Základní principy periferních zařízení počítače (klávesnice, harddisk, jednotky CD, DVD, tiskárny, monitory, modemy, USB, zvukové karty atd.)

Základní principy periferních zařízení počítače (klávesnice, harddisk, jednotky CD, DVD, tiskárny, monitory, modemy, USB, zvukové karty atd.)

Klávesnice

dělíme na kontaktní a bezkontaktní. Kontaktní klávesnice dělíme:

membránové klávesnice (viz obr. principu membránové klávesnice). Na plošném spoji jsou dvě vrstvy kontaktních plošek umístěné nad sebou a oddělené izolační vrstvou s kruhovým otvorem. Horní kontakt je umístěn na membráně. Při stisknutí klávesy zatlačí spodní plocha klávesy na membránu, ta se prohne a propojí skrz otvor v izolačním materiálu vrchní a spodní kontaktní plošku

kapacitní klávesnice - Na desce plošného spoje je vytvořena mřížka, která tvoří jednu elektrodu proměnného kondenzátoru. K ní se z druhé strany přibližuje molitan s hliníkovou fólií, jejíž povrch je zoxidován. Molitan je zde tenkým dialektrikem a hliníková fólie je druhou elektrodou proměnného kondenzátoru. Při stlačení klávesy dojde k důkladnému přitlačení molitanu k plošnému spoji (první elektrodě) a tím ke změně kapacity. Způsob realizace klávesnice je jednoduchý a dostatečně spolehlivý.

Jednou z nejznámějších bezkontaktních klávesnic je klávesnice pracující na mechanickém principu využívající Hallovy sondy. Přestože tyto klávesnice mají dobré parametry, nejsou vhodné pro klávesnice osobních počítačů. Důvodem je, že v každé klávese je umístěn integrovaný obvod - Hallova sonda, která se musí napájet. Celkový odběr klávesnice je tedy velký a pohybuje se mezi 5 až 10 W

Harddisk

Princip zápisu - Cívka, kterou prochází proud, vytváří magnetické pole, které je vedeno přes jádro zapisovací hlavy v magnetické vrstvě. V místě štěrbiny prochází magnetické pole na materiál, magnetizuje ho. Směr magnetizace závisí na směru zápisového proudu. Velikost zmagnetování závisí na šířce štěrbiny.

Čtení - Je založeno na principu elektromagnetické indukce. Na vývodech cívky, která se nachází v magnetickém poli, lze naměřit napětí vždy ve chvíli, kdy se toto pole mění. Tzn. při přechodu 0 na 1 a z 1 na 0 se indukuje v cívce napětí. Z tohoto napětí se získává (odvozuje) zapsaná informace.

CD-ROM

Médium CD-ROM vznikalo původně jako audio nosič a jeho autory byly firmy Philips a Sony. Jedná se o médium, které je určeno pouze ke čtení informací. Dovoluje uložení až 650 MB programů a dat.

Na rozdíl od dříve uvedených diskových zařízení (pružné disky, pevné disky, ZIP disky, Magnetooptické disky apod.) nejsou data ukládána do soustředných kružnic, ale do jedné dlouhé spirály podobně jako na gramofonové desce. Spirála začíná u středu média a rozvíjí se postupně až k jeho okraji. Záznam (spirála dat) je pouze na spodní straně disku, tj. záznam na CD-ROM disku je jednostranný. Délka celé spirály je zhruba 6 km a hustota dat v ní uložených je konstantní. Podle rychlosti, kterou je CD-ROM mechanika schopna číst tato data, se mechaniky rozlišují na:

single speed: rychlost čtení dat je 150 kB/s, dostačuje pouze pro přenos souborů

double speed: data je schopna číst rychlostí 300 kB/s, což poskytuje plynulou rychlost pro práci s datovými soubory. Nedostačuje pro přehrávání videa

triple speed: dovoluje číst data rychlostí až 450 kB/s

quadruple speed: mechanika dovolující čtení dat rychlostí 600 kB/s

6x: rychlost čtení: 900 kB/s

8x: rychlost čtení: 1200 kB/s

12x: rychlost čtení: 1800 kB/s

16x: rychlosot čtení: 2400 kB/s

24x: rychlost čtení: 3600 kB/s

Rychlost čtení spirály je v single speed mechanice asi 1,3 m/s. Rychlost otáčení CD-ROM disku není konstantní, ale je kontinuálně přizpůsobována podle toho, zda se čtení provádí blíže kraji nebo středu disku. U středu disku je rychlost otáčení vyšší (asi 500 otáček za minutu) a u kraje naopak nižší (asi 200 otáček za minutu). Toto přizpůsobování otáček disku zaručuje, že data jsou čtena ze spirály konstantní rychlostí.

Přístupová doba u datových CD-ROM disků je potom závislá na čase nutném k regulaci otáček. Je tedy velmi nevhodné číst data uložená v různých částech disku, protože je neustále nutné přizpůsobovat rychlost otáčení. Tento problém plně neodstraňují ani mechaniky s vyšší přístupovou rychlostí, i když samozřejmě mechaniky s vyšší rychlostí čtení mají i nižší přístupovou dobu. Přístupová doba se u CD-ROM mechanik pohybuje od 100 ms do 300 ms.

Protože šířka stopy spirály je velmi malá, data jsou uložena s poměrně velkou hustotou a vlastní CD-ROM nosič není ničím chráněn, je velká pravděpodobnost, že i při běžné manipulaci s CD-ROM diskem může dojít ke špatnému přečtení některých uložených bitů. Proto informace uložené na médiu CD-ROM jsou silně redundantní (nadbytečné) a mechanika má obvody realizující na základě těchto nadbytečných informací poměrně složité algoritmy pro korekturu chyb vzniklých při čtení.

CD-ROM mechaniky se k počítači připojují pomocí:

EIDE rozhraní (ATAPI: rozšíření normy ATA o příkazy pro práci s CD-ROM, streamery a dalšími periferiemi)

SCSI rozhraní

zvukové karty obsahující rozhraní pro CD-ROM

vlastního řadiče

DVD

Z technického hlediska je mezi formáty DVD-R/RW a DVD+R/RW jen minimální rozdíl, oba používají laserový paprsek o vlnové délce 650 nm. Odlišnost mezi těmito formáty je v organizaci dat na disku. Souboj těchto formátů skončil uvedením DVD mechanik s podporou pro oba formáty. Formát DVD+R/RW podporovaly firmy HP, Philips, Ricoh, Mitsubishi, Sony, Yamaha, Dell a Microsoft; formát DVD-R/ RW prosazovaly firmy Pioneer, Compaq a Apple. Na rozdíl od plně optických médií DVD±R/RW probíhá v případě disků DVD-RAM magnetooptický záznam. Formát DVD-RAM v současné době podporuje jen firma Panasonic a jeho největší předností je RAM přístup, který umožňuje nelineární zápis dat (data jsou zaznamenána do sektorů a stop – podobně jako u pevného disku), a to dokonce i souběžně se čtením. Formát DVD-RAM se však kvůli malé podpoře od ostatních výrobců i kvůli vysoké ceně zapisovacích médií příliš neprosadil.
Při vypalování na média DVD se data oproti CD zaznamenávají do menších prohlubní (pitů) a mezi záznamovými stopami jsou menší rozestupy. U DVD je minimální velikost prohlubně 0,4 mikrometru (u CD 0,83 mikrometru), rozestupy mezi stopami činí u DVD 0,74 mikrometru, u CD 1,6 mikrometru.

Tiskárny

Jehličkové - Princip: v tiskové hlavě jsou umístěny jehličky s elektromagnety. Ty jsou propojeny s elektronikou plochým kabelem. Z řídící elektroniky jsou přiváděny proudové impulzy, kterými jsou vystřelovány jehličky na základě tvaru tištěného znaku. V daný okamžik jsou přitlačeny k barvící pásce a za ní se nacházejícímu papíru. V současné době se používají více jehličkové (9 - 24) - každé lince v rastru přísluší vždy jedna jehla. Znak je vytvářen pohybem hlavy zprava doleva v krocích, které odpovídají vždy jednomu sloupci v rastru. Některé pracují i s obousměrným tiskem. Platí, že kvalita tisku je tím větší, čím více jehliček je obsaženo v matici.

Laserové - Princip: vychází se z technologie elektrostatického kopírování. Na začátku si tiskárna vezme list papíru z podavače a papír se nejprve pokryje elektrostatickým nábojem. Na tiskový buben se přivádí vysoké napětí (6 kV). Laser prochází po fotocitlivém válci a umisťuje na něj přesné signály, které odpovídají tištěným znakům. To je jediná funkce laseru, jinak nepřijde s papírem do styku. Až laser uloží signály na válec, tiskárna vypustí toner, který se přitáhne k nabitým oblastem válce a vytvoří tištěné znaky. Papír, který je nabit na opačnou polaritu, se vsune pod válec a toner se přenese na papír. Papír pak projde závěrečnou fází, ve které lampy o vysoké intenzitě trvale spojí toner s papírem. Náboj je přenášen pomocí velmi tenkého drátu - koronační drát.

Monitory

technologie klasické televizní obrazovky

o        vzduchoprázdná skleněná baňka

o        užší konec - katoda (emitor paprsků - elektronové dělo)

o        širší konec - anoda (stínítko obrazovky potažené fosforem - elektroluminiscenční body)

o        body se rozsvítí dopadem paprsku (u barevných monitorů tři rozdílné paprsky - červený, zelený, modrý)

o        vychylování (elektromagnetické pole), zaostřování (mřížka) paprsku

o        osvětlování zleva doprava (po linkách) a shora dolů

LCD (Liquid Crystal Display) - tekuté krystaly

o     TN buňka (Twisted Nematic) - nematické kapalné krystaly, nematická buňka - tekutý (koloidní) materiálem, který ale má krystalickou strukturu, je schopen otáčet rovinu polarizovaného světla o 90 stupňů, tzn. měnit směr světla

o     různé technologie (dnes technologie STN, DSTN, TSTN, aktivní LCD neboli TFT LCD)

o     ploché, použití v přenosných počítačích (ale už i stolní - drahé)

o     výrazně zvyšuje cenu (hlavně barevné TFT)

Modemy

Osobní počítače pracují v takzvaném dvojkovém kódu, což znamená, že buď je vypínač zapnut (1), nebo je vypínač vypnut (0). Žádná mezipoloha neexistuje. Na rozdíl od osobního počítače telefonní systém je analogové zařízení (vyjma dnešních moderních digitálních komunikačních dálnic). V době vzniku telefonního systému nebyla ještě digitální elektronika známá a proto byl zkonstruován pro přenos různých zvuků a tónů lidského hlasu. Hlas je telefonní sítí přenášen jako analogový signál, což je reprezentováno spojitým proudem, jehož frekvence nepatrně kolísá.

Modem je můstek mezi digitálním a analogovým signálem. Převádí digitální data na analogové signály změnou (modulací) kmitočtu elektronických vln podobným způsobem, jak to dělají vysílače s frekvenční modulací. Na přijímacím konci telefonického spojení se odehrává pravý opak - analogové signály se demodulují do digitálního kódu. Výrazy MOdulace a DEModulace pak dávají modemu jeho jméno.

USB port

Topologie USB je vystavěna relativně jednoduše. V počítači je rozhraní, které přebírá úlohu hostitele. Odtud proudí data do monitoru nebo klávesnice, které fungují jako rozbočovače a poskytují možnost připojení ostatních koncových zařízení. USB řídí výhradně hostitel. Zařízení USB mohou přenášet data (pakety) rychlostí až 12 Mb/s a lze jich připojit na jednu sběrnici až 64. Kabely pro USB jsou na bázi kroucené dvoulinky a mají čtyři vodiče - dva signální (3,3 V) a dva napájecí (5 V). Kabely mezi zařízeními nesmí být delší než 5 m. Každý rozbočovač je současně opakovačem, který zesiluje signály posílané po sběrnici.

Zvuková karta

- Počítač zpracovává zvuk digitálně, jeho analogový záznam není z podstaty výpočetní techniky možný. To znamená, že je nutné převést zvukové vlny na posloupnost čísel popisujících okamžitou hodnotu amplitudy nebo nějaké odvozené charakteristiky průběhu signálu. Podle tzv. Shannonova vzorkovacího teorému lze libovolný periodický signál digitalizovat bez ztráty informace tehdy, jestliže je frekvence vzorkování alespoň dvojnásobná než nejvyšší frekvence obsažená v signálu. K věrné reprodukci zvuku by tedy měla stačit vzorkovací frekvence kolem 40 kHz. Už podle normy MPC (Multimedia PC) je standardem pro digitální záznam frekvence 44,1 kHz. Pro méně kvalitní a paměťově úsporný záznam dovedou zvukové karty pracovat se zlomky této základní frekvence, a to zejména s její polovinou (22,050 kHz) a čtvrtinou (11,025 kHz). Kvalitu digitálního záznamu spolu se vzorkovací frekvencí určuje i přesnost snímání analogového signálu. Bylo by celkem zbytečné vzorkovat stotisíckrát za sekundu, kdyby výsledkem byla pouze nula nebo jednička. U digitálního záznamu zvuku je nepraktičtější hovořit o přesnosti jako o počtu bitů na výstupu příslušného A/D převodníku (Analog to Digital - vstup). Počet úrovní vzorku se nazývá rozlišení či rozlišovací schopnost. U 8bitového záznamu rozlišujeme 256 hodnot, u 16bitového pak 65 536 hodnot.

Scanery

Obrazová předloha je po řádcích osvětlována a odražené světlo je vedeno přes optický systém k přijímači, který je tvořen senzory, nebo prvky na bázi fotobuněk. Přijímač pak převádí obrazovou informaci na digitální signál a posílá ji dále počítači.

 CCD - Change Coupled Device (řádkový postup)

Přijímač je složen ze stovek fotobuněk. Elektrický signál je úměrný síle světla, které dopadá na buňku. Signál, který odpovídá jednom pixelu v obraze, je přeměněn na binární číslo. Tmavá místa, která reflektují méně světla, obdrží nízká čísla, opačně pak světlá místa. Standardem je CCD s 256 stupni šedi, nebo stupni světlosti. Pro rozlišení 300x300 dpi na předloze DIN A4 jsou potřebné řádky CCD asi s 2600 prvky. U dražších skenerů (bubnových) se používají fotonásobiče. Jako zdroj světla se většinou používají zářivky. Senzory jsou u černobílých i barevných stejně. U barevných je obrazová předloha snímána třemi různými barvami. Ze tří dílčích skenů pak vznikne výsledný obraz.

Bernoulliho disky - pracují na principu tzv. Bernoulliho efektu. Jde v podstatě o stejný princip jako ten, díky kterému letadla létají. Disk se po vložení do mechaniky roztočí a proudění vzduchu vháněné mezi pouzdro a horní povrch disku způsobí jeho přiblížení k zápisové a čtecí hlavě. Hlava se disku nedotýká, proudící vzduch zabraňuje usazování nečistot. Navíc je disk odolný vůči nejrůznějším kolizím a vibracím. V případě, že by čtecí nebo zápisová hlava měla totiž dopadnout na disk, což by u klasického zařízení vedlo k jeho jistému zničení, flexibilní Bernoulliho disk od ní prostě na okamžik odskočí a opět se přitáhne zpět. Výrobci těchto disků udávají, že vydrží přetížení až 1000G, což odpovídá pádu ze tří metrů na betonovou podlahu. Díky odolnosti proti vibracím se úspěšně používají na palubách lodí, letadel a automobilů.

Zdůraznit je třeba přístupovou rychlost, která odpovídá klasickým harddiskům. Bernoulliho disky najdou uplatnění v nejrůznějších oblastech: pro přenos dat v DTP, CAD/CAM a bankovnictví, pro ochranu dat (uzamčení do trezoru) či pro těžké provozy.