Core 2 Duo

1
«Архитектура ЭВМ»
1. Перечислите и объясните четыре принципа Фон-Неймана, положенные в основу
построения подавляющего большинства ЭВМ. Нарисуйте схему машины Фон-Неймана.
-2
2. Изобразите подробную структурную схему ПК (микропроцессор, память, системная
шина, контроллеры, внешние устройчтва и т.д.) и поясните назначение её компонентов 3
3. Назначение шин PCI и PCI-Express и их сравнение. - 4
4. Назначение шины USB и её архитектура. - 8
5. Материнская плата. Назначение, основные характеристики, устройство, чипсет,
северный и южный мосты, BIOS, PnP, слоты, AGP, PCI, PCI-Express, IDE, SATA, PS/2,
COM, LPT, D-SUB, DVI, LAN, VRM. - 10
6. Микропроцессоры. Структура Intel x86: УУ, АЛУ, память, интерфейс. Классификация по
архитектуре системы команд: CISC и RISC. Параллельная архитектура. - 13
7. Многоядерные процессоры Intel серии Core. Сравнение с Pentium D. Энергопотребление
технологии Centrino. Core Duo и Core 2 Duo. - 18
8. Типы памяти: ROM, SRAM и DRAM. Принцип работы DRAM. Подтипы: SIMM, DIMM,
RDRAM, DDR SDRAM, DDR2 SDRAM, DDR3 SDRAM. - 25
9. Жесткий диск. Принципы работы накопителей на жестких дисках. Основные
компоненты накопителей. Дорожки, секторы, цилиндры. Форматирование диска:
низкоуровневое, организация разделов на диске, высокоуровневое. Технология
S.M.A.R.T. - 32
10. Оптический привод. Принцип чтения и записи. Оптические диски: CD-ROM, CD-R, CDRW, DVD, Blu-Ray. - 41
11. Видеокарта. Назначение и основные компоненты видеокарты: BIOS, графический
процессор, видеопамять, ЦАП, шина, видеодрайвер. Технологии SLI и CROSSFIRE.
Разрешение экрана и битность цвета. - 46
12. Характеристики электросети и факторы, негативно влияющие на качество
электропитания. Сетевой фильтр. Блок питания: трансформаторный, импульсный;
сравнение. Стабилизаторы. Виды ИБП. - 53
13. Принципы работы и устройство ЭЛТ-мониторов. - 57
14. Принципы работы и устройство ЖК-мониторов (STN, DSTN, TFT).
Принципы работы и устройство плазменной панели. - 62
15. Клавиатура. Принцип работы. Скан-коды.
Мышь. Типы. Устройство и принципы работы опто-механических, оптических и
лазерных мышей. - 71
16. Сканеры. Виды, принцип действия, основные характеристики. - 76
17. Принтеры. Технологии печати: матричная, струйная, лазерная, светодиодная,
термосублимационная, трёхмерное прототипирование. - 79
2
Перечислите и объясните четыре принципа Фон-Неймана, положенные в
основу построения подавляющего большинства ЭВМ. Нарисуйте схему
машины Фон-Неймана.
Архитектура фон Неймана
В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие
принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым венгерского
происхождения ДЖОНОМ фон НЕЙМАНОМ.
1. Принцип двоичного кодирования
Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с
помощью двоичных сигналов.
2. Принцип программного управления
Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются
процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
3. Принцип однородности памяти
Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает,
что хранится в данной ячейке памяти - чисчло, текст или команда. Над командами можно
выполнять такие же действия, как и над данными.
4. Принцип адресности
Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в
произвольный момент времени доступна любая ячейка.
Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к
запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в
процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.
Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков:
1.
Устройства ввода/вывода информации
2.
Память компьютера
3.
Процессор, состоящий из устройства управления (УУ) и арифметикологического устройства (АЛУ)
Машины, построенные на этих принципах, называются фон-неймановскими.
Схематичное изображение машины фон Неймана.
Архитектура фон Неймана — широко известный
принцип совместного хранения программ и данных в
памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода
часто обозначают термином «Машина фон Неймана»,
однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно.
В общем случае, когда говорят об архитектуре фон
Неймана (нем. von Neumann), подразумевают физическое
отделение процессорного модуля от устройств хранения
программ и данных.
Наличие жёстко заданного набора исполняемых команд и программ было характерной
чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью
упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в
принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Всё
изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления
использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций и
представление вычислительного процесса, как процесса выполнения инструкций,
записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане
обработки данных. Один и тот же подход к расмотрению данных и инструкций сделал
лёгкой задачу изменения самих программ.
3
Изобразите подробную структурную схему ПК (микропроцессор,
память, системная шина, контроллеры, внешние устройчтва и т.д.) и
поясните назначение её компонентов.
4
Назначение шин PCI и PCI-Express и их сравнение.
Шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus)
Разработка шины PCI началась весной 1991 года как внутренний проект корпорации
Intel (Release 0.1). Специалисты компании поставили перед собой цель разработать
недорогое решение, которое бы позволило полностью реализовать возможности нового
поколения процессоров 486/Pentium/P6 (вот уже половина ответа). Особенно
подчеркивалось, что разработка проводилась "с нуля", а не была попыткой установки новых
"заплат" на существующие решения. В результате шина PCI появилась в июне 1992 года
(R1.0).
Благодаря
такому
решению шина получилась,
во-первых,
процессоронезависимой (в отличие от
VLbus), а во-вторых, могла
работать параллельно с
шиной
процессора,
не
обращаясь
к
ней
за
запросами.
Например,
процессор работает себе с
кэшем
или
системной
памятью, а в это время по
сети на винчестер пишется
информация.
Основные возможности шины следующие
Синхронный 32-х или 64-х разрядный обмен данными. При этом для уменьшения
числа контактов (и стоимости) используется мультиплексирование, то есть адрес и данные
передаются по одним и тем же линиям.
Поддержка 5V и 3.3V логики. Разъемы для 5 и 3.3V плат различаются расположением
ключей
Частота работы шины 33MHz или 66MHz (в версии 2.1) позволяет обеспечить
широкий диапазон пропускных способностей (с использованием пакетного режима):
132 МВ/сек при 32-bit/33MHz;
264 MB/сек при 32-bit/66MHz;
264 MB/сек при 64-bit/33MHz;
528 МВ/сек при 64-bit/66MHz.
При этом для работы шины на частоте 66MHz необходимо, чтобы все периферийные
устройства работали на этой частоте.
Полная поддержка multiply bus master (например, несколько контроллеров жестких
дисков могут одновременно работать на шине).
Автоматическое конфигурирование карт расширения при включении питания.
Спецификация шины позволяет комбинировать до восьми функций на одной карте
(например, видео + звук и т.д.).
Шина позволяет устанавливать до 4 слотов расширения, однако возможно
использование моста PCI-PCI для увеличения количества карт расширения.
PCI-устройства оборудованы таймером, который используется для определения
максимального промежутка времени, в течение которого устройство может занимать шину.
Шина поддерживает метод передачи данных, называемый "linear burst" (метод
линейных пакетов). Этот метод предполагает, что пакет информации считывается (или
5
записывается) "одним куском", то есть адрес автоматически увеличивается для следующего
байта. Естественным образом при этом увеличивается скорость передачи собственно данных
за счет уменьшения числа передаваемых адресов.
Шина PCI является той черепахой, на которой стоят слоны, поддерживающие
"Землю" - архитектуру Microsoft/Intel Plug and Play (PnP) PC architecture.
PCI Express
По прогнозам, за следующие десять лет требования к пропускной способности шин
ввода-вывода возрастут в 50 раз. Но традиционная архитектура параллельных шин типа PCI
и AGP уже почти достигла предела своих возможностей (физический лимит для них примерно 1 ГГц). PCI Express призвана заменить шину PCI (и ее клон - AGP), исправно
работающую в компьютерной технике уже более десяти лет. Напомним, что PCI в свое время
пришла на смену "первому поколению" - шине ISA. Однако на сей раз изменения при
переходе на новый стандарт куда большие, чем при переходе от ISA к PCI, - они в PCI
Express носят не столько количественный, сколько качественный характер, и в целом их
можно охарактеризовать как "переход от параллельных шин к последовательным", что
является сейчас общеиндустриальной тенденцией развития шин передачи данных.
В то время как процессоры уже не первый год успешно движутся в направлении
параллельных архитектур (SIMD-расширения, суперскалярность, конвейеризация, HyperTreading и многоядерность), шины передачи данных не менее успешно переходят на
последовательные решения. Причины обеих тенденций схожи и довольно просты необходимо сбалансированно наращивать производительность всех компонентов
компьютеров, однако не всякие существующие архитектурные решения способны
эффективно масштабироваться.
Микропроцессорам проще работать с параллельными шинами передачи данных, они
обеспечивают лучшую производительность при меньшей частоте, но, к сожалению, их
тяжело масштабировать на высокие частоты - при этом сильно повышаются требования к
физической разводке шины, заметно возрастает латентность (чтобы синхронизировать
"одновременные" сигналы во всех проводах шины), да и места они занимают много сравните, например, шлейфы IDE (UltraATA) и SerialATA. Поскольку себестоимость
производства чипа сегодня все равно выходит примерно одинаковой (если не считать
экономию на "ножках микросхемы"), то порой дешевле делать более сложный кристалл
6
контроллера шины, чем плодить золотые контакты и многочисленные проводники на
печатной плате. Поэтому стремление разработчиков перейти на параллельные шины
довольно естественно - хотя бы с точки зрения экономии контактов и места на разводку
шины. С другой - последовательную шину гораздо проще заставить работать на
повышенных тактовых частотах, поэтому удается значительно поднять производительность.
Более того, отличная масштабируемость последовательных шин вроде PCI Express и
HyperTransport относительно легко достигается путем как повышения частоты работы, так и
добавлением нескольких последовательных линий к шине.
PCI Express разработана с расчетом на разнообразные применения - от полной замены
шин PCI в настольных компьютерах и серверах до использования в мобильных, встроенных
и коммуникационных устройствах. Номинальной рабочей частотой шины PCI Express
является 2,5 ГГц. При этом пиковая производительность (на один канал передачи данных,
без учета двунаправленности) всего на 50% больше, нежели производительность "обычной"
33-мегагерцовой PCI - 200 против 133 Мбайт/с. То есть для перехода на последовательную
шину с сопоставимой производительностью понадобилось 75-кратное (!) увеличение
тактовой частоты - до значений, о которых два-три года назад можно было только мечтать.
Неудивительно, что PCI Express появилась только сегодня - раньше для нее просто не
было технических предпосылок.
О разводке новой шины
Шина PCI Express помимо низкой латентности обладает очень высокой скоростью
передачи данных в расчете на один сигнальный контакт - около 100 Мбайт/с. Для сравнения:
у обычной шины PCI этот показатель - всего лишь 1,58 Мбайт/с на контакт (32 бит х 33 МГц
/ 84 сигнальных контакта), у 133-мегагерцовой PCI-X 1.0 - 11,4 Мбайт/с на контакт
(64х133/93), у AGP 8X - 19,75 Мбайт/с на контакт (32х533/108), а у Intel Hub Link 2 - 26,6
Мбайт/с на контакт (2x16 бит на 8х66 МГц/40 контактов). Это позволяет, во-первых,
экономить за счет контактов (на корпусах микросхем и позолоченных разъемах), а во-вторых
- за счет более компактной разводки шин.
Электрические улучшения (пониженное затухание в линиях передачи и повышенная
чувствительность приемников данных) позволяют снизить требования к импедансу входных
цепей и увеличить длину проводников шины на платах: сейчас она ограничивается 30,5 см
для системных плат (от чипа до разъема), 9 см для плат контроллеров (и видеокарт) и 38 см
для соединений между чипами на одной плате. Причем разводка может быть как четырех-,
так и шестислойной - без каких-то особо критичных требований.
Разработчики PCI Express не стали изобретать велосипед и взяли за основу наработки
в области сетевого оборудования. Получилось что-то очень напоминающее Gigabit Ethernet и на физическом уровне, и на уровне протоколов передачи данных. Первое и самое главное
отличие новой шины: PCI Express является последовательной, а значит, четко разнесены
уровни представления данных и уровень их передачи. Если в параллельной шине, например
PCI, данные непосредственно появляются на шине (вместе с какой-то дополнительной
информацией - CRC, адресом получателя и пр.), что и обуславливает простоту их посылки и
получения, то в последовательной шине сказать что-либо о "физическом носителе" заранее
невозможно. Информация, которую необходимо передать, просто упаковывается в пакеты,
куда заносятся данные о получателе и коды обнаружения/исправления ошибок - а
получившийся сплошной поток (где идут вперемешку данные, приложения и
вспомогательная информация) уже передается - абсолютно неважно каким способом - через
физическую среду.
Приемник, в свою очередь, распаковывает прибывшие пакеты, исправляет ошибки
или запрашивает повторную передачу, определяет получателя и направляет пакет далее.
Собственно, "последовательность" шины вовсе не значит, что данные передаются побитно
7
(хотя в случае с PCI Express это так), а понимается в том смысле, что данные и служебная
информация передаются последовательно, по одним и тем же каналам (в отличие от
параллельной передачи той же информации). Стандарт PCI Express предусматривает схему
организации данных, показанную на рис.
Как и в любой сети, передаваемые данные дополнительно нарезаются небольшими
кусочками - фреймами. При тактовой частоте шины 2,5 ГГц мы получим скорость 2,5 Гбит/с.
С учетом выбранной схемы "8/10" выходит 250 Мбайт/с, однако многоуровневая сетевая
иерархия не может не сказаться на скорости работы, и реальная производительность шины
оказывается значительно ниже - всего лишь около 200 Мбайт/с в каждую сторону. Впрочем,
даже это на 50% больше, чем теоретическая пропускная способность шины PCI. Но это
далеко не предел: PCI Express позволяет объединять в шину нескольких независимых линий
передачи данных. Стандартом предусмотрено использование 1, 2, 4, 8, 16 и 32 линий передаваемые данные поровну распределяются между ними по схеме "первый байт на
первую линию, второй - на вторую, ..., n-й байт на n-ю линию, n+1-й снова на первую, n+2
снова на вторую" и так далее. Это не параллельная передача данных и даже не увеличение
разрядности шины (поскольку все передающиеся по линиям данные передаются абсолютно
независимо и асинхронно) - это именно объединение нескольких независимых линий.
Именно этим достигается прекрасная масштабируемость PCI Express, позволяющая
организовывать шины с максимальной пропускной способностью до 32x200=6,4 Гбайт/с в
одном направлении (см. табл.), под стать лучшим параллельным шинам сегодняшнего дня.
PCI Express относится к шинам класса "точка-точка", то есть одна шина может
соединять только два устройства (в отличие от PCI, где на общую шину "вешались" все PCIслоты компьютера), поэтому для организации подключения более чем одного устройства в
топологию организуемой PCI Express, как и в Ethernet-решениях на базе витой пары или
устройствах USB, придется вставлять хабы и свитчи, распределяющие сигнал по нескольким
шинам. Это тоже одно из главных отличий PCI Express от прежних параллельных шин.
8
Назначение шины USB и её архитектура.
USB (Universal Serial Bus) – это популярная универсальная последовательная шина.
Предназначена для легкого подключения различного вида устройств это клавиатуры, мыши,
джойстики, колонки, модемы, мобильные телефоны, ленточные, дисковые, оптические и
магнитооптические накопители, флэш-диски, сканеры и принтеры,
словом все, что
подключается к ПК
Разработка шины началась в 1995 году, когда многие компании, стремясь следовать
провозглашенному принципу Plug'n'Play стремились создать нечто, позволяющее сделать
процедуру добавления новых устройств в систему максимально простой, да и к тому же
универсальное, пригодное для большого числа разного вида устройств. При подключении
устройства система автоматически определяет, какой ресурс, включая программный драйвер
и пропускную способность, нужен каждому периферийному устройству и делает этот ресурс
доступным без вмешательства пользователя.
Спецификация протоколов USB:
USB 1.1 – 12 Мбит/с
USB 2.0 - 480 Мбит/с
USB 3.0 – 5 Гбит/с + оптимизация для пониженного уровня энергопотребления и
повышенной эффективности (первое полугодие 2008г.)
Подключаемые устройства, потребляющие небольшой ток, могут быть запитаны от
шины USB. Максимальный ток, который может обеспечить шина равен 500 мА. Это ток,
доступный всем устройствам на шине (при этом на стадии подключения и
конфигурирования потребляемый ток не должен превышать 100 мА, в противном случае
устройство просто не будет инициировано)
Архитектурная
особенность
шины USB в том, что её логическая
топология - многоуровневая звезда.
Допускается
организация до пяти
уровней.
USB
шина
позволяет
подключать до 127 устройств.
Хост - программно-аппаратный
комплекс, в обязанности хоста входит:
- слежение за подключением и
отключением устройств;
- организация управляющих
потоков между USB-устройством и
хостом;
9
- организация потоков данных между USB-устройством и хостом;
- контроль состояния устройств и ведение статистики активности;
снабжение подключенных устройств электропитанием.
Хост контроллер - аппаратная часть, посредник между хостом и устройствами на
шине.
Концентратор (хаб). Позволяет множественные подключения к одному порту,
создавая дополнительные порты. Каждый хаб имеет один восходящий порт,
предназначенный для подключения к имеющемуся в наличии свободному порту, и несколько
нисходящих, к которым могут быть подключены или снова концентраторы, или конечные
устройства, либо совмещенные устройства. Хаб должен следить за подключением и
отключением устройств, уведомляя хост об изменениях, управлять питанием портов.
Функциональное устройство. С точки зрения USB, устройство - это набор конечных
точек с которыми возможен обмен данными. Число и функции точек зависят от устройства и
выполняемых им функций, и определяются при производстве. В обязательном порядке
присутствует точка с номером 0 - для контроля состояния устройства и управления им. До
осуществления конфигурирования устройства через точку 0 остальные каналы не доступны.
Все передачи данных инициируются хостом в соответствии определенной временной
программой. Функциональные устройства сами не могут инициировать передачу, а лишь
отвечают на запросы хоста. Если у устройства возникла необходимость передать данные, оно
не может никаким образом дать знать об этом хосту. Для того, что бы выполнить такую
передачу, хост должен обратиться у устройству с вопросом, не имеет ли оно желание чеголибо ему сказать (послав пакет in). В ответ на что устройство вышлет ему имеющиеся
данные и дождется получения подтверждения. Соответственно, если хост не обратиться с
таким вопросом, то данные никогда не будут переданы.
10
Материнская
плата.
Назначение,
основные
характеристики,
устройство, чипсет, северный и южный мосты, BIOS, PnP, слоты, AGP, PCI,
PCI-Express, IDE, SATA, PS/2, COM, LPT, D-SUB, DVI, LAN, VRM.
Материнская плата имеет несколько основных характеристик:
Форм-фактор (AT/ATX) - определяет форму, размеры материнских плат,
расположение компонент на плате. Важно: форм-фактор платы определяет, в какой тип
корпуса вы можете ее поставить. Корпуса соответственно бывают AT/ATX. ATX стоит
дороже,
но
предоставляет
дополнительные
возможности:
программное
включение/выключение компьютера, более надежный разъем питания, лучшая вентиляция
корпуса. Существуют платы, которые одновременно поддерживают оба форм-фактора.
Разъем процессора – указывает на виды поддерживаемых материнской платой
процессоров.
Количество и тип разъемов для плат расширения (PCI, AGP, PCI-Express, DIMM,
IDE, SATA). Для подключения плат расширения (видеокарт, звуковых карт, внутренних
модемов, модулей памяти, жёстких дисков и др.) необходимо иметь на плате достаточное
количество разъемов расширения соответствующего типа. Слоты для установки оперативной
памяти. От слотов для установки плат отличаются наличием специальных замочков"защелок". Количество слотов обоих типов может варьироваться от 2 до 6.
Chip Set - набор микросхем. Это одна или несколько микросхем, таймеры, систему
управления пспециально разработанных для "обвязки" микропроцессора. Они содержат в
себе контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти,амятью и шиной - все те
компоненты, которые в оригинальной IBM PC были собраны на отдельных микросхемах.
Обычно в одну из микросхем набора входят также часы реального времени с CMOS-памятью
и иногда - клавиатурный контроллер, однако эти блоки могут присутствовать и в виде
отдельных чипов. В последних разработках в состав микросхем наборов для
11
интегрированных плат стали включаться и контроллеры внешних устройств. Внешне
микросхемы Chipset'а выглядят, как самые большие после процессора, с количеством
выводов от нескольких десятков до двух сотен. Название набора обычно происходит от
маркировки основной микросхемы - OPTi495SLC, SiS471, UMC491, i82C437VX и т.п. Тип
набора в основном определяет функциональные возможности платы: типы поддерживаемых
процессоров, структура/объем кэша, возможные сочетания типов и объемов модулей памяти,
поддержка режимов энергосбережения, возможность программной настройки параметров и
т.п. На одном и том же наборе может выпускаться несколько моделей системных плат, от
простейших до довольно сложных с интегрированными контроллерами портов, дисков,
видео и т.п.
Возможности разгона. Для эффективного разгона процессора необходима
возможность менять частоту шины и напряжение питания процессора. Эти функции могут
быть реализованы с помощью перемычек на плате или через настройки в BIOS. Для
существенного подъема частоты шины надо иметь быструю память, способную работать на
этой частоте.
Контроллеры портов и разъёмы
Разъемы USB, PS/2 (мышь, клавиатура), LPT (параллельный порт), COM
(последовательный порт), D-SUB (аналоговый выход на монитор), DVI (цифровой выход на
монитор), LAN (локальная сеть).
Infrared Connector - разъем для инфракрасного излучателя/приемника. Подключен к
одному из встроенных COM-портов (обычно - COM2) и позволяет установить беспроводную
связь с любым устройством, снабженным подобным излучателем и приемником. Работает по
тому же принципу, что и пульты управления бытовой радиоаппаратурой.
Cache (запас) обозначает быстродействующую буферную память между процессором
и основной памятью. Кэш служит для частичной компенсации разницы в скорости
процессора и основной памяти - туда попадают наиболее часто используемые данные. Когда
процессор первый раз обращается к ячейке памяти, ее содержимое параллельно копируется в
кэш, и в случае повторного обращения в скором времени может быть с гораздо большей
скоростью выбрано из кэша.
VRM (Voltage Regulator Module) - модуль регулятора напряжения. Служит для
формирования нужных напряжений питания процессора. Разработан для того, чтобы
существующие системные платы могли поддерживать новые типы процессоров, которые
появятся в будущем.
"Green Motherboard" Системная плата с поддержкой энергосбережения. Chipset и
BIOS платы поддерживают снижение частоты процессора при перерывах в работе,
отключение винчестера и монитора при отсутствии обращений к ним, и т.п. Отношение
специалистов к данным режимам неоднозначное: при чрезмерно частом (десятки раз в сутки)
отключении монитора или винчестера экономия энергии будет мизерной, зато заметно
возрастет шанс выхода их из строя.
BIOS (basic input/output system) - базовая система ввода-вывода - это встроенное в
компьютер программное обеспечение, которое ему доступно без обращения к диску. На PC
BIOS содержит код, необходимый для управления клавиатурой, видеокартой, дисками,
портами и другими устройствами. Обычно BIOS размещается в микросхеме ПЗУ (ROM),
размещенной на материнской плате компьютера (поэтому этот чип часто называют ROM
BIOS). Эта технология позволяет BIOS всегда быть доступным, несмотря на повреждения,
например, дисковой системы. Это также позволяет компьютеру самостоятельно загружаться.
Поскольку доступ к RAM (оперативной памяти) осуществляется значительно быстрее, чем к
ROM, многие производители компьютеров создают системы таким образом, чтобы при
включении компьютера выполнялось копирование BIOS из ROM в оперативную память.
Задействованная при этом область памяти называется Shadow Memory (теневая память).
12
В настоящее время, почти все материнские платы комплектуются Flash BIOS,
BIOSом, который в любой момент может быть перезаписан в микросхеме ROM при помощи
специальной программы. BIOS PC стандартизирован, поэтому, в принципе менять его, также
как, например, операционные системы нет необходимости. Дополнительные возможности
компьютера можно использовать только использованием нового программного обеспечения.
BIOS, который поддерживает технологию Plug-and-Play, называется PnP BIOS. При
использовании этой технологии BIOS должен быть обязательно прошит во Flash ROM.
PnP (Plug And Play) - "вставь и играйся". Обозначает технологию, которая сводит к
минимуму усилия по подключению новой аппаратуры. PnP-карты не имеют перемычек
конфигурации или особых программ настройки; вместо этого общий для компьтера PnPдиспетчер (отдельная программа либо часть BIOS или ОС) сам находит каждую из них и
настраивает на соответствующие адреса, линии IRQ, DMA, области памяти, предотвращая
совпадения и конфликты. PnP BIOS обычно обозначает BIOS с поддержкой такой настройки,
однако настройка карт на азрличных шинах различается.
Для соединения блока питания с платой используется единый 20-контактный разъем.
В стандарте ATX оговорен также необязательный разъем, через который с блока питания на
плату подается информация о частоте вращения вентилятора, а с платы в блок питания сигнал управления вентилятором и контрольный уровень напряжения 3.3 В для более точной
его стабилизации. Наружные интерфейсные разъемы располагаются в области верхнего
правого угла платы и могут устанавливаться друг над другом. Для разъемов расширения
отведена левая половина платы (до семи разъемов); за счет вынесения процессора на правую
сторону ограничения на длину устанавливаемых плат отсутствуют. Разъемы для модулей
памяти расположены посередине, а интерфейсные разъемы дисков - в правом нижнем углу, в
непосредственной близости от самих дисков. Выпускаются также стандартные платы
формата AT, имеющие разъем для блока питания ATX и поддерживающие управление
сетевым питанием.
Основные параметры материнской платы
1) Прежде всего - поколением процессора, под который она предназначена.
Специальная материнская плата существует для каждого поколения процессора. Установить
процессор одного поколения в материнскую плату другого чаще всего просто невозможно.
2) Диапазоном поддерживаемых процессоров в рамках одного поколения. Чем дороже
и качественнее плата, тем больше процессоров она сможет поддержать.
3) Частотой системной шины. Это - величина, прямо связанная с частотой и
скоростью процессора. Процессор фактически умножает рабочую частоту материнской
платы - в 2, 3 и более раз (на выборе сочетания одного из коэффициентов с частотой
системной шины и основан способ так называемого разгона процессоров.
4) Базовым набором микросхем - чипсетом. Для каждого типа материнской платы
существует несколько основных чипсетов, различающихся по предоставляемым ими
возможностям и, соответственно, ценам.
5) Фирмой-производителем.
6) Форматом материнской платы (форм-фактором), то есть способом расположения на
плате основных микросхем, слотов и т.д.
7) Базовым набором слотов и разъемов. При выборе платы следите, чтобы на ней
имелось достаточно всех необходимых слотов.
8) Наличием интегрированных устройств. На многих современных материнских
платах вы можете встретить целый ряд "встроенных" устройств - таких, например, как
видеокарта и звуковая плата.
9) Поддержкой режима SATA (последовательный интерфейс), обеспечивающего
возможность работы с "быстрыми" жесткими дисками.
10) Поддержкой "зеленого" (Green) режима экономии электроэнергии.
13
Микропроцессоры. Структура Intel x86: УУ, АЛУ, память, интерфейс.
Классификация по архитектуре системы команд: CISC и RISC. Параллельная
архитектура.
Центральный процессор (ЦПУ, CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной
рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические
операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует
работу всех устройств компьютера.
Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров (МП).
Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую
пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько
квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции
процессора.
Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский
корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно
было присоединить к системной плате компьютера.
Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем
основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки
информации, изобретённого Джоном фон Нейманом.
Д. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году.
Этапы цикла выполнения:
1.
Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину
адреса, и отдаёт памяти команду чтения;
2.
Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и
команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и
сообщает о готовности;
3.
Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду
(машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;
4.
Если последняя команда не является командой
Микропроцессор
перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что
И
Устройство
длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике
н
управления
команд; в результате там образуется адрес следующей команды;
т
(УУ)
5.
Снова выполняется п. 1.
е
Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется
р
Арифметикоф
процессом (откуда и произошло название устройства).
логическое
е
Команды центрального процессора являются самым нижним
устройство
й
уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой
(АЛУ)
с
команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки
н
на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется
а
Микровозможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял
я
процессорн
только
допустимые
действия,
команды
должны
быть
ая память
соответствующим образом организованы в виде необходимой
(МПП) кэш
с
программы.
и
Скорость перехода от одного этапа цикла к другому
с
определяется
тактовым
генератором.
Тактовый
генератор
т
Математичес
вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального
е
кий
процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой
м
сопроцессор
частотой.
а
14
Основные компоненты микропроцессора
Устройство управления (УУ) – вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по
кодовым шинам инструкций во все блоки ЭВМ
Регистр команд – запоминающий регистр, хранит код команды: код выполняемой
операции и адреса операндов
Дешифратор операции – логический блок, выбирающий в соответствии с
поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у
него выходов
ПЗУ микропрограмм – хранит управляющие сигналы, необходимые для выполнения
в блоках ПК операций обработки информации
Узел формирования адреса - устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти
(регистра) по реквизитам , поступающим из регистра команд и регистров МПП
КШД, КША и КШИ – часть внутренней интерфейсной шины микропроцессора
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения
арифметических и логических операций преобразования информации.
Микропроцессорная память (кэш) – предназначена для кратковременного хранения
информации, участвующей в вычислениях в ближайшие такты работы процессора. Имеет
небольшой объём (до нескольких Мб), но очень высокое быстродействие (время доступа
измеряется нс).
Интерфейсная часть микропроцессора – предназначена для связи и согласования МП
с системной шиной ПК, а также для формирования полных адресов операндов и команд.
Конвейерная архитектура
Конвейерная архитектура (pipelining) была введена в центральный процессор с целью
повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется
осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из
ОЗУ, дешифрация команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ,
выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют
одной ступени конвейера.
После освобождения k-й ступени конвейера она сразу приступает к работе над
следующей командой. Если предположить, что каждая ступень конвейера тратит единицу
времени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в n ступеней займёт n
единиц времени, однако в самом оптимистичном случае результат выполнения каждой
следующей команды будет получаться через каждую единицу времени.
15
Действительно, при отсутствии конвейера выполнение команды займёт n единиц
времени (так как для выполнения команды по прежнему необходимо выполнять выборку,
дешифрацию и т. д.), и для исполнения m команд понадобится единиц времени; при
использовании конвейера (в самом оптимистичном случае) для выполнения m команд
понадобится всего лишь n + m единиц времени.
Факторы, снижающие эффективность конвейера:
1.
простой конвейера, когда некоторые ступени не используются (напр.,
адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, если команда работает с регистрами);
2.
ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то
последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при
использовании внеочередного выполнения команд, out-of-order execution);
3.
очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему
удаётся сгладить, используя предсказание переходов).
Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что
увеличивает производительность процессора, однако приводит к большому времени простоя
(например, в случае ошибки в предсказании условного перехода.)
Суперскалярная архитектура
Способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора.
Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности.
CISC-процессоры
Complex Instruction Set Computing — вычисления со сложным набором команд.
Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными
представителями CISC является семейство микропроцессоров Intel x86 (хотя уже много лет
эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд). Философия
проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств:

Нефиксированным значением длины команды.

Исполнение операций, таких как загрузка в память, арифметические действия
кодируется в одной инструкции.

Небольшим числом регистров, каждый из которых выполняет строго
определенную функцию.
Типичными представителями являются процессоры на основе x86 команд (исключая
современные Intel Pentium 4, Pentium D, Core, AMD Athlon, Phenom которые являются
гибридными).
Наиболее распространённая архитектура современных настольных, серверных и
мобильных процессоров построена по архитектуре Intel x86 (или х86-64 в случае 64разрядных процессоров). Формально, все х86-процессоры являлись CISC-процессорами,
однако новые процессоры, начиная с Intel486DX, являются CISC-процессорами с RISCядром. Они непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции
процессоров x86 в более простой набор внутренних инструкций RISC.
В микропроцессор встраивается аппартный транслятор, превращающий команды x86 в
команды внутреннего RISC-процессора. При этом одна команда x86 может порождать до 4
RISC-команд. Исполнение команд происходит на суперскалярном конвейере одновременно
по несколько штук.
Это потребовалось для увеличения скорости обработки CISC-команд, так как известно, что
любой CISC-процессор уступает RISC-процессорам по количеству выполняемых операций в
секунду. В итоге, такой подход и позволил поднять производительность CPU.
RISC-процессоры
Reduced Instruction Set Computing (technology) — вычисления с сокращённым набором
команд. Архитектура процессоров, построенная на основе сокращённого набора команд.
Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров,
16
операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC
разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, название придумано Дэвидом
Паттерсоном (David Patterson).
Это философия проектирования процессоров, которая во главу ставит следующий
принцип: более компактные и простые инструкции выполняются быстрее. Простая
архитектура позволяет как удешевить процессор, так и поднять тактовую частоту. Многие
ранние RISC-процессоры даже не имели команд умножения и деления.
Идея создания RISC процессоров пришла после того как в 1970-х годах ученые из
IBM обнаружили, что многие из функциональных особенностей традиционных ЦПУ
игнорировались программистами. Отчасти это был побочный эффект сложности
компиляторов. В то время компиляторы могли использовать лишь часть из набора команд
процессора. Следующее открытие заключалось в том, что, поскольку некоторые сложные
операции использовались редко, они как правило были медленнее, чем те же действия,
выполняемые набором простых команд. Это происходило из-за того что создатели
процессоров тратили гораздо меньше времени на улучшение сложных команд, чем на
улучшение простых.
Первые RISС-процессоры были разработаны в начале 1980-х годов в Стэнфордском и
Калифорнийском университетах США. Они выполняли небольшой (50 − 100) набор команд,
тогда как обычные CISC (Сomplex Instruction Set computer) выполняли 100—200.
Характерные особенности RISC-процессоров:

Фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой
формат команды.

Одна инструкция выполняет только одну операцию с памятью — чтение или
запись. Операции вида «прочитать-изменить-записать» отсутствуют.

Большое количество регистров общего назначения (32 и более).
Наиболее широко используемые в настольных компьютерах процессоры архитектуры
x86 ранее являлись CISC-процессорами, однако новые процессоры, начиная с Intel486DX,
являются CISC-процессорами с RISC-ядром. Они непосредственно перед исполнением
преобразуют CISC-инструкции процессоров x86 в более простой набор внутренних
инструкций RISC.
MISC-процессоры
Minimum Instruction Set Computing — вычисления с минимальным набором команд.
Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты,
изначальный для RISC процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу
борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры
по сложности. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с
ограниченным числом команд (примерно 20-30 команд). Увеличение разрядности
процессоров привело к идее укладки нескольких команд в одно большое слово. Это
позволило использовать возросшую производительность компьютера и его возможность
обрабатывать одновременно несколько потоков данных. Кроме этого MISC использует
стековую модель вычислительного устройства и основные команды работы со стеком Forth
языка. MISC принцип может лежать в основе микропрограммы выполнения Java и Net
программ, хотя по количеству используемых команд они нарушают принцип MISC
Кэширование
Кэширование — это использование дополнительной быстродействующей памяти
(кэш-памяти) для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти,
вероятность обращения к которым в ближайшее время велика.
Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней. Кэш 1-го уровня имеет наименьшую
латентность (время доступа) но малый размер, кроме того кэши первого уровня часто
делаются многопортовыми. Так процессоры AMD K8 умели производить 64 бит запись+64
17
бит чтение либо два 64-бит чтения за такт, процессоры Intel Core могут производить 128 бит
запись+128 бит чтение за такт. Кэш 2-го уровня обычно имеет значительно большие
латентности доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру. Кэш 3-го уровня
самый большой по объёму и довольно медленный, но всё же он гораздо быстрее, чем
оперативная память.
Параллельная архитектура
Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная.
Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен
будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется
провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана.
Для преодоления этого недостатка предлагались и предлагаются архитектуры
процессоров, которые называются параллельными. Параллельные процессоры используются
в суперкомпьютерах.
Возможными вариантами параллельной архитектуры могут служить (по
классификации Флинна):

SISD — один поток команд, один поток данных;

SIMD — один поток команд, много потоков данных;

MISD — много потоков команд, один поток данных;

MIMD — много потоков команд, много потоков данных.
18
Многоядерные процессоры Intel серии Core. Сравнение с Pentium D.
Энергопотребление технологии Centrino. Core Duo и Core 2 Duo.
Многоядерные процессоры
Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких
кристаллах).
Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на
нескольких ядрах представляют собой высокоинтегрированную реализацию системы
«Мультипроцессор».
На данный момент массово доступны процессоры с двумя ядрами, в частности Intel
Core 2 Duo на ядре Conroe и Athlon64X2 на базе микроархитектуры K8. В ноябре 2006 года
вышел первый четырёхъядерный процессор Intel Core 2 Quad на ядре Kentsfield,
представляющий собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе.
10 сентября 2007 года были выпущены в продажу нативные (в виде одного кристалла)
четырёхьядерные процессоры для серверов AMD Quad-Core Opteron, имевшие в процессе
разработки кодовое название AMD Opteron Barсelona. 19 ноября 2007 вышел в продажу
четырёхьядерный процессор для домашних компьютеров AMD Quad-Core Phenom. Эти
процесоры реализуют новую микроархитектуру K8L (K10).
27 Сентября 2006 Intel продемонстрировала прототип 80-ядерного процессора.
Предполагается, что массовое производство подобных процессоров станет возможно не раньше
перехода на 32-нанометровый техпроцесс, а это в свою очередь ожидается к 2010 году.
Centrino Duo
Если для настольных компьютеров двуядерные процессоры были доступны уже
достаточно давно, то на ноутбуках эти достижения современных технологий до сих пор места
не находили. Тому были объективные причины, главная из которых – недопустимо высокие
энергопотребление и тепловыделение существовавших ранее образцов.
Новый процессор: ядро Yonah
Внешне новинка не особенно отличается от привычного Pentium M. Новый процессор
содержит 151,6 млн. транзисторов (предшественник, Pentium M на ядре Dothan, содержит около
140 млн.), площадь кристалла составляет 90,3 мм 2 против 83,6 мм 2 у Dothan. На глаз эта
разница практически незаметна, в том числе потому, что кристалл развёрнут на 90 градусов.
Новый Core Duo от старого Pentium M на глаз можно отличить разве что по
развёрнутому на 90 градусов кристаллу
Несмотря на то, что процессор имеет те же 478 ножек, что и Pentium M, электрически
сокеты несовместимы. А чтобы подчеркнуть эту разницу, процессоры сделаны
несовместимыми и механически – для этого производитель изменил положение ключа
(отсутствующей ножки). Так что у пользователя при всём желании не получится сжечь
процессор, установив его в неподходящую материнскую плату.
Количество ножек у Core и Pentium M одинаковое, но процессорные сокеты
несовместимы как электрически, так и механически
Процессор Core изготавливается по новому технологическому процессу 65 нм,
собственно, отсюда и столь незначительное отличие площади кристалла.
19
Архитектура
Самое интересное, что специалистам компании Intel удалось сделать этот CPU не только
«тихим» и «холодным», но и превосходящим настольные двуядерные решения по части
архитектуры. Взгляните на диаграммы сегодняшних двуядерных решений Intel и AMD,
предназначенных для десктопов – Pentium D и Athlon 64 X2:
Доступ к кэш-памяти второго уровня в процессорах Pentium D и Athlon 64 X 2
реализован одинаково и не лучшим образом
При всей несхожести архитектур ядер, оба процессора имеют одну общую черту –
одинаково реализованную двуядерность: каждое ядро имеет собственный кэш второго
уровня (до 2048 Кбайт на каждое ядро у Pentium D 9xx и до 1024 Кбайт у Athlon 64 X2), а для
связи ядер используется внутренняя шина (в случае Pentium D передача данных между ядрами
возможна и через FSB). Разумеется, решение не самое удобное в том случае, когда одному ядру
надо получить данные, содержащиеся в кэше другого ядра – ведь нередко ядра работают над
одной и той же задачей, просто выполняя разные её части. Отсюда неминуемые задержки в
доступе к информации, а также такие неприятности, как простой одного из ядер по той
причине, что его кэш полностью заполнен данными, которые всё ещё нужны второму ядру.
Логичное решение этой проблемы – использование общей кэш-памяти. И именно таким
образом работает Core Duo.
Core Duo обладает более прогрессивной архитектурой, нежели его настольные
«коллеги».
Core (Yonah)
Pentium M (Dothan)
Количество ядер
1 (Solo) или 2 (Duo)
1
Тактовые частоты
1660-2160 МГц
1600-2260 МГц
Частота FSB
Кэш L1 уровня (д)
Кэш второго уровня
Наборы инструкций
Enhanced SpeedStep
Частота при низкой нагрузке
Execute Disabled Bit
667 МГц (166 x4)
32 Кбайт
2048 Кбайт
MMX, SSE, SSE2, SSE3
Есть
1000 МГц
Есть
533 МГц (133x4)
32 Кбайт
2048 Кбайт
MMX, SSE, SSE2
Есть
800 МГц
Есть
20
Перечислим наиболее важные отличия (не считая двуядерности, которую мы уже
обсудили):

Тактовые частоты пока не выросли и даже наоборот – слегка поуменьшились.
Конечно, через некоторое время будут представлены новые модели процессоров, сначала с
тактовой частотой 2,33 ГГц, а потом, возможно, и 2,5 ГГц. А там уже и до следующей версии
Centrino недалеко...

По сравнению с Pentium M, частота FSB выросла на 133 МГц и составила 667
МГц – практически 666. Интересно, что этой «дьявольской» частоты FSB при очередном
изменении модельного ряда Pentium 4 аккуратно избежали, сразу перейдя на 800 МГц.
Наверняка маркетологи Intel решили не нервировать покупателей ::)

Наконец-то добавилась поддержка последнего, третьего набора инструкций SIMD
Streaming Instructions. Напомним, SSE представляет собой расширение стандартных инструкций
x86, предназначенное для повышения скорости обработки мультимедийных данных. SSE3
добавляет к функциональности более ранних наборов SSE и SSE2 дополнительные 13 новых
инструкций, разработанных для увеличения скорости в играх и мультимедиа-приложениях.

Вместе с шиной FSB выросла тактовая частота процессора в режиме
минимального потребления энергии. Эта частота задается фиксированным коэффициентом 6,
не зависящим от номинальной частоты процессора. Таким образом, Core работает на 1000 МГц,
тогда как Pentium M работал на частоте 800 МГц (600 МГц для ядра Banias).
Как видим, производители сделали неплохой «бонус» к двуядерности. Все эти
нововведения позволяют с уверенностью полагать, что производительность нового процессора
будет выше, чем у предшественника, даже в задачах, никоим образом не использующих
многопоточность. Впрочем, на второе ядро всегда можно «скинуть» как минимум какие-нибудь
фоновые процессы, так что двуядерность, как ни крути, штука беспроигрышная. В итоге –
новый, более производительный CPU с передовой архитектурой, поддержкой новых технологий
и неплохими скоростными характеристиками. Но это только одна сторона «медали Centrino»,
теперь же мы перейдём ко второй – пожалуй, более примечательной стороне...
Энергопотребление
Самое важное достижении технологии Centrino – низкое энергопотребление. И в новой
версии платформы ему уделено не меньшее (если не большее) внимание. Естественно, Core
поддерживает технологию Enhanced SpeedStep, позволяющую «на лету» изменять тактовую
частоту процессора и напряжение на ядре в зависимости от необходимой на данный момент
производительности. Но это ещё далеко не всё – в новом процессоре реализован и ряд других,
не менее интересных и полезных энергосберегающих технологий, таких, например, как
Dynamic Power Coordination. Суть этой технологии в том, что ядра могут независимо друг от
друга менять энергопотребление в зависимости от текущей нагрузки на процессор. В том числе,
возможна ситуация, когда одно ядро работает, а другое находится в состоянии Deep Sleep, в
котором потребление энергии близко к минимальному.
21
Так работает Dynamic Power Coordination – ядра могут менять состояния независимо
друг от друга
Фактически, получается, что второе ядро вовсе не означает двухкратного увеличения
энергопотребления и тепловыделения, ведь оно работает только тогда, когда это действительно
нужно. Компания Intel называет это красивой и ёмкой фразой Dual-Core Performance on Demand
– «производительность двуядерного процессора по требованию». Получается очень удобно: с
одной стороны, в случае необходимости процессор может потреблять мало энергии, работая в
«одноядерном режиме», а с другой стороны, способен мгновенно перейти в режим высокой
производительности, задействовав второе ядро.
Теперь перейдем к еще одной важной технологии, позволяющей увеличить время работы
от аккумулятора. Если вы посмотрите на фото процессора, то увидите, что кэш занимает
примерно 35-40% площади ядра. Естественно, и энергии он потребляет немало. Поэтому одной
из задач инженеров Intel стала минимизация потребления этой части процессора. И с этой
задачей они успешно справились, разработав технологию Dynamic Cache Sizing –
«динамическое изменение размера кэш-памяти». Работает эта технология просто – отключает
простаивающие блоки кэш-памяти.
И даже более того, если информация, содержащаяся в кэше, в течение какого-то времени
не используется, то она переносится в оперативную память, а блоки кэша опять-таки
отключаются. Учитывая, что объём кэша у ядра Yonah достаточно велик – целых 2 Мбайта –
полностью он будет использоваться не так уж часто, особенно при невысокой нагрузке на
систему, как это обычно и бывает при работе от батареи. Стало быть, с помощью данной
технологии сэкономить можно немало.
Кэша ровно столько, сколько необходимо в данный момент. Все лишнее – выключить
Вплоть до того, что можно полностью отключить кэш, «сбросив» данные в память, и
перевести процессор в режим Enhanced Deeper Sleep, в котором потребляется совсем уж
мизерное количество энергии.
Охлаждение двуядерного процессора – дело более тонкое, чем охлаждение обычного
одноядерного. Поэтому для более надёжного контроля и оптимального режима охлаждения в
Yonah используются аж три термосенсонсора!
В новом процессоре имеется целых три термодатчика
22
Сенсоры имеются на обоих ядрах, кроме того, предусмотрен третий, общий датчик,
который призван обеспечивать устойчивость от ошибок и legacy-совместимость.
Как видите, компания Intel провела грандиозную работу по обеспечению минимального
энергопотребления и тепловыделения, а также масимально эффективного и безопасного
охлаждения.
Как результат, TDP для стандартных двуядерных процессоров Core составляет 31 Вт, а
для остальных версий – и того меньше. Полезно будет привести сравнение с процессором
Pentium M на ядре Dothan.
Процессор
TDP
Core Duo T
31 Вт
Pentium M
27 Вт
Core Solo T
27 Вт
Core Duo LV
15 Вт
Pentium M LV
14 Вт
Core Duo ULV
9 Вт?
Pentium M ULV
7 Вт
Core 2 Duo
Процессоры Core 2, основанны на принципиально иной по сравнению с Pentium 4
архитектуре.
Архитектура
Процессоры на ядре Conroe, официально называемые Intel Core 2 Duo, как несложно
догадаться, являются дальнейшим развитием архитектуры Core. В свою очередь, процессор
Core является изрядно переработанной версией не менее удачного процессора Pentium M,
который был основой платформы Intel Centrino. Несколько менее очевиден тот факт, что сам
Pentium M был мало связан с бывшим тогда на коне Pentium 4, а представлял собой
продолжение Pentium III, адаптированное под актуальные потребности, – с широкой шиной,
поддержкой новых наборов инструкций и направленностью на минимальное
энергопотребление. Таким образом, можно построить следующий эволюционный ряд:
Pentium Pro
Pentium II
Pentium III
Pentium M
Core
Core 2
Итак, архитектура NetBurst, на которой были основаны процессоры Pentium 4,
проведя на рынке без малого 6 лет (для сравнения: Pentium, Pentium II и Pentium III
23
существовали на рынке в сумме чуть более 7 лет), теперь получила отставку. В чём-то она
была хороша, в чём-то не очень, но то, что теперь с ней можно попрощаться если не
навсегда, то как минимум надолго, – это точно.
Intel Core 2 – процессор двухъядерный. Поэтому в первую очередь следует отметить
кардинально изменившуюся по сравнению с Pentium D идеологию. Теперь вместо двух
практически самостоятельных процессоров в одном сокете, со всеми вытекающими отсюда
недостатками, мы имеем полноценный двухъядерный процессор: в Core 2 Duo, как и в
первом Core Duo, используется общий кэш второго уровня, к которому оба ядра имеют
равноправный доступ.
24
В Core 2 Duo реализованы следующие технологии:
Технология Intel Wide Dynamic Execution – повышает производительность и
эффективность работы процессора, позволяя каждому ядру исполнять до четырех
инструкций за такт с использованием эффективного 14-этапного конвейера
Технология Intel Smart Memory Access – повышает производительность системы
путем снижения задержек при доступе к памяти и таким образом оптимизирует
использование доступной пропускной способности, благодаря чему процессор получает
данные тогда, когда они требуются
Технология Intel Advanced Smart Cache – общая кэш-память 2-го уровня сокращает
энергопотребление, сводя к минимуму объём «трафика» в подсистеме памяти, и повышает
производительность системы, обеспечивая одному из ядер доступ ко всей кэш-памяти при
простое другого ядра
Технология Intel Advanced Digital Media Boost – удваивает скорость выполнения
команд, часто используемых в мультимедийных и графических приложениях
Технология Intel 64 Technology – обеспечивает поддержку 64-разрядных
вычислений, предоставляя, например, процессору доступ к большему объёму памяти
Поддержка SSE4 - расширение стандартных инструкций x86, предназначенное для
повышения скорости обработки мультимедийных данных
Использование техпроцесса 65 нм (в отличии от AMD)
Поддержка технологии Intel Enhanced SpeedStep – динамическое изменение
тактовой частоты процессора в зависимости от текущих потребностей в вычислительной
мощности
Технология Ultra Fine Grained Power Control – возможность выключения тех
блоков процессора, которые в данный момент не используются
Технология cнижения разрядности шины
Наиболее важно здесь следующее: увеличение скорости исполнения инструкций,
оптимизация работы с памятью, введение поддержки 64-разрядных вычислений и, наконец,
нового набора инструкций SSE4.
Как результат – большая эффективность даже при равной тактовой частоте. А
учитывая, что перед настольными процессорами не стоит задача обеспечить минимальное
энергопотребление и, следовательно, можно использовать более высокие частоты, чем те, на
которых работают мобильные процессоры, несложно догадаться, что Core 2 на ядре Conroe
заметно превосходит по производительности Core на ядре Yonah.
Энергопотребление.
Использование техпроцесса 65 нм. Конечно, это не в новинку для процессоров Intel,
но выгодно отличает Core 2 от конкурирующих AMD Athlon.
Поддержка технологии Intel Enhanced SpeedStep – динамическое изменение тактовой
частоты процессора в зависимости от текущих потребностей в вычислительной мощности.
Технология Ultra Fine Grained Power Control – возможность выключения тех блоков
процессора, которые в данный момент не используются. Можете себе представить, сколько
экономит энергии эта функция при сравнительно небольших нагрузках – офисной работе
или просмотре DVD-фильмов, например.
Снижение разрядности шины. Опять-таки в «лёгких» режимах львиная доля
пропускной способности шин не используется, поэтому разрядность их можно снизить без
ущерба для текущих потребностей в производительности.
В результате получился самый «холодный» двухъядерный процессор из тех, что
используются в настольных компьютерах.
(http://www.ferra.ru/online/processors/s26528/)
25
Типы памяти: ROM, SRAM и DRAM. Принцип работы DRAM. Подтипы:
SIMM, DIMM, RDRAM, DDR SDRAM, DDR2 SDRAM, DDR3 SDRAM.
Типы памяти
Память компьютера можно разделить на два вида: постоянную (ПЗУ, ROM) и
оперативную (ОЗУ, RAM).
Оперативную память можно также разделить на два типа:
статическая (SRAM - Static RAM);
динамическая (DRAM – Dynamic RAM).
В статической памяти элементы (ячейки) построены с использованием различных
вариантов схем (триггеров) с двумя устойчивыми состояниями. После записи бита в ячейку
она может пребывать в этом состоянии столь угодно долго при условии наличия питания.
Ячейки статической памяти имеют малое время срабатывания (единицы-десятки
наносекунд), однако микросхемы на их основе имеют низкую удельную плотность данных
(порядка единиц Мбит на корпус) и высокое энергопотребление. Поэтому статическая
память используется в основном в качестве буферной (кэш-памяти).
В динамической памяти ячейки построены на основе областей (занимающих гораздо
меньшую площадь, нежели триггеры) с накоплением зарядов и практически не
потребляющих энергии при хранении. При записи бита в такую ячейку в ней формируется
электрический заряд, который сохраняется в течение нескольких миллисекунд; для
постоянного сохранения заряда ячейки необходимо регенерировать - перезаписывать
содержимое для восстановления зарядов. Ячейки динамической памяти имеют большее
время срабатывания (десятки-сотни наносекунд), но большую удельную плотность (порядка
десятков Мбит на корпус) и меньшее энергопотребление.
Динамическая память вычислительных устройствах используется в качестве
основного вида памяти.
Различают подтипы памяти: DRAM (Dynamically RAM), SDRAM (Synchronous
DRAM), EDO RAM (Extended Data Output RAM), FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM),
SRAM (Statically RAM), CDRAM (Cached DRAM), NVRAM (Non Volatile RAM), FeRAM
(Ferroelectric RAM), DRDRAM (Direct RAMBus DRAM), DDR SDRAM (Double Data Rate
SDRAM), ESDRAM (Enhanced SDRAM), MRAM (Magnetic RAM), etc.
Корпуса и форм-факторы микросхем памяти
Устаревшие форм-факторы: DIP (Dual In line Package), SIP (Single In line Package),
SIPP (Single In line Pinned Package), CELP (Card Egde Low Profile), PQFP (Plastic Quad Flat
Package), SIMM (Single Inline Memory Module).
SIMM - Single Inline Memory Module. Дословный перевод, типа однорядная память .
На деле у неё просто контакты выстроены в один ряд с одной стороны. Устаревший
стандарт, встречающийся только на старых компьютерах. Есть два физических стандарта
SIMM. 30 pin и 72 pin. Первый совсем старый, второй поновее.
30 контактные SIMM ставились на 286, 386 и некоторые 486 компьютеры. Для набора
32 битного банка, требовалось 4 модуля. То есть, минимальное количество SIMM модулей
для 386 и 486 компьютера было не меньше 4.
72 контактные SIMM ставились на 486 компьютеры и Pentium от 66MHz до 200MMX.
Последняя грань не чёткая, но именно тогда большинство компьютеров стало переходить на
модули DIMM. Один модуль памяти на этот раз был уже 32 битным, поэтому для 486
компьютера хватало и одного установленного модуля. У Pentium же шина памяти
расширилась до 64 бит, поэтому для нормальной работы требовалась установка двух
модулей одновременно. Именно тогда появилась EDO тип SIMM памяти, который работал
быстрее, чем FPM устанавливаемый в 486, но мог работать только при установке пары SIMM
модулей и только на PENTIUM.
26
На все модули SIMM устанавливался только DRAM (динамическое ОЗУ)
Современные форм-факторы
DIMM - модули Dual In-Line Memory Module, то есть модуль с расположением ног по
обеим сторонам его платы. DIMM на этот раз имел 168 ног, а по сути он объединял на себе
два модуля SIMM одновременно и придумывался как избавление от парной установки
модулей в компьютер. То есть, по своей сути это был псевдо 64 битный модуль памяти (в два
банка по 32 бита каждый).
Изначально на DIMM модули ставились старые добрые EDO DRAM микросхемы. Так
продолжалось до скорого появления микросхем SDRAM, которые появилась достаточно
быстро, чтобы DIMM модули с EDO не получили достаточного распространения и быстро
ушли на второй план.
Аббревиатура SDRAM расшифровывается как Synchronic DRAM (динамическое ОЗУ
с синхронным интерфейсом). По сути это более соверщенные модули с еще большей
скоросью.
SDRAM DIMM модули стали получать всё большее и большее распространение.
DDR SDRAM
По сути DDR конструктивно схожа с обычной SDRAM. Отличия касаются банков
памяти(4 вместо 2) и главное в новом решении данные за такт передаются 2 раза. Это
позволяет говорить о удвоенной частоте работы. На самом деле DDR400(к примеру)
работает на внутренней частоте 200мггц. Конечно, есть и другие тоже весьма важные
моменты.
RDRAM
Эта память разработана компанией Rambus. Память такого типа весьма интересна.
Гигантская частота работы достигается в ней за счет снижения разрядности. Опять таки
увеличено количество банков. В целом можно сказать что память была весьма удачной. К
слову результат i850e был перекрыт только с приходом чипсета 875 вместе с двухканальной
DDR 400... Сгубили ее 2 фактора:
1) большая стоимость. Тут и говорить нечего. DDR память была в несколько раз
дешевле. Притом RDRAM конечно была быстрее, но не настолько.
2) разные неприятные мелочи. К примеру необходимость устанавливать модули
парно. Свободные слоты надо было забивать затычками. DDR в этом смысле была проще, а
значит милее массам. + в спецификации определены дико жесткие требования к
конструкции, терминированию, длине проводников и размещению сигнальных цепей по
слоям печатной платы.
DDR2 SDRAM
Ничего нового по сравнению с обычной DDR. Теперь память умеет за один такт
пересылать вчетверо большее колво информации чем обычная SDRAM. Это позволяет
говорить об учетверенной частоте работы. На самом деле DDR2 800(к примеру) работает на
внутренней частоте 200 мггц.
Память состоит из 2 основных частей: собственно матрицы запоминающих
элементов(которая и работает на определенной частоте) и буферов ввода-вывода. Эти две
части соединены шиной. В SDRAM по одной линни шины передавался один бит
информации за такт, а в DDR2 четыре.
Тот факт что чип памяти работает на пониженой частоте очень важен:
Во первых это позволяет уменьшить энергопотребление и тепловыделение модулей.
Напряжение опять таки снизили(с 2.5 до 1.8).
Во воторых это увеличивает выход годных чипов. Следовательно ниже себестоимость
памяти.
27
Как визуально (определять) различать ОЗУ (SIMM, DIMM, SDRAM, DDR, DDR2,
EDO и т.д.)?
Самое главное отличие всех этих типов памяти: расположение "ключа" на контактах
плашки памяти. Ключ - это грубо говоря вырез на плашке, который не позволяет вставить
плашку не правильно.
Вкратце. SIMM - бывают 30 пиновые и 72 пиновые (пин - pin - контактная площадка).
72 пиновые бывали типов FPM - для 486 машин и EDO - для первых Пентиумов. Различались
только по маркировке. 30 пиновые - это 286 и 386 машины. DIMM - это модули SDRAM,
DDR, DDR2. Внешне отличаются по количеству пинов: SDRAM - 168, DDR - 184, DDR2 240. SDRAM - это последние Pentium-II, Pentium-III и первые Pentium4. DDR - это Pentium4,
часть Pentium D на чипсетах P4. На новых чипсетах для Pentium D (Socket 775 LGA)
применяется уже только DDR2.
Как работает динамическая память (DRAM).
Начнём с самого начала, с основ работы динамической памяти. Конечно, такой
информации нет в спецификации, но будет полезно напомнить. Носителем информации в
динамической памяти является электрическая ёмкость или конденсатор. Ячейки памяти, в
основе которых лежит конденсатор, объединяются в массив. Чтобы считать информацию из
ячейки, подаётся адресный сигнал в соответствующую строку (по-английски Row). Данные
считываются из соответствующей колонки (по-английски Column) массива. Для "перевода"
аналогового сигнала электрической ёмкости используются специальные усилители. Кроме
того, существуют специальные цепи для подзарядки конденсаторов и записи данных.
Обычно на блок-схемах всё это объединяется и обозначается как "Sense Amplifiers".
При считывании информации происходят следующие операции:
Подаётся адресный сигнал в соответствующую строку. Данные целой строки
попадают на усилители и через некоторое время могут быть считаны. Такая операция
называется активацией строки (по-английски Activate).
Данные считываются из соответствующей колонки. Для этого подаётся команда на
чтение (по-английски Read). Данные появляются на выходе с некоторой задержкой. В
современной памяти используется чтение пакета данных (по-английски Burst),
представляющего собой несколько последовательно расположенных данных. Обычно размер
пакета равен 8.
Пока строка остаётся активной, возможно считывание или запись других ячеек
памяти (текущей строки).
Так как при чтении заряд ёмкостей ячеек памяти теряется, то производится
подзарядка этих ёмкостей или закрытие строки (по-английски Precharge). После закрытия
строки дальнейшее считывание данных невозможно без повторной активации.
Со временем конденсаторы
ячеек разражаются и их необходимо
подзаряжать. Операция подзарядки
называется
регенерацией
(поанглийски Refresh) и выполняется
каждые 64 мс для каждой строки
массива памяти.
При записи данных всё
происходит точно так же, только
чтение меняется на запись и при
закрытии
строки
происходит
непосредственная запись в массив
памяти.
28
Ячейка памяти может хранить только один бит информации. Чтобы хранить один
байт, используется 8 элементарных ячеек памяти. При этом они адресуются одинаково и
организованы с использованием шины данных шириной в 8 линий. Такие объединённые
ячейки образуют слово. Обычно чипы памяти имеют размер слова 4, 8, 16 бит. Ширина
шины данных при этом равна 4, 8, 16 линий (или разрядность 4, 8. 16 бит). Простой модуль
памяти DIMM имеет ширину шины данных 64 линий.
Банки памяти.
Чтобы обеспечить возможность быстрой работы одновременно с разными участками
памяти используется архитектура с несколькими массивами памяти или банками (поанглийски Bank). Банки памяти работают полностью независимо. Например, данные можно
считывать из памяти банка 1, обрабатывать и записывать в память банка 2. При этом будут
отсутствовать задержки на активацию и закрытие строк данных в массиве памяти, что было
бы в случае одного банка.
Возможна различная организация использования банков. При этом по-разному
выполняется трансляция адреса памяти, который использует процессор, в
последовательность: номер банка, номер строки массива памяти, номер колонки массива
памяти. В простейшем случае банки памяти идут последовательно. Соответственно
преимущества от наличия нескольких банков будут, только если обращения к памяти сильно
разнесены в адресном пространстве. Обычно программы работают с небольшим локальным
участком памяти и не будут иметь ускорения. Возможна организация с чередованием банков
(по-английски Interleaving). Сначала идёт строка первого банка, потом второго, потом опять
первого, и так далее до конца памяти. Вероятность, что будут использоваться участки
памяти, принадлежащие разным банкам, значительно увеличивается. Но всегда возможны
"неудобные" случаи, когда рабочие участки памяти разбросаны так, что принадлежат одному
банку. Тем не менее, наличие нескольких банков повышает производительность. Чем больше
банков, тем лучше. В спецификации чётко написано, что DDR SDRAM имеет 4 банка
памяти.
Как работает DDR
Сокращение
DDR
расшифровывается
как
Double Data Rate или
удвоенная
скорость
передачи данных. Число,
следующее
за
"DDR",
указывает
на
скорость
передачи
данных.
Например, у DDR 400
скорость передачи 400 МГц.
При этом использовать
термин "МГц" некорректно.
Правильно указывать скорость в "миллионах передач в секунду через один вывод данных".
Такое замечание есть в спецификации. Память DDR 400 работает на частоте 200 МГц или на
частоте в 2 раза меньше скорости передачи данных (вернее, скорость передачи данных в 2
раза больше тактовой частоты). Все управляющие сигналы синхронизируются частотой 200
МГц. Внутри чипа все работает классически по переднему фронту сигналов тактового
генератора с частотой 200 МГц (есть правда исключение). Официальная частота DDR333
равна 167.0 МГц.
Чтобы обеспечить передачу данных дважды за такт, используется специальная
архитектура "2n Prefetch". Внутренняя шина данных имеет ширину в два раза больше
внешней. При передаче данных сначала передаётся первая половина шины данных по
29
переднему фронту тактового сигнала, а затем вторая половина шины данных по заднему
фронту.
Для возможности работы на высоких частотах вместо одного тактового сигнала
используется два (Differential Clock). Дополнительный тактовый сигнал инвертирован
относительно основного. Поэтому на самом деле синхронизация происходит не по заднему
фронту. В документации написано, что синхронизация происходит при пересечении этих
двух тактовых сигналов. Но, насколько я понимаю, вместо пересечения просто используется
передний фронт дополнительного тактового сигнала. Хотя это только предположение.
Примечание:
здесь
и
далее
на
диаграммах сигналы данных и команд имеют
разное "выравнивание" относительно тактового
сигнала. Поэтому они немного сдвинуты
относительно друг друга.
Кроме передачи двух данных за такт,
DDR SDRAM имеет несколько других
принципиальных отличий от простой памяти
SDRAM.
В
основном
они
являются
технологическими. Например, был добавлен
сигнал QDS, который располагается на
печатной плате вместе с линиями данных. По
нему происходит синхронизация при передаче данных. Если используется два модуля
памяти, то данные от них приходят к контроллеру памяти с небольшой разницей из-за
разного расстояния. Возникает проблема в выборе синхросигнала для их считывания.
Использование QDS успешно это решает.
DDR2
Как и для обычной памяти DDR, число после "DDR2" указывает на скорость передачи
данных. Поэтому DDR2 400 и DDR 400 имеют абсолютно одинаковую скорость передачи
данных. Массив памяти DDR2 работает на частоте в 4 раза меньше скорости передачи
(вернее скорость передачи данных в 4 раза больше частоты работы массива). Для того чтобы
обеспечить передачу данных 4 раза за такт используется архитектура "4n Prefetch". При этом
внутренняя шина данных имеет ширину в 4 раза больше внешней шины. Тем не менее, вся
управляющая логика ввода/вывода работает на частоте в 2 раза меньше скорости передачи,
то есть на 200 МГц для DDR2 400. Непосредственно на сам чип памяти подаётся только эта
частота.
Подведя небольшой итог, можно сказать, что при одинаковом рейтинге память DDR2
и DDR имеют одинаковую скорость передачи данных. Главным преимуществом DDR2
является возможность функционирования на значительно более высоких частотах.
Становятся доступными большие скорости передачи данных. Массив памяти DDR2 работает
в 2 раза медленнее, чем массив DDR, и обладает большими задержками. Кроме того
изменения в протоколе работы в среднем так же увеличили задержки.
DDR3 SDRAM
Недавно появившийся на рынке декстопный набор логики Intel P35 уже сумел
завоевать широкую популярность. Реализованная в нём официальная поддержка
процессоров с 1333 МГц системной шиной и будущих CPU семейства Penryn
Тем более что Intel P35 – первый и единственный переходный чипсет компании (не
считая его интегрированного варианта G33), обладающий как поддержкой DDR2, так и
DDR3 SDRAM.
30
Уже из названия данного раздела
следует, что DDR3 SDRAM по своему
строению и принципам работы не сильно
отличается от DDR памяти предыдущих
поколений. Собственно, так оно и есть, DDR3
SDRAM – своего рода третье воплощение
принципов, заложенных ещё в DDR SDRAM.
Соответственно, сравнение DDR3 и DDR2
памяти вполне уместно, более того, оно вряд
ли займёт слишком много места.
Основная идея, позволившая нарастить
частоты DDR3 памяти по сравнению с DDR2,
заключается в удвоении размера выборки
данных, выполняемой непосредственно из
устройств хранения информации в буфера
ввода-вывода. В то время как в
DDR2 SDRAM используется 4битная выборка, в DDR3
SDRAM применяется выборка
размером 8 бит (называемая
также
8n-prefetch).
Иными
словами, технология DDR3
SDRAM
подразумевает
двукратное увеличение ширины
внутренней шины, соединяющей
собственно устройства хранения
данных и буфера ввода вывода.
В
результате,
увеличение
эффективной частоты передачи
данных, происходящее с вводом
DDR3 SDRAM, не требует
ускорения работы ядра памяти.
Возрастает
лишь
скорость
работы
внешних
буферов.
Частота же ядра чипов памяти оказывается в 8 раз меньше частоты внешней шины и буферов
DDR3 (в DDR2 эта частота была в 4 раза меньше частоты внешней шины).
Таким образом, достижение DDR3 памятью более высоких эффективных частот по
сравнению с DDR2 SDRAM становится возможно практически сразу, без внесения какихлибо изменений и усовершенствований в полупроводниковый технологический процесс.
Впрочем, применение описанной техники имеет и оборотную сторону – вполне очевидным
образом возрастает не только пропускная способность памяти, но и, к сожалению, её
латентность. В результате, ожидать от DDR3 SDRAM более высокой скорости работы, чем у
DDR2 SDRAM, можно не всегда, даже в том случае, если DDR3 превосходит DDR2 по
частоте.
JEDEC в недавно вышедшей финальной спецификации DDR3 SDRAM определяет
несколько версий такой памяти, с частотами от 800 до 1600 МГц. В таблице ниже мы
приводим описание основных параметров перечисленных в спецификации вариантов.
31
Если учесть, что латентность распространённой сегодня DDR2-800 с таймингами 4-44 составляет 10 нс, то эффективность DDR3 SDRAM действительно можно поставить под
вопрос. Получается, что эта память способна выигрывать у предшественницы
исключительно за счёт увеличения пропускной способности, которая должна
компенсировать ухудшающуюся латентность. К сожалению, переход на использование
DDR3 SDRAM – мера вынужденная. DDR2 память уже исчерпала свой частотный
потенциал: если увеличение её частоты до 1066 МГц ещё возможно при некоторых
допущениях, то дальнейший рост скорости резко снижает выход годных чипов и
значительно повышает стоимость модулей DDR2 SDRAM. Именно поэтому JEDEC не стал
стандартизировать DDR2 память с частотами выше 800 МГц, ратуя за переход к DDR3
технологии.
Среди плюсов в первую очередь следует отметить снизившееся напряжение питания
модулей DDR3 SDRAM, достигшее 1.5 В. Это на 20% ниже напряжения DDR2 SDRAM, что
в конечном итоге выливается в примерно 30-процентное падение энергопотребления при
сравнении с DDR2 памятью, работающей на аналогичной тактовой частоте. Этот эффект
достигается и благодаря внедрению производителями чипов памяти более современных
технологических процессов.
Соответственно, изменилась и тактика чтения/записи данных. Контроллер DDR3
должен быть способен успешно распознавать и обрабатывать временные смещения при
поступлении данных с чипов, вызванные применением fly-by архитектуры передачи команд.
Вверху – модуль DDR3 SDRAM,
внизу – модуль DDR2 SDRAM
Учитывая различное напряжение питания и отличающиеся протоколы DDR2 и DDR3
SDRAM, память этих двух типов логически не совместима друг с другом. Хотя число
контактов у модулей DDR2 и DDR3 одинаково и равно 240, слоты, предназначенные для
памяти разного типа, отличаются расположением "ключа". Поэтому, установить DDR3
SDRAM в DDR2 DIMM и наоборот не удастся.
Что же касается сроков жизни DDR3 вообще, то, согласно прогнозам, приходящая ей
на смену DDR4 SDRAM начнёт покорять рынок примерно в 2011 году.
32
Жесткий диск. Принципы работы накопителей на жестких дисках.
Основные компоненты накопителей. Дорожки, секторы, цилиндры.
Форматирование диска: низкоуровневое, организация разделов на диске,
высокоуровневое. Технология S.M.A.R.T.
Накопители на жестких дисках обычно называют винчестерами. Этот термин
появился в 1960-х годах, когда IBM выпустила высокоскоростной накопитель с одним
несъемным и одним сменным дисками емкостью по 30 Мбайт. Этот накопитель состоял из
пластин, которые вращались с высокой скоростью, и "парящих" над ними головок, а номер
его разработки — 30-30. Такое цифровое обозначение (30-30) совпало с обозначением
популярного нарезного оружия Winchester, поэтому термин винчестер вскоре стал
применяться в отношении любого стационарно закрепленного жесткого диска. Это
типичный профессиональный жаргон, на самом деле подобные устройства не имеют с
обычными винчестерами (т. е. с оружием) ничего общего.
Основные компоненты накопителей на жестких дисках

диски;

головки чтения/записи;

механизм привода головок;

двигатель привода дисков;

печатная плата со схемами управления;

кабели и разъемы;

элементы конфигурации (перемычки и переключатели).
Диски,
двигатель
привода дисков, головки и
механизм привода головок
обычно
размещаются
в
герметичном корпусе, который
называется HDA (Head Disk
Assembly — блок головок и
дисков). Обычно этот блок
рассматривается как единый
узел; его почти никогда не
вскрывают. Прочие узлы, не
входящие
в
блок
HDA
(печатная
плата,
лицевая
панель, элементы конфигурации и монтажные детали) являются съемными.
Диски
Обычно в накопителе содержится один или несколько магнитных дисков. За
прошедшие годы установлен ряд стандартных размеров накопителей, которые определяются
в основном размерами дисков, а именно:

5,25 дюйма (на самом деле — 130 мм, или 5,12 дюйма);

3,5 дюйма (на самом деле — 95 мм, или 3,74 дюйма);

2,5 дюйма (на самом деле — 65 мм, или 2,56 дюйма);

1 дюйм (на самом деле — 34 мм, или 1,33 дюйма).
Сейчас в настольных и некоторых портативных моделях чаще всего устанавливаются
накопители формата 3,5 дюйма, а малогабаритные устройства (формата 2,5 дюйма и меньше)
— в портативных системах.
В большинстве накопителей устанавливается минимум два диска, хотя в некоторых
малых моделях бывает и по одному. Количество дисков ограничивается физическими
размерами накопителя, а именно высотой его корпуса.
33
Раньше почти все диски производились
из алюминиевого сплава, довольно прочного и
легкого. Но со временем возникла потребность
в накопителях, сочетающих малые размеры и
большую емкость. Поэтому в качестве
основного материала для дисков стало
использоваться стекло, а точнее, композитный
материал на основе стекла и керамики. Один из
таких материалов называется MemCor и
производится компанией Dow Corning. Он
значительно прочнее, чем каждый из его
компонентов в отдельности. Стеклянные диски отличаются большей прочностью и
жесткостью, поэтому их можно сделать в два раза тоньше алюминиевых (а иногда еще
тоньше).
Головки чтения/записи
В накопителях на жестких дисках для каждой из сторон каждого диска предусмотрена
собственная головка чтения/записи. Все головки смонтированы на общем подвижном
каркасе и перемещаются одновременно.
Конструкция каркаса с головками довольно проста. Каждая головка установлена на
конце рычага, закрепленного на пружине и слегка прижимающего ее к диску. Мало кто знает
о том, что диск как бы зажат между парой головок (сверху и снизу). И если бы это не
повлекло за собой никаких последствий, можно было бы провести небольшой эксперимент:
открыть накопитель и приподнять пальцем верхнюю головку. Как только бы вы ее
отпустили, она вернулась бы в первоначальное положение (то же самое произошло бы и с
нижней головкой).
.
Механизмы привода головок
Пожалуй, еще более важной деталью накопителя, чем сами головки, является
механизм, который устанавливает их в нужное положение и называется приводом головок.
Именно с его помощью головки перемещаются от центра к краям диска и
устанавливаются на заданный цилиндр. Существует много конструкций механизмов привода
головок, но их можно разделить на два основных типа:

с шаговым двигателем;

с подвижной катушкой.
Тип привода во многом определяет быстродействие и надежность накопителя,
достоверность считывания данных, его температурную стабильность, чувствительность к
выбору рабочего положения и вибрациям. Скажем сразу, что накопители с приводами на
основе шаговых двигателей гораздо менее надежны, чем устройства с приводами от
подвижных катушек. Привод — самая важная деталь накопителя.
Приводы с шаговым двигателем обычно использовались на жестких дисках с
емкостью до 100 Мбайт и менее, которые создавались в 1980-х и в начале 1990-х годов. Во
всех накопителях, имеющих более высокую емкость, обычно используются приводы с
подвижной катушкой.
Привод с шаговым двигателем
Шаговый двигатель — это электродвигатель, ротор которого может поворачиваться
только ступенчато, т. е. на строго определенный угол. Если покрутить его вал вручную, то
можно услышать негромкие щелчки (или треск при быстром вращении), которые возникают
всякий раз, когда ротор проходит очередное фиксированное положение.
Привод с подвижной катушкой
Привод с подвижной катушкой используется практически во всех современных
34
накопителях. В отличие от систем с шаговыми двигателями, в которых перемещение головок
осуществляется вслепую, в приводе с подвижной катушкой используется сигнал обратной
связи, чтобы можно было точно определить положения головок относительно дорожек и
скорректировать их в случае необходимости. Такая система обеспечивает более высокое
быстродействие, точность и надежность, чем традиционный привод с шаговым двигателем.
Двигатель привода дисков
Двигатель, приводящий во вращение диски, часто называют шпиндельным (spindle).
Шпиндельный двигатель всегда связан с осью вращения дисков, никакие приводные ремни
или шестерни для этого не используются. Двигатель должен быть бесшумным: любые
вибрации передаются дискам и могут привести к ошибкам при считывании и записи.
Частота вращения двигателя должна быть строго определенной. Обычно она
колеблется от 3 600 до 15 000 об/мин или больше, а для ее стабилизации используется схема
управления двигателем с обратной связью (автоподстройкой), позволяющая добиться
необходимой точности. Таким образом, контроль за частотой вращения двигателя
осуществляется автоматически, и никакие устройства, позволяющие сделать это вручную, в
накопителях не предусмотрены.
В большинстве накопителей шпиндельный двигатель располагается в нижней части,
под блоком HDA. Однако во многих современных устройствах он встраивается внутрь блока
HDA и представляет собой центральную часть блока дисков-носителей. Такая конструкция
позволяет, не изменяя размера накопителя по вертикали, увеличить количество дисков в
блоке (в "стопке").
Платы управления
В каждом накопителе, в том числе и на жестких дисках, есть хотя бы одна плата. На
ней монтируются электронные схемы для управления шпиндельным двигателем и приводом
головок, а также для обмена данными с контроллером (представленными в заранее
оговоренной форме).
Данные, хранящиеся на жестких дисках накопителя с поврежденной платой
управления, могут быть извлечены только после ее замены. В большинстве случаев ценность
содержащихся данных значительно превышает стоимость накопителя, поэтому приобретение
нового идентичного накопителя и его использование в качестве источника запасных частей
(в частности, платы управления) полностью себя оправдывает.
Кабели и разъемы накопителей
В большинстве накопителей на жестких дисках предусмотрено несколько
интерфейсных разъемов для подключения к системе, подачи питания, а иногда и для
заземления корпуса. Как правило, накопители имеют по меньшей мере три типа разъемов:

интерфейсный разъем (или разъемы): IDE (PATA), SATA, USB;

разъем питания;

разъем (или зажим) для заземления (необязательно).
Принципы работы накопителей на жестких дисках (винчестерах)
В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются
универсальными головками чтения/записи с поверхности вращающихся магнитных дисков,
разбитых на дорожки и секторы (512 байт каждый), как показано на рис.
В накопителях обычно устанавливается несколько дисков, и данные записываются на
обеих сторонах каждого из них. В большинстве накопителей есть по меньшей мере два или
три диска (что позволяет выполнять запись на четырех или шести сторонах), но существуют
также устройства, содержащие до 11 и более дисков. Однотипные (одинаково
расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр (рис.). Для
каждой стороны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки
.
35
смонтированы
на
общем стержне, или
стойке.
Поэтому
головки не могут
перемещаться
независимо друг от
друга и двигаются
только синхронно.
Жесткие диски
вращаются намного
быстрее, чем гибкие.
Частота их вращения
даже в большинстве
первых
моделей
составля
ла 3 600
об/мин
(т. е. в 10
раз
больше,
чем
в
накопите
ле
на
гибких
дисках).
Но в настоящее время частота вращения жестких дисков возросла до 6 400, 7 200, 10000
об/мин и даже 15 000 об/мин. Накопители со скоростью вращения 10000 или 15 000 об/мин
используются обычно только в высокоэффективных рабочих станциях или серверах, для
которых высокая стоимость жестких дисков, повышенное тепловыделение и шум не играют
существенной роли.
.
При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не
должны касаться!) дисков. Но при выключении питания и остановке дисков они опускаются
на поверхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью
вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в
этот зазор попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка столкнется с диском,
вращающимся "на полном ходу". Если удар будет достаточно сильным, произойдет поломка
головки. Последствия этого могут быть разными — от потери нескольких байтов данных до
выхода из строя всего накопителя. Поэтому в большинстве накопителей поверхности
магнитных дисков легируют и покрывают специальными смазками, что позволяет
устройствам выдерживать ежедневные "взлеты" и "приземления" головок, а также более
серьезные потрясения.
В некоторых наиболее современных накопителях вместо конструкции CSS (Contact
Start Stop) используется механизм загрузки/разгрузки, который не позволяет головкам
входить в контакт с жесткими дисками даже при отключении питания накопителя. Этот
механизм был впервые использован в 2,5-дюймовых накопителях портативных и дорожных
компьютеров, для которых устойчивость к механическим воздействиям играет весьма
важную роль. В механизме загрузки/разгрузки используется наклонная панель,
расположенная прямо над внешней поверхностью жесткого диска. Когда накопитель
выключен или находится в режиме экономии потребляемой мощности, головки съезжают на
36
эту панель. При подаче электроэнергии разблокировка головок происходит только тогда,
когда скорость вращения жестких дисков достигнет нужной величины. Поток воздуха,
создаваемый при вращении дисков (аэростатический подшипник), позволяет избежать
возможного контакта между головкой и поверхностью жесткого диска.
Дорожки и секторы
Дорожка — это одно "кольцо" данных на одной стороне диска. Дорожка записи на
диске слишком велика, чтобы использовать ее в качестве единицы хранения информации. Во
многих накопителях ее емкость превышает 100 тыс. байт, и отводить такой блок для
хранения небольшого файла крайне расточительно. Поэтому дорожки на диске разбивают на
нумерованные отрезки, называемые секторами.
Количество секторов может быть разным в зависимости от плотности дорожек и типа
накопителя. Например, дорожка гибких дисков может содержать от 8 до 36 секторов, а
дорожка жесткого диска — от 380 до 700. Секторы, создаваемые с помощью стандартных
программ форматирования, имеют емкость 512 байт, но не исключено, что в будущем эта
величина изменится.
Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, в отличие от головок и
цилиндров, отсчет которых ведется с нуля.
При форматировании диска в начале и конце каждого сектора создаются
дополнительные области для записи их номеров, а также прочая служебная информация,
благодаря которой контроллер идентифицирует начало и конец сектора. Это позволяет
отличать неформатированную и форматированную емкости диска. После форматирования
емкость диска уменьшается, и с этим приходится мириться, поскольку для обеспечения
нормальной работы накопителя некоторое пространство на диске должно быть
зарезервировано для служебной информации.
В начале каждого сектора записывается его заголовок (или префикс — prefix portion),
по которому определяется начало и номер сектора, а в конце — заключение (или суффикс —
suffix portion), в котором находится контрольная сумма (checksum), необходимая для
проверки целостности данных. В большинстве новых дисководов вместо заголовка
используется так называемая запись No-ID, вмещающая в себя больший объем данных.
Помимо указанных областей служебной информации, каждый сектор содержит область
данных емкостью 512 байт. При низкоуровневом (физическом) форматировании всем байтам
данных присваивается некоторое значение, например F6h.
В каждом секторе можно записать 512 байт данных, но область данных — это только
часть сектора. Каждый сектор на диске обычно занимает 571 байт, из которых под данные
отводится только 512 байт. В различных накопителях пространство, отводимое под
заголовки (header) и заключения (trailer), может быть разным, но, как правило, сектор имеет
размер 571 байт.
Чтобы очистить секторы, в них зачастую записываются специальные
последовательности байтов. Заметим, что, кроме промежутков внутри секторов, существуют
промежутки между секторами на каждой дорожке и между самими дорожками. При этом ни
в один из указанных промежутков нельзя записать "полезные" данные. Префиксы, суффиксы
и промежутки — это как раз то пространство, которое представляет собой разницу между
неформатированной и форматированной емкостями диска и "теряется" после его
форматирования.
Кластер (англ. cluster) — в некоторых типах файловых систем логическая единица
хранения данных в таблице размещения файлов, объединяющая группу секторов. Например,
на дисках с размером секторов в 512 байт, 512-байтный кластер содержит один сектор, тогда
как 4-килобайтный кластер содержит восемь секторов.
Как правило, это наименьшее место на диске, которое может быть выделено для
хранения файла. Понятие кластер используется в файловых системах FAT и NTFS.
37
Идентификатор (ID) сектора состоит из полей записи номеров цилиндра, головки и
сектора, а также контрольного поля CRC для проверки точности считывания информации ID.
В большинстве контроллеров седьмой бит поля номера головки используется для
маркировки дефектных секторов в процессе низкоуровневого форматирования или анализа
поверхности. Однако такой метод не является стандартным, и в некоторых устройствах
дефектные секторы помечаются иначе. Но, как правило, отметка делается в одном из полей
ID.
Интервал включения записи следует сразу за байтами CRC; он гарантирует, что
информация в следующей области данных будет записана правильно. Кроме того, он служит
для завершения анализа CRC (контрольной суммы) идентификатора сектора.
В поле данных можно записать 512 байт информации. За ним располагается еще одно
поле CRC для проверки правильности записи данных. В большинстве накопителей размер
этого поля составляет два байта, но некоторые контроллеры могут работать и с более
длинными полями кодов коррекции ошибок (Error Correction Code — ECC). Записанные в
этом поле байты кодов коррекции ошибок позволяют при считывании обнаруживать и
исправлять некоторые ошибки. Эффективность этой операции зависит от выбранного метода
коррекции и особенностей контроллера. Наличие интервала отключения записи позволяет
полностью завершить анализ байтов ECC (CRC).
Интервал между записями необходим для того, чтобы застраховать данные из
следующего сектора от случайного стирания при записи в предыдущий сектор. Это может
произойти, если при форматировании диск вращался с частотой, несколько меньшей, чем
при последующих операциях записи. При этом сектор, естественно, всякий раз будет
немного длиннее, и для того, чтобы он не выходил за установленные при форматировании
границы, их слегка "растягивают", вводя упомянутый интервал. Его реальный размер зависит
от разности частот вращения диска при форматировании дорожки и при каждом обновлении
данных.
Предындексный интервал необходим для компенсации неравномерности вращения
диска вдоль всей дорожки. Размер этого интервала зависит от возможных значений частоты
вращения диска и сигнала синхронизации при форматировании и записи.
Информация, записываемая в заголовке сектора, имеет огромное значение, поскольку
содержит данные о номере цилиндра, головки и сектора. Все эти сведения (за исключением
поля данных, байтов CRC и интервала отключения записи) записываются на диск только при
форматировании низкого уровня.
Форматирование дисков
Различают два вида форматирования диска:

физическое, или форматирование низкого уровня;

логическое, или форматирование высокого уровня.
При форматировании, к примеру, гибких дисков выполняются обе операции, но для
жестких дисков эти операции следует выполнять отдельно. Более того, для жесткого диска
существует и третий этап, выполняемый между двумя указанными операциями
форматирования, — разбивка диска на разделы. Создание разделов абсолютно необходимо
в том случае, если вы предполагаете использовать на одном компьютере несколько
операционных систем. Физическое форматирование всегда выполняется одинаково,
независимо от свойств операционной системы и параметров форматирования высокого
уровня (которые могут быть различными для разных операционных систем).
Это позволяет совмещать несколько операционных систем на одном жестком диске.
При организации нескольких разделов на одном накопителе каждый из них может
использоваться для работы под управлением своей операционной системы либо
представлять отдельный том (volume), или логический диск (logical drive). Тому, или
логическому диску, система присваивает буквенное обозначение.
38
Таким образом, форматирование
жесткого диска выполняется в три этапа.
1.
Форматирование
низкого
уровня.
2.
Организация
разделов
на
диске.
3.
Форматирование
высокого
уровня.
Форматирование низкого уровня
В процессе форматирования низкого
уровня дорожки диска разбиваются на
секторы. При этом записываются заголовки
и заключения секторов (префиксы и
суффиксы),
а
также
формируются
интервалы между секторами и дорожками.
Область
данных
каждого
сектора
заполняется фиктивными значениями или
специальными тестовыми наборами данных.
В накопителях на гибких дисках количество
секторов на дорожке определяется типом
дискеты и дисковода; количество секторов
на дорожке жесткого диска зависит от
интерфейса накопителя и контроллера.
Практически во всех накопителях
IDE и SCSI используется так называемая
зонная запись с переменным количеством секторов на дорожке. Дорожки, более удаленные
от центра, а значит, и более длинные содержат большее число секторов, чем близкие к
центру. Один из способов повышения емкости жесткого диска — разделение внешних
цилиндров на большее количество секторов по сравнению с внутренними цилиндрами.
Теоретически внешние цилиндры могут содержать больше данных, так как имеют большую
длину окружности. Одно свойство зонной записи состоит в том, что скорость обмена
данными с накопителем может изменяться и зависит от зоны, в которой в конкретный
момент располагаются головки. Происходит это потому, что секторов во внешних зонах
больше, а угловая скорость вращения диска постоянна (т. е. линейная скорость перемещения
секторов относительно головки при считывании и записи данных на внешних дорожках
оказывается выше, чем на внутренних).
.
Метод зонной записи был принят производителями жестких дисков, что позволило
повысить емкость устройств на 20-50% по сравнению с накопителями, в которых число
секторов на дорожке является фиксированным. Сегодня зонная запись используется почти во
всех накопителях IDE и SCSI.
Организация разделов на диске
При разбивке диска на области, называемые разделами, в каждой из них может быть
создана файловая система, соответствующая определенной операционной системе. Сегодня в
работе операционных систем чаще других используются три файловые системы.

FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов). Это стандартная
файловая система для DOS, Windows 9х и Windows NT. В разделах FAT под DOS
допустимая длина имен файлов — 11 символов (8 символов собственно имени и 3 символа
расширения), а объем тома (логического диска) — до 2 Гбайт. Под Windows 9х и Windows
NT 4.0 и выше допустимая длина имен файлов — 255 символов.
39
С помощью программы FDISK можно создать только два физических раздела
FAT на жестком диске — основной и дополнительный, а в дополнительном разделе можно
создать до 25 логических томов. Программа Partition Magic может создавать четыре
основных раздела или три основных и один дополнительный.

FAT32 (File Allocation Table, 32-bit — 32-разрядная таблица размещения
файлов). Используется с Windows 95 OSR2 (OEM Service Release 2), Windows 98 и Windows
2000. В таблицах FAT 32 ячейкам размещения соответствуют 32-разрядные числа. При такой
файловой структуре объем тома (логического диска) может достигать 2 Тбайт (2 048 Гбайт).

NTFS (Windows NT File System — файловая система Windows NT). Доступна
только в операционной системе Windows NT/2000/XP. Длина имен файлов может достигать
256 символов, а размер раздела (теоретически) — 16 Эбайт (16?1018 байт). NTFS
обеспечивает дополнительные возможности, не предоставляемые другими файловыми
системами, например средства безопасности.
После создания разделов необходимо выполнить форматирование высокого уровня с
помощью средств операционной системы.
Форматирование высокого уровня
При форматировании высокого уровня операционная система создает структуры для
работы с файлами и данными. В каждый раздел (логический диск) заносится загрузочный
сектор тома (Volume Boot Sector — VBS), две копии таблицы размещения файлов (FAT) и
корневой каталог (Root Directory). С помощью этих структур данных операционная система
распределяет дисковое пространство, отслеживает расположение файлов и даже "обходит",
во избежание проблем, дефектные участки на диске.
В сущности, форматирование высокого уровня — это не столько форматирование,
сколько создание оглавления диска и таблицы размещения файлов. "Настоящее"
форматирование — это форматирование низкого уровня, при котором диск разбивается на
дорожки и секторы. Чтобы выполнить низкоуровневое форматирование жесткого диска,
необходима специальная программа, обычно предоставляемая производителем диска.
S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology — технология
самотестирования, анализа и отчетности) — это новый промышленный стандарт,
описывающий методы предсказания появления ошибок жесткого диска. При активизации
системы S.M.A.R.T. жесткий диск начинает отслеживать определенные параметры,
чувствительные к неисправностям накопителя или указывающие на них. На основе
отслеживаемых параметров можно предсказать сбои в работе накопителя. Если на основе
отслеживаемых параметров вероятность появления ошибки возрастает, S.M.A.R.T.
генерирует для BIOS или драйвера операционной системы отчет о возникшей неполадке,
который указывает пользователю на необходимость немедленного резервного копирования
данных до того момента, когда произойдет сбой в накопителе.
Для функционирования S.M.A.R.T. необходима поддержка этой технологии на уровне
BIOS или драйвера жесткого диска операционной системы (и, естественно, накопитель на
жестких дисках, который поддерживает эту технологию). S.M.A.R.T. поддерживается
несколькими программами, например Norton Smart Doctor от Symantec, EZ от Microhouse
International или Data Advisor от Ontrack Data International.
В некоторых современных накопителях на жестких дисках резервируются секторы,
которые в будущем используются вместо дефектных. Как только "вступает в дело" один из
резервных секторов, S.M.A.R.T. информирует об этом пользователя, в то время как
программы диагностики диска не сообщают о каких-либо проблемах.
В большинстве дисков реализована регистрация следующих параметров:

высота полета головки на диском;

скорость передачи данных;

количество переназначенных секторов;

40
производительность времени поиска;

количество повторов процесса калибровки накопителя.
Каждый параметр имеет пороговое значение, которое используется для определения
того, появилась ли ошибка. Это значение определяется производителем накопителя и не
может быть изменено.
Если S.M.A.R.T. в процессе мониторинга накопителя обнаруживает несоответствие
параметров, то драйверу диска отправляется предупреждающее сообщение, а драйвер
информирует о "нестандартной ситуации" операционную систему. Операционная система
оповещает пользователя о необходимости немедленного резервного копирования данных. В
этом предупреждающем сообщении может также содержаться информация о типе,
производителе, номере накопителя.
http://www.comprofit.ru/inform/index.php?id_article=13&id_page=2

41
Оптический привод. Принцип чтения и записи. Оптические диски: CDROM, CD-R, CD-RW, DVD, Blu-Ray.
Оптический привод - устройство для чтения/записи оптических дисков
Оптический диск — собирательное название для носителей информации,
выполненных в виде дисков, запись на которые ведётся с помощью оптического излучения.
Диск обычно плоский, его основа сделана из поликарбоната, на который нанесён
специальный слой, который и служит для хранения информации. Для считывания
информации используется обычно луч лазера, который направляется на специальный слой и
отражается от него. При отражении луч искажается мельчайшими выемками на специальном
слое, и этот факт можно измерить.
Компа́кт-диск («CD», «Shape CD», «CD-ROM», «КД ПЗУ») — оптический носитель
информации в виде диска с отверстием в центре, информация с которого считывается с
помощью лазера. Изначально компакт-диск был создан для цифрового хранения аудио (т. н.
Audio-CD), однако в настоящее время широко используется как устройство хранения данных
широкого назначения (т. н. CD-ROM). Аудио-компакт-диски по формату отличаются от
компакт-дисков с данными, и CD-плееры обычно могут воспроизводить только их (на
компьютере, конечно, можно прочитать оба вида дисков). Встречаются диски, содержащие
как аудиоинформацию, так и данные — их можно и послушать на CD-плеере, и прочитать на
компьютере. С развитием mp3 производители бытовых CD-плееров и музыкальных центров
начали снабжать их возможностью чтения mp3-файлов с CD-ROM’ов.
Аббревиатура «CD-ROM» означает «Compact Disc Read Only Memory» что в переводе
обозначает компакт-диск с возможностью чтения. «КД ПЗУ» означает «Компакт-диск,
постоянное запоминающее устройство». CD-ROM’ом часто ошибочно называют CD-привод
для чтения компакт-дисков.
В процессе считывания информации с лазерных дисков луч лазера, установленного в
дисководе, падает на поверхность вращающегося диска и отражается. Так как поверхность
лазерного диска имеет участки с различными коэффициентами отражения, то отраженный
луч также меняет свою интенсивность (логические 0 или 1). Затем отраженные световые
импульсы преобразуются с помощью фотоэлементов в электрические импульсы и по
магистрали передаются в оперативную память.
Диаметр компакт-диска 12 см. Он выполнен из поликарбоната толщиной 1,2 мм,
покрытого тончайшим слоем алюминия (ранее использовалось золото) с защитным слоем из
лака, на котором обычно наносится графическое представление содержания диска. На
отражающей стороне имеется кольцевой выступ высотой 0,5 мм, позволяющий диску,
положенному на ровную поверхность, не касаться этой поверхности. В центре диска
расположено отверстие диаметром 15 мм.
Информация на диске записывается в виде спиральной дорожки так называемых
питов (углублений), выдавленных на алюминиевом слое (в отличие от технологии записи
CD-ROM’ов где информация записывается цилиндрически). Каждый пит имеет примерно
125 нм в глубину и 500 нм в ширину. Длина пита варьируется от 850 нм до 3,5 мкм.
Расстояние между соседними дорожками спирали — 1,5 мкм.
Чтение диска
Данные с диска читаются при помощи лазерного луча, который просвечивает
поликарбонатный слой, отражается от алюминиевого и считывается фотодиодом. Луч лазера
образует на отражающем слое пятно диаметром примерно 1,5 мкм. Так как диск читается с
нижней стороны, каждый пит выглядит для лазера как возвышение. Места, где такие
возвышения отсутствуют, называются площадками.
Свет от лазера, попадающий на площадку, отражается и улавливается
фотоприёмником. Если же свет попадает на возвышение, он испытывает интерференцию со
светом, отражённым от площадки вокруг возвышения и не отражается. Так происходит
42
потому, что высота каждого возвышения равняется четверти длины волны света лазера, что
приводит к разнице в фазах в половину длины волны между светом, отражённым от
площадки и светом, отражённым от возвышения.
Запись диска
CD-ROM
Отливаются методом инжекционного литья (литье под давлением) на заводах с
использованием стеклянной матрицы с вытравленным на ней рисунком дорожек,
состоящих из питов (выступов) и промежутков, с помощью которой формируется
металлический слой диска.
CD-R (Recordable)
Между золотой (алюминиевой) поверхностью и слоем поликарбоната добавляется
краситель. В изначальном состоянии уровень красителя прозрачен и позволяет лучу лазера
свободно проходить через него и отражаться от золотого (алюминиевого) покрытия. Во
время записи лазер переходит в режим повышенной мощности (8-16 мВт). Когда лазер
попадает на краситель, он нагревает его, разрушая химические связи, и образует темные,
непрозрачные пятна. При чтении лучом лазера с мощностью 0,5 мВт фотодетектор замечает
разницу между прожженными пятнами и нетронутыми
CD-RW (ReWritable)
Записывающий слой изготавливается из специального сплава, который можно
нагреванием приводить в два различных устойчивых агрегатных состояния — аморфное и
кристаллическое. Этот сплав обычно изготавливается из серебра (Ag), индия (In), сурьмы
(Sb) и теллура (Te). При записи (или стирании) луч лазера нагревает участок дорожки и
переводит его в одно из устойчивых агрегатных состояний, которые характеризуются
различой степенью прозрачности. Читающий луч лазера имеет меньшую мощность и не
изменяет состояние
записывающего слоя, а чередующиеся участки
с различной
прозрачностью формируют картину аналогичную питам и площадкам обычных
Компакт-диск был создан в 1979 году компаниями Philips и Sony. На Philips
разработали общий процесс производства, основываясь на своей более ранней технологии
лазерных дисков. Sony, в свою очередь, использовала собственный метод записи PCM —
Pulse Code Modulation, использовавшийся ранее в цифровых профессиональных
магнитофонах.
Скорость чтения/записи CD указывается кратной 150 KБ/с (то есть 153 600 байт/с).
Например, 48-скоростной привод обеспечивает максимальную скорость чтения (или записи)
CD дисков, равную 48 x 150 = 7200 KБ/с (7,03 MБ/с).
Shape CD
Shape CD (фигурный компакт-диск) — оптический носитель цифровой информации
типа CD-ROM, но не строго круглой формы, а с очертанием внешнего контура в форме
разнообразных объектов, таких как портреты, машины, самолёты, диснеевские персонажи,
сердечки, звёздочки, овалы, в форме кредитных карточек и т. д. Обычно применяется в шоубизнесе, как носитель аудио- и видеоинформации. Был запатентован рекорд-продюсером
Марио Коссом в Германии (1995). Обычно диски с формой, отличающейся от круглой, не
рекомендуют применять в компьютерных приводах CD-ROM, поскольку при высоких
скоростях вращения (до 12000 об./мин.) диск может лопнуть, что может привести к полному
выходу привода из строя.
Защита от копирования
Спецификация компакт-дисков не предусматривает никакого механизма защиты от
копирования — диски можно свободно размножать и воспроизводить. Однако начиная с
2002 года, различные западные звукозаписывающие компании начали предпринимать
попытки создать компакт-диски, защищённые от копирования. Суть почти всех методов
сводится к намеренному внесению ошибок в данные, записываемые на диск, так, чтобы на
43
бытовом CD-плеере или музыкальном центре диск воспроизводился, а на компьютере — нет.
В итоге получается игра в кошки-мышки: такие диски читаются далеко не на всех бытовых
плеерах, а на некоторых компьютерах — читаются, выходит программное обеспечение,
позволяющее копировать даже защищённые диски и т. д. Звукозаписывающая индустрия,
однако, не оставляет надежд и продолжает испытывать всё новые и новые методы.
Philips заявила, что на подобные диски, не соответствующие спецификациям
«Красной Книги», запрещается наносить знак «Compact disc digital audio».
Для дисков с данными также существуют разнообразные методы защиты от
копирования, например технология SecurDisc.
DVD (ди-ви-ди́, англ. Digital Versatile Disc — цифровой многоцелевой диск) —
носитель информации в виде диска, внешне схожий с компакт-диском, однако имеющий
возможность хранить бо́льший объём информации за счёт использования лазера с меньшей
длиной волны, чем для обычных компакт дисков.
Первые диски и проигрыватели DVD появились в ноябре 1996 в Японии и в марте
1997 в США. Изначально «DVD» расшифровывалось как «Digital Video Disc» (цифровой
видеодиск), поскольку данный формат первоначально разрабатывался как замена
видеокассетам. Позже, многие стали расшифровывать DVD как Digital Versatile Disc
(цифровой многоцелевой диск). Toshiba, заведующая официальным сайтом DVD Forum’а,
использует «Digital Versatile Disc». К консенсусу не пришли до сих пор, поэтому сегодня
«DVD» официально вообще никак не расшифровывается.
Техническая информация
DVD по структуре данных бывают трех типов:

DVD-Video — содержат фильмы (видео и звук);

DVD-Audio — содержат аудиоданные высокого качества (гораздо выше, чем
на аудио-компакт-дисках);

DVD-Data — содержат любые данные;

смешанное содержимое.
В отличие от компакт-дисков, в которых структура аудиодиска фундаментально
отличается от диска с данными, в DVD всегда используется файловая система UDF (для
данных может быть использована ISO 9660)).
DVD как носители бывают четырёх типов:

DVD-ROM — диски, изготовленные методом инжекционного литья (литья под
давлением из прочного пластика-поликарбоната), непригодны для записи в приводах;

DVD+R/RW — диски однократной (R — Recordable) и многократной (RW —
ReWritable) записи;

DVD-R/RW — диски однократной (R — Recordable) и многократной (RW —
ReWritable) записи;

DVD-RAM — диски многократной записи с произвольным доступом (RAM —
Random Access Memory).
Любой из этих 4 типов носителей DVD может нести любую из трёх структур данных.
Физически DVD может иметь одну или две рабочие стороны и один или два рабочих
слоя на каждой стороне. От их количества зависит ёмкость диска (из-за чего они получили
также названия DVD-5, −9, −10, −18, по принципу округления ёмкости диска в Гб до
ближайшего сверху целого числа):
В Гигабайтах
В Гибибайтах
Ёмкость DVD-дисков
(109 байт)
(230 байт)
1-сторонние 1-слойные (DVD-5)
4,7
4,38
1-сторонние 2-слойные (DVD-9)
8,5
7,96
2-сторонние 1-слойные (DVD-10)
9,4
8,75
2-сторонние 2-слойные (DVD-18)
17,1
15,93
44
Указанные цифры — приблизительные. На DVD данные записываются секторами;
один сектор содержит 2048 байт. Поэтому точное значение ёмкости DVD можно определить
умножением 2048 на число секторов на диске, которое слегка варьируется у различных
типов DVD носителей (цифры даны для 1-сторонних дисков; у 2-сторонних, очевидно, всё 2
раза больше):
Единица скорости (1x) чтения/записи DVD составляет 1 385 000 байт/с (то есть около
1352 Кбайт/с = 1,32 Мбайт/с), что примерно соответствует 9-й скорости (9x) чтения/записи
CD, которая равна 9 × 150 = 1350 Кбайт/с. Таким образом, 16-скоростной привод
обеспечивает скорость чтения (или записи) DVD равную 16 × 1,32 = 21,12 Мбайт/с.
Возникновение форматов DVD±R и их совместимость
Стандарт записи DVD-R(W) был разработан в 1997 г. DVD-Forum'ом как официальная
спецификация (пере)записываемых дисков. Однако цена лицензии на эту технологию была
слишком высока, и поэтому несколько производителей пишущих приводов и носителей для
записи объединились в «DVD+RW Alliance», который и разработал в середине 2002 г.
стандарт DVD+R(W), стоимость лицензии на который была ниже. Поначалу «болванки»
(чистые диски для записи) DVD+R(W) были дороже, чем «болванки» DVD-R(W), но теперь
цены сравнялись.
Все приводы для DVD могут читать оба формата дисков, и большинство пишущих
приводов также могут записывать оба типа «болванок». Среди остальных приводов форматы
«+» и «-» одинаково популярны — половина производителей поддерживает один стандарт,
половина — другой. Идут споры, вытеснит ли один из этих форматов своего конкурента или
они продолжат мирно сосуществовать. Однако, поскольку формат DVD-R(W) появился
почти на 5 лет раньше DVD+R(W), многие старые или дешёвые плееры вероятнее всего
поддерживают лишь DVD-R(W). Это следует учитывать, особенно при записи дисков для
распространения, когда тип читающего устройства (плеера или DVD-привода) заранее не
известен.
http://ru.wikipedia.org/wiki/DVD
Blu-ray Disc или сокращённо BD (от англ. blue ray — голубой луч и disc — диск) формат оптического носителя, используемый для записи и хранения цифровых данных,
включая видео высокой чёткости с повышенной плотностью. Стандарт Blu-ray был
совместно разработан консорциум BDA.
Blu-ray (букв. «голубой-луч») получил своё название от использования для записи и
чтения коротковолнового (405нм) «синего» (технически сине-фиолетового) лазера. На
международной выставке потребительской электроники Consumer Electronics Show (CES),
которая прошла в январе 2006 года, было объявлено о том, что коммерческий запуск
формата Blu-ray пройдёт весной 2006 года.
Защита Blu-ray была взломана 20 января 2007 года
Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23.3, 25, 27 или 33 Гб, двухслойный
диск может вместить 46,6, 50, или 54 Гб. Также в разработке находятся диски вместимостью
100 Гб и 200 Гб с использованием соответственно четырёх и шести слоёв. Корпорация TDK
уже анонсировала прототип четырехслойного диска объёмом 100 Гб.
На данный момент доступны диски BD-R и BD-RE, в разработке находится формат
BD-ROM. В дополнение к стандартным дискам размером 120 мм, выпущены варианты
дисков размером 80 мм для использования в цифровых фото- и видеокамерах. Планируется,
что их объём будет достигать 15 Гб для двухслойного варианта.
Физический размер Однослойная вместимость Двухслойная вместимость
120 мм
23.3/25/27 Гб
46.6/50/54 Гб
80 мм
7.8 Гб
15.6 Гб
Лазер и оптика
В технологии Blu-ray для чтения и записи используется сине-фиолетовый лазер с
45
длиной волны 405 нм. Обычные DVD и CD используют красный и инфракрасный лазеры с
длиной волны 650 нм и 780 нм соответственно.
Такое уменьшение позволило сузить дорожку вдвое по сравнению с обычным DVDдиском — до 0,32 микрон — и увеличить плотность записи данных.
Более короткая длина волны сине-фиолетового лазера позволяет хранить больше
информации на 12 см дисках того же размера, что и у CD/DVD. Эффективный «размер
пятна», на котором лазер может сфокусироваться, ограничен дифракцией и зависит от длины
волны света и числовой апертуры линзы, используемой для его фокусировки. Уменьшение
длины волны, использование большей числовой апертуры (0,85, в сравнении с 0,6 для DVD),
высококачественной двухлинзовой системы, а также уменьшение толщины защитного слоя в
шесть раз (0,1 мм вместо 0,6 мм) предоставило возможность проведения более качественного
и корректного течения операций чтения/записи. Это позволило записывать информацию в
меньшие точки на диске, а значит, хранить больше информации в физической области диска,
а также увеличить скорость считывания до 432 Мбит/с.
Технология твёрдого покрытия
Это покрытие, разработанное корпорацией TDK, получило название «Durabis», оно
позволяет очищать BD при помощи бумажных салфеток — которые могут нанести
повреждения CD и DVD. Формат HD DVD имеет те же недостатки, так как эти диски
производятся на основе старых оптических носителей. По сообщению в прессе «голые» BD с
этим покрытием сохраняют работоспособность даже будучи поцарапанными отвёрткой. [6]
Кодеки
Кодек используется для преобразования видео и аудио потока и определяет размер,
который видео будет занимать на диске. В некоторых или почти всех видеодисках, которые
появятся в начале, будет использоваться кодек MPEG-2.
На данный момент в спецификацию формата BD-ROM включена поддержка трёх
кодеков: MPEG-2, который также является стандартным для DVD; MPEG-4 H.264/AVC
кодек и VC-1 — новый быстро развивающийся кодек, созданный на основе Microsoft
Windows Media 9. При использовании первого кодека на один слой возможно записать около
двух часов видео высокой чёткости, другие два более современных кодека позволяют
записывать до четырёх часов видео на один слой.
Для звука BD-ROM поддерживает линейный (несжатый) PCM, Dolby Digital, Dolby
Digital Plus, DTS, DTS-HD и Dolby Lossless (формат cжатия данных без потерь, также
известный как Meridian Lossless Packing (MLP).
Системы защиты авторских прав
В формате Blu-ray применен экспериментальный элемент защиты под названием BD+,
который позволяет динамически изменять схему шифрования. Стоит шифрованию быть
сломанным производители могут обновить схему шифрования, и все последующие копии
будут защищены уже новой схемой. Таким образом, единичный взлом шифра не позволит
скомпрометировать всю спецификацию на весь период её жизни.
Следующим уровнем защиты, которым обладают диски — это технология цифровых
водяных знаков под названием ROM-Mark. Эта технология будет жёстко прошита в ПЗУ
приводов при производстве, что не позволит проигрывателю проигрывать без специальной
скрытой метки, которую, по утверждению Ассоциации, будет невозможно подделать. Так
путём жёсткого регулирования и лицензирования заводов будут отбираться производители
дисков, которым будет поставлено специальное оборудование.
В дополнение к этому, все Blu-ray проигрыватели смогут выдавать полноценный
видеосигнал только через защищённый шифрованием интерфейс. Это означает, что
большинство первых HDTV-телевизоров, которые продавались без интерфейсов с
поддержкой HDCP (HDMI или DVI с поддержкой HDCP) не смогут воспроизводить видео
высокой чёткости с Blu-ray дисков.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Blu-ray_Disc
46
Видеокарта. Назначение и основные компоненты видеокарты: BIOS,
графический процессор, видеопамять, ЦАП, шина, видеодрайвер. Технологии
SLI и CROSSFIRE. Разрешение экрана и битность цвета..
Видеокарта (графическая карта, видеоадаптер) - устройство, преобразующее
изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора
Компоненты видеокарты:
Для работы видеокарты необходимы следующие основные компоненты:
 BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода);
 графический процессор, иногда называемый набором микросхем системной логики
видеокарты;
 видеопамять;
 цифроаналоговый преобразователь, он же DAC (Digital to Analog Converter). Ранее
используемый в качестве отдельной микросхемы, DAC зачастую встраивается в
графический процессор новых наборов микросхем. Необходимость в подобном
преобразователе в цифровых системах (цифровые видеокарты и мониторы) отпадает,
однако, пока живы аналоговый интерфейс VGA и аналоговые мониторы, DAC еще
некоторое время будет использоваться;
 разъем;
 видеодрайвер.
 Практически все видеокарты имеют наборы микросхем с поддержкой функций
ускорения отображения трехмерных объектов.
 BIOS видеокарты
Видеокарты имеют свою BIOS, которая подобна системной BIOS, но полностью
независима от нее. (Другие устройства в компьютере, такие, как SCSI-адаптеры, могут также
иметь собственную BIOS.) Если вы включите монитор первым и немедленно посмотрите на
экран, то сможете увидеть опознавательный знак BIOS видеоадаптера в самом начале
запуска системы.
BIOS видеокарты, подобно системной BIOS, хранится в микросхеме ROM; она
содержит основные команды, которые предоставляют интерфейс между оборудованием
видеоадаптера и программным обеспечением. Программа, которая обращается к функциям
BIOS видеокарты, может быть автономным приложением, операционной системой или
системной BIOS. Обращение к функциям BIOS позволяет вывести информацию о мониторе
во время выполнения процедуры POST и начать загрузку системы до начала загрузки с диска
любых других программных драйверов.
.
1-TV-выход;
2-Разъем
DVI
(можно преобразовать в аналоговый
сигнал); 3-Выход VGA; 4-Разъем
питания вентилятора охлаждения; 5Графический
процессор
с
интегрированной
DAC
и
теплоотводом/вентилятором; 6-Разъем
AGP 8х; 7-Модули памяти DDR; 8Микросхема регулировки напряжения.
47
Графический процессор
Графический процессор, или набор микросхем, является сердцем любой видеокарты и
характеризует быстродействие адаптера и его функциональные возможности. Две
видеокарты различных производителей с одинаковыми процессорами зачастую
демонстрируют схожую производительность и функции обработки графических данных.
Кроме того, программные драйверы, с помощью которых операционные системы и
приложения управляют видеокартой, как правило, разрабатываются именно с учетом
параметров конкретного набора микросхем.
Зачастую драйвер, предназначенный для видеокарты с определенным набором
микросхем, можно использовать с другим адаптером, в котором есть тот же набор
микросхем. Безусловно, разница в быстродействии видеокарт с одинаковыми графическими
процессорами зависит от типа и объема установленной видеопамяти.В видеокартах
используется несколько основных типов процессоров.
Поскольку быстродействие видеокарты и наличие необходимых функций играет
важнейшую роль для конечного пользователя, перед покупкой конкретного продукта
узнайте о нем как можно больше, просмотрите обзоры и журнальные статьи, посетите Webузел производителя.
Лидирующий производитель графических процессоров, компания NVIDIA, создает
исключительно наборы микросхем, в то время как ее ближайший конкурент, компания ATI,
занимается непосредственной компоновкой видеокарт собственными процессорами, которые
также поставляются сторонним производителям.
Видеопамять
Большинство видеокарт для хранения изображений при их обработке обходятся
собственной видеопамятью; хотя некоторые видеоадаптеры AGP используют системную
оперативную память для хранения трехмерных текстур, эта функция редко находит
применение. Во многих дешевых системах встроенные графические системы используют
оперативную память компьютера посредством унифицированной архитектуры памяти
(Unified Memory Architecture — UMA). В любом случае с помощью как собственной, так и
заимствованной видеопамяти выполняются одни и те же операции.
От объема видеопамяти зависит максимальная разрешающая способность экрана и
глубина цвета, поддерживаемая адаптером. На рынке в настоящее время предлагаются
модели с различным объемом видеопамяти: 128, 256, 512 Мбайт. Хотя больший объем
видеопамяти не сказывается на скорости обработки графических данных, при использовании
увеличенной шины данных (с 64 до 128 или 256 бит) или системной оперативной памяти для
кэширования часто отображаемых объектов скорость видеокарты может существенно
увеличиться.
Кроме того, объем видеопамяти позволяет видеокарте отображать больше цветов и
поддерживать более высокое разрешение, а также хранить и обрабатывать трехмерные
текстуры в видеопамяти адаптера AGP/ PCI-E 16x, а не в ОЗУ системы.
Память DDR SDRAM
Разработан для современных системных плат с частотой шины 133 МГц. В настоящее
время во всех видеокартах среднего и высшего уровней используется DDR2, DDR3 и DDR4.
Разрядность шины видеосистемы
Рассматривая память в системе отображения, следует также остановиться на формате
обращения к памяти со стороны схем обработки изображения. В современной видеокарте все
схемы, необходимые для формирования и обработки изображения, реализованы в
специализированной микросхеме — графическом процессоре, установленном на этой же
плате. Графический процессор и память обмениваются данными по локальной шине.
Большинство современных адаптеров имеют 64-,128- или 256-разрядную шину. Кое-кого это
может привести в замешательство: ведь с шиной сразу ассоциируются разъемы и т. п.
Но здесь речь идет о локальной шине, к которой имеют доступ только микросхемы
графического процессора и памяти адаптера. Другими словами, если в описании
48
видеоадаптера указано, что он 64-разрядный, не пугайтесь — в действительности это плата с
32-разрядным интерфейсом PCI-E16x или AGP, но внутри нее обмен между памятью и
графическим процессором выполняется по 64-разрядной локальной шине.
Цифроаналоговый преобразователь
Цифроаналоговый преобразователь видеокарты (обычно называемый RAMDAC)
преобразует генерируемые компьютером цифровые изображения в аналоговые сигналы,
которые может отображать монитор. Быстродействие цифроаналогового преобразователя
измеряется в МГц, чем быстрее процесс преобразования, тем выше вертикальная частота
регенерации.
В современных высокоэффективных видеокартах быстродействие может достигать
350 МГц и выше. В большинстве современных видеоадаптеров функции преобразователя
поддерживаются непосредственно графическим процессором, однако у некоторых адаптеров
с поддержкой нескольких мониторов есть отдельная микросхема RAMDAC, которая
позволяет второму монитору работать с разрешением, отличным от установленного
разрешения основного монитора.
При увеличении быстродействия цифроаналогового преобразователя происходит
повышение частоты вертикальной регенерации, что позволяет достичь более высокого
разрешения экрана при оптимальных частотах обновления (72-85 Гц и более).
Шина
В настоящее время существует четыре разновидности шины AGP – 1х, 2х, 3х, 4x, и 8х.
Оригинальная версия AGP 1х работает на частоте 66 МГц и обеспечивает максимальную
скорость передачи данных 266 Мбайт/с. Версия AGP 2х работает на частоте 133 МГц и
обеспечивает скорость передачи данных 533 Мбайт/с. AGP 4х обеспечивает скорость
передачи данных до 1 Гбайта/с. Шина AGP 4х может использоваться также с AGP 2х совместимыми системными платами (правда, в этом случае ее быстродействие снижается до
2х).
Компания Intel 2001 году выпустила спецификацию 1.0 режима AGP 8х, скорость
передачи данных которого достигает 2 Гбайт/с. Режим 8х совместим со слотами AGP 4х,
присутствующим в системных платах. Хотя AGP 3.0 (AGP 8x) является самой быстрой
версией шины AGP, для работы с не очень новой системой лучше воспользоваться
видеокартой AGP 4x (1.5 В), которая будет работать с интерфейсом AGP 4х и 8х.
В настоящее время, наиболее распространенным является новый стандарт шины PCIE (PCI Express) для персональных компьютеров, который сейчас приходит на замену AGP.
Новая технология PCI-E обеспечивает достаточно широкую полосу пропускания шин вводавывода для удовлетворения растущих требований к скорости передачи данных по этим
шинам. Ширину пропускания канала PCI Express можно масштабировать за счет добавления
каналов с данными, при этом получаются соответствующие модификации шины (PCI-E x1,
x4, x8, x16).
Производительность устройства PCI-E характеризуется числом используемых
сигнальных линий (lanes). Одна линия имеет пропускную способность 250 Мбайт/с (за
вычетом накладных расходов) в каждом направлении передачи сигналов. Так, интерфейс
PCI-E 16x (16 линий) имеет пропускную способность 4 Гбайт/с.
Наличие двух одинаковых слотов PCI-E позволит использовать сразу два
видеоадаптера в параллельном режиме SLI/CrossFire (см. далее).
Видеодрайвер
Программный драйвер — важный элемент видеосистемы, с помощью которого
осуществляется связь программного обеспечения с видеокартой. Ваша видеокарта может
быть оснащена самым быстрым процессором и наиболее эффективной памятью, но плохой
драйвер способен свести на нет все эти преимущества.
Видеодрайверы используются для поддержки процессора видеоадаптера. Несмотря на
то, что видеокарты поставляются изготовителем вместе с драйверами, иногда используются
драйверы, поставляемые вместе с набором микросхем системной логики.
49
Большинство производителей видеоадаптеров и наборов микросхем системной логики
имеют свои Web-серверы, где можно найти информацию о самых последних версиях
драйверов. Хотя может пригодиться драйвер, поставляемый вместе с набором микросхем
системной логики, лучше использовать драйверы, поставляемые производителем адаптера.
Графические API
API (Application Programming Interface) предоставляют разработчикам аппаратного и
программного обеспечения средства создания драйверов и программ, работающих быстрее
на большом количестве платформ. Программные драйверы разрабатываются для
взаимодействия непосредственно с API, а не с операционной системой и программным
обеспечением.
В настоящее время существует два графических API — OpenGL (компания SGI) и
Direct 3D (Microsoft).
Хотя производители видеоадаптеров поддерживают стандарт OpenGL, компания
Microsoft предоставляет поддержку Direct3D для более комплексного API, называемого
DirectX.
DirectX 9 и выше являются последними версиями программного интерфейса,
расширившего поддержку трехмерной графики и обеспечившего улучшенные игровые
возможности. Для получения дополнительной информации относительно DirectX или
загрузки его по-следней версии обратитесь на Web-узел DirectX компании Microsoft:
www.microsoft.com/directx.
CrossFire или SLI
В ответ на разработку и продвижение старой-новой технологии SLI (МК №30(357)
2005) компанией NVIDIA, главный конкурент на рынке видеоускорителей, компания ATI,
разработала и внедрила свое аналогичное решение — технологию CrossFire. Так же, как и
SLI от NVIDIA, она позволяет объединять ресурсы двух видеокарт в одном компьютере
между собой, повышая производительность видеоподсистемы. Технология CrossFire в корне
отличается от SLI, соответственно, имеет мало общего с конкурентом. Отдавая предпочтение
определенным преимуществам той или иной технологии, в недалеком будущем пользователи
будут выбирать между NVIDIA и ATI не только исходя из годами сформировавшихся
мнений о брэндах, но и базируясь на фактах о технологиях SLI или CrossFire.
Техническая база
По аналогии с NVIDIA, для размещения двух видеокарт ATI в одной «упряжке»
потребуется материнская плата с чипсетом того же производителя (планируется, что
поддерживать CrossFire также будет чипсет Intel i975X), с двумя слотами PCI Express. Как и
SLI, CrossFire требовательна к системным ресурсам, что потребует качественного БП.
Рассмотрим требования к системе более детально.
Материнская плата. Мать должна быть основана на чипсете ATI Radeon Xpress 200
CrossFire. Данные платы выпускаются как для процессоров AMD Sempron/Athlon 64, так и
для Intel Pentium 4/Celeron. Так что ATI теперь будет зарабатывать и на чипсетах,
производство которых ранее не достигало больших масштабов.
Видеокарты. Для работы технологии необходима ведущая карта CrossFire master
(детальнее об этом — ниже) и любая другая видеокарта на базе чипа из того же семейства,
что и ведущая карточка. Ведущую карточку от других отличает наличие разъема DMS–59
(соединяемого с DVI на ведомой карте), чипа CrossFire, ну и, конечно же, стоимость.
Блок питания. Для содержания такого серьезного комплекта понадобится БП с
мощностью 400–450 Вт минимум, желательно более мощный.
Ну вот, собственно, и все что нужно для сборки видеосистемы CrossFire. Как вы
заметили, ATI более гибко относится к своим покупателям, не привязывая их, как землю к
колхозу, к обязательной покупке двух карточек с одинаковым чипом от одного
производителя. Привязка осуществляется только к семейству видеочипа, на котором основан
ускоритель. То есть, можно приобрести ведущий видеоускоритель Radeon X800 и ведомый
Radeon X800 XL. Master Radeon X800 будет совместим с карточкой любого производителя на
50
базе любой модификации чипа X800. Это безусловное преимущество над конкурентом —
если брать один ускоритель, с перспективой дальнейшей модернизации путем доустановки
еще одной видеокарты, то не придется рыскать в поисках карточки какого-то определенного
производителя на базе конкретного чипа. На данный момент технологию CrossFire
поддерживают видеокарты на базе X800 и X850, а также новинки на базе X1xxx.
Основные принципы
На ведущей видеокарте (master CrossFire) находится специальный чип, позволяющий
совмещать усилия ускорителей. Он попиксельно (в реальном времени) обрабатывает
изображения, сгенерированные каждой карточкой, и объединяет их в единую картинку. Вся
информация с ведомой видеокарты ведущей передается по соединению через разъемы DMS59 и DVI. Длина кабеля между двумя карточками в таком случае довольно мала, что
позволяет избежать потерь при передаче данных (теоретически).
Особенности и режимы работы CrossFire
Всего для CrossFire доступно 3 режима рендеринга: SuperTiling, AFR, Scissor. В
отличие от SLI-систем свободный выбор режимов недоступен и нужный режим выбирается
драйвером автоматически.
Scissor
Достаточно
известный
метод
обработки
изображения.
Его
суть
заключается в разделении кадра на две
части, каждую из которых обрабатывает
отдельная видеокарта. В теории кадр
может
делиться
пропорционально
мощности видеочипов установленных в
ПК видеокарт. Для одинаковых карточек
кадр делится в соотношении 50:50; если
одна из них более мощная, то выбирается
соотношение 30:70 или 40:60. Однако, как
может показаться на первый взгляд, не для всех игровых приложений такой режим будет
предпочтителен. К примеру, в 3D–шутерах нижняя часть кадра мало меняется на
протяжении игры, чего не скажешь о верхней… Для этого предусмотрено увеличение
обрабатываемой в кадре зоны для карточки, простаивающей в данный момент времени.
Правда, для расчета геометрии сцены также потребуются дополнительные ресурсы…
SuperTiling
Стандартный
режим
CrossFire. Делит изображение на
множество
квадратиков,
визуально
напоминающих
шахматную доску. Часть таких
квадратиков обрабатывает одна
видеокарта, часть — другая. Это
позволяет
грамотно
распределить нагрузку между
видеокартами в пиксельных
приложениях.
Однако
обе
карточки должны просчитывать
всю
геометрию
сцены.
Известно, что данный режим не поддерживают игры на основе API OpenGL.
51
Alternate Frame Rendering (AFR)
Один из самых быстрых
режимов работы CrossFire. Его
суть заключается в том, что
одна карточка рассчитывает
четные кадры, вторая —
нечетные. Таким образом,
между обеими ускорителями
равномерно
распределяется
нагрузка
на
графические
процессоры. В принципе,
данный метод — не новинка,
AFR был задействован и на
старых двухчиповых картах
ATI. Единственный недостаток режима — он не будет работать в компьютерных играх,
использующих функции render-to-texture. Также стоит помнить, что производительность
CrossFire в режиме AFR будет зависеть от особенностей обрабатываемой сцены. Наконец,
учтите, что обрабатываемый и отображаемый в данное время — разные кадры. Так что AFR
будет эффективен для отображения качественной картинки в приложениях, не требующих
плавной смены кадров для комфортной работы с ними. Говоря простым человеческим
языком, в шутерах и симуляторах AFR будет менее эффективен, чем, скажем, в стратегиях.
Super AA
Режим,
позволяющий
существенно
улучшить
качество изображения в ущерб
дополнительным FPS. Суть
работы SuperAA заключается в
том,
что
обе
карточки
генерируют одну сцену с
разными шаблонами FSAA.
Затем чип CrossFire объединяет
их в единое целое. Это
позволяет добиться лучшего
сглаживания
«зернистости»,
известной под именем aliasing.
По количеству режимов работы ATI таки обошла NVIDA, однако не факт, что
качество их реализации на должном уровне. Режимом AFR обладают технологии обеих
компаний, а Scissor — просто несколько переработанный режим Split Frame Rendering от
NVIDIA. Режим SuperAA повышает качество в ущерб производительности, а практичность
SuperTiling вызывает сомнения. Так что пока не известно, кто победит в борьбе за
дополнительные FPS.
Преимущества CrossFire:
для ATI CrossFire необязательна адаптация игры под данную технологию, она
работает со всеми играми на основе API DirectX и API OpenGL;
нет необходимости покупать карточки одного и того же производителя с
одинаковыми чипами и версией BIOS — карты ATI CrossFire могут быть произведены
разными компаниями;
ATI CrossFire работает и с уже продававшимися моделями Radeon X800/X850;
у ATI CrossFire больше режимов работы, чем у NVIDIA SLI, однако один из них
делает акцент на качество, но вовсе не на производительность.
Недостатки CrossFire:
стоимость ведущей (master) карточки CrossFire заметно выше, чем у ведомой, в то
52
время как стоимость обеих карт NVIDIA одинакова;
малая доступность технологии на рынке.
Разрешение и битность
Пусть на экране у Вас разрешение 800х600 точек, т.е. 480 000 точек. Сколько байт
нужно для отображения каждой точки? Это зависит от количества цветов, которыми Вы
хотите пользоваться. Если Вас устроит, чтобы каждая точка могла иметь всего два цвета,
положим черный и белый, то вам соответственно необходимо на точку один бит
информации. Тогда, положим ноль соответствует черному цвету, единица - белому. Но
достаточно ли Вам двух цветов на экране. Разумеется, нет! А чем больше цветов, тем больше
бит необходимо хранить для каждой точки. Положим, Вы дадите 1 байт (т.е. 8 бит) на
информацию о цвете каждой точки. Сколько тогда будет РАЗНЫХ цветов возможно на
экране? Столько же, сколько РАЗНЫХ значений может принимать 8-битное число, т.е. 256.
Если Вам нужно более, чем 256 цветов, то одного байта на информацию о цвете точки мало.
Минимальным количеством цветов, приемлемым для обычной работы за компьютером
сегодня считается 65 536 цветов, для передачи информации о которых нужно 2 байта (16
бит) на каждую точку на экране. Такой цвет принято называть 16-битным. Если нужно
больше цветов, то применяют 24-битный цвет (3 байта), количество цветов на экране
соответственно 2 в степени 24 = примерно 16 млн. Иногда применяют и 32-битный цвет - 4
байта на точку. Теперь мы можем посчитать, какое количество информации в один момент
времени храниться в видеоплате. Пусть на экране 480 000 точек (разрешение экрана
800х600), НА КАЖДУЮ ИЗ НИХ нужно какое то количество бит для передачи информации
о цвете (хотя бы 2 байта), следовательно необходимый объем памяти, для хранения
информации о том, что отображено на экране - примерно 1 Мбайт! (немало) в режиме
800х600х16 бит. А если разрешение экрана 1600х1200 точек и вы хотите 32-битный цвет, то
информация об одном кадре будет занимать в памяти около 7.5 Мбайт. Но это не все.
Изображение на мониторе не статическое. Оно изменяется, и частота этого изменения может
достигать 100 и более раз в секунду (об этом мы еще позднее подробнее поговорим). Тогда
видеоплата будет оперировать немалыми объемами данных.
http://comprofit.ru/inform/index.php
53
Характеристики электросети и факторы, негативно влияющие на
качество
электропитания.
Сетевой
фильтр.
Блок
питания:
трансформаторный, импульсный; сравнение. Стабилизаторы. Виды ИБП.
Сетевое напряжение — напряжение в сети переменного тока, доступной конечным
потребителям.
Сетевое напряжение на территории РФ составляет 220 В при частоте 50 Hz. В
большинстве европейских стран сетевое напряжение составляет 230 В при частоте 50 Hz. В
Северной, Центральной и частично Южной Америке сетевое напряжение составляет 110 В
при частоте 60 Hz.
Более высокое сетевое напряжение уменьшает потери при передаче электроэнергии и
позволяет использовать электроприборы с большей мощностью, однако в тоже время
увеличивает тяжесть последствий от поражения током неподготовленных пользователей от
незащищенных сетей.
При некачественном питании электронного оборудования, в частности –
персональных компьютеров, наблюдаются сбои в работе (зависания), отказы, потери
отдельных битов информации в динамической памяти, мерцание экрана монитора или
нарушение цветопередачи и т.д.
Факторы, негативно влияющие на качество электропитания персональных
компьютеров (ПК), можно разделить на две группы:
Предсказуемые (скачкообразные изменения напряжения и частоты сети в течение
суток, в том числе в течение рабочих и выходных дней, а также провалы и кратковременные
перебои напряжения питания, присутствующие постоянно) - для борьбы с ними разработаны
различные схемотехнические и программно-аппаратные средства, устраняющие негативные
последствия таких воздействий;
Непредсказуемые (воздействия на нагрузочную способность электросети, которые
возникают случайно и могут привести к значительному отклонению от её нормированных
параметров. Например, никому не известно, какой мощности нагрузку включит любой
потребитель электропитания и как отреагирует на это первичная сеть, от которой питается
ПК. Такие воздействия на сеть электропитания порождают мощные импульсные помехи).
Выявлены следующие закономерности возникновения отклонений и помех:
 максимум напряжения питающей сети наблюдается в ночное время – при
минимальной загрузке энергосистемы;
 наибольшие колебания приходятся на начало рабочего дня и обеденный
перерыв, т.е. во время массового включения-выключения оборудования;
 экстремумы амплитуды импульсных помех регистрируются также и в периоды
грозовой активности.
На практике при организации электропитания любого объекта предусматривается три
уровня защиты от помех и отклонений.
Первый уровень защиты предусматривается на вводе кабеля на объект
электропитания. При этом обеспечивается качественная система молниезащиты и разнесение
контуров рабочего и защитного заземления.
Второй уровень защиты предусматривает установку мощных средств фильтрации –
суперфильтров, которые обеспечивают поэтажные магистрали электропитанием. К этим
магистралям подключается значительное количество однородных и других потребителей
электропитания, которые при работе создают помехообразующие цепи, негативно влияющие
друг на друга.
Третьим
уровнем
помехозащиты
является
индивидуальная
фильтрация
электропитания для каждого потребителя. К таким средствам относятся:
индивидуальные контуры заземления каждого ПК;
фильтры, развязывающие по сети электропитания все устройства, входящие в состав
54
ПК.
Эти средства необходимы для того, чтобы предотвратить взаимное проникновение
помех от сети электропитания в ПК и от работающего ПК во внешнюю сеть, а также
обеспечить раздельное электропитание каждого устройства ПК.
Помехи, возникающие при работе ПК, называются внутренними.
К внутренним помехам относятся:
 помехи, создаваемые быстродействующими ИС;
 помехи включения и отключения узлов и устройств ПК (например, при
подготовке к печати лазерного принтера ток потребления увеличивается в
несколько раз);
 отражения в сигнальных линиях соединяющих кабелей из-за неоднородностей
и несогласованности нагрузок;
 перекрёстные наводки между сигнальными линиями из-за паразитных
ёмкостей и индуктивностей;
 паразитные связи по цепям электропитания.
Традиционным методом помехозащиты является фильтрация, как по сети
электропитания, так и по сигнальным связям. В настоящее время существует достаточно
широкая гамма помехоподавляющих фильтров с хорошими характеристиками, а именно, с
подавлением до 100 дБ в диапазоне частот от 5 кГц до 1 ГГц и с внушительными
массогабаритными показателями. Стоимость таких фильтров достаточно высока. На рынке
массовых ПК представлено многообразие малогабаритных фильтров зарубежных
производителей со значительно худшими характеристиками по ослаблению помех, особенно
в области НЧ. Как правило, фильтры устанавливают между розеткой электропитания и
устройствами ПК.
Но поскольку в состав ПК входит несколько индивидуальных потребителей
напряжения питания (например, отдельно питающийся монитор, принтер, сканер, модем и
т.д.), то выходное сопротивление фильтра является общей точкой помехообразующих цепей
для каждого устройства. При таком способе подключения фильтра токи помех каждого
отдельно взятого устройства отрицательно воздействуют на другие, снижая их
помехоустойчивость.
С целью исключения взаимного влияния помех от различных устройств, входящих в
состав ПК, предлагается осуществлять их питание через индивидуальные
помехоразвязывающие элементы.
http://www.epos.kiev.ua/pubs/ke.htm
Блок питания (БП) — устройство, предназначенное для формирования напряжения,
необходимого системе, из напряжения электрической сети. Чаще всего блоки питания
преобразуют переменное напряжение сети 220 В частотой 50 Гц (для России, в других
странах используют иные уровни и частоты) в заданное постоянное напряжение.
Трансформаторные БП
Классическим блоком питания является
трансформаторный БП. В общем случае он
состоит из понижающего трансформатора, у
которого первичная обмотка рассчитана на
сетевое напряжение. Затем устанавливается
выпрямитель, преобразующий переменное
напряжение в постоянное (пульсирующее
однонаправленное). В большинстве случаев
выпрямитель состоит из одного диода
(однополупериодный выпрямитель) или четырёх диодов, образующих диодный мост
(двухполупериодный выпрямитель). Иногда используются и другие схемы, например, в
выпрямителях с удвоением напряжения. После выпрямителя устанавливается фильтр,
55
сглаживающий колебания (пульсации). Обычно он представляет собой просто конденсатор
большой ёмкости. Также в схеме могут быть установлены фильтры высокочастотных помех,
всплесков, защиты от КЗ, стабилизаторы напряжения и тока.
Достоинства трансформаторных БП: простота конструкции, надёжность, доступность
элементной базы, большая ремонтопригодность.
Недостатки трансформаторных БП: большой вес, металлоёмкость, низкий КПД.
Импульсные БП
В
импульсных
блоках
питания
переменное
входное
напряжение сначала выпрямляется.
Полученное
постоянное
напряжение
используется
для
питания генератора, с помощью
которого оно преобразуется в
прямоугольные
импульсы
с
частотой от 10 килогерц до 1
мегагерца,
подаваемые
на
трансформатор. В таких БП могут
применяться малогабаритные трансформаторы — это объясняется тем, что с ростом частоты
питающего напряжения уменьшаются требования к габаритам (сечению) сердечника. В
большинстве случаев такой сердечник может быть выполнен из ферромагнитных
материалов, в отличие от сердечников низкочастотных трансформаторов, для которых
используется сталь.
Одна из выходных обмоток трансформатора используется для управления
генератором. В зависимости от напряжения на ней (например, при изменении тока нагрузки)
изменяется частота или скважность импульсов на выходе генератора. Таким образом, с
помощью этой обратной связи блок питания поддерживает стабильное выходное
напряжение.
Достоинства импульсных БП: высокий КПД (до 80—90 %), небольшой вес, невысокая
общая стоимость (достигнуто только в последние десятилетия благодаря массовому выпуску
унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой
мощности), повышенная пиковая мощность при сравнимых габаритах, короткое замыкание
на выходе не выводит БП из строя.
Недостатки импульсных БП: сложность конструкции, высокие требования к качеству
компонентов, невозможность работы без нагрузки (может наступить пробой ключевого
транзистора), импульсные блоки питания могут создавать высокочастотные помехи в сети,
низкая надёжность
Стабилизатор напряжения — электрическое устройство, получающее питание от
внешнего источника питания и выдающее на своём выходе напряжение, не зависящее от
напряжения питания (при условии, что напряжение питания не выходит за допустимые
пределы).
По типу выходного напряжения стабилизаторы делятся на стабилизаторы
постоянного тока и переменного тока. Как правило, тип питания (постоянный либо
переменный ток) такой же, как и выходное напряжение, хотя возможны исключения.
Исто́чник бесперебо́йного пита́ния, (ИБП) (англ. UPS-Uninterruptible Power Supply)
— автоматическое устройство, позволяющее подключенному оборудованию некоторое (как
правило — непродолжительное) время работать от аккумуляторов ИБП, при пропадании
электрического тока или при выходе его параметров за допустимые нормы. Кроме того, оно
способно корректировать параметры (напряжение, частоту) электропитания. Часто
применяется для обеспечения бесперебойной работы компьютеров. Может совмещаться с
различными видами генераторов электроэнергии.
Существует три схемы построения ИБП:
56
1) резервный — используется для питания персональных компьютеров или рабочих
станций локальных вычислительных сетей. Практически все недорогие маломощные ИБП,
предлагаемые на отечественном рынке, построены по резервной схеме. При выходе
электропитания за нормированные значения напряжению или его отсутствии, автоматически
переключает подключённую нагрузку к питанию от аккумуляторов (с помощью простого
инвертора). При появлении нормального напряжения снова переключает нагрузку на
питание от сети. Недостатком данного вида ИБП является несинусоидальный выход и
относительно долгое время переключения на питание от батарей. За счет КПД около 99%
практически бесшумны и с минимальными тепловыделениями. Не могут корректировать ни
напряжение, ни частоту.
2) интерактивный — то же самое, но кроме того на входе присутствует ступенчатый
стабилизатор напряжения, позволяя получить регулируемое выходное напряжение.
Инверторы некоторых моделей интерактивных ИБП выдают напряжение синусоидальной
формы, вместо прямоугольной или трапецеидальной, как у предыдущего варианта. Время
переключения меньше, чем в предыдущем варианте т.к. осуществляется синхронизация
инвертора с входным напряжением. КПД ниже, чем у резервных.
3) он-лайн — используется для питания файловых серверов и рабочих станций
локальных вычислительных сетей, а также любого другого оборудования, предъявляющего
повышенные требования к качеству сетевого электропитания. Принцип работы состоит в
двойном преобразовании (double conversion) рода тока. Сначала входное переменное
напряжение преобразуется в постоянное, затем обратно в переменное напряжение с
помощью обратного преобразователя (инвертора). Время переключения тождественно нулю.
Из-за повышенных тепловыделения и шума ИБП двойного преобразования имеют
невысокий КПД (от 80% до 94%). В отличие от двух предыдущих схем, способны
корректировать не только напряжение, но и частоту.
Многие ИБП оснащаются модулем, который способен передать компьютеру
информацию о своём состоянии (например, уровень заряда батарей, параметры
электрического тока на выходе) и о состоянии питания на входе (напряжение, частоту), при
этом поставляющееся программное обеспечение, проанализировав ситуацию, позволяет
безопасно выключить компьютер, завершив работу всех программ.
Характеристики ИБП
 выходная мощность, измеряемая в вольт-амперах (VA) или ваттах (W);
 время переключения, то есть время перехода ИБП на питание от
аккумуляторов (измеряется в миллисекундах, ms);
 время автономной работы, определяется ёмкостью батарей и мощностью
подключённого к ИБП оборудования (измеряется в минутах, мин.), у
большинства офисных ИБП оно равняется 4-15 минутам;
 ширина диапазона входного (сетевого) напряжения, при котором ИБП в
состоянии стабилизировать питание без перехода на аккумуляторные батареи
(измеряется в вольтах, V);
 срок службы аккумуляторных батарей (измеряется годами, обычно свинцовые
аккумуляторные батареи катастрофически теряют свою ёмкость уже через 3
года).
http://ru.wikipedia.org/wiki/Блок_питания
57
Принципы работы и устройство ЭЛТ-мониторов
ЭЛТ-мониторCRT (Cathode Ray Tube) мониторы. Как видно из названия, в основе
всех подобных мониторов лежит катодно-лучевая трубка, но это дословный перевод,
технически правильно говорить электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Используемая в этом типе
мониторов технология была разработана немецким ученым Фердинандом Брауном в 1897г. и
первоначально создавалась в качестве специального инструмента для измерения
переменного тока, то есть для осциллографа.
Конструкция ЭЛТ-мониторов:
Кинескоп, называемый также электронно- лучевой трубкой (основные
конструкционные узлы кинескопа показаны на рис.1.1). Кинескоп состоит из герметичной
стеклянной трубки, внутри которой находится вакуум, то есть весь воздух удален. Один из
концов трубки узкий и длинный - это горловина, а другой - широкий и достаточно плоский это экран. С фронтальной стороны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором
(luminophor). В качестве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные
составы на основе редкоземельных металлов - иттрия, эрбия и т.п. Люминофор - это
вещество, которое испускает свет при бомбардировке его заряженными частицами.
Для создания изображения в ЭЛТ-мониторе используется электронная пушка, откуда
под действием сильного электростатического поля исходит поток электронов. Сквозь
металлическую маску или решетку они попадают на внутреннюю поверхность стеклянного
экрана
монитора,
которая
покрыта
разноцветными люминофорными точками.
Поток электронов (луч) может отклоняться в
вертикальной и горизонтальной плоскости, что
обеспечивает последовательное попадание его на
все поле экрана. Отклонение луча происходит
посредством
отклоняющей
системы
(см.
рис.1.2.).Отклоняющие системы подразделяются
на седловидно-тороидальные и седловидные.
Последние
предпочтительнее,
поскольку
создают пониженный уровень излучения.
Отклоняющая система состоит из
нескольких
катушек
индуктивности,
размещенных у горловины кинескопа. С
58
помощью переменного магнитного поля две катушки создают отклонение пучка электронов
в горизонтальной плоскости, а другие две - в вертикальной. Изменение магнитного поля
возникает под действием переменного тока, протекающего через катушки и изменяющегося
по определенному закону (это, как правило, пилообразное изменение напряжения во
времени), при этом катушки придают лучу нужное направление. Путь электронного луча на
экране схематично показан на рис. 1.3. Сплошные линии - это активный ход луча, пунктир обратный.
Частота перехода на новую линию называется
частотой горизонтальной (или строчной) развертки.
Частота перехода из нижнего правого угла в левый
верхний называется частотой вертикальной (или
кадровой)
развертки.
Амплитуда
импульсов
перенапряжения на катушках строчной развертки
возрастает с частотой строк, поэтому этот узел
оказывается одним из самых напряженных мест
конструкции и одним из главных источников помех в
широком диапазоне частот. Мощность, потребляемая
узлами строчной развертки, также является одним из
серьезных факторов учитываемых при проектировании
мониторов. После отклоняющей системы поток электронов на пути к фронтальной части
трубки проходит через модулятор интенсивности и ускоряющую систему, работающие по
принципу разности потенциалов. В результате электроны приобретают большую энергию
[см. формулу], часть из которой расходуется на свечение люминофора.
где E-энергия, m-масса, v-скорость.
Электроны попадают на люминофорный слой, после чего энергия электронов
преобразуется в свет, т.е. поток электронов заставляет точки люминофора светиться. Эти
светящиеся точки люминофора формируют изображение, которое вы видите на вашем
мониторе. Как правило, в цветном CRT мониторе используется три
электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в
монохромных мониторах, которые сейчас практически не
производятся. Известно, что глаза человека реагируют на основные
цвета: красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) и на их
комбинации, которые создают бесконечное число цветов.
Люминофорный
слой,
покрывающий
фронтальную
часть
электронно-лучевой трубки, состоит из очень маленьких элементов
(настолько маленьких, что человеческий глаз не всегда может
различить их). Эти люминофорные элементы воспроизводят
основные цвета, фактически имеются три типа разноцветных частиц,
чьи цвета соответствуют основным цветам RGB (отсюда и название группы из
люминофорных элементов - триады).
Люминофор начинает светиться, как было сказано выше, под воздействием
ускоренных электронов, которые создаются тремя электронными пушками. Каждая из трех
пушек соответствует одному из основных цветов и посылает пучок электронов на различные
люминофорные частицы, чье свечение основными цветами с различной интенсивностью
комбинируется и в результате формируется изображение с требуемым цветом. Например,
если активировать красную, зеленую и синюю люминофорные частицы, то их комбинация
сформирует белый цвет. Для управления электронно-лучевой трубкой необходима и
управляющая электроника, качество которой во многом определяет и качество монитора.
Кстати, именно различие в качестве управляющей электроники, создаваемой разными
производителями, является одним из критериев определяющих разницу между мониторами с
59
одинаковой электронно-лучевой трубкой. Итак, каждая пушка излучает электронный луч
(или поток, или пучок), который влияет на люминофорные элементы разного цвета
(зеленого, красного или синего). Понятно, что электронный луч, предназначенный для
красных люминофорных элементов, не должен влиять на люминофор зеленого или синего
цвета. Чтобы добиться такого действия используется специальная маска, чья структура
зависит от типа кинескопов от разных производителей, обеспечивающая дискретность
(растровость) изображения. ЭЛТ можно разбить на два класса - трехлучевые с
дельтаобразным расположением электронных пушек и с планарным расположением
электронных пушек. В этих трубках применяются щелевые и теневые маски, хотя
правильнее сказать, что они все теневые. При этом трубки с планарным расположением
электронных пушек еще называют кинескопами с самосведением лучей, так как воздействие
магнитного поля Земли на три планарно расположенных луча практически одинаково и при
изменении положения трубки относительно поля Земли не требуется производить
дополнительные регулировки.
Теневая маска
Теневая маска (shadow mask) - это самый распространенный тип масок, она
применяется со времени изобретения первых цветных кинескопов. Поверхность у
кинескопов с теневой маской обычно
сферической формы (выпуклая).Это сделано
для того, чтобы электронный луч в центре
экрана и по краям имел одинаковую толщину.
Теневая
маска
состоит
из
металлической
пластины
с
круглыми
отверстиями, которые занимают примерно 25%
площади [см. рис. 1.5, 1.6]. Находится маска
перед стеклянной трубкой с люминофорным
слоем. Как правило, большинство современных
теневых масок изготавливают из инвара. Инвар
(InVar) - магнитный сплав железа [64%] с
никелем [36%].
Этот материал имеет предельно низкий коэффициент
теплового расширения, поэтому, несмотря на то, что электронные
лучи нагревают маску, она не оказывает отрицательного влияния
на чистоту цвета изображения. Отверстия в металлической сетке
работают как прицел (хотя и не точный), именно этим
обеспечивается то, что электронный луч попадает только на
требуемые люминофорные элементы и только в определенных
областях. Теневая маска создает решетку с однородными точками
(еще называемыми триады), где каждая такая точка состоит из
трех люминофорных элементов основных цветов - зеленного,
красного и синего - которые светятся с различной интенсивностью под воздействием лучей
из электронных пушек. Изменением тока каждого из трех электронных лучей можно
добиться произвольного цвета элемента изображения, образуемого триадой точек.
Одним из "слабых" мест мониторов с теневой маской является ее термическая деформация
[см. рис. 1.7]. Часть лучей от электронно-лучевой пушки попадает на теневую маску,
вследствие чего происходит нагрев и последующая деформация теневой маски.
Происходящее смещение отверстий теневой маски приводит к возникновению эффекта
пестроты экрана (смещения цветов RGB). Существенное влияние на качество монитора
оказывает материал теневой маски. Предпочтительным материалом маски является инвар.
60
Недостатки теневой маски хорошо
известны: во-первых, это малое соотношение
пропускаемых и задерживаемых маской
электронов (только около 20-30% проходит
через маску), что требует применения
люминофоров с большой светоотдачей, а это в
свою очередь ухудшает монохромность
свечения, уменьшая диапазон цветопередачи,
а во-вторых, обеспечить точное совпадение
трех не лежащих в одной плоскости лучей при
отклонении их на большие углы довольно
трудно. Теневая маска применяется в большинстве
современных мониторов - Hitachi, Panasonic, Samsung,
Daewoo, LG, Nokia, ViewSonic.
Минимальное расстояние между люминофорными
элементами одинакового цвета в соседних строках
называется шагом точек (dot pitch) и является индексом
качества изображения [см. рис. 1.8]. Шаг точек обычно
измеряется в миллиметрах (мм). Чем меньше значение
шага точек, тем выше качество воспроизводимого на
мониторе изображения. Расстояние между двумя
соседними точками по горизонтали равно шагу тачек,
умноженному на 0,866.
Апертурная решетка
Есть еще один вид трубок, в которых используется "Aperture Grille" (апертурная
решетка). Эти трубки стали известны под именем Trinitron и впервые были представлены на
рынке компанией Sony в 1982 году. В трубках с апертурной решеткой применяется
оригинальная технология, где имеется три лучевые пушки, три катода и три модулятора, но
при этом имеется одна общая фокусировка [см. рис. 1.9].
Апертурная решетка - это тип маски,
используемый разными производителями в
своих
технологиях
для
производства
кинескопов, носящих разные названия, но
одинаковые по сути, например, технология
Trinitron от Sony, DiamondTron от Mitsubishi и
SonicTron от ViewSonic. Это решение не
включает в себя металлическую решетку с
отверстиями, как в случае с теневой маской, а
имеет решетку из вертикальных линий [см.
рис. 1.10]. Вместо точек с люминофорными
элементами трех основных цветов, апертурная решетка содержит
серию нитей, состоящих из люминофорных элементов выстроенных
в виде вертикальных полос трех основных цветов. Такая система
обеспечивает высокую контрастность изображения и хорошую
насыщенность цветов, что вместе обеспечивает высокое качество
мониторов с трубками на основе этой технологии. Маска,
применяемая в трубках фирмы Sony (Mitsubishi, ViewSonic),
представляет собой тонкую фольгу, на которой процарапаны тонкие
вертикальные линии. Она держится на горизонтальной (одной в 15",
двух в 17", трех и более в 21") проволочке, тень от которой видна на
экране. Эта проволочка применяется для гашения колебаний и
называется damper wire. Минимальное расстояние между полосами
61
люминофора одинакового цвета называется шагом полос (strip pitch) и измеряется в
миллиметрах (мм) [см. рис. 1.10]. Чем меньше значение шага полос, тем выше качество
изображения на мониторе. При апертурной решетке имеет смысл только горизонтальный
размер точки. Так как вертикальный определяется фокусировкой электронного луча и
отклоняющей системой. Апертурная решетка используется в мониторах от ViewSonic,
Radius, Nokia, LG, CTX, Mitsubishi, во всех мониторах от SONY.
Щелевая маска
Щелевая маска (slot mask) - это технология широко
применяется компанией NEC под именем "CromaClear". Это
решение на практике представляет собой комбинацию теневой
маски и апертурной решетки. В данном случае люминофорные
элементы расположены в вертикальных эллиптических ячейках, а
маска сделана из вертикальных линий [см. рис. 1.11]. Фактически
вертикальные полосы разделены на эллиптические ячейки, которые
содержат группы из трех люминофорных элементов трех основных
цветов. Щелевая маска используется, помимо мониторов от NEC
(где ячейки эллиптические), в мониторах Panasonic с трубкой
PureFlat (ранее называвшейся PanaFlat). Заметим, что нельзя
напрямую сравнивать размер шага для трубок разных типов: шаг
точек (или триад) трубки с теневой маской измеряется по диагонали,
в то время как шаг апертурной решетки, иначе называемый
горизонтальным шагом точек, - по горизонтали. Поэтому при
одинаковом шаге точек трубка с теневой маской имеет большую
плотность точек, чем трубка с апертурной решеткой. Для примера,
шаг полос 0.25 мм приблизительно эквивалентен шагу точек,
равному 0.27 мм.
Оба типа масок - теневая маска и апертурная решетка - имеют
свои преимущества и своих сторонников. Для офисных приложений,
текстовых редакторов и электронных таблиц больше подходят
кинескопы с теневой маской, обеспечивающие очень высокую четкость и достаточный
контраст изображения. Для работы с пакетами растровой и векторной графики традиционно
рекомендуются трубки с апертурной решеткой, которым свойственны превосходная яркость
и контрастность изображения. Кроме того, рабочая поверхность этих кинескопов
представляет собой сегмент цилиндра с большим радиусом кривизны по горизонтали (в
отличие от ЭЛТ с теневой маской, имеющих сферическую поверхность экрана), что
существенно (до 50%) снижает интенсивность бликов на экране.
62
Принципы работы и устройство ЖК-мониторов (STN, DSTN, TFT).
Принципы работы и устройство плазменной панели.
LCD-мониторы
Принцип работы
Экраны LCD-мониторов (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы)
сделаны из вещества (цианофенил), которое находится в жидком состоянии, но при этом
обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это
жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности оптических), связанных с
упорядоченностью в ориентации молекул. Как ни странно, но жидкие кристаллы старше
ЭЛТ почти на десять лет, первое описание этих веществ было сделано еще в 1888 г. Однако
долгое время никто не знал, как их применить на практике: есть такие вещества и все, и
никому, кроме физиков и химиков, они не были интересны. Итак, жидкокристаллические
материалы были открыты еще в 1888 году австрийским ученым Ф. Ренитцером, но только в
1930-м исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их
промышленное применение. В конце 1966 г. корпорация RCA продемонстрировала прототип
LCD-монитора – цифровые часы. Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла
корпорация Sharp.
Работа ЖКД основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так
называемые кристаллы поляроиды способны пропускать только ту составляющую света,
вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической
плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет
непрозрачным. Таким образом поляроид как бы "просеивает" свет, данный эффект
называется поляризацией света. Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы
которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны
поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества
за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за
способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами.
Экран LCD монитора представляет собой массив маленьких сегментов (называемых
пикселями), которыми можно манипулировать для отображения информации. LCD монитор
имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от
натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка,
которые собственно и
содержат тонкий слой
жидких
кристаллов
между собой [см. рис.
2.1].
На
панелях
имеются
бороздки,
которые
направляют
кристаллы, сообщая им
специальную
ориентацию. Бороздки
расположены
таким
образом,
что
они
параллельны на каждой
панели,
но
перпендикулярны
между двумя панелями.
Продольные бороздки
получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из
63
(в
прозрачного пластика, который затем специальным образом
обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в
жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех
ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких
кристаллов (нематиков) при отсутствии напряжения
поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в
световой волне на некоторый угол в плоскости,
перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение
бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить
одинаковый угол поворота плоскости поляризации для всех
ячеек. Две панели расположены очень близко друг к другу.
Жидкокристаллическая панель освещается источником света
зависимости
от
того,
где
он
расположен,
жидкокристаллические панели работают на отражение или на
прохождение света).
Плоскость
поляризации
светового
луча
поворачивается на 90° при прохождении одной панели [см.
рис. 2.2].
При появлении электрического поля, молекулы жидких
кристаллов частично выстраиваются вертикально вдоль поля,
угол поворота плоскости поляризации света становится
отличным от 90 градусов и свет беспрепятственно проходит
через жидкие кристаллы [см. рис. 2.3].
Поворот плоскости поляризации светового луча незаметен
для глаза, поэтому возникла необходимость добавить к
стеклянным панелям еще два других слоя, представляющих
собой поляризационные фильтры. Эти фильтры пропускают
только ту компоненту светового пучка, у которой ось
поляризации
соответствует
заданному.
Поэтому
при
прохождении поляризатора пучок света будет ослаблен в
зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью
поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка прозрачна, так
как первый поляризатор пропускает только свет с
соответствующим вектором поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор
поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения пучка ко второму
поляризатору он уже повернут так, что проходит через второй поляризатор без проблем [см.
рис 2.4а].
В присутствии электрического поля поворота вектора поляризации происходит на
меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для
излучения. Если разность потенциалов будет такой, что поворота плоскости поляризации в
жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч будет полностью поглощен
вторым поляризатором, и экран при освещении сзади будет спереди казаться черным (лучи
подсветки поглощаются в экране полностью) [см. рис 2.4б]. Если расположить большое
число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана
(ячейки), то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих
электродов отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Электроды
помещаются в прозрачный пластик и могут иметь любую форму. Технологические
новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки, соответственно на
одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что
увеличивает разрешение LCD монитора, и позволяет нам отображать даже сложные
изображения в цвете. Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора
64
сзади, таким образом, чтобы свет исходил из задней части LCD дисплея. Это необходимо для
того, чтобы можно было наблюдать изображение с хорошим качеством, даже если
окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех
фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные
компоненты. Комбинируя три основные цвета для каждой точки или пикселя экрана,
появляется возможность воспроизвести любой цвет.
Вообще-то в случае с цветом
несколько возможностей: можно сделать
несколько фильтров друг за другом
(приводит к малой доле проходящего
излучения),
можно
воспользоваться
свойством жидкокристаллической ячейки при
изменении
напряженности
электрического
поля
угол
поворота
плоскости
поляризации
излучения
изменяется по-разному для компонент
света с разной длиной волны. Эту
особенность можно использовать для того,
чтобы
отражать
(или
поглощать)
излучение
заданной
длины
волны
(проблема состоит в необходимости точно
и быстро изменять напряжение). Какой
именно механизм используется, зависит от
конкретного производителя. Первый метод
проще, второй эффективнее.
Одной из первых проблем была необходимость стандарта в определении качества
отображения при высоких разрешениях. Первым шагом на пути к цели было увеличение угла
поворота плоскости поляризации света в кристаллах с 90° до 270° с помощью STN
технологии.
Преимущества и недостатки ЖК-мониторов
Среди преимуществ TFT можно отметить отличную фокусировку, отсутствие
геометрических искажений и ошибок совмещения цветов. Кроме того, у них никогда не
мерцает экран, т.к. в этих дисплеях не используется электронный луч, рисующий слева
направо каждую строку на экране. Когда в ЭЛТ этот луч переводится из правого нижнего в
левый верхний угол, изображение на мгновение гаснет (обратный ход луча). Напротив,
пиксели дисплея TFT никогда не гаснут, они просто непрерывно меняют интенсивность
своего свечения.
В таблице 1.1 показаны все главные отличия рабочих характеристик для разных типов
дисплеев:
Таблица 1.1. Сравнительные характеристики ЭЛТ и ЖК-мониторов.
Условные обозначения: ( +) достоинство, ( ~) допустимо, ( -) недостаток
ЖК-мониторы
ЭЛТ-мониторы
Яркость
( +) от 170 до 250 Кд/м 2
( ~) от 80 до 120 Кд/м 2
Контрастность
( ~) от 200:1 до 400:1
( +) от 350:1 до 700:1
Угол обзора
(по контрасту)
( ~) от 110 до 170 градусов
( +) свыше 150 градусов
Угол обзора
(по цвету)
( -) от 50 до 125 градусов
( ~) свыше 120 градусов
65
Разрешение
( -) Одно разрешение
с
фиксированным
размером
пикселей. Оптимально можно
использовать только в этом
разрешении; в зависимости от
поддерживаемых
функций
расширения или компрессии
можно
использовать
более
высокое или более низкое
разрешение,
но
они
не
оптимальны.
( +) Поддерживаются различные
разрешения.
При
всех
поддерживаемых разрешениях
монитор можно использовать
оптимальным
образом.
Ограничение
накладывается
только приемлемостью частоты
регенерации.
Частота
вертикальной
развертки
( +) Оптимальная частота 60 Гц, ( ~) Только при частотах свыше
чего достаточно для отсутствия 75 Гц отсутствует явно заметное
мерцания
мерцание
Ошибки
совмещения цветов
( +) нет
( ~) от 0.0079 до 0.0118 дюйма
(0.20 - 0.30 мм)
Фокусировка
( +) очень хорошая
( ~) от удовлетворительной до
очень хорошей>
Геометрические/
линейные
искажения
( +) нет
( ~) возможны
Неработающие
пиксели
( -) до 8
( +) нет
Входной сигнал
( +) аналоговый или цифровой
( ~) только аналоговый
( -) отсутствует или используются ( +) очень хорошее
Масштабирование
интерполяции,
не
при
разных методы
требующие больших накладных
разрешениях
расходов
Точность
отображения цвета
( ~) Поддерживается True Color и ( +) Поддерживается True Color
имитируется требуемая цветовая и при этом на рынке имеется
температура
масса устройств калибровки
цвета,
что
является
несомненным плюсом
( ~) удовлетворительная
Гамма-коррекция
(подстройка цвета под
особенности
человеческого зрения)
( +) фотореалистичная
Однородность
( ~) часто изображение ярче по ( ~) часто изображение ярче в
краям
центре
Чистота
цвета/качество
цвета
( ~) хорошее
( +) высокое
Мерцание
( +) нет
( ~) незаметно на частоте выше
66
85 Гц
Время инерции
( -) от 20 до 30 мсек.
( +) пренебрежительно мало
Формирование
изображения
( +) Изображение формируется
пикселями,
число
которых
зависят только от конкретного
разрешения LCD панели. Шаг
пикселей зависит только от
размера самих пикселей, но не от
расстояния между ними. Каждый
пиксель
формируется
индивидуально, что обеспечивает
великолепную
фокусировку,
ясность и четкость. Изображение
получается более целостным и
гладким
( ~) Пиксели формируются
группой точек (триады) или
полосок. Шаг точки или линии
зависит от расстояния между
точками или линиями одного
цвета. В результате четкость и
ясность изображения сильно
зависит от размера шага точки
или шага линии и от качества
ЭЛТ
Энергопотребление
и излучения
( +) Практически никаких
опасных
электромагнитных
излучений
нет.
Уровень
потребления энергии примерно на
70% ниже, чем у стандартных
CRT мониторов (от 25 до 40 Вт).
(
-)
Всегда
присутствует
электромагнитное
излучение,
однако их уровень зависит от
того, соответствует ли ЭЛТ
какому-либо
стандарту
безопасности.
Потребление
энергии в рабочем состоянии на
уровне 60 - 150 Вт.
Размеры/вес
( +) плоский дизайн, малый вес
( -) тяжелая конструкция,
занимает много места
Интерфейс монитора ( +) Цифровой интерфейс, однако, ( -) Аналоговый интерфейс
большинство LCD мониторов
имеют встроенный аналоговый
интерфейс для подключения к
наиболее
распространенным
аналоговым
выходам
видеоадаптеров
Из таблицы 1.1 следует, что дальнейшее развитие ЖК-мониторов будет связано с
повышением четкости и яркости изображения, увеличением угла обзора и уменьшением
толщины экрана. Так, например, уже существуют перспективные разработки LCDмониторов, выполненных по технологии с использованием поликристаллического кремния.
Это позволяет, в частности, создавать очень тонкие устройства, поскольку микросхемы
управления размещаются в этом случае непосредственно на стеклянной подложке дисплея.
Кроме того, новая технология обеспечивает высокую разрешающую способность на
сравнительно небольшом по размеру экране (1024x768 точек на 10,4-дюймовом экране).
STN, DSTN, TFT
STN - это сокращение, означающее "Super Twisted Nematic".Технология STN
позволяет увеличить торсионный угол (угол кручения) ориентации кристаллов внутри LCD
дисплея с 90° до 270°, что обеспечивает лучшую контрастность изображения при увеличении
размеров монитора.
Часто STN ячейки используются в паре. Такая конструкция называется DSTN (Double Super
Twisted Nematic), в которой одна двухслойная DSTN-ячейка состоит из 2 STN-ячеек,
67
молекулы которых при работе поворачиваются в противоположные стороны. Свет, проходя
через такую конструкцию в "запертом" состоянии, теряет большую часть своей энергии.
Контрастность и разрешающая способность DSTN достаточно высокая, поэтому появилась
возможность изготовить цветной дисплей, в котором на каждый пиксель приходится три
ЖК-ячейки и три оптических фильтра основных цветов. Цветные дисплеи не способны
работать от отраженного света, поэтому лампа задней подсветки -- их обязательный атрибут.
Для сокращения габаритов лампа находится с боку, а напротив нее зеркало [см. рис. 2.5],
поэтому большинство LCD-матриц в центре имеют яркость выше, чем по краям (это не
относится к настольным ЖК мониторам).
Также STN ячейки используются в режиме
TSTN (Triple Super Twisted Nematic), когда два
тонких слоя полимерной пленки добавляются для
улучшения цветопередачи цветных дисплеев или
для обеспечения хорошего качества монохромных
мониторов. Термин пассивная матрица (passive
matrix) появился в результате разделения монитора
на точки, каждая из которых, благодаря
электродам, может задавать ориентацию плоскости
поляризации луча, независимо от остальных, так
что в результате каждый такой элемент может быть подсвечен индивидуально для создания
изображения. Матрица называется пассивной, потому что технология создания LCD
дисплеев, которая была описана выше, не может обеспечить быструю смену информации на
экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода
управляющего напряжения на отдельные ячейки, делающего их прозрачными. Из-за
довольно большой электрической емкости ячеек напряжение на них не может изменяться
достаточно быстро, поэтому обновление картинки происходит медленно. Такой дисплей
имеет много недостатков с точки зрения качества, потому что изображение не отображается
плавно и дрожит на экране. Маленькая скорость изменения прозрачности кристаллов не
позволяет правильно отображать движущиеся изображения.
Для решения части вышеописанных проблем применяют специальные технологии,
Для улучшения качества динамического изображения было предложено увеличить
количество управляющих электродов. То есть вся матрица разбивается на несколько
независимых подматриц (Dual Scan DSTN - два независимых поля развертки изображения),
каждая из которых содержит меньшее количество пикселей, поэтому поочередное
управление ими занимает меньше времени. В результате чего можно сократить время
инерции ЖК. Также лучших результатов с точки зрения стабильности, качества, разрешения,
гладкости и яркости изображения можно добиться, используя экраны с активной матрицей,
которые, впрочем, стоят дороже.
В активной матрице (active matrix) используются отдельные усилительные элементы
для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие
значительно уменьшить время изменения их прозрачности. Активная матрица (active matrix)
имеет массу преимуществ по сравнению с пассивной матрицей. Например, лучшая яркость и
возможность смотреть на экран даже с отклонением до 45° и более (т.е. при угле обзора
120°-140°) без ущерба качеству изображения, что невозможно в случае с пассивной
матрицей, которая позволяет видеть качественное изображение только с фронтальной
позиции по отношению к экрану. Заметим, что дорогие модели LCD мониторов с активной
матрицей обеспечивают угол обзора в 160° [см рис. 2.6], и есть все основания предполагать,
что технология будет совершенствоваться и в дальнейшем. Активная матрица может
отображать движущиеся изображения без видимого дрожания, так как время реакции
дисплея с активной матрицей около 50 мс против 300 мс для пассивной матрицы, кроме того,
контрастность мониторов с активной матрицей выше, чем у ЭЛТ-мониторов. Следует
отметить, что яркость отдельного элемента экрана остается неизменной на всем интервале
68
времени между обновлениями картинки, а не представляет собой короткий импульс света,
излучаемый элементом люминофором ЭЛТ-монитора сразу после похождения по этому
элементу электронного луча. Именно поэтому для LCD мониторов достаточной является
частота вертикальной развертки, равная 60 Гц.
Функциональные
возможности
LCD мониторов с активной матрицей
почти такие же, как у дисплеев с
пассивной
матрицей.
Разница
заключается в матрице электродов,
которая управляет ячейками жидких
кристаллов дисплея. В случае с
пассивной матрицей разные электроды
получают
электрический
заряд
циклическим методом при построчном
обновлении дисплея, а в результате
разряда емкостей элементов изображение исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей
изначальной конфигурации. В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен
запоминающий транзистор, который может хранить цифровую информацию (двоичные
значения 0 или 1) и в результате изображение сохраняется до тех пор, пока не поступит
другой сигнал.
Thin Film Transistor (TFT), т.е. тонкопленочный транзистор - это те управляющие
элементы, при помощи которых контролируется каждый пиксель на экране.
Тонкопленочный транзистор действительно очень тонкий, его толщина 0,1 - 0,01 микрона.
Технология создания TFT очень сложна, при этом имеются трудности с достижением
приемлемого процента годных изделий из-за того, что число используемых транзисторов
очень велико. Заметим, что монитор, который может отображать изображение с
разрешением 800х600 пикселей в SVGA режиме и только с тремя цветами имеет 1440000
отдельных транзисторов. Производители устанавливают нормы на предельное количество
транзисторов, которые могут быть нерабочими в LCD дисплее. Пиксель на основе TFT
устроен следующим образом: в стеклянной пластине друг за другом интегрировано три
цветных фильтра (красный, зеленый и синий). Каждый пиксель представляет собой
комбинацию трех цветных ячеек или субпиксельных элементов [см. рис. 2.7]. Это означает,
например, что у дисплея, имеющего разрешение 1280x1024, существует ровно 3840x1024
транзистора и субпиксельных элемента. Размер точки (пикселя) для 15.1" дисплея TFT
(1024x768) приблизительно равен 0.0188 дюйма (или 0.30 мм), а для 18.1" дисплея TFT около 0.011 дюйма (или 0.28 мм).
TFT
обладают
рядом
преимуществ перед ЭЛТ-мониторами,
среди
которых
пониженное
потребление энергии и теплоотдача,
плоский экран и отсутствие следа от
движущихся объектов.
Взято с http://monitors.narod.ru
69
Плазменная панель PDP (Plasma Display Panel)
Устройство плазменных панелей
Принцип действия плазменной панели основан на свечении специальных
люминофоров при воздействии на них ультрафиолетового излучения. В свою очередь это
излучение возникает при электрическом разряде в среде сильно разреженного газа. При
таком разряде между электродами с управляющим напряжением образуется проводящий
"шнур", состоящий из ионизированных молекул газа (плазмы). Поэтому-то газоразрядные
панели, работающие на этом принципе, и получили название "газоразрядных" или, что тоже
самое - "плазменных" панелей.
Подавая управляющие сигналы на вертикальные и горизонтальные проводники,
нанесенные на внутренние поверхности стекол панели, схема управления PDP осуществляет
соответственно "строчную" и "кадровую" развертку растра телевизионного изображения.
При этом яркость каждого элемента изображения определяется временем свечения
соответствующей ячейки плазменной панели: самые яркие элементы "горят" постоянно, а в
наиболее темных местах они вовсе не "поджигаются". Светлые участки изображения на PDP
светятся ровным светом, и поэтому изображение абсолютно не мерцает, чем выгодно
отличается от картинки на экране традиционных кинескопов.
Достоинства
Во-первых, плазменные панели гораздо безопаснее кинескопных телевизоров. Они не
создают вредных магнитных и электрических полей, так как в них отсутствуют устройства
развертки и высоковольтный источник анодного напряжения кинескопа. Плазменная панель
не оказывает вредного влияния на человека и домашних животных и не притягивает пыль к
поверхности экрана. Кроме того, что очень важно, они не имеют рентгеновского и какоголибо иного паразитного излучения.
Во-вторых, плазменные панели исключительно универсальны и позволяют
использовать их не только в качестве телевизора, но и как дисплей персонального
компьютера с большим размером экрана. Для этого все модели плазменных панелей помимо
видеовхода (как правило, это обычный AV вход и вход S-VHS) оборудуются еще и VGAвходом. Поэтому такая панель будет незаменима при проведении презентаций, а также при
использовании в качестве многофункционального информационного табло при ее
подключении к выходу персонального компьютера или ноутбука.
В третьих, "картинка" плазменной панели по своему характеру очень напоминает
изображение в "настоящем" кинотеатре. Благодаря этому своему "кинематографическому"
акценту плазма сразу же полюбилась поклонникам "домашнего кино" и прочно утвердилась
как кандидат N1 в качестве высококачественного средства отображения в домашних
кинотеатрах высокого класса.
В четвертых, при столь солидном экране плазменные панели имеют исключительно
компактные размеры и габариты. Толщина панели с размером экрана в 1 метр не превышает
9-12 см, а масса составляет всего 28-30 кг, что позволяет легко разместить плазменные
панели в любом интерьере и даже повесить на стену в удобном для этого месте. С другим
типом дисплея подобный фокус вряд ли удастся. По этим параметрам сегодня ни один
другой тип средств отображения не может составит плазме хоть какую-то конкуренцию.
Достаточно сказать, что цветной кинескоп со сравнимым размером экрана имеет глубину 70
см и весит более 120-150 кг! Проекционные телевизоры с обратной проекцией также особой
стройностью не отличаются, а телевизоры с фронтальной проекцией, как правило, имеют
малые яркости изображения. Светотехнические же параметры плазменных PDP панелей
исключительно высоки: яркость изображения свыше 700 кд/м2 при контрастности не менее
500:1. И что очень важно, нормальное изображение обеспечивается в чрезвычайно широком
угле зрения по горизонтали: в 160О. То есть уже сегодня PDP вышли на уровень самых
передовых рубежей качества, достигнутых кинескопами за 100 лет своей эволюции. А ведь
большеэкранные плазменные панели серийно выпускаются менее 5 лет, и они находятся в
самом начале пути своего технологического развития.
70
В-пятых, плазменные панели чрезвычайно надежны. По данным фирмы Fujitsu их
технический ресурс составляет не менее 60 000 часов (у очень хорошего кинескопа 15 000-20
000 часов), а процент брака не превышает 0.2%. То есть на порядок меньший общепринятых
для цветных кинескопных телевизоров 1.5-2 %.
В-шестых, PDP практически не подвержены воздействию сильных магнитных и
электрических полей. Это позволяет, к примеру, использовать их в системе домашнего
театра совместно с акустическими системами с неэкранированными магнитами. Иногда это
может быть важным, так как в отличие от кинотеатральной акустики многие "обычные" HIFI колонки выпускаются с неэкранированной магнитной цепью. В традиционном домашнем
кинотеатре на основе телевизора использовать эти колонки в качестве фронтальных очень
затруднительно ввиду их сильного влияния на кинескоп телевизора. А в AV-системе на
основе PDP - сколько угодно.
Недостатки
Единственным серьезным на сегодня недостатком плазменных панелей по большому
счету является только их большая цена. Впрочем по сравнению со стоимостью других
устройств отображения информации с аналогичным размером экрана их относительная цена
в пересчете на 1 см (или дюйм) диагонали изображения оказывается не столь большой.
71
Клавиатура. Принцип работы. Скан-коды.
Мышь. Типы. Устройство и принципы работы опто-механических,
оптических и лазерных мышей.
Клавиатура — устройство, представляющее собой набор кнопок (клавиш),
предназначенных для управления каким-либо устройством или для ввода информации. Как
правило, кнопки нажимаются пальцами.
Клавиатура выполнена, как правило, в виде отдельного устройства, подключаемого к
компьютеру тонким кабелем. Малогабаритные компьютеры Lap-Top используют
встроенную клавиатуру.
Если рассмотреть сильно упрощенную принципиальную схему клавиатуры,
представленную на рисунке, можно заметить, что все клавиши находятся в узлах матрицы.
Все горизонтальные линии матрицы подключены через резисторы к источнику
питания +5 В. Клавиатурный компьютер имеет два порта - выходной и входной. Входной
порт подключен к горизонтальным линиям матрицы (X0-X4), а выходной - к вертикальным
(Y0-Y5).
Устанавливая по очереди на каждой из вертикальных линий уровень напряжения,
соответствующий логическому 0, контроллер клавиатуры опрашивает состояние
горизонтальных линий. Если ни одна клавиша не нажата, уровень напряжения на всех
горизонтальных линиях соответствует логической 1 (т.к. все эти линии подключены к
источнику питания +5 В через резисторы).
Если оператор нажмет на какую-либо клавишу, то соответствующая вертикальная и
горизонтальная линии окажутся замкнутыми. Когда на этой вертикальной линии процессор
установит значение логического 0, то уровень напряжения на горизонтальной линии также
будет соответствовать логическому 0. Как только на одной из горизонтальных линий
появится уровень логического 0, клавиатурный процессор фиксирует нажатие на клавишу.
Он посылает в центральный компьютер запрос на прерывание и номер клавиши в матрице.
Аналогичные действия выполняются и тогда, когда оператор отпускает нажатую ранее
клавишу.
Номер клавиши, посылаемый клавиатурным процессором, однозначно связан с
распайкой клавиатурной матрицы и не зависит напрямую от обозначений, нанесенных на
поверхность клавиш. Этот номер называется скан-кодом (Scan Code). Слово scan
("сканирование"), подчеркивает тот факт, что контроллер сканирует клавиатуру для поиска
нажатой клавиши.
Но программе нужен не порядковый номер нажатой клавиши, а соответствующий
обозначению на этой клавише ASCII-код. Этот код не зависит однозначно от скан-кода, т.к.
72
одной и той же клавише могут соответствовать несколько значений ASCII-кода. Это зависит
от состояния других клавиш. Например, клавиша с обозначением '1' используется еще и для
ввода символа '!' (если она нажата вместе с клавишей SHIFT).
Поэтому все преобразования скан-кода в ASCII-код выполняются программным
обеспечением. Как правило, эти преобразования выполняют модули BIOS. Для
использования символов кириллицы эти модули расширяются клавиатурными драйверами.
Если нажать на клавишу и не отпускать ее, клавиатура перейдет в режим автоповтора.
В этом режиме в центральный компьютер автоматически через некоторый период времени,
называемый периодом автоповтора, посылается код нажатой клавиши. Режим автоповтора
облегчает ввод с клавиатуры большого количества одинаковых символов.
Следует отметить, что клавиатура содержит внутренний 16-байтовый буфер, через
который она осуществляет обмен данными с компьютером. В настоящее время стандартная
клавиатура для IBM AT содержит 101 клавишу.
Мультимедийные клавиатуры
Многие современные компьютерные клавиатуры, помимо стандартного набора из ста
четырёх клавиш, снабжаются дополнительными клавишами (как правило, другого размера и
формы), которые предназначены для упрощённого управления некоторыми основными
функциями компьютера:
управление громкостью звука: громче, тише, включить или выключить звук;
управление лотком в приводе для компакт-дисков: извлечь диск, принять диск;
управление аудиопроигрывателем: играть, поставить на паузу, остановить
воспроизведение, промотать аудиозапись вперёд или назад, перейти к следующей или
предыдущей аудиозаписи;
управление сетевыми возможностями компьютера: открыть почтовую программу,
открыть браузер, показать домашнюю страницу, двигаться вперёд или назад по истории
посещённых страниц, открыть поисковую систему;
управление наиболее популярными программами: открыть калькулятор, открыть
файловый менеджер;
управление состоянием окон операционной системы: свернуть окно, закрыть окно,
перейти к следующему или к предыдущему окну;
управление состоянием компьютера: перевести в ждущий режим, перевести в спящий
режим, пробудить компьютер, выключить компьютер.
МЫШИ
Мышь- указательное устройство ввода (англ. pointing device)
Мышь воспринимает своё перемещение в рабочей и передаёт эту информацию
компьютеру. Программа, работающая на компьютере, в ответ на перемещение мыши
производит на экране действие, отвечающее направлению и расстоянию этого перемещения.
В дополнение к детектору перемещения мышь имеет от одной до трех (или более)
кнопок, а также дополнительные элементы управления (колёса прокрутки, потенциометры,
джойстики, трекболы, клавиши и т. п.), действие которых обычно связывается с текущим
положением курсора (или составляющих специфического интерфейса).
Виды мышей
Прямой привод
Состоял из двух перпендикулярных колес, выступающих из корпуса устройства. При
перемещении мыши колеса крутились каждое в своем измерении (1963г.)
Шаровой привод
В шаровом приводе движение мыши передается на выступающий из корпуса
гуммированный стальной шарик (его вес и резиновое покрытие обеспечивают хорошее
сцепление с рабочей поверхностью). Два прижатых к шарику ролика снимают его движения
по каждому из измерений и передают их на датчики, преобразующие эти движения в
73
электрические сигналы.
Контактные датчики
Контактный датчик представляет из себя текстолитовый диск с лучевидными
металлическими дорожками и тремя контактами, прижатыми к нему. Такой датчик достался
шаровой мыши «в наследство» от прямого привода.
Оптопарные (оптомеханические) датчики
Оптронный датчик состоит из двойной оптопары — светодиода и двух фотодиодов
(обычно — инфракрасных) и диска с отверстиями или лучевидными прорезями,
перекрывающего световой поток по мере вращения. При перемещении мыши диск
вращается, и с фотодиодов снимается сигнал с частотой, соответствующей скорости
перемещения мыши.
Второй фотодиод, смещённый на некоторый угол или имеющий на диске датчика
смещённую систему отверстий/прорезей, служит для определения направления вращения
диска (свет на нём появляется/исчезает раньше или позже, чем на первом, в зависимости от
направления вращения).
Индукционная мышь
Индукционные мыши используют специальный коврик, работающий по принципу
графического планшета. ндукционные мыши имеют хорошую точность, и их не нужно
правильно ориентировать. Индукционная мышь может быть «беспроводной» (к компьютеру
подключается планшет, на котором она работает), и иметь индукционное же питание,
следовательно, не требовать аккумуляторов, как обычные беспроводные мыши.
Инерционная мышь
Инерционные мыши используют акселерометры для определения движений мыши по
каждой из осей. Обычно инерционные мыши являются беспроводными и имеют
выключатель для отключения детектора движений, для перемещения мыши без влияния на
указатель.
Оптическая мышь
Оптические датчики призваны непосредственно отслеживать перемещение рабочей
поверхности относительно мыши. Исключение механической составляющей обеспечивало
более высокую надёжность и позволяло увеличить разрешающую способность детектора.
Первое поколение оптических датчиков было представлено различными схемами
оптопарных датчиков с непрямой оптической связью — светоизлучающих и
воспринимающих отражение от рабочей поверхности светочувительных диодов. Такие
датчики имели одно общее свойство — они требовали наличия на рабочей поверхности
(мышином коврике) специальной штриховки (перпендикулярными или ромбовидными
линиями). В некоторых моделях мышей эти штриховки выполнялись красками, невидимыми
в обычном свете (такие коврики даже могли иметь рисунок).
Второе поколение оптических датчиков сделаны на базе микросхемы, содержащей
фотосенсор и процессор обработки изображения. Удешевление и миниатюризация
компьютерной техники позволили уместить всё это в одном элементе за доступную цену.
Фотосенсор периодически сканирует участок рабочей поверхности под мышью. При
изменении рисунка процессор определяет, в какую сторону и на какое расстояние
сместилась мышь. Сканируемый участок подсвечивается светодиодом (обычно — красного
цвета) под косым углом.
На сегодняшний день Agilent Technologies, Inc. — монополист на рынке оптических
сенсоров для мышей, никакие другие компании такие сенсоры не разрабатывают, кто бы и
что не говорил вам об эксклюзивных технологиях IntelliEye или MX Optical Engine .
Впрочем, предприимчивые китайцы уже научились «клонировать» сенсоры Agilent
Technologies, поэтому, покупая недорогую оптическую мышь, вы вполне можете стать
владельцем «левого» сенсора.
Как «видят» оптические мыши
С помощью светодиода, и системы фокусирующих его свет линз, под мышью
74
подсвечивается участок поверхности. Отраженный от этой поверхности свет, в свою очередь,
собирается другой линзой и попадает на приемный сенсор микросхемы — процессора
обработки изображений. Этот чип, в свою очередь, делает снимки поверхности под мышью с
высокой частотой (кГц). Причем микросхема (назовем ее оптический сенсор) не только
делает снимки, но сама же их и обрабатывает, так как содержит две ключевых части: систему
получения изображения Image Acquisition System (IAS) и интегрированный DSP процессор
обработки снимков.
На основании анализа череды последовательных снимков (представляющих собой
квадратную матрицу из пикселей разной яркости), интегрированный DSP процессор
высчитывает результирующие показатели, свидетельствующие о направлении перемещения
мыши вдоль осей Х и Y, и передает результаты своей работы вовне по последовательному
порту.
Если мы посмотрим на блок-схему одного из оптических сенсоров, то увидим, что
микросхема состоит из нескольких блоков, а именно:
основной блок, это, конечно же,
Image Processor — процессор обработки
изображений (DSP) со встроенным
приемником светового сигнала (IAS);
Voltage Regulator And Power
Control — блок регулировки вольтажа и
контроля энергопотребления (в этот блок
подается питание и к нему же
подсоединен дополнительный внешний
фильтр напряжения);
Oscillator — на этот блок чипа
подается внешний сигнал с задающего
кварцевого
генератора,
частота
входящего сигнала порядка пары
десятков МГц;
Led
Cоntrоl
—
это
блок
управления светодиодом, с помощью которого подсвечивается поверхность по мышью;
Serial Port — блок передающий данные о направлении перемещения мыши вовне
микросхемы.
Нужно уточнить, что информацию о перемещении мыши микросхема оптического
сенсора передает через Serial Port не напрямую в компьютер. Данные поступают к еще одной
микросхеме-контроллеру, установленной в мыши. Эта вторая «главная» микросхема в
устройстве отвечает за реакцию на нажатие кнопок мыши, вращение колеса прокрутки и т.д.
Данный чип, в том числе, уже
непосредственно
передает
в
ПК
информацию
о
направлении
перемещения
мыши,
конвертируя
данные, поступающие с оптического
сенсора, в передаваемые по интерфейсам
PS/2 или USB сигналы. А уже
компьютер, используя драйвер мыши, на
основании
поступившей
по
этим
интерфейсам информации, перемещает
курсор-указатель по экрану монитора.
Система оптического слежения
мышей, помимо микросхемы-сенсора,
включает еще несколько базовых
элементов.
Конструкция
включает
75
держатель (Clip) в который устанавливаются светодиод (LED) и непосредственно сама
микросхема сенсора (Sensor). Эта система элементов крепится на печатную плату (PCB),
между которой и нижней поверхностью мыши (Base Plate) закрепляется пластиковый
элемент (Lens), содержащий две линзы (о назначении которых было написано выше). В
собранном виде оптический элемент слежения выглядит как показано выше. Схема работы
оптики этой системы представлена ниже. Оптимальное расстояние от элемента Lens до
отражающей поверхности под мышью должно попадать в диапазон от 2.3 до 2.5 мм.
Лазерная мышь
Для подсветки используется полупроводниковый лазер.
Отличаются: более высокой надёжностью и разрешением;
успешной работой на стеклянных и зеркальных поверхностях
(недоступных оптическим мышам);
отсутствии сколько-нибудь заметного свечения;
низком энергопотреблении.
Особенности работы лазерной мыши
Как известно, лазер излучает узконаправленный (с малым расхождением) пучок света.
Следовательно, освещенность поверхности под мышью при применении лазера гораздо
лучше, чем при использовании светодиода. Лазер, работающий в инфракрасном диапазоне,
был выбран, вероятно, чтобы не слепить глаза возможным все-таки отражением света из-под
мыши в видимом спектре. То, что оптический сенсор нормально работает в инфракрасном
диапазоне не должно удивлять — от красного диапазона спектра, в котором работает
большинство светодиодных оптических мышей, до инфракрасного —«рукой подать», и вряд
ли для сенсора переход на новый оптический диапазон был труден. Например, в
манипуляторе Logitech MediaPlay используется светодиод, однако также дающий
инфракрасную подсветку. Нынешние сенсоры без проблем работают даже с голубым светом
(существуют манипуляторы и с такой подсветкой), так что спектр области освещения — для
сенсоров не проблема. Так вот, благодаря более сильной освещенности поверхности под
мышью, мы вправе предположить, что разница между местами, поглощающими излучение
(темными) и отражающими лучи (светлыми) будет более значительной, чем при
использовании обычного светодиода — т.е. изображение будет более контрастными.
76
Сканеры. Виды, принцип действия, основные характеристики.
Сканер (англ. scanner) — устройство, которое анализируя какой-либо объект (обычно
изображение, текст), создаёт цифровую копию изображения объекта.
Рассмотрим принцип действия планшетных сканеров, как наиболее распространенных
моделей. Сканируемый объект кладется на стекло планшета сканируемой поверхностью
вниз. Под стеклом располагается подвижная лампа, движение которой регулируется
шаговым двигателем.
Свет, отраженный от объекта, через систему зеркал попадает на чувствительную
матрицу (англ. CCD — Couple-Charged Device), далее на АЦП и передается в компьютер. За
каждый шаг двигателя сканируется полоска объекта, которые потом объединяются
программным обеспечением в общее изображение.
Изображение всегда сканируется в формат RAW - а затем конвертируется в обычный
графический формат с применением текущих настроек яркости, контрастности, и т.д. Эта
конвертация осуществляется либо в самом сканере, либо в компьютере - в зависимости от
модели конкретного сканера. На параметры и качество RAW-данных влияют такие
аппаратные настройки сканера, как время экспозиции матрицы, уровни калибровки белого и
чёрного, и т.п.
Все бытовые сканеры содержат собственные микропроцессоры, иногда это
совмещённые с АЦП микропроцессоры, а иногда это микропроцессоры общего вида.
Виды сканеров
В зависимости от способа сканирования объекта и самих объектов сканирования
существуют следующие виды:
Планшетные — наиболее распространённый вид сканеров, поскольку обеспечивает
максимальное удобство для пользователя — высокое качество и приемлемую скорость
сканирования. Представляет собой планшет, внутри которого под прозрачным стеклом
расположен механизм сканирования.
Ручные — в них отсутствует двигатель, следовательно, объект приходится
сканировать пользователю вручную, единственным его плюсом является дешевизна и
мобильность, при этом он имеет массу недостатков — низкое разрешение, малую скорость
работы, узкая полоса сканирования, возможны перекосы изображения, поскольку
пользователю будет трудно перемещать сканер с постоянной скоростью.
Листопротяжные — лист бумаги вставляется в щель и протягивается по
направляющим роликам внутри сканера мимо лампы. Имеет меньшие размеры, по
сравнению с планшетным, однако может сканировать только отдельные листы, что
ограничивает его применение в основном офисами компаний. Многие модели имеют
устройство автоматической подачи, что позволяет быстро сканировать большое количество
документов.
Планетарные сканеры — применяются для сканирования книг или легко
повреждающихся документов. При сканировании нет контакта со сканируемым объектом
(как
в
планшетных
сканерах).
Подробности
на
английском
языке
http://en.wikipedia.org/wiki/Planetary_scanner
77
Книжные сканеры - предназначены для сканирования брошюрованных документов.
Современные модели профессиональных сканеров позволяют значительно повысить
сохранность документов в архивах, благодаря очень деликатному обращению с
оригиналами. Современные технологии, используемые при сканировании книг и сшитых
документов, позволяют добиваться высоких результатов. Сканирование производится
лицевой стороной вверх - таким образом, Ваши действия по сканированию неотличимы от
перелистывания страниц при обычном чтении. Это предотвращает их повреждение и
позволяет пользователю видеть документ в процессе сканирования.
Книжные сканеры с V-образной колыбелью на основе цифровых фотоаппаратов.
Являются подвидом планетарных сканеров, однако имеют ряд отличий, среди которых - Vобразная колыбель, позволяющая сканировать книгу не раскрывая ее полностью, в режиме
бережного сканирования, поэтому часто используется библиотеками. Прижимное стекло,
входящее в состав конструкции, обеспечивает выпрямление страниц книги, и, следовательно,
изображения без искажений.
Барабанные сканеры — применяются в полиграфии, имеют большое разрешение
(около 10 тысяч точек на дюйм). Оригинал располагается на внутренней или внешней стенке
прозрачного цилиндра (барабана).
Слайд-сканеры — как ясно из названия, служат для сканирования плёночных слайдов,
выпускаются как самостоятельные устройства, так и в виде дополнительных модулей к
обычным сканерам.
Сканеры штрих-кода — небольшие, компактные модели для сканирования штрихкодов товара в магазинах.
Характеристики сканеров.
Оптическое разрешение, измеряется в точках на дюйм (англ. dots per inch — dpi). .
Является основной характеристикой сканера. Сканер снимает изображение не
целиком, а по строчкам. По вертикали планшетного сканера движется полоска
светочувствительных элементов и снимает по точкам изображение строку за строкой. Чем
больше светочувствительных элементов у сканера, тем больше точек он может снять с
каждой горизонтальной полосы изображения. Это и называется оптическим разрешением.
Обычно его считают по количеству точек на дюйм — dpi (dots per inch). Сегодня считается
нормой уровень разрешение не менее 600 dpi. Увеличивать разрешение еще дальше —
значит, применять более дорогую оптику, более дорогие светочувствительные элементы, а
также многократно затягивать время сканирования. Для обработки слайдов необходимо
более высокое разрешение: не менее 1200 dpi.
Интерполированное разрешение
Искусственное разрешение сканера достигается при помощи программного
обеспечения. Его практически не применяют, потому что лучшие результаты можно
получить, увеличив разрешение с помощью графических программ после сканирования.
Используется производителями в рекламных целях.
Скорость работы
В отличие от принтеров, скорость работы сканеров указывают редко, поскольку она
зависит от множества факторов. Иногда указывают скорость сканирования одной линии в
миллисекундах.
Глубина цвета
Определяется качеством матрицы CCD и разрядностью АЦП. Измеряется
количеством оттенков, которые устройство способно распознать. 24 бита соответствует 16
777 216 оттенков. Современные сканеры выпускают с глубиной цвета 24, 30, 36, 48 бит.
Несмотря на то, что графические адаптеры пока не могут работать с глубиной цвета больше
24 бит, такая избыточность позволяет сохранить больше оттенков при преобразованиях
картинки в графических редакторах.
3D сканер — устройство, анализирующее физический объект и на основе полученных
78
данных создающее его 3D модель.
3D сканеры делятся на 2 типа по методу сканирования:
Контактный, такой метод основывается на непосредственном контакте сканера с
исследуемым объектом.
Неконтактный. Такие устройства можно разделить в 2 отдельные категории: активные
и пассивные сканеры.
Активные сканеры излучают некоторую радиацию на объект и обнаруживают ее
отражение для его анализа. Возможные типы используемой радиации включают свет,
ультразвук или рентгеновские лучи.
Пассивные сканеры не излучают никакой радиации на объект, а вместо этого
полагаются на обнаружение отраженной окружающей радиации. Большинство сканеров
такого типа обнаруживает видимый свет — легкодоступная окружающая радиация.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Сканер
79
Принтеры. Технологии печати: матричная, струйная, лазерная,
светодиодная, термосублимационная, трёхмерное прототипирование.
Компьютерный принтер (англ. printer — печатник) — устройство печати цифровой
информации на твёрдый носитель, обычно на бумагу.
Процесс печати называется вывод на печать, а получившийся документ — распечатка
или твёрдая копия.
Принтеры имеют преобразователь цифровой информации (текст, фото, графика),
хранящейся в запоминающих устройствах компьютера, фотоаппарата и цифровой памяти, в
специальный машинный язык.
Принтеры бывают струйные, лазерные, матричные и сублимационные, а по цвету
печати — полноцветные и монохромные.
Монохромные принтеры имеют несколько градаций, обычно 2-5, например: чёрный
— белый, одноцветный (или красный, или синий, или зелёный) — белый, многоцветный
(чёрный, красный, синий, зелёный) — белый.
Матричные принтеры, несмотря на то, что многие считают их устаревшими, все ещё
активно используются для печати, (в основном с использованием непрерывной подачи
бумаги, в рулонах) в лабораториях, банках, бухгалтериях, в библиотеках для печати на
карточках, для печати на многослойных бланках (например, на авиабилетах), а также в тех
случаях, когда необходимо получить второй экземпляр документа через копирку (обе копии
подписываются через копирку одной подписью для предотвращения внесения
несанкционированных изменений в финансовый документ).
Получили распространение многофункциональные принтеры, в которых в одном
приборе объединены принтер, сканер, копир и факс. Такое объединение рационально
технически и удобно в работе. Широкоформатные (А3, А2) принтеры иногда неверно
называют плоттерами.
Матричные принтеры
Матричные принтеры — старейший из ныне применяемых типов принтеров, его
механизм был изобретён в 1964 году корпорацией Seiko Epson. Матричные принтеры стали
первыми устройствами, обеспечившими графический вывод твёрдой копии.
Изображение формируется печатающей головкой, которая состоит из набора иголок
(игольчатая матрица), приводимых в действие электромагнитами. Головка передвигается
построчно вдоль листа, при этом иголки ударяют по бумаге через красящую ленту,
формируя точечное изображение. Этот тип принтеров называется SIDM (англ. Serial Impact
Dot Matrix — последовательные ударно-матричные принтеры). Выпускались принтеры с 9,
12, 14, 18 и 24 иголками в головке. Основное распространение получили 9-ти и 24-х
игольчатые принтеры. Качество печати и скорость графической печати зависит от числа
иголок: больше иголок — больше точек. Принтеры с 24-мя иголками называют LQ (англ.
Letter Quality — качество пишущей машинки). Существуют монохромные 5 цветные
матричные принтеры, в которых используется 4 цветная CMYK лента. Смена цвета
производится смещением ленты вверх-вниз относительно печатающей головки. Скорость
печати матричных принтеров измеряется в CPS (англ. characters per second — символах в
секунду).
Основными недостатками матричных принтеров являются: монохромность, низкая
скорость работы и высокий уровень шума. Матричные принтеры достаточно широко
используются и в настоящее время благодаря тому, что стоимость получаемой распечатки
крайне низка, так как используется более дешевая фальцованная или рулонная бумага.
Последнюю к тому же можно отрезать кусками нужной длины (не форматными). Некоторые
финансовые документы должны печататся только через копировальную бумагу, для
исключения возможности их подделки.
Выпускаются и скоростные линейно-матричные принтеры, в которых большое
80
количество иголок равномерно расположены на челночном механизме (фрете) по всей
ширине листа. Скорость таких принтеров измеряется в LPS (англ. Lines per second — строках
в секунду).
Струйные принтеры
Принцип действия струйных принтеров похож на матричные принтеры тем, что
изображение на носителе формируется из точек. Но вместо головок с иголками в струйных
принтерах используется матрица печатающая жидкими красителями. Картриджи с
красителями бывают со встроенной печатающей головкой — в основном такой подход
используется компаниями Hewlett-Packard, Lexmark. Фирмы Epson, Canon производят
струйные принтеры, в которых печатающая матрица является деталью принтера, а сменные
картриджи содержат только краситель. При длительном простое принтера (неделя и больше)
происходит высыхание остатков красителя на соплах печатающей головки. Принтер умеет
сам автоматически чистить печатающую головку. Но также возможно провести
принудительную очистку сопел из соответствующего раздела настройки драйвера принтера.
При прочистке сопел печатающей головки происходит интенсивный расход красителя.
Печатающие головки струйных принтеров создаются с использованием следующих
типов подачи красителя:
Непрерывная подача (Continuous Ink Jet) — подача красителя во время печати
происходит непрерывно, факт попадания красителя на запечатываемую поверхность
определяется модулятором потока красителя. Утверждается, что патент на данный способ
печати выдан(англ.) Вильяму Томпсону (William Thomson) в 1867 году.
В технической реализации(англ.) такой печатающей головки в сопло под давлением
подается краситель, который на выходе из сопла разбивается на последовательность микро
капель (объемом нескольких десятков пиколитров), которым дополнительно сообщается
электрический заряд. Разбиение потока красителя на капли происходит расположенным на
сопле пьезокристаллом, на котором формируется акустическая волна (частотой в десятки
килогерц). Отклонение потока капель производится электростатической отклоняющей
системой (дифлектором). Те капли красителя, которые не должны попасть на
запечатываемую поверхность, собираются в сборник красителя и, как правило,
возвращаются обратно в основной резервуар с красителем. Первый(англ.) струйный принтер
изготовленный с использованием данного способа подачи красителя выпустила Siemens в
1951 году.
Подача по требованию (Drop-on-demand(англ.)) — подача красителя из сопла
печатающей головки происходит только тогда, когда краситель действительно надо нанести
на соответствующую соплу область запечатываемой поверхности. Именно этот способ
подачи красителя и получил самое широкое распространение в современных струйных
принтерах.
На данный момент существует две технические реализации данного способа подачи
красителя:
Пьезоэлектрическая (Piezoelectric Ink Jet) — над соплом расположен пьезокристалл с
диафрагмой. Когда на пьезоэлемент подаётся электрический ток он изгибается и тянет за
собой диафрагму — формируется капля, которая впоследствии выталкивается на бумагу.
Широкое распространение получила в принтерах компании Epson. Технология позволяет
изменять размер капли.
Термическая (Thermal Ink Jet), также называемая BubbleJet — Разработчик —
компания Canon. Принцип был разработан в конце 70-х годов. В сопле расположен
микроскопический нагревательный элемент, который при прохождении электрического тока
мгновенно нагревается до температуры около 500 °C, при нагревании в чернилах образуются
газовые пузырьки (англ. — bubbles — отсюда и название технологии), которые выталкивают
капли жидкости из сопла на носитель. В 1981 году технология была представлена на
выставке Canon Grand Fair. В 1985-ом появилась первая коммерческая модель монохромного
принтера — Canon BJ-80. В 1988 году появился первый цветной принтер — BJC-440
81
формата A2, разрешением 400 dpi.
Лазерные принтеры
Технология — прародитель современной лазерной печати появилась в 1938 году —
Честер Карлсон изобрёл способ печати, названный электрография, а затем переименованный
в ксерографию. Принцип технологии заключался в следующем. По поверхности
фотобарабана коротроном (скоротроном) заряда, либо валом заряда равномерно
распределяется статический заряд, после этого светодиодным лазером (либо светодиодной
линейкой) на фотобарабане снимается заряд — тем самым на поверхность барабана
помещается скрытое изображение. Далее на фотобарабан наносится тонер, после этого
барабан прокатывается по бумаге, и тонер переносится на бумагу коротроном переноса, либо
валом переноса. Тонер, в зависимости от знака его заряда, может притягиваться к
поверхности, сохранившей скрытое изображение или фону. После этого бумага проходит
через блок термозакрепления для фиксации тонера, а фотобарабан очищается от остатков
тонера и разряжается в узле очистки.
Светодиодные (LED) принтеры
По сути, это одно из ответвлений предыдущей, «лазерной» технологии. Основное
отличие заключается в источнике света. Вместо одиночного лазерного диода используется
целая «линейка» светодиодов, количество которых определяет горизонтальное разрешение
принтера.
Преимущества светодиодных принтеров перед лазерными:
 отсутствие механического управления источником света (он не движется) выше надёжность;
 более высокая скорость, ведь механическое управление имеет вполне
конкретные пределы быстродействия;
 отсутствие краевых искажений и, как следствие, более высокое и равномерное
качество.
Недостатки:
 более высокая стоимость из-за сложности изготовления светодиодной линейки
с высокой плотностью расположения диодов.
Сублимационные принтеры
Термосублимация (возгонка) — это быстрый нагрев красителя, когда минуется
жидкая фаза. Из твердого красителя сразу образуется пар. Чем меньше порция, тем больше
фотографическая широта (динамический диапазон) цветопередачи. Пигмент каждого из
основных цветов, а их может быть три или четыре, находится на отдельной (или на общей
многослойной) тонкой лавсановой ленте (термосублимационные принтеры фирмы Mitsubishi
Electric). Печать окончательного цвета происходит в несколько проходов: каждая лента
последовательно протягивается под плотно прижатой термоголовкой, состоящей из
множества термоэлементов. Эти последние, нагреваясь, возгоняют краситель. Точки,
благодаря малому расстоянию между головкой и носителем, стабильно позиционируются и
получаются весьма малого размера.
К серьёзным проблемам сублимационной печати можно отнести чувствительность
применяемых чернил к ультрафиолету. Если изображение не покрыть специальным слоем,
блокирующим ультрафиолет, то краски вскоре выцветут. При применении твёрдых
красителей и дополнительного ламинирующего слоя с ультрафиолетовым фильтром для
предохранения изображения, получаемые отпечатки не коробятся и хорошо переносят
влажность, солнечный свет и даже агрессивные среды, но возрастает цена фотографий. За
полноцветность сублимационной технологии приходится платить большим временем печати
каждой фотографии (печать одного снимка 10х15 см принтером Sony DPP-SV77 занимает
около 90 секунд).
Термические принтеры фирмы Xerox. Характеризуются расходным материалом —
веществом на основе парафина, плавящимся при 60 гр. по Цельсию.
3D принтер — устройство, использующее метод создания физического объекта на
82
основе виртуальной 3D модели.
Применение технологии
Для быстрого прототипирования, то есть быстрого изготовления прототипов моделей
и объектов для дальнейшей доводки. Уже на этапе проектирования можно кардинальным
образом изменить конструкцию узла или объекта в целом. В инженерии такой подход
способен существенно снизить затраты в производстве и освоении новой продукции.
Для быстрого производства — изготовление готовых деталей из материалов,
поддерживаемых 3D принтерами.
Fused Deposition Modeling (FDM). Идея FDM очень проста - раздаточная головка
выдавливает на охлаждаемую платформу-основу капли разогретого термопластика (в
качестве материала может использоваться практически любой промышленный
термопластик). Капли быстро застывают и слипаются друг с другом, формируя слои
будущего объекта (печать здесь тоже ведется по слоям). Техпроцесс FDM позволяет с
достаточно высокой точностью (минимальная толщина слоя 0.12 мм) изготовлять полностью
готовые к использованию детали довольно большого размера (до 600 x 600 x 500 мм).
Основы этой технологии были разработаны еще 1988 Скоттом Крампом (Scott Crump).
Основным производителем оборудования для FDM является компания Stratasys.
Polyjet компании Objet Geometries. Здесь струйная головка используется для печати
фотополимерным пластиком. Модель, как обычно, печатается слой за слоем, причем
разрешение в слое составляет 600 x 300 dpi, а толщина слоя может быть доведена всего до 16
микрон. Каждый отпечатанный слой полимеризируется в твердый пластик под действием
ультрафиолетовой лампы. При этом цена на принтеры Objet находится на уровне 60K$.
Аналогичную систему под названием InVison производит и компания 3D Systems, так
что отец-основатель стереолитографии тоже не стоит на месте. Ценник на эту машину
установлен около 40K$. Системы быстрого прототипирования в последние годы явно
дешевеют.
Порошковая технология. Разработана в Массачусетском Технологическом
Институте. Специальная струйная головка (кстати, адаптированная из струйных принтеров
Hewlett-Packard) набрызгивает на порошковый материал клеящее вещество. В качестве
порошка используется обычный гипс или крахмал. В "забрызганных" местах порошок
склеивается и формирует модель. Печать, как и в предыдущих случаях, идет послойно, а
лишний порошок в конце стряхивается. Однако есть и существенная разница - этот принтер
может использовать клеящую жидкость с добавление пигментных красителей - а значит,
печатать цветные модели.
Способы соединения принтера с носителем цифровой информации
последовательный порт, параллельный порт, Universal Serial Bus,
ИК-порт, Bluetooth, Wi-Fi.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Принтер
Список использованных интернет-источников
http://www.hardvision.ru
http://comprofit.ru/inform/index.php
http://monitors.narod.ru
http://cleanprint.ru/modules/Articles/
http://www.ixbt.com
http://www.ixbt.ru
http://www.сad.dp.ua
http://www.1vc.ru
http://ru.wikipedia.org