po druhém
odeslány do tiskárny.
27.2 Vektorové fonty
Vektorové fonty nejsou na rozdíl od bitových fontů omezeny nějakou konkrétní
velikostí nebo atributem písma. Místo toho obsahují matematický popis každého znaku dané
sady písma. Vektorové se jim říká proto, že matematická definice obsahuje hlavně údaje o
vektorech čar vytvářejících obrys písma, takže velké písmeno A o velikosti 36 bodů typu Times
Roman vypadá tvarově úplně stejně jako velké písmeno A o velikosti 24 bodů téhož typu.
27-58
28 Jak pracuje bodová tiskárna
Některé tiskárny jsou vybaveny jazykem pro popis stránky, kterému se běžně říká
PostScript nebo Hewlet-Packard Printer Command Language. Tento jazyk je součástí firmware
tiskárna je uložen na mikročipu. Jazyk umí překládat povely pro vektorové fonty, přicházející
z programu ve vašem počítači, do instrukcí pro tiskárnu, potřebných pro řízení procesu
umísťování teček na papír. Pro tiskárny, které nemají tento popisný jazyk zabudován, musí
překlad tohoto jazyka do instrukcí potřebných pro tiskárnu provádět počítač.
Vydáte-li z aplikačního programu tiskárně povel k tisku při použití vektorových
fontů, vaše aplikace vydá řadu příkazů, které jazyk pro popis stránky interpretuje pomocí sady
algoritmů nebo matematických vzorců. Algoritmy popisují čáry a oblouky, které vytvářejí tvar
znaku. Algoritmy pro určité typy písma obsahují pokyny, jak změnit obrys písma, když je jeho
velikost buď extrémně velká nebo extrémně malá.
Příkazy vkládají do vzorců hodnoty proměnných pro změnu velikosti nebo atributu
obrysu písma. Výsledkem jsou povely pro tiskárnu, které nakonec říkají něco ve smyslu:
„Nakresli vodorovnou čáru 3 body tlustou, která začíná 60 bodů odspodu a 20 bodů zprava.“
Jazyk pro popis stránky nastaví všechny bity, které patří kresbě obrysu písmene na hodnotu 1 –
pokud font ve svém obrysu neobsahuje nějaké zvláštní stínovací efekty.
Místo odesílání jednotlivých povelů pro tisk každého znaku v dokumentu, odešle
jazyk pro popis stránky do tiskového mechanismu jeden povel, který vytiskne stránku jako
celek. Podle tohoto schématu je stránka jedním velkým grafickým obrazem, který rovněž může
obsahovat text; text a grafika jsou zde zpracovávány týmž způsobem. Chápání stránky jako
grafiky, než jako řady znaků způsobuje, že tisk pomocí jazyku pro popis stránky je pomalejší,
než tisk pomocí bitových fontů.
28 Jak pracuje bodová tiskárna
Třebaže laserové tiskárny jsou rychlejší a vytvářejí mnohem atraktivnější
dokumenty, zůstává mechanická bodová tiskárna trvalou součástí mnoha počítačových
systémů. Laserové tiskárny stojí často více než 1000 dolarů; spolehlivá bodová tiskárna stojí jen
několik set. Laserové tiskárny vyžadují výměnu kazety s tonerem, která stojí skoro tolik, jako
levná bodová tiskárna; vše, co bodové tiskárny z hlediska spotřebního materiálu vyžadují, je
nová barvicí páska, kterou můžete pořídit za pár drobných. Bodové tiskárny jsou nezbytností
pro úlohy, které vyžadují tisk s kopií, čehož laserová tiskárna není schopna. A dnešní 24 jehlové
bodové tiskárny zvyšují jak rychlost, tak kvalitu tisku. V nabídce mnoha výrobců jsou
uživatelům nabízeny nové, rychlejší, inteligentnější – a i méně hlučné – bodové tiskárny.
28-59
28.1 Bodová tiskárna
Existují dobré vyhlídky na to, že s bodovými tiskárnami se budeme ještě roky shledávat.
Třebaže některé bodové tiskárny umějí interpretovat příkazy pro PostScript nebo jiný jazyk pro
popis stránky, je většina jehličkových tiskáren navržena pro práci s bitovými typy písma,
ovládanými kódy ASCII, zasílanými do tiskárny z počítače.
28.1 Bodová tiskárna
Váš osobní počítač vysílá řadu kódů ASCIl, představující znaky, interpunkci, posuvy
tiskárny jako jsou tabulátory, návraty vozu a posuvy na novou stránku, které řídí polohu
tiskové hlavy vzhledem k papíru.
Kódy ASCII se ukládají do vyrovnávací paměti, která je zvláštní částí paměti RAM
tiskárny. Jelikož tiskárna obvykle potřebuje pro vlastní tisk znaků víc času, než potřebuje
počítač pro vyslání těchto znaků do tiskárny, slouží tato vyrovnávací paměť k uvolnění
počítače, aby během tisku mohl provádět další operace. Vnitřní vyrovnávací paměť bodové
tiskárny má obvykle kapacitu 7 až 8 kilobytů. V okamžiku, kdy se vyrovnávací paměť zaplní,
vyšle tiskárna řídicí kód XOFF, aby počítači sdělila, že nemá posílat další data. Až se vyrovnávací
paměť po odeslání některých znaků do procesoru uvolní, vyšle tiskárna do počítače kód XON,
tím umožní pokračování ve vysílání dat.
Mezi těmito kódy jsou povely, které tiskárně sdělují, aby použila určité písmo, tj.
tabulku bitových map, obsaženou v paměťových čipech tiskárny. Z této tabulky se přečte
bodový vzor, který je použit pro vytvoření znaku reprezentovaného kódem ASCII.
Procesor tiskárny vybere informaci o bitové mapě pro všechny znaky na jednom
řádku a vypočítá nejefektivnější cestu pro pohyb tiskové hlavy. (Některé řádky se mohou
skutečně tisknout zprava doleva.) Procesor odešle signály, které vybudí jehly v tiskové hlavě a
rovněž řídí pohyb tiskové hlavy a válce.
Elektrické signály z procesoru jsou zesíleny a putují do obvodů, které ovládají
tiskovou hlavu. Tisková hlava má 9 nebo 24 hrotů, kterým říkáme tiskové jehly, a které jsou
seřazeny vertikálně. Jeden konec každé jehly prochází elektromagnetem. Proud z procesoru
aktivuje elektromagnet, ten vytvoří magnetické pole, které odpudí magnet na konci jehly, čímž
se hlava posune směrem k papíru.
Pohybující se jehla narazí do barvicí pásky, která je nasycena inkoustem. Síla
úderu přenese inkoust na papír na opačné straně barvící pásky. Poté co jehla takto vystřelí, je
pružinou vrácena do původní polohy. Tisková hlava při svém pohybu po stránce pokračuje ve
vystřelování různých kombinací tiskových jehel tak, že znaky jsou nakonec složeny z různých
28-60
29 Jak pracuje laserová tiskárna
vertikálních bodových vzorů. Na některých tiskárnách je kvalita nebo tučnost vylepšena tím, že
tisková hlava provádí druhý průchod nad týmž řádkem a tiskne druhou sadu teček, které jsou
vůči první sadě malinko posunuty.
29 Jak pracuje laserová tiskárna
Základem tiskárny je tiskový stroj – mechanismus, který na stránku nanáší toner –
je to zařízení, jehož předchůdcem je kopírka. Jeho části představují nejvyšší stupeň technologie
tisku, včetně laserového svitu, přesného posunu papíru a mikroprocesorového řízení všech
činností. Pro dosažení kvality, která se téměř rovná kvalitě klasického tisku, a která je pro
laserovou tiskárnu charakteristická, musí tiskárna současně řídit pět různých operací: (1) musí
interpretovat signály přicházející z počítače, (2) tyto signály převádět do instrukcí řídících
pohyb laserového paprsku, (3) řídit pohyb papíru, (4) papír učinit citlivým tak, že přijme černý
toner, který na jeho povrchu vytvoří požadovanou kresbu a (5) kresbu na papíře zatavit.
Výsledkem je tisk bez kompromisů. Nejenže laserová tiskárna tiskne rychleji, než
bodové tiskárny, ale stránky vytištěné na laserové tiskárně jsou v detailech mnohem ostřejší,
než na bodové tiskárně. Laserová tiskárna představuje pro dohlednou budoucnost standard
nejvyšší kvality počítačového tisku.
29.1 Laserová tiskárna
Operační systém vašeho osobního počítače nebo software na něm běžící vyšle do
laserové tiskárny signály, které určují polohu teček toneru na papíře. Signály jsou jednoho ze
dvou typů – buď samotný ASCII kód znaku, nebo povel jazyku pro popis stránky. (Viz. Jak
pracují bitové a vektorové fonty).
Instrukce z procesoru tiskárny v rychlém sledu zapínají a vypínají paprsek světla
z laseru.
Rotující zrcadlo odráží laserový paprsek tak, že cesta paprsku je vodorovnou čarou
jdoucí přes povrch válce, kterému se říká OPC (organic photoconducting cartridge, organická
světlovodná cívka) nebo také jednoduše buben. Spojení kmitajícího laserového paprsku a
pohybu paprsku po válci vytváří mnoho nepatrných světelných bodů, které zasahují povrch
bubnu v rozsahu jednoho řádku. Když laser skončí osvětlování bodů přes celou šířku OPC,
buben se otočí – u většiny laserových tiskáren o 1/300 palce – a laserový paprsek začne
zpracovávat další řádek bodů.
29-61
29.1 Laserová tiskárna
V tutéž dobu, kdy se buben začíná otáčet, řada soukolí a válců zavádí papír do
tiskového ústrojí po cestě, které říkáme papírová dráha. Papírová dráha protlačí papír přes
elektricky nabitý drát, který papír elektrostaticky nabije. Nabití může být buď kladné, nebo
záporné, podle toho, jak je tiskárna konstruována. V našem příkladě budeme předpokládat, že
nabití papíru je kladné.
Dopad jednotlivých světelných bodů na buben způsobí, že negativně nabitá tenká
vrstva – obvykle vyrobená z oxidu zinku a jiných materiálů – na povrchu bubnu změní svoje
napětí; tyto body pak mají stejné elektrické napětí jako list papíru. V našem příkladu by světlo
způsobilo změnu záporného napětí na kladné. Každé kladné napětí označuje bod, který se
případně otiskne na papír jako černá tečka. Oblasti bubnu nedotčené laserovým paprskem si
ponechávají svoje záporné napětí, které má za následek bílé místo na papíře.
Asi v polovině otočení bubnu přichází OPC do styku s nádobkou, obsahující toner.
Toner má v našem příkladu záporné elektrické napětí – opačné než napětí vytvářené laserovým
paprskem na bubnu. Částice s opačným statickým nábojem se vzájemně přitahují, což způsobí
nalepení toneru na buben ve vzorech složených z malých teček, všude tam, kde paprsek laseru
změnil napětí na kladné.
Buben pokračuje v otáčení a otiskuje se na list papíru, který je veden podle
papírové dráhy. Třebaže elektrické napětí na papíře má stejnou polaritu jako napětí na bubnu
vytvořené laserovým paprskem, napětí na papíře je silnější a toner se z bubnu otiskne na papír.
Rotací bubnu se jeho povrch dostane do blízkosti tenkého drátu zvaného
koronový drát. Říká se mu tak proto, že elektřina procházející drátem vytváří kolem sebe
prstenec neboli koronu, která má kladné napětí. Korona vrátí celému povrchu bubnu jeho
původní záporné napětí, takže laserovým paprskem lze na povrchu bubnu nakreslit další
stránku.
Další sada válečků protáhne papír částí tiskového ústrojí tzv. zatavovacího
systému. Tlak a teplota zatlačí toner natrvalo do papíru tím, že rozpustí a zatlačí vosk, který je
jednou ze složek toneru. Teplo ze zatavovacího systému způsobuje, že právě vyjmutý papír
z laserové tiskárny je teplý.
29-62
30 Jak pracuje inkoustová tiskárna
Papírová dráha vytlačí papír ven z tiskárny, obvykle tištěnou stranou dolů, takže
stránky jsou ve výstupním zásobníku uloženy ve správném pořadí.14
30 Jak pracuje inkoustová tiskárna
Inkoustové tiskárny obsazují místo mezi bodovými jehličkovými a laserovými
tiskárnami. Tyto malé tiskárny mají tutéž jemnou kresbu jako laserové tiskárny. Pouze při
podrobné prohIídce můžete nalézt rozdíly mezi výstupem z laserové a inkoustové tiskárny.
Přes všechnu jejich podobnost s laserovými tiskárnami se však inkoustové tiskárny více
podobají bodovým. Oba dva typy mají tiskové hlavy, které cestují přes šířku stránky, a při
každém průchodu za sebou nechávají řádek textu. Tento mechanický pohyb řadí inkoustové
tiskárny do téže rychlostní třídy jako jehličkové tiskárny, ale inkoustové tiskárny používají
inkoust k vytváření daleko menších teček, než to umí jehličkové tiskárny. Cena inkoustovek je
obvykle blízká ceně bodových tiskáren. Představují perfektní kompromis ceny, rychlosti a
kvality. Tisková hlava používá neobvyklou technologii. Inkoustová tiskárna vystřikuje na papír
malinké kapky inkoustu. Je to technologie, která přináší také nepříliš drahý barevný tisk.
30.1 Inkoustová tiskárna
Kazeta naplněná inkoustem, připojená k tiskové hlavě inkoustové tiskárny, se
pohybuje do stran přes šířku papíru procházejícího tiskárnou pod tiskovou hlavou.
Tisková hlava je vytvořena z 50 komůrek naplněných inkoustem, z nichž každá je
napojena na trysku tenčí, než je lidský vlas.
Elektrické pulsy procházejí tenkými odpory na dně všech komůrek, které tiskárna
používá pro kreslení znaků na papír.
Prochází-li odporem elektrický proud, tak odpor zahřívá tenkou vrstvu inkoustu na
dně komůrky na více než 482 stupňů Celsia po dobu několika miliontin sekundy. Inkoust se dá
do varu a vytvoří bublinku páry.
14
Ve shora uvedeném popisu se vyskytující elektrická napětí mohou na všech místech obrátit a výsledek
bude tentýž. Metoda zde popsaná platí pro většinu tiskáren, které používají tiskové ústrojí Canon, jako
jsou modely Hewlett-Packard, které jsou mezi laserovými tiskárnami standardem. Tomuto přístupu se
říká černý tisk, protože každý bod na tiskovém bubnu zasažený laserovým paprskem označuje místo,
které bude na výstupu z tiskárny černé. Existuje však alternativní způsob, jak může laserová tiskárna
pracovat, a tento způsob vytváří významně jiné výsledky. Tato druhá metoda, používaná v tiskových
ústrojích Ricoh, se nazývá bílý tisk, protože všude tam, kde se dotkne laserový paprsek bubnu, vzniká
totéž napětí, jako má toner – toner je tedy přitahován oblastmi nedotčenými paprskem světla. Tiskárny
s bílým tiskem obecně lépe, výrazněji tisknou tmavé oblasti, zatímco tiskárny s černým tiskem produkují
jemnější detaily.
30-63
31.1 Tepelná barevná tiskárna
Jak se bublinka páry roztahuje, vytlačuje tryskou inkoust, který v ústí trysky vytváří
kapičku.
Kapička překonává povrchové napětí inkoustu a tlak bublinky s párou vytlačí
kapičku na papír. Obsah vypuzeného inkoustu je roven asi jedné miliontině obsahu kapky vody
z očního kapátka. Typický znak je tvořen polem 20 krát 20 kapiček.
Jak odpor chladne, bublinka splaskává. Vznikající podtlak nasaje z připojeného
zásobníku do vystřelovací komůrky čerstvý inkoust.
31 Jak pracuje tepelná tiskárna
Třebaže jsou barevné tiskárny stále rychlejší, menší a levnější, činí samotná
podstata kombinování barev na jednom listu papíru neustálé problémy. Jde o složité
uspořádání pouhých čtyř barev inkoustu – modrozelené (cyan), fialové (magenta), žluté a
černé. (Někdy není černá přítomna, protože tiskárna umí udělat černou – obvykle ne se zcela
uspokojivými výsledky – pomocí kombinace stejného dílu tří ostatních barev). Když se zblízka
podíváte na zvětšenou část barevně vytištěné stránky, vidíte vzor složený z barevných bodů.
Jelikož je každá vytištěná barva složena nejméně ze tří samostatných barev, musí být každá
stránka ve skutečnosti tištěna alespoň třikrát. K času, potřebnému k provedení všech těchto
mechanických pohybů, připočítejte čas, který váš software potřebuje pro výpočet správného
poměru barev a ke generování instrukcí pro tiskárnu a máte proces, který je pořád ještě hodně
pomalý. Některé ze starších barevných tiskáren byly založeny na variacích technik používaných
v tradičních černobílých tiskárnách. Bodové tiskárny tehdy používaly barvicí pásky se třemi
nebo čtyřmi proužky barevného inkoustu. Inkoustové tiskárny používají tři nebo čtyři tiskové
hlavy, každou s kazetou barevného inkoustu. Nejnovější výzkum přinesl barevné laserové
tiskárny, které prohánějí papír pro každou barvu přes samostatné tonery. Nejpoužívanějším
profesionálním zařízením pro barevný tisk je dnes barevná tepelná tiskárna. Proces poskytuje
živé barvy, protože používané inkousty se nerozpíjejí ani neprosakují speciálně potaženým
papírem. V barevném tisku byly sice učiněny i jiné pokroky, ale dnes je standardní metodou
barevný tepelný tisk.
31.1 Tepelná barevná tiskárna
Tepelná barevná tiskárna posunuje arch papíru se speciálním povlakem ze
vstupního zásobníku do tiskového ústrojí, kde je papír na jedné straně držen válcem, který jej
přitlačuje na široký pruh fólie potažené barevným inkoustem smíchaným s voskem a plastickou
hmotou. Fólie je dělena na pruhy s každou z kompozitních barev – modrozelenou, fialovou a
31-64
31 Jak pracuje tepelná tiskárna
žlutou, a pokud je použita, i černou. Každý barevný pruh pokryje velkou oblast – celou šířku a
výšku papíru.
Papír procházející papírovou dráhou, je nejprve přitisknut na modrozelený pruh
na fólii. Jeden nebo více zahřívacích prvků, uspořádaných do řady v tepelné tiskové hlavě na
druhé straně fólie, se zapínají nebo vypínají a roztaví malé body modrozelené barvy. Roztavené
body jsou zatlačeny do papíru.
Papír se pohybuje dál papírovou cestou, až je téměř vysunut z tiskárny. Jak se
papír odlepuje od fólie, zůstává neroztavený modrozelený inkoust na fólii a roztavená barva
zůstává nalepena na papíře.
Barevná fólie se pootočí a nastaví fialový pruh; papír je vtažen zpět do tiskárny,
kde je přitlačen na fialový pruh na fólii a tepelný proces se opakuje. Proces se opakuje pro
všechny barvy použité na tiskárně, čímž dojde ke kompletnímu vytištění jedné strany. Poté je
list papíru vysunut z tiskárny.
31-65
Seznam obrázků
Seznam obrázků
Obrázek 1: Počítačová sestava ................................................................................................... 4-7
Obrázek 2: Mechanika CD-ROM ............................................................................................... 7-14
Obrázek 3: Diskety .................................................................................................................... 9-19
Obrázek 4: Obsluha počítače.................................................................................................. 18-37
Obrázek 5: Stolní skener......................................................................................................... 23-48
66
Rejstřík
Rejstřík
A
K
adresa, 2-2, 6-12, 17-35, 25-57
Aritmeticko-logická jednotka, 6-12
klávesnice, ii, 2-2, 4-6, 4-7, 11-23, 17-34, 18-36, 1837, 18-38, 21-44, 24-53
B
L
Bernoulliho mechanika, i, 14-29
BIOS, 2-2, 2-3, 3-4, 3-5, 4-6, 4-7, 4-8, 8-16, 8-18, 8-19,
18-38, 18-39, 4-7
bit, 5-10, 8-17, 15-32, 16-33, 20-42, 22-48
LAN, 25-55, 25-56
LCD, 19-42
M
C
Macintosh, 1-1, 21-44, 26-57
mikroprocesor, i, 6-10, 7-12, 18-38
modem, ii, 22-46, 22-47, 22-48, 22-49, 22-50
CD-ROM, 7-15
D
O
disk, i, 3-4, 4-5, 4-6, 7-15, 8-16, 8-17, 8-18, 10-21, 1022, 10-23, 11-23, 11-24, 11-25, 12-26, 13-27, 1428, 14-29, 15-31, 16-32, 15-32, 16-33, 18-36, 2247
DOS, 1-1, 3-4, 3-5, 4-5, 4-6, 4-7, 5-9, 6-10, 8-16, 8-17,
8-18, 8-19, 11-23, 19-39, 26-57, 4-7, 8-19
OCR, 23-52, 23-53
P
E
paměť, i, 2-1, 2-2, 3-5, 4-6, 4-7, 5-9, 7-12, 6-12, 7-13,
7-14, 7-15, 8-15, 9-20, 11-23, 11-24, 11-25, 13-27,
15-31, 19-40, 20-43, 27-59, 28-62
paralelní port, ii, 20-42
pásková mechanika, 15-31
F
R
efekty, 27-59, 27-61
RAM, i, 3-3, 3-4, 3-5, 4-6, 4-7, 4-8, 4-9, 5-9, 5-10, 611, 6-12, 7-12, 6-12, 7-13, 7-14, 7-15, 8-18, 8-19,
11-23, 11-24, 11-25, 15-30, 27-59, 28-62
FAT, 8-17, 8-18, 8-19, 10-22, 15-29, 15-30, 15-31, 819
flash, 7-15
S
H
Sběrnice EISA, 17-36
skener, ii, 23-50, 23-51, 23-52
hlava, 8-17, 10-22, 13-27, 13-28, 14-29, 15-31, 15-32,
20-44, 23-50, 23-51, 28-62, 30-65
Hodinový cyklus, 7-13
W
I
Windows, 15-29, 19-39, 21-44
WORM, 13-27
Intel, 1-1, 4-5, 4-7, 6-10, 6-12, 7-14, 18-38
Iomega, 14-28
67
Vysvětlivky
Vysvětlivky
i
Služby DOS jsou vždy přístupné prostřednictvím dodatků operačního systému k BIOS. Navíc příkazy DOS
jako např. DIR, které jsou součástí COMMAND.COM, vytvářejí další sadu příkazů operačního systému. A
to co pokládáme za jednoduché příkazy DOS, jako jsou FORMAT, CHKDSK a MEM jsou ve skutečností
pomocné programy. Jsou k dispozici jen tehdy, jestliže jsou uloženy na disku buď v aktuálním adresáři,
nebo v některém z adresářů, na něž je vytvořena cesta.
ii
Když požádáte software nebo DOS o zrušení souboru, nejsou data tvořící soubor ve skutečnosti z disku
vymazána. Místo toho DOS přepíše informaci v tabulce FAT o skupinách sektorů patřících souboru tak,
aby bylo zřejmé, že je lze použít pro jiné soubory. Data zůstávají na disku zachována do doby, než jsou
přepsána, proto můžete často zachránit soubor, který jste vymazali omylem.
68

Velká kniha o počítačích

Transkript

Podobné dokumenty

1 Úvod

3 1 Základní pojmy informačních technologií

Závěrečná práce

937 kB - GamePlanet

- Středoevropské politické studie

Stáhnout

GSM BRĘNA KOMPAKT 2000 Ušivatelskđ manuál

oa_beroun_svp_el - Obchodní Akademie Lysá nad Labem