Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 1Tema 9: Dispositivos perifricos y controladoresObjetivos: Entender los principios de funcionamiento de los discos magnticos y analizar la estructura yfuncionamiento del controlador para un caso sencillo (floppy). Entenderlosprincipiosdegrabacinylecturadediscospticosascomolosnivelesde codificacin de la informacin. Describir el comportamiento de un monitor CRT y su controlador asociado. Entender el funcionamiento de las pantallas de cristal lquido de celdas pasivas (LCD) y de celdas activas con transistores de pelcula delgada (TFT). Estudiar el funcionamiento de algunas impresoras y otros perifricos de uso comn. Contenido: 1.Discos magnticos 2.Discos pticos 3.Monitores de tubo de rayos catdicos (CRT) 4.Pantallas de cristal lquido (LCD-TFT) 5.Monitores de color 6.Unidades de procesamiento grfico (GPU) 7.Impresoras 8.Ratn Estudiaremosenesteapartadolosprincipiosdefuncionamientodelosprincipales dispositivosperifricosqueseconectanauncomputadorascomolaestructuralgicadelos correspondientes controladores. 1.Discos magnticos Losdiscosmagnticosseconectanalcomputadorcomodispositivosperifricos,aunque muchosformanpartedelajerarquadememoriadelcomputador.Undispositivodediscos magnticosestconstituidoporunaomssuperficiescircularesrecubiertasporunmaterial ferromagntico sobre el que se puede grabar informacin alterando el sentido de la magnetizacin depequeasreasdesusuperficie.Elconjuntodesuperficiesgiraporlaaccindeunmotor.La informacin se escribe y lee a travs de un conjunto de cabezas (una por superficie) que se mueve radialmentedeformasolidariaporlaaccindeunmotorpaso-a-paso,talcomosemuestraenla siguiente figura: SuperficiemagnticaCabeza delectura yescrituraMotorpaso-a-pasoMotorde giro Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 21.1.Grabacin de informacin sobre superficies magnticas Los materialesferromagnticossecaracterizanporque se magnetizan de forma permanente cuandoselesaplicauncampomagnticoexterno.Normalmenteelcampoexternosegenera elctricamente. Esto no les ocurre a los materiales diamagnticos, que son repelidos por los campos magnticosynosemagnetizan,nialosmaterialesparamagnticos,quesonatradosporlos camposmagnticosytampocosemagnetizan.Unmaterialferromagnticosecaracterizaporsus curvasdemagnetizacinehistresis.Supongamosqueelmaterialferromagnticoest originariamentedesmagnetizado(puntoadelasiguientegrfica).Conformeseincrementael campomagnticoexternoH,tambinseincrementalamagnetizacininducidaM,hastaquese alcanzaelvalordesaturacin(puntob).Lacurvaentrelospuntosaybsedenominacurvade magnetizacin. Si ahora reducimos el campo externo, la magnetizacin inducida tambin se reduce, peronosiguelacurvaoriginal.Elmaterialretieneunaciertamagnetizacinpermanente denominadamagnetizacinremanente,quepersisteinclusocuandoseanulaelcampoexterno (puntoc).Sireducimosanmselcampoexterno(sentidoopuesto)podemosllegaraanularla magnetizacin remanente (Punto d), y si contina la reduccin se crea una magnetizacin inducida desentidoopuesto,llegndosetambinenestecasoaunvalordesaturacin(puntoe).Siahora vamosreduciendoelcampoexternohastaanularlo,elmaterialquedaconunamagnetizacin remanentedesentidoopuestoalaanterior(puntof).Paraanularestamagnetizacinremanente debemosaumentarelcampoexterno(conelsentidooriginal)hastaalcanzarelpuntog,ysi seguimos aumentando llegamos de nuevo a la saturacin (punto b), con lo que se completa el ciclo dehistresis.Losmaterialesferromagnticostienenportantodosvaloresestablesde magnetizacin,unonorte,correspondientealpuntocdelagrficayotrosur,correspondienteal puntof.Estosdosestadosdemagnetizacinremanentequesemantienenenausenciadecampo externosonlosqueseutilizanparacodificarlainformacinbinariacuandoseutilizanlos materiales ferromagnticos como soporte de memoria. Me fcbd a g H Losprocesosdelecturayescriturasobrelassuperficiesferromagnticasdeundisco (habitualmente de xido de hierro) se realizan a travs de una cabeza de grabacin compuesta por unncleodehierroenformadeherraduraydosbobinasconductoras,unaparaescriturayotra para lectura. La cabeza opera muy cerca de la superficie, de forma que casi vuela sobre ella, sobre elcolchndeaireformadoporsupropiomovimiento.Debidoaesto,estncerrados hermticamente, porque cualquier partcula de polvo puede daarlos. corriente movimiento Superficie magntica + - tensin lecturaescritura Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 3Escritura:Sehacepasarporlabobinadeescrituraunacorrientequecreauncampo magnticoenelncleodehierroquesecierraatravsdelapequearegindelasuperficie magnticaqueenesemomentoestbajolacabeza,dejandounamagnetizacinremanentedel mismo sentido que el campo de la bobina. Lectura:Semuevelasuperficiemagnticapreviamentegrabadapordebajodelacabeza. Cadavariacindeflujoproducidaporlaspequeasreasmagnetizadasinducirunapequea tensinenlabobinadelectura.Amplificandoeinterpretandoadecuadamenteestastensiones podemosreconstruirenformadesealelctricadigitallosvaloresgrabadosenlasuperficiedel disco. LosdiscosmagnticosactualesdisponendeAUTOPARKoaparcamientoautomticodelas cabezas, que posiciona las cabezas en un lugar fuera del alcance de la superficie del disco al apagar elordenador.Estoevitaposiblesdaosenlasuperficiedeldiscocuandolaunidadessometidaa vibraciones o golpes en un posible traslado. 1.2.Mtodos de codificacin sobre superficies magnticas Para grabar informacin en la superficie, se siguen una serie de cdigosque transforman un patrn de bits en una secuencia de celdas con diferentes estados de magnetizacin.1)Retorno a cero (RZ: return to zero). El 1 lgico se graba magnetizando el centro de la celda. El 0 es ausencia de magnetizacin 2)Retorno a saturacin (RS: return to saturation). El1serepresentaporunestadodemagnetizacinenelcentrodelacelda.Elrestodela celda y el 0se representa con el estado de magnetizacin opuesto. 3)Retorno a cero bipolar (BRZ: bipolar return to zero). El 1 se representa por un estado de magnetizacin en el centro de la celda y el 0 por el estado demagnetizacinopuesto,tambinenelcentrodelacelda.Losextremosdelaceldaquedansin magnetizar. 4)Sin retorno a cero (NRZ: non-return zero). El1serepresentaporunestadodemagnetizacinentodalaceldayel0porelestado contrario, tambin en toda la celda. 5)Sin retorno a cero inverso (NRZI: non-return to zero invert). El1serepresentaporuncambiodelsentidodelflujodemagnetizacinentodalacelda respecto al estado de la celda anterior. El 0 se representa por ausencia de cambio. Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 4RZ RS BRZ NRZ NRZI 01 100 10 6)Codificacin en fase (PE: phase encoding). El 1 se representa por un cambio y el 0 por el cambio contrario. Estos cambios se realizan en elcentrodelacelda.Parapodersedetectardoscerosodosunosseguidos,esnecesarioefectuar tambin un cambio al comienzo del segundo. 7)Modulacin de frecuencia (FM: frequency modulation). Es la codificacin ms sencilla, consiste en la grabacin de un cambio de flujo para cada uno, y el omitir el cambio de flujo para cada cero. Es decir, siempre se produce un cambio al comienzo de lacelda,enelcentroseproducirunnuevocambiodemagnetizacinsiyslosisegrabaun1. Esteprocedimientosepuederealizarconunaelectrnicadecontrolrelativamentesimple,pero tiene el inconveniente de que cada bit de datos consume dos cambios de flujo, limitando mucho la capacidad del disco 8)Coeficiente de pulso (PR: pulse ratio). LaceldatieneunprimerintervalodelongitudRIenunestadodemagnetizacin,yel segundointervalo,de longitud R2, en el estadocontrario. El 1serepresenta por un pulso talque Rl/R2 < 1, y el 0 por un pulso tal que R1/R2 > 1. 9)FM modificada (MFM: modifed FM). SimilaraFMexceptoqueelcambiodeestadoaliniciodelaceldaseefectaslosielbit precedente y actual son ambos 0. 10) Modulacin de frecuencia modificada-modificada (MIFM: modified-modified FM).IgualqueFMperosloseefectaelcambiodeestadoalcomienzodelaceldasilacelda anterior no contiene ningn cambio (ni al principio ni en el centro), y la celda actual no es un 1 . PE FM PR MFMM2FM01 100 10 Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 51.3.Formato de grabacin Los datos en un disco magntico se organizan en un conjunto de anillos concntricos sobre el platodenominadospistas.Laspistasadyacentesestnseparadasporbandasvacas.Esto minimizaloserroresdebidosafaltadealineamientodelacabezaoainterferenciasdelcampo magntico.Parasimplificarlaelectrnica,sesuelealmacenarelmismonmerodebitsencada pista. Esto significa que la densidad en bits es mayor en las pistas ms internas.Losdatossetransfierenenbloquesysealmacenanenregionesdeltamaodeunbloque, conocidas como sectores. Normalmente hay entre 10 y 100 sectores por pista, y estos pueden ser de longitud fija o variable. Los sectores adyacentes se separan con regiones vacas. El disco se graba conunformatoquecontienealgunosdatosextra,usadossloporelcontroladordeldiscoyno accesibles al usuario. En la siguiente figura se puede ver la disposicin de los datos: Banda deseparacinde pistassectorespistasSeparacininterbloques En la siguiente figura se muestra un ejemplo del formato de grabacin de un disco. En este caso, cada pista contiene 30 sectores de longitud fija, de 600 bytes cada uno. Cada sector contiene 512bytesdedatos,juntoconlainformacindecontrolutilizadaporelcontroladordeldisco.El campo ID esunidentificador nico,odireccin,usadopara localizar un sector particular. El byte SINCROesunpatrndebitsespecialquedelimitaelcomienzodelcampo.Elnmerodepista identifica cada pista. El nmero de cabeza identifica una cabeza, si el disco tiene varias superficies. El ID y los campos de datos contienen, cada uno, un cdigo de deteccin de errores de redundancia cclica (CRC) que estudiaremos en el apartado siguiente.Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 6Bytes 1512 2Bytes 12 112SincroGap (17 bytes)identificadorpistaID Gap (41 ytes) Datos (41 bytes) Gap (20 bytes) ....................................................30 sectores Sector iN pista N cabeza N sector CRC (errores)Datos Sincro CRC (errores) Existenprocedimientosparaaumentarlacapacidaddeldiscocolocandomssectoressobre laspistasexterioresquesonmslargas,manteniendoconstantelavelocidadderotacin.El sistemaZBR(ZoneBitRecording)esunejemploquerequiereelusodecontroladoresms complejos. Un parmetro a tener en cuenta enel funcionamiento de un disco es el tiempo medio entre fallos, MTBF (Mean Time Between Failures), que se mide en horas (15000, 20000, 30000). Cuanto mayor sea este parmetro mayor ser la fiabilidad del disco. 1.4.Comprobacin de Redundancia Cclica (CRC) Los cdigos de comprobacin de redundancia cclica (CRC) se utilizan fundamentalmente en dispositivos de tratamiento serie de la informacin. El emisor genera a partir deun mensaje de k-bitsquesequieretransmitirunasecuenciaden-bits,denominadasecuenciadecomprobacin (FCS:framechecksequence),queconcatenaconelanteriorparaformarelmensajerealmentetransmitido, con n+k bits. El FCS se elige de manera que el mensaje transmitido sea divisible por algnnmeropredeterminado.Elreceptordividirelmensajerecibidoporesenmero,ysiel resto de la divisin es cero significa queno ha habido errores en la transmisin. 1.4.1.Aritmtica mdulo 2 La aritmtica que se utiliza en las operaciones CRC esmdulo 2, de acuerdo con las reglas de la teora de campos algebraicos. Es decir, no existen acarreos para la suma ni prstamos para la resta. Tanto la suma como la resta resultan puesidnticas a una O-exclusiva: Suma 1111101 + 0101001 - - - - - - - - - -1010100 Resta 1101101 - 0101001 - - - - - - - - - -1000100 Multiplicacin 1111101 x11 - - - - - - - - - -1111101 Divisin 11Coci ent e - - - - - - - - - -111110110000111Di vi dendo 1111101 Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 7 1111101 - - - - - - - - - -10000111 - - - - - - -1111101 1111101 - - - - - - -0Rest o Di vi sor1.4.2.Codificacin M = mensaje de k bits original que se desea transmitir F = n bits de la secuencia de comprobacin (FCS: Frame Check Sequence) T = mensaje de (k + n) bits que setransmite, con n < k P = patrn de n + 1 bits: divisor elegido EsevidentequemultiplicarMpor2nequivaleadesplazarhacialaizquierdanbits, introduciendo ceros por la derecha. Por tanto la operacin de concatenacin de M con F para dar T podemos expresarla de la siguiente forma: T = 2n M + F El objetivo es escoger F de tal manera que T sea divisible por P. Como: 2n MR ------ =Q+-- P P Siendo Q el cociente y R el resto. Por tanto si tomamos F =R, T ser divisible por P T = 2n M - R = 2n M + R Ya que la suma y resta coinciden en aritmtica mdulo 2. Luegoelmensajetotalatransmitirestarcompuestoporlaconcatenacindelmensaje original M y el resto de la divisin de M, desplazado n unidades a la izquierda (2n M), por el patrn P.Ejemplo Emisor Mensaj eor i gi nal at r ansmi t i r M = 1010001101( 10bi t s)Pat r nP= 110101( 6bi t s)FCSR= r est odel adi vi si nde2nM ent r eP 2nM = 25M = 101000110100000 1101010110Q - - - - - - - - - - - - - - -P1101011010001101000002nM110101 - - - - - -111011 110101 - - - - - -111010 110101 - - - - - -111110 110101 - - - - - -101100 110101 - - - - - -Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 8110010 110101 - - - - - -01110R El r est osesumaa2nM par af or mar T T= 2nM + R= 10100011001110 Que es el mensaje o trama que se transmite Receptor Si no hay errores el receptor recibe el mensaje transmitido por el emisor y calcula el resto de la divisin por P: 1101010110Q - - - - - - - - - - - - - - -P110101 1010001101011102nM110101 - - - - - -111011 110101 - - - - - -111010 110101 - - - - - -111110 110101 - - - - - -101111 110101 - - - - - -110101 110101 - - - - - -0R Como el resto es cero se sabe que no ha habido errores. 1.4.3.Representacin de los errores Si se produce un error en la transmisin de un bit del mensaje significa que si en origen vala 0 endestinovale1,yviceversa.Portantolarepresentacindecualquiererror(simpleomltiple) podemos hacerla con una cadena de bits E de longitud igual al mensaje transmitido, con valor 1 en aquellasposicionesdebitenlasquesehayaproducidounerror.ElmensajerecibidoTrtendr pues la siguiente expresin en trminos del mensaje transmitido T y el error producido E : Tr = T E SiT=11000111ysehaproducidounerroreneltercerbitporladerecha,esdecir,E= 00000100, entonces Tr = (11000111) ( 00000100 ) =11000011Evidentemente el receptor fallar en la deteccin de un error si y solo si Tr es divisible por P, lo que equivale a decir que E sea divisible por P. 1.4.4.Interpretacin polinmica de de los cdigos CRC Las secuenciasde bitspodemosrepresentarlos comopolinomios de unavariableannima X con coeficientes 0 1. Con ello facilitaremos los razonamientos de divisibilidad entre mensajes T y patronesdebitsP.Loscoeficientescorrespondernconlosbitsdelaconfiguracinbinariadela secuencia. As, si la secuencia esM= 110011, entonces M(X)=X5 + X4 + X + 1. Las operaciones Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 9aritmticassiguenrealizndoseenmdulo2.Elpolinomiocorrespondientealmensajequese transmite en cdigo CRC vendr dado por: T(X) =XnM(X) + R(X) dondeR(X) es el resto de la divisin de XnM(X)entre P(X), es decir: XnM(X)/ P(X) = Q(X) + R(X) / P(X) 1.4.5.Tipos de errores LaformadelpolinomioP(X)determinaeltipodeerrorqueescapazdedetectarel sistema,esdecir,simple,doble,derfagas,etc.AlrecibirelmensajeTr(X)=T(X) E(X)el receptor lo divide por P(X). Como T(X) por construccin es divisible por P(X), si E(X) tambin es divisible por P(X) nos quedamos sin saber si se ha producido un error de tipo E(X), puesto que en este caso todo el mensaje recibido Tr(X) sera divisible por P(X). Veamos pues qu condicin debe cumplir P(X) para que sea posible detectar un error de tipo E(X) 1.4.5.1. Error simpleA un error de tipo simple (en un solo bit) le corresponde un polinomio E(X) = Xi donde i determinalaposicindelerror.SiP(X)contieneelfactorX+1,E(X)nuncaserdivisiblepor P(X), por lo que detectarn los errores simples. 1.4.5.2. Errores dobles En este caso E(X) = Xi+Xj, donde i > j. Esto tambin se puede escribir como E(X) = Xj (Xi-j+ 1). Si suponemos que P(X) no es divisible entre X, una condicin suficiente para detectar todos los errores dobles es que P(X) no sea divisor exacto de (Xk+ 1) para ningn k hasta el valor mximo dei j, es decir, hasta la longitud mxima del mensaje. Se conocen polinomios sencillos de bajo grado que dan proteccin a mensajes largos. Por ejemplo, X15 + X14 +1no dividir exactamente a (Xk+ 1) para ningn valor de k < 32.768. 1.4.5.3. Errores en rfaga:Un error en rfaga comienza y finaliza en 1, y entre ambos 1s hay0s y 1s. Para un error en rfaga de longitud k,el polinomio tendr la forma:Xi(Xk-1+ +), donde i determina la distancia a laqueseencuentralarfagadesdeelextremoderechodelmensajerecibido.SiP(X)contieneun trmino X0, no tendr a Xi como factor, por lo que, si el grado de (Xk-1+ +) es menor que el grado de P(X), el residuo nunca puede ser cero. Si la longitud de la rfaga es r+1, el residuo de la divisin entre P(X) ser cero si y solo si la rfaga es idntica a P(X). Por la definicin de rfaga, el primero y ltimo bits deben ser 1, as que el que sean iguales o no depende de los r 1 bits intermedios. Si se consideranigualmenteprobablestodaslascombinaciones,laprobabilidaddequeseaceptecomo vlido el mensaje recibido de de 1/2r-1 1.4.6.Polinomios generadores estndar CRC- 12= X12+ X11+ X3+ X2+ X1+ X0 CRC- 16= X16+ X15+ X2+ X0 CRC- CCI TT= X16+ X12+ X5+ X0 CRC- 22= X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X1+X0 1.4.7.Implementacin hardware LageneracinydeteccinCRCseimplementaconuncircuitodivisorcompuestopor puertasO-exclusivayunregistrodedesplazamiento.Elregistrocontienetantosbitscomoel FCS, es decir, n, y n-1puertas O-exclusiva. Cada puerta O-exclusiva se ubica a la entrada de unbiestable correspondiente a un monomio de coeficiente 1, salvoXn.Par ael di vi sor del ej empl o, 110101, cuyopol i nomi oasoci adoes X5+ X4+ X2+ X0 Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 10El divisor tendr la siguiente forma: X5X4 X3 X2X1 X0Bitsdeentrada C4 C3 C1 C2 C0 Sobreeste circuitopodemosseguir el proceso de generacin CRC del ejemplo anterior, para el mensajeM = 1010001101: C4C3C2C1 C0C4 C3 C4 C1 C4 entrada entrada Inicial Paso 1 Paso 2 Paso 3Paso 4Paso 5Paso 6Paso 7Paso 8Paso 9Paso 10Paso 11Paso 12Paso 13Paso 14Paso 1500000 00001 00010 00101 01010 10100 11101 01110 11101 01111 11111 01011 10110 11001 00111 01010 0011 0000 0111 0000 1100 1110 0101 1111 0110 1111 0010 1100 1010 0110 0100 1100 1.5.Parmetros de rendimiento de un disco magntico 1.5.1.Tiempo de bsqueda El tiempo de bsqueda (Ts) es el tiempo que tarda la cabeza en posicionarse en la pista. Se compone dedospartes, el tiempode comienzos o tiempo necesario para quela cabeza adquiera una cierta velocidad radial, y el tiempo necesario para atravesar las pistas que precedena la que seaccede,quenoesunafuncinlinealdelnmerodepistasatravesadas.Sinembargopodemos aproximar Ts con la siguiente expresin: Ts = m * n + s donde: n = nmero de pistas atravesadas m = constante que depende del disco En un disco barato de PC m puede tener un valor de 0,3 ms y s de 20 ms; mientras que en un disco ms caro m puede tener un valor de 0,1 ms y s de 3 ms 1.5.2.Retardo rotacional El retardo rotacional (Tr) es el tiempo que tarda el sector en alcanzar la cabeza. Si r es la velocidad angular del disco en revoluciones/segundo (rps), la expresin del valor medio de Tr ser la siguiente: Tr = 1/2r En discos duros que giran a 3.600 rpm, una revolucin tardar 16,7 ms, y el valor medio del retardorotacionalser8,3ms.Encambiolosdisquetesquegiranentre100y600 rpm tienenun retardo rotacional medio que va de 100 a 200 ms. Mensaje a enviar cinco ceros Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 111.5.3.Tiempo de accesoEl tiempo de acceso (Ta) es la suma del tiempo de bsqueda y el retardo rotacional Ta = Ts + Tr =m * n + s + 1/2r 1.5.4.Tiempo de transferencia (Tt) Es el tiempo que tardan en transferirse los datos a desde el disco una vez accedido el inicio de los mismos. Depender de la velocidad de rotacin del disco: Tt = b/rN donde: b = nmero de bytes a transferir N = nmero de bytes de una pista r = velocidad de rotacin en rps 1.5.5.Tiempo de operacin (To) Es la suma de las componentes anteriores, es decir: To = m *n + s + 1/2r + b/rN En un computador que funciona bajo control de un SO, para realizar una operacin de E/S,a estostiemposhabrqueaadireltiempodeesperaporuncanal,sieldisconodisponedelsuyo propio, y el tiempo de espera en la cola hasta que el dispositivo est disponible. Comparacin de tiempos en acceso secuencial y aleatorio Ts = 20 ms Velc. Transfe. = 1 MB/s Sector = 512 B Pista = 32 sectores Archivo de 128KB = 256 sectores 1) Acceso secuencial 8 pistas adyacentes (256 sectores / 32 sectores/pista = 8 pistas) Acceso a la primera pista = Ts + Tr + Tt(1 pista) Ts = 20 ms Bytes / pista = 512*32 = 16.384 Tiempo / pista = 16.384 / 1.000.000 = 0,016384 s. Tr =0,016384 / 2=0,008192 = 8,192 ms Tt(1 pista) = 0,016384 s. = 16,384 ms Acceso a la primera pista = Ts + Tr + Tt(1 pista) = 45 ms. Acceso a las restantes 7 pistas = 7 * (Tr + Tt(1 pista) ) = 7*(8,192 + 16,384 = 7 * 25 = 220 ms.2) Acceso aleatorio Acceso a un sector = Ts + Tr + Tt(1 sector) = 20 + 8,192 + 512/1.000.000 = 28,8 ms. Acceso a 256 sectores = 256 * 28,8 = 7.372 ms Existen una serie de tcnicas que permiten aminorar los accesos a disco as como acelerar las transferencias de datos entre el sistema y el dispositivo. Una de las ms conocidas es la utilizacin de memorias intermedias, buffers o cachs. Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 12BufferdePista:Esunamemoriaincluidaenelcontroladordeldisco,quealmacenael contenido de una pista completa. As cuando se hace una peticin de lectura de una pista, esta se puede leer de una sola vez, enviando la informacin a la CPU.Cachs de Disco: Pueden estar dentro del propio disco duro, en tarjetas especiales o bien a travs de programas utilizando la memoria central. La gestin de esta memoria es completamente transparenteyconsisteenalmacenarenellalosdatosmspedidosporlaCPUyretirardeella aquellos no solicitados en un determinado tiempo.1.6.DispositivofloppyEldispositivofloppydiskfueintroducidoporIBMen1967.Laprimeraversintenaun tamaode 8pulgadasyseredujoa 5.50pulgadasen la segunda con 360 KB, quese utiliz en el primerIBMPCen1981.Posteriormenteaparecilaversinde3.25pulgadascon1.44MB.El floppyutilizaunafinacapadematerialplsticorecubiertadexidodehierro(material ferromagntico) 1.6.1.Estructura de bloques del dispositivo Como puede verse en el esquema de la siguiente figura, un dispositivo floppy dispone de los siguientes elementos: -Mecanismodecabeza:unasolacabezaparalecturayescritura,yotraparaborrado inmediatamenteantesdelaescritura.Lacabezaesaccionadaporunmotorpaso-a-paso quelepermiteposicionarlaradialmenteenunacualquieradelaspistasdelfloppy. Tambindisponedeunmecanismodeelevacindelacabezaqueseutilizaparaevitarel rozamiento con la superficie cuando se mueve radialmente. -Motordegiro:hacegirareldisketteaunavelocidadde300369revolucionespor minuto. -Detectordelapistacero:queeldispositivoutilizacomoreferenciaparadesplazarla cabeza a la pista adecuada. -Detector de inicio de pista: fotodetector que genera una seal cada vez que se inicia una nueva revolucinde giro. Detectordepista0fotoclulaCabezal/eMotordeGiroPulsoDireccin pulsoElevacin cabezaGiro motorListo Proteccin escri. IndicePista 0RelojDatos lecturaDatos escrituraMotorPaso-a-pasoLecturaYEscrituraEstadoControl Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 13Todosloselementosdeldispositivosonaccionadosysupervisadosdesdeloscircuitosde Control, Lectura/Escritura y Estado, a travs del controlador del dispositivo. 1.6.2.Formato de datos ndicesectorIDCampo de Datosmarca CRC pista sector longitudsectormarca 128 bytes de datos CRCmarcainiciopista 1.6.3.Estructura y funcionamiento del controlador de dispositivo La estructura del controlador del floppy disk se representa en la siguiente figura: DISCO Registro de DatosRegistro de DesplazamientoR. de Compensacin y SalidaRegistro de OrdenesRegistro de PistaRegistro de SectorRegistro de EstadoBufferdeDatosLgicadeSeleccinyControlCPUCircuitosdeAdaptacinyControl Consta de los siguientes elementos: Registro de pista contiene el nmero de pista sobre el que se encuentra la cabeza. Registro de estado codificala informacin de estado del dispositivo: disponible,. Registro de Ordenes almacena la orden recibida por la unidad de E/S. Entre otras dispone de las siguientes: Bsqueda de pista Bsqueda de sector Lectura de sector Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 14Escritura de sector Analicemos las acciones que tienen lugar en el dispositivo durante la ejecucin de la primera de estas rdenes. Bsqueda de pista Elregistrodepistaseinicializaa0cuandoseenciendeelmotordegiroyseactivael detector de pista 0. Una vez que el mdulo de E/S ha puesto la orden de Bsqueda de pista sobre el RegistrodeOrdenes,cargaenelRegistrodeDatoselnmerodelapistaabuscarycomienzala operacin.SecomparanlosregistrosdeDatosyPista.Sisuscontenidoscoinciden,lacabezase encuentra en lapistabuscada, y la operacin finaliza con una interrupcin despus de desactivar lasealdeElevacindecabezaytranscurrirunretardodetiempoparaelasentamientodela cabeza.Encasocontrarioseenvaunpulsoalmotorpaso-a-pasodelacabezaconladireccin adecuada(dependiendodelresultadomenoromayordelacomparacin)afindedesplazarlaala pista contigua. Despus se actualiza el Registro de Pista y se vuelve a comparar. >= < : Pulso HDireccin pulso 1R.Pista + 1Pulso HDireccin pulso 0R.Pista - 1Elevacin cabeza0Retardo( asentamiento de la cabeza)InterrupcinR.Datosn de pista 2.Discos pticos Setratadedispositivosparaelalmacenamientodeinformacincuyalecturaserealizapor mediospticos.Existendiferentestipos,siendolosmsimportanteselCD-ROM(CompactDisc ROM) y el WORM(Write Once, Read Many times). 2.1.CD-ROM Lainformacinsealmacenaenformadehoyos(pits)ysalientes(bumps),grabados mecnicamente sobre un substrato de aluminio brillante, y son ledos por medio de un lser que se refleja con diferente direccin en los hoyos que en los salientes.0,5 micras1,6 micras Base depolicarbonato transparenteEtiquetaCapa protectoraCapa aluminio Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 152.1.1.Proceso de escritura (grabacin)-Lainformacinsecodificausandouncdigodecanalconelquecadabyte(ASCII) queda representado por 14 bits y se graba en una cinta magntica-La cinta es leda por un grabador de moldespara controlar un modulador ptico de un lser de potencia.-El lser se enfoca sobre la superficie fotosensible que recubre el disco molde (que es de cristal). -Mediante un proceso anlogo al utilizado en la fabricacin de CIs se revela el disco.-Laszonas de la superficie fotosensible que han sido expuestas a la luz se convierten en hoyos, resultando un relieve exactamente igual al que tendrn los CD-ROM.-Delmoldeoriginalseobtienenvariosdiscosdenominadosmatrices,quesoncopiasen negativo de los discos definitivos.-Con las matrices se obtiene la capa de aluminio de CD-ROM.-Finalmente se asla del exterior, emparedndola entre la capa protectora superior y la base inferior de plstico Con los CD-ROM se consiguen una densidad de grabacin de 16.000 pistas/pulgada (t/i) muy superior a la de los discos magnticos (los disquetes 96 t/i. 2.1.2.Proceso de lectura-Seutilizaunhazdeluzgeneradoporundiodolserdearseniurodegalio,queuna lente enfoca sobre la superficie de la base de plstico, convirtindose en un punto de 1 micra.-El enfoque no se realiza sobre la superficie externa de la base de plstico, sino sobre el aluminio,porloquelaspartculasdepolvoorayadosdelexteriordeldiscoapenas afectan a su lectura.-La lectura se efecta con un fotodetector que mide la cantidad de luz reflejada (genera una corriente proporcional a la radiacin recibida).-Cuandolaluzincidesobrelosbordesdeloshoyossedesva,deformaqueapenas vuelve nada hacia el objetivo, obtenindose as un "1".-Cuandoelhazincidesobrelasuperficieplanadehoyosysalientessereflejacasisin desviacin,captndoseeneldetectorprcticamentelatotalidaddelhaz,obtenindose as un "0". laser de lectura(lee 1)laser de lectura(lee 0)Base de10000010010000000000001000000010000001 2.1.3.Codificacin de la informacin A nivel lgico la informacin se organiza en bloques (sectores) de 2.352 bytes, con el formato que aparece en la siguiente figura: Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 16Error Correcting Code bytes124 2.048 288 SincronismoIDDatosECC MinutoSegund.SectorModo00FFFFFF00 A nivel fsicoLos1'sserepresentanporelcambiodehoyoasalienteylos0'sporlassuperficiesdelos hoyos y salientes. Cada 0,3 micras de hoyo o saliente a lo largo de la pista corresponde a un 0. La longitud mnima fsicamente posible para hoyos y salientes es de 0,6 micras, lo que exige que 21's deben estar separados como mnimo por 20's. Por eso cada byte de datos se codifica con 14 bits de canal, segn la siguiente tabla: Codificacin EFM (Eight to Fourteen Modulation) Byt eCdi godecanal00000000 00000001 00000010 00000011 00000100 00000101 00000110 00000111 . . . . . . . . .01001000100000 10000100000000 10010000100000 10001000100000 01000100000000 00000100010000 00010000100000 00100100000000 . . . . . . . . . . . . . . . . .Los 2.352 bytes de cada sector se estructuran en tramas. Cada trama contiene 24 bytes de sector. bits24 317136588 bitsbytedesector 241 byte de sectorbits 14 3datos sepbytedesector 1 bytedesectori sincronizacin sep control 8 ECC Un sector queda representado por 98 tramas (98*24=2.352) Bits de canal de un sector = 588 bits/trama * 98 tramas/sector = 57.624 bits Luego los 2.048 bytes = 16.388 bits de datos de usuario ocupan 2.352 bytes = 18.816 bits de datos lgicos y 57.624 bits fsicos de canal. 2.2. DVD (Digital Versatil Discs) Constandevariascapasdeinformacinsobreunamismacaradeldiscoseparadaspor materialesquepermitenelaccesoselectivoacadacapapormediodelserescondiferentes propiedadesde reflexin.Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 17BasedeBasede 2.3.WORM (Write Once, Read Many times) SonunidadesdediscospticossimilaresaloslectoresdeCD-ROM,peroquecontienenun lser de potencia, de forma que en la propia unidad se puede efectuar la grabacin del disco. 2.4.Discos magnetopticos o WMRA (Write Many, Read Always) 2.4.1.Proceso de escritura Losdiscosvrgenessonpreviamentemagnetizados,esdecir,escritostodoa0's, magnetizacin norte, o todo a 1's, magnetizacin sur. En la fase de escritura se realizan dos acciones: 1.Toda la superficie del disco se somete a un campo magnticouniforme, de sentido contrario aldemagnetizacininicial,ydeintensidadnosuficienteparaalterarelestadode magnetizacin inicial de cada celda. 2.Simultneamentesehaceincidirunlserdeunos40mWdepotenciasobrelasceldasen las que hay que escribir un valor distinto al inicial. De esta forma la celda se calienta cerca de su punto de Curie, con lo que cambia el sentido de magnetizacin inicial de la celda. campo magntico externo lser deescrituramagnetizacin inicial | | | | | | | | | | | || | | | | + | | | | | | 2.4.2.Proceso de lectura El proceso de lectura se funda en el efecto Kerr, que consiste en que el plano de polarizacin de un haz de luz gira en un sentido u otro, segn el estado de magnetizacin de la superficie en la queserefleja.Lalecturaserealizaconunlserdeunos10mWdepotencia,queincide secuencialmentesobrelasceldasdeldiscoquesevanaleer,captndoselaluzreflejadaenun fotodetector despus de haber pasado por un analizador ptico. fotodetectorlser delectura| | | | | + | | | | | |fotodetectorlser delectura| | | | | | | | | | | | 2.4.3.Proceso de regrabacin Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 18Paravolveraescribirsobreundiscopreviamenteescritoseprocedeenprimerlugaral borrado de todas las celdas que contengan un sentido de magnetizacin distinto al inicial. Para ello se aplica un campo magntico externo de sentido igual al inicial y con la suficiente intensidad para invertir el sentido de magnetizacin de cualquiercelda que no coincida con el del campo externo. La capacidad de este tipo de discos va de 0.5 a 1 GB y una velocidad de transferencia de unos 150 KB/s con tiempo de acceso de 300 ms. 3.Monitores de tubo de rayos catdicos (CRT) Eltuboderayoscatdicos(CRT)haocupadounlugarpreferenteentrelosdispositivosde salidadeuncomputador,fundamentalmenteporquecompartelatecnologabsicaconlostubos tradicionalesdelostelevisores,beneficindosedelaeconomadeescaladelasgrandesseriesde produccin. El elemento bsico de un CRT es un tubo de vidrio en cuyo interior est hecho el vaco. En un extremo del tubo existe un ctodo que al calentarse emite un chorro de electrones (can de electrones) que puede ser controlado y enfocado por una serie de bobinas de deflexin situadas en el cuello del tubo. En el otro extremo el tubo de vidrio se ensancha y se recubre interiormente por unaovariascapasdefsforoconstituyendolapantalla.Cuandoelfsforodelapantallaes impactadoporelchorrodeelectrones,emiteluzdeuncolorquedependedeltipodefsforo.La posicin del punto de emisin y la intensidad de la luz emitida son controladas por las bobinas del cuellodeltubo.Lapersistenciadelapantallaeseltiempoquetranscurredesdequesedejade emitir el haz hasta que la fosforescencia decae al 10% de su valor inicial. En la prctica este valor estcomprendidoentre10y60microsegundos.Portanto,para quela imagenaparezca deforma estableynofluctuante,laelectrnicaasociadaalapantalla(elcontrolador)deberrefrescarla imagen peridicamente a una frecuencia determinada por la persistencia. CRT CandeelectronesCapadefsforoBobinasdedeflexinPantalla Existendostiposdemonitoresbasadosentubosderayoscatdicos,losvectorialeso caligrficos y los de barrido o raster. En un CRT de refresco vectorial la unidad de representacin es la lnea (vector). Generan la imagen haciendo que un haz de electrones trace sobre la superficie fosforescente de la pantalla los segmentos que forman la figura que se quiere visualizar. En los CRTs de barrido la unidad de representacin es el punto (pixel). La pantalla se recorre (barre)enlneashorizontalesdelmismonmerodepuntos.Estostuboscomponenlaimagen modulando el haz de electrones en funcin de la intensidad de gris del correspondiente punto justo en el momento queel haz est situado en la posicin adecuada sobre la pantalla. Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 19 3.1.Principios de funcionamiento del tubo de barrido Enlasiguientefigurasehanrepresentadoloscomponentesprincipalesdeunmonitor monocromo (blanco y negro) de un tubo de rayos catdicos (CRT) que utiliza la tcnica de barrido. Esta tcnica es anloga a la utilizada por los aparatos de televisin. Las seales que actan sobre labobinadedeflexinsongeneradaspordososciladores,unoactuandosobrelacomponente horizontalyelotrosobrelavertical.Lososciladoressonsincronizadosporsealesexternas, HSYNCpara la sincronizacin horizontal, y VSYNC para la vertical, despus se amplifican antes de entrar en la bobina. La seal de VIDEO controla la intensidad del haz de electrones, y por tanto la iluminacin de los puntos de la imagen sobre la pantalla. VHVIDEOVSYNCHSYNCOSCILADORHORIZONTALOSCILADORVERTICALAMPLIFICADORHORIZONTALAMPLIFICADORVERTICALAMPLIFICADORDE VIDEOCRTCan deelectronesBobinadedeflexin Capa defsforo Enlasiguientefigurahemosrepresentadolaformaenqueserealizaelbarridodeuna pantallamonocromo.Elhazdeelectronescomienzaenlaesquinasuperiorizquierdaysemueve horizontalmentedeizquierdaaderecha.Cuandocompletalaprimeralneahorizontalvuelveal flancoizquierdopararealizarelbarridodelasegundalnea,altiempoqueelhazsufreuna pequea deflexin vertical, en sentido descendente. De esta forma se genera un conjunto de lneas horizontales paralelas hasta alcanzar la esquina inferior derecha. En este punto se dice que se ha completadounbarridoverticalounmarco.Despuselhazdeelectronesvuelvealaesquina superior izquierda para repetir el proceso y as refrescar la pantalla. El refresco se hace necesario para que la imagen aparezca persistente en la retina del usuario. 1 2 3 4 5 6 7 Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 20Paraproducirelbarridodescritolososciladoreshorizontalyverticaldeberngenerarunas seales en forma de diente de sierra, tal como las que se presentan en la figura siguiente: tiempo12 3 4 56 7HVVIDEOtiempotiempo LasealdeVIDEOcontrolalaintensidaddeiluminacindelpuntodebarridoencada instante,haciendoquesedibujelaimagensobrelapantalla(laletraAmaysculaenlafigura anterior).Enestecasolaintensidadlahemosconsideradobinaria,presenciaoausenciadeluz (blanco o negro). En muchos CRTs la seal de VIDEO ser un valor entero que permite graduar la intensidad de los pixels en una escala de grises. Sielrefrescodelapantallaserealizaaraznde60marcos/segundo,correspondeaun intervalodetiempode16.67ms,deloscualesslo15,42msseconsumenestrictamenteenel barrido vertical, los restantes 1,25 ms se emplean en el retorno vertical.ms16,67 15,42retorno vertical barrido verticalV Lo mismo le ocurre al barrido horizontal. Unos valores tpicos para el barrido y el retorno son los que se muestran en la siguiente figura: s10 53,5retorno horizontal barrido horizontalH Con los valores anteriores, el nmero total de lneas de un marco ser: 1.542 s / 63,5 ~ 242 lneas. 3.1.1.Sincronismo Las seales de barrido horizontal y vertical tienen evidentemente que sincronizarse entre s yconlasealdeVIDEO,queporsimplicidadseguiremosconsiderandoqueesbinaria.La sincronizacin del barrido horizontal y los pulsos de video se muestra en la siguiente figura: Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 21HSYNCHpulso desincronismo horizontalborrado horizontal pulsos devdeo Algo equivalente ocurre para el sincronismo vertical: Vintervalo deboorrado verticalVSYNCpulsos deVIDEO yHSYNChor 3.1.2.CRT de caracteresParaentenderelfuncionamientodelalgicadetemporizacinycontroldeunapantalla basada en un CRT que slo visualiza caracteres, consideraremos en primer lugar el caso aislado de generacindeuncarcter,laZ,queconstituyeelprimercarcterdeunalneaalmacenada entre las direcciones dir_ini y dir_fin en la RAM de refresco. La codificacin en mapa de bits de todos los caracteres visualizables se halla en una memoria ROM, denominada Generador de Caracteres. En dir_iniseencuentraenrealidadlacodificacinASCIIdelaZ,queseutilizarcomopuntero (direccin) al inicio de la zona de laROM donde comienza la codificacin en mapa de bits de la Z. Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 22 dir_fin dir_ini LOGICA DE TEMPORIZACION Y CONTROL lnea 0 lnea 1 lnea 2 lnea 3 lnea 4 lnea 5 lnea 6 dir_refrescodir_lnea Reloj desplaz. carga(RAM) MEMORIA DE REFRESCO HSYNC VSYNC VIDEO (ROM) GENERADOR DE CARACTERES 01111100 00000100 00001000000100000010000001000000 01111100 Cdigo ASCII utilizado como puntero Registro dedesplazamiento Z(en ASCII) ParavisualizarlaZtendremosqueirextrayendodelaROMelvalorbinariodesuspixels, lnea a lnea, llevando cada lnea al Registro de Desplazamiento que controla la seal de VIDEO, es decir,lapresencia(1)oausencia(0)deluzenlapantalla.Hemossupuestoquelaresolucinde cadacarcter,incluyendolospuntosdeseparacinesde8x7=56 pixels.Elprocesocompletode refrescodelalneacontenidaentrelasdireccionesdir_iniydir_findelamemoriaderefrescolo hemos representado en el siguiente diagrama: si no REGISTRO DESPLAZAMIENTO ROM[RAM[dir_refresco] +dir_lnea] Despla. DerechaREGISTRO DESPLAZAMIENTO 8 posiciones dir_lnea dir_lnea+1 dir._refresco>dir_findir_lnea>6 dir_refrescodir_refresco +1nosi dir_ lnea 0 dir_refresco dir_ini 3.2.Controlador de un CRT de caracteres Laestructuradelcontroladorcompletodelapantalladetuboderayoscatdicosde caracteres la componen un conjunto de contadores que actan sobre la RAM de refresco, la ROM de generacindecaracteres,elRegistrodeDesplazamientoquecontrolalasealdeVIDEOyla LgicadeTemporizacin.Supondremosquelaresolucindelapantallaesde16filascon32 caracterescadauna,ycadacarcterestdefinidoporunamatrizde7x10puntos,talcomose muestra en la siguiente figura: Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 23caracter 2 caracter 3 caracter 1lnea 1lnea 10columna1 columna7ESTA ES UNA LINEA...caracter 1 caracter 32fila 1fila 1632 X 16 ElcontroladoractaensicronizacinconunRelojquegeneraunpulsoporcadapxela visualizar.ElRelojactasobreelRegistrodeDesplazamientoparamarcarlosinstantesenque tiene que renovarse el punto de la lnea en fase de visualizacin. Tambin acta de forma directa sobreelContadordePuntosdecadalneadeuncarcter.Enrealidadestecontadoroperacomo divisordelafrecuenciadelRelojparacargarelRegistrodeDesplazamientoconlassucesivas lneas de todos los caracteres que se visualizan en la misma fila de la pantalla. 54HSYNCVSYNCVIDEOESTA ES UNA LINEA...cargadesplazamientoContador defila decaracteres(16)Contador delneade puntos(10)Contador decaracteres(32)Contador depuntos(7)(RAM)(ROM)RetardoRegistro de desplazamientoRelojLgica de temporizacinHSYNC, VSYNC, VIDEOcaracter 1 caracter 32fila 1fila 1632 X 16747 La salida del Contador de Puntos acta sobre el Contador de Caracteres, que a su vez acta sobreelContadordeLneadePuntos,quefinalmenteactasobreelContadodeFilade Caracteres.Estefuncionamientoencascadadelos4contadoresvadividiendolafrecuenciadel Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 24Reloj en los valores adecuados al recorrido de cada contador, que se corresponden con la resolucin de la pantalla: -Contador de Puntos Puntos de cada fila de cada carcter (7) -Contador de Caracteres Nmero de caracteres de una fila de la pantalla(32) -Contador de Lnea de Puntos Nmero de lneas de puntos de cada carcter (10) -Contador de Fila de Caracteres Nmero de filas de caracteres de la pantalla (16) 3.3.Controlador de un CRT de mapa de bits Un CRT de mapa de bits permite visualizar en pantalla cualquier forma grfica cuyos pixels hayansidocodificadospreviamenteyalmacenadosenlamemoriadevdeodelcontrolador.Esta memoriatendrunnmerodeposiciones(bytes)igualalnmerodepixelsquecomponenla pantalla.Cadaposicindelamemoriadevdeoalmacenaelvalordegris(de0a255)del correspondientepxel.Enlasiguientefigurahemosrepresentadounesquemageneraldel controlador para un CRT de mapa de bits. Un contador cclico acta como registro de direcciones de la memoria de vdeo en sincronismo conlassealesdebarridohorizontalyvertical.Elbyteledodelamemoriadevdeopasaaun registro de datos cuya salida est conectada a un conversor digital/analgico que transforma el byte en una seal analgica proporcional a su valor. Esta seal es la que modula la entrada de vdeo del CRT haciendo que elpuntode la pantalla donde en ese momento se encuentre posicionado el haz deelectronesporlassealesdebarridohorizontalyvertical,seilumineconunaintensidad proporcionalalvalordelbyte.Enlasiguientefigurahemosrepresentadoelcontenidodela memoria de vdeo correspondiente a una pequea rea rectangular de una figura representada en escala de grises. La intensidad de los pixels vara de 0 (negro) a 255 (blanco) Memoria (buffer) de video 20020622523222721622422021220216915513355168200142185227245252253253251 Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 252062142262392292132172132062021731117148162206157175225224241253253252 2292322282312202042102122132181961123993134147137102171200226247252252 2222202212282262122282032262301981221391071309011234102203198240253244 22522623023123522322621323420114116313814013760851968169228209234253 2262272312312262202192142171681321324710814960542089194164181180209 22422222522821121321821219116318112933771254811973162149150188189 2222172192242152192242201901751921571085849132111928105142171174 222212213218229227223225198179130126122258104111326109114117 2242142162212392242232211891818790128573412107237155946 22922222723624221822721917218897721651376029123511969798968 2292202152212382242272191771811251241781898421357121912476146146 22421922121422521623322220420421116617220763387910721915483114144 2212202262222262092152221972181992071425448120518419622119712498137 22522522522623721820519118920719513711891349398183218215233184123149 23223121821823822821521421219415860921051687148210204213239216163180 23223021222723221520121220315210128614713143202203221222229216185189 Pantalla Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 264.Pantallas de cristal lquido Elcristallquidodetipotwistednematic,inventadoporSchaldyHelfrichymostradopor Fergason en 1971, representa la primera aplicacin con xito de los cristales lquidos. Se basa en la regulacin del paso de luz polarizada mediante cristal lquido sometido a una tensin elctrica. Cuando la luz no polarizada pasa a travs de un filtro polarizador, slo se transmite un plano depolarizacin.Siseutilizandosfiltrospolarizadoresjuntos,latransmisindelaluzdepender desuorientacinrelativa.Porejemplo,cuandolospolarizadoressedisponendeformaquesus planosdepolarizacinsonperpendicularesentres,laluzsebloquea.Perocuandoelsegundo filtro, llamado analizador, es paralelo al primero, la luz que pasa por el primer filtro pasa tambin a travs del segundo. analizador polarizador luz bloqueada luz no polarizada luz polarizada analizador polarizador Luz polarizadaluz no polarizada luz polarizada Una celda de cristal lquido twisted nematic est compuesta por: -Dos superficies de vidrio transparente cubiertas de un material conductor tambin transparente (oxido de estao) que acta como electrodo -Un regulador de precisin del gap entre las dos superficies de la celda. -Dos polarizadores cruzados: el polarizador y el analizador -Material de cristal liquido nematic Las superficies de los electrodos transparentes en contacto con el cristal lquido se recubren de una fina capa de polmero que ha sido frotado en una direccin.Las molculas de cristal lquido tiendenaorientarseconsusejeslongitudinalesparalelosaestadireccin.Lassuperficiesde vidriosedisponendemaneraquelasmolculasadyacentesalelectrodosuperiorseorienten formandounngulorectoconelinferior.Cadapolarizadorestorientadoconsuplanode polarizacinparaleloaladireccindefrotacindelelectrodoadyacente(deestaformael polarizadoryelanalizadorestncruzados).Enausenciadeuncampoelctricoelejedirectordel cristallquidosufreungirosuave de90 dentro de lacelda.La luz nopolarizada entra alprimer filtro polarizador y sale polarizada en el mismo plano que la orientacin local de las molculas de cristallquido. La disposicin girada (twisted) de las molculas de cristal lquido dentro de la celda Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 27actan como gua de las ondas luminosas y rotan el plano de polarizacin en un cuarto de giro (90) demaneraquelaluzquealcanzaelsegundopolarizador(analizador)puedeatravesarlo.Eneste estado la celda de cristal lquido es transparente. Cuando se aplica un voltaje a los electrodos, las molculas de cristal lquido tienden a alinearse con el campo elctrico resultante E, y de esta forma se pierde su propiedad de gua de las ondas luminosas, bloquendose el paso de la luz polarizada. Cuando se desconecta el campo elctrico, las molculas tienden a adoptar de nuevo el estado girado (twisteado) y la celda se convierte de nuevo en transparente. analizador polarizador luz no polarizada luz polarizada luz polarizada 5.Monitores de color Los monitores de color tienen una organizacin similar a los de blanco y negro pero utilizan un can de electrones para cada uno de los tres colores bsicos. Cada punto de la pantalla, pxel, estcompuestoportrespequeasreasqueseiluminanderojo,verdeyazulcuandoincideel correspondiente haz de electrones. La relacin entre las tres intensidades de electrones produce la correspondiente intensidad de los tres colores bsicos para formar el color real de la imagen. rojoverdeazul 5.1.Modelo aditivo del color (RGB) Los colores rojo, verde y azul se denominan colores aditivos primarios porque todos los dems colores del espectro se pueden obtener a partir de ellos. Son los colores utilizados en el estudio de losmonitoresdeordenador,yaqueunmonitorproducelospuntosdeluz(pixels)apartirdetres apolarizador luz no polarizada Ausencia de luzE Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 28fuentes de luz, una roja, otra verde y otra azul (tres caones de electrones en los CRT, o tres celdas bsicas en las pantallas TFT). Todos los colores que se visualizan en el monitor son funcin de las cantidades de rojo, verde y azul que se suman en cada pixel. Por este motivo, uno de los modelos de color ms utilizados en informtica grfica es el modelo RGB (Red, Green, Blue). Para representar uncolorenelsistemaRGBseasignaunvalorentre0y255(unbyte)acadaunodelos componentes rojo, verde y azul que lo forman.Loscoloresprimariosopurossonlossiguientes:RBG(255,0,0)=rojoclaro,RBG(0,255,0)= verde claro yRBG(0,0,255) = azul claro. Loscoloressecundariossoncian,magentayamarillo,yresultandelacombinacinde diferentes pares de los colores primarios en iguales intensidades:RBG(0,255,255) = cian claro = verde claro + azul claroRBG(255,0,255) = magenta claro = rojo claro + azul claro RBG(255,255,0) = amarillo claro = rojo claro + verde claro.El negro es la ausencia de color (o la ausencia de luz) y su valor es RGB(0,0,0).Elblancoeslapresenciadetodosloscolores(ensuintensidadmxima)ysuvalores RGB(255,255,255).Todos los tonos de grises del negro al blanco se representan con tres valores iguales para los componentes rojo, verde y azul (no predomina ningn color), es decir que tienen la forma RGB(x, x, x), por ejemplo RGB(192,192,192).Elespaciodecoloresdelmodelo RGB puederepresentarsemediante un cubounitarioen el que los colores bsicos han sido normalizados (de 0 a 1). 5.2.Modelo sustractivo del color (CMYK) Por el contrario, los colores generados por filtrado de longitudes de onda cuando la luz incide sobre una superficie se denominan colores sustractivos. La superficie absorbe ciertas longitudes de onda y refleja otras. El color final va a depender de las longitudes de onda de la luz incidente que son reflejadas por los pigmentos de color de la superficie. Una superficie ser de color azul cuando absorba todas las longitudes de onda de la luz incidente excepto las correspondientes al color azul, quesonreflejadas.Encambiounasuperficieserblancacuandoreflejetodaslaslongitudesde onda,ynegracuandolasabsorbatodas.Enesteesquemasustractivo,loscoloresprimariosson diferentes, concretamente el cian, el magenta y el amarillo. A partir de estos tres colores podemos Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 29obtener casi todos los dems, salvo el blanco. La mezcla de pigmentos cian, magenta y amarillo no produceelcolorblancosinouncolorgris.Elnegrotampocoesposibleobtenerloapartirdelos primarios,siendonecesarioincluirloenelconjuntodecoloressustractivosbsicos.Portanto,el modelodecolorutilizadoenpintura,imprentay,engeneral,entodasaquellascomposicionesen lasqueloscoloresseobtienenmediantelareflexindelaluzsobremezclasdepigmentosesel modeloCMYK(Cyan,Magenta,Yellow,Black).EnelmodeloCMYKelcolorresultadela superposicin de tintas semitransparentes de los colores cian (azul claro), magenta (rosa intenso), amarillo y negro, y su notacin se corresponde con el valor en tanto por ciento de cada uno de estos colores.Deestaforma,uncolorcualquieravendrexpresadoenelsistemaCMYKmediantela expresin (C,M,Y,K), en la que figuran los tantos por ciento que el color posee de los componentes bsicosdelsistema.Porejemplo,(0,0,0,0)esblancopuro(elblancodelpapel),mientrasque (100,0,100,0)correspondealcolorverde.ElsistemaCMYKseutilizaenlasimpresorasde inyeccin de tinta.

5.3.Memoria de vdeo de un monitor de color Con independencia de la tecnologa utilizada en la construccin de un monitor de color (CRT o LCD) deber disponer de una memoria de vdeo (framebuffer) con capacidad para almacenar las tres componentes de color (canales) de cada uno de los pixels de la pantalla. Cada pxel requerir 24 bits, 1 byte para cada color. El nmero total de colores ser pues de 224=16.777.216.Silapantalladisponede1024X1024pixels,sernecesariounamemoriade vdeo de 210X 210X 224 = 28X 236 = 64GB.Unaalternativaparareducireltamaodelamemoriadevdeoconsisteencodificarcada pxel con un menor nmero de bits y utilizar el valor binario del pxel como ndice a una paleta de colores donde se encuentran las tres componentes RBG correspondientes al color codificado con el valor del ndice. Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 30 6.Unidad de procesamiento grfico (GPU) 6.1.Evolucin de los controladores grficos La primera tarjeta grfica para PCs fue desarrollada por IBM en 1981, la MDA (Monochrome Display Adapter), que trabajaba en modo texto y era capaz de representar en pantalla 25 lneas de 80 caracteres. Contaba con una memoria de vdeo de 4KB con capacidad para almacenar una sola pgina. Se utiliz con monitores monocromo de color verde. Despus se sucedieron diversas tarjetas grficas que resumimos en la siguiente tabla: AoModo TextoModo Grficos ColoresMemoria MDA (Monochrome Display Adapter) 198180*25-14 KB CGA (Color Graphics Adapter)198180*25640*200416 KB HGC (Hercules Graphics Card )198280*25720*348164 KB EGA (Enhanced Graphics Adapter)198480*25640*35016256 KB VGA (Video Graphics Array)1987720*400640*480256256 KB SVGA (Super Video Graphics Array)198980*251024*7682562 MB XGA (Extended Graphics Array) 199080*251024*76865K1 MB La evolucin de los controladores grficos dio un giro importante en 1995 con la aparicin de lasprimerastarjetas2D/3D,fabricadasporMatrox,Creative,S3yATI,entreotros.Dichas tarjetascumplanelestndarSVGA,peroincorporabanfunciones3D.Seinicilaeradelas Unidades de Procesamiento Grfico (GPU).LasactualesGPUshanidoincorporandoalhardwarebuenapartedelasoperaciones implicadasenelrenderizadodeimgenes3Dsobrepantallas2D.Porelloesnecesarioun conocimiento mnimo de las complejas operaciones que tienen lugar en este proceso.6.2.Etapas en el procesado grfico (pipeline grfico) El procesado grfico de una escena 3D que forma parte de una aplicacin se puede organizar como un proceso segmentado (pipeline) compuesto de dos fases principales: la fase geomtrica y la fase de rasterizado, tal como aparece en la siguiente figura. La fase geomtrica opera sobre cada vrtice de los tringulos que componen los objetos de la escena, transformando la posicin 3D en una posicin 2D de la pantalla y calculando sus atributos. AplicacinTringulos 3DFase Geomtrica (vrtices) Fase de Rasterizado (pixels) PixelsTringulos 2D Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 31La fase de rasterizado opera sobre cada tringulo, rasterizndolo, interpolando los atributos de los vrtices a lo largo del tringulo, y resolviendo la visibilidad. 6.2.1.Fase geomtrica (vertices) Durante la fase geomtrica se realizan una serie de transformaciones matemticas antes de llegar a calcular las coordenadas de pantalla. La primera transforma las coordenadas locales de los objetos de la escena, denominadas coordenadas del modelo, en coordenadas generales y nicas para todalaescena,denominadascoordenadasdelmundo.Unavezfijadoelpuntodevistadel observadordelaescena(cmara)lascoordenadasdelmundosetransformanencoordenadasde vista, en las que solo aparecen los objetos de la escena vistos desde la cmara. Estastransformacionesserealizanencoordenadashomogneasyvienendeterminadaspor lascorrespondientesmatricesdetransformacin.Porejemplo,paraobtenerlascoordenadasdel mundoseaplicanacadaunodelosvrticesdelaescenatrestiposdetransformacionesafines: translacin, giro y escalado, cuyas correspondientes matrices aparecen en la siguiente figura. Coordenadas del modelo Coordenadas del mundo escaladotraslacin xxxs000 x' x0s00 y' y=z' z 00 s 01 1 00 01 ((( ((( ((( ((( ((( xyz100t x' x010t y' y=z' z 001t1 1 0001 ((( ((( ((( ((( ((( (

( ) x1 0000cos - sen0R =0sencos00 001u uuu u ( ( ( ( ( ( ) ycos0sen00 10 0R =-sen 0cos00 00 1u uuu u ( ( ( ( ( ( ) zcos- sen00sencos 0 0R =00 0 000 0 1u uu uu ( ( ( ( ( Transformaciones afines giro Coordenadas del modeloCoordenadas del mundoCoordenadas de vistaCoordenadas de proyeccin Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 32Dentrodelafasegeomtricatienenlugarotrasdosoperaciones:elrecorte(clipping)yla ocultacin(culling).Elrecorte descartaparcialototalmentelostringulosquequedanfueradel ngulo de visin definido para la imagen. La ocultacin elimina los tringulos de los objetos que quedan ocultos tras su cara visible. 6.2.2.Fase de rasterizado (pixels) Esta fase consta de una serie de operaciones realizadas sobre los pixels de la imagen, de las que las ms importantes son las siguientes: 6.2.2.1. Conversin por barrido (scan conversion o rasterizer) Estaetapaseencargadeconvertirlasimgenes3Denunamatriz2Ddepuntosdondese guarda informacin acerca del color de cada uno de los pixels. Para ello se utiliza el frame buffero memoria de vdeo, un array cuyos elementos son ternas RGB que definen el color para cada uno de los puntos 2D asociados con la conversin de los polgonos 3D. 6.2.2.2. Ocultacin-z: algoritmo de z-buffer (z-culling) Elz-bufferesunamemoriaencargadadegestionarlascoordenadasdeprofundidaddelos pixels de las imgenes. Y el algoritmo de z-buffer es una solucin al problema de decidir qu pixels de una escena renderizada son visibles y cuales ocultosCuandoserenderizaunobjetolaprofundidaddecadapxelgenerado(cordenadaz)se almacenaenelz-buffer.Estebufferseorganizacomounarrayde2dimensiones(x-y)conun elemento por cada pixel de la pantalla. Si algn otro objeto de la escena se tiene que renderizar en el mismo pixel, el algoritmo compara las dos profundidades y elige el ms cercano al observador. La profundidadelegidaesentoncessalvadaenelz-buffer,reemplazandoalaantigua.Elz-buffer permitir,pues,reproducircorrectamentelapercepcindequelosobjetoscercanosocultanalos ms lejanos.6.2.2.3. Texturizado Una textura es una imagen utilizada como superficie para cubrir los objetos tridimensionales de la escena grfica. El texturizado de los objetos produce una apariencia ms real de los mismos, confirindoleselaspectodedistintosmateriales.Esteprocesotieneunaltogradodecomplejidad puesto que el mapa de texturas debe transformarse en funcin del ngulo, tamao yposicin de los polgonos a los que recubre. 6.3.Procesadores grficos Espacio de la textura (u,v)Espacio del objeto (x,y,z)Espacio de la imagen (x,y) Transformacin dipixels texels Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 33Los actuales procesadores grficos explotan en mayor o menor grado el paralelismo implcito (temporal yespacial) enel proceso de renderizado delas imgenes 3D. El paralelismo temporal o segmentadosurgedeformanaturaldelpropioprocesoderenderizado,demaneraquelasfases geomtricayderasterizadoserealizandeformasegmentadasobresendasetapasdelprocesador conectadas por las correspondientes memorias FIFOs. Desdeelao1994sehansucedidounaseriedegeneracionesdeGPUsquehanido incorporandoalhardwareyparalelizandodeformaprogresivalasoperacionesdelrenderizado grfico, algunas de las cuales hemos descrito en el apartado anterior. EnlasiguientegrficahemosrepresentadolaevolucindelasGPUsenfuncindela velocidad de procesamiento de vrtices y pixels ,as como el nmero de transistores que integran.Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 34 LaGPUconstituyeelelementoprincipal(chip)deunatarjetagrfica.Latarjetaes gestionadadesdeunaAPIgrfica(normalmenteDirect3DoOpenGL)atravsdelosdrivers especficos de la tarjeta. 7.Impresoras 7.1.Impresora de martillo Laimpresorademartillossehautilizadomuchoenaplicacionesqueoperanenambientes industriales, ya que su sencillezlahace muy robusta. Consta de un cilindro con el mismo carcter repetidoalolargodetodaunageneratriz,ytantasgeneratricescomocaracteresimprimibles. Tambin dispone de una batera de martillos que se accionanelctricamente, tantos como veces se repite el carcter en una generatriz. Entre los martillos y el cilindro se desliza una cinta entintada yelpapel.Cadageneratrizllevaasociadaunpequeoimnensuextremoquegeneraunpulso cadavezquepasadebajodeunapequeabobina.Tambinexisteunimnasociadoatodoel cilindroquegeneraunpulsoaliniciodeunarevolucin.Conlainformacindelosdostrenesde pulsos, el Control conoce en todo momento el carcter que se halla debajo de la batera de martillos. Slotienequeaccionarlosmartilloscorrespondientesalasposicionesdelalneadeescritura donde deba aparecer elcarcterbajo losmartillos.En general la escritura de una lnea requerir una vuelta completa del cilindro. Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 35 bobinaimanespapel cintaentintadainicio derevolucin filadecaracteresmartillosA A A A A A A AC C C C C C C CB B B B B B B B AmpControl 7.2.Impresora de chorro de tinta Laimpresoradechorrodetintautilizaunprincipiodefuncionamientoanlogoalas pantallascaligrficasderayoscatdicos.Controlaladesviacinelctricaqueexperimentaun chorro de tinta ionizada para dibujar sobre el papel la forma deseada. En este caso la informacin de la forma a dibujar se traduce en una diferente ionizacin del chorro de tinta para que se desve de la forma adecuada cuando pasa por unos electrodos a potencial fijo en su camino hacia el papel. Laionizacindelatintaseproduceenunelectrododecargaquesecontrolaconlasealdel carcteraimprimir.Laimpresoradisponedeundispositivopararecogerlatintanoutilizaday devolverla al circuito de alimentacin de la cabeza que emite el chorro. Las impresoras de inyeccin de tinta pueden producir texto e imgenes de alta calidad en blanco y negro o color.tintanoutilizada0- 200Velectrododecargabomba3 kVdeflexinverticalpapelControlFiltroTintasealformacarcter 7.3.Impresora lser El principio de funcionamiento de la impresora lser se asemeja al de la pantalla de barrido derayoscatdicos.Laimagenelctricaaimprimirlaformaunrayolsersobreuncilindro recubierto de un material fotoconductor giratorio cuya superficie se corresponde con la de la pgina impresa. El lser opera generatriz tras generatriz.Cada generatriz del cilindro se corresponde con unalneadepuntosdelapgina.Laimagenelctricasetransformaenimagenrealporla aplicacin de un polvo de carbn denominado toner. El cilindro impregnado de toner se transfiere a la pgina de papel con la ayuda del calor y la presin. Estructura de Computadores, Facultad de Informtica, UCM, Curso 11-12 36Espejo octogonal rotatorio TonerEmisor deLaser Rayo Laser Rodillo dearrastreCilindro giratorio Modulador 8.Ratn fotodetector Contador X Contador Y fotodetector