Текст
                    И.И. Попов
Т.Л. Партыка
Вычислительная
техника

Т. Л. Партыка, И. И. Попов ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА Рекомендовано Министерством образования и науки ^0 Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов ' учреждений среднего профессионального образования, обучающихся <5* по группе специальностей «Электротехника» Тульский институт экономики и информвтики БИБЛИОТЕКА Москва ФОРУМ - ИНФРА-М 2007
УДК 004.2(075.32) ББК 32.973-02я723 П57 Рецензенты: локгор экономических наук, профессор. заведую ций кафедрой Математических и инструментальных методов экономики Московской финансово-промышленной академии по IT-образованию А. А. Емельянов-, кандидат технических наук, доцент кафедры проектирования автоматизированных информационных систем Р.ЭА им. Г. В. Плеханова А. И. Падточий Партыка Т. Л., Попов И. И. П57 Вычислительная техника: учеб, пособие. — VI/ ФОРУМ: ИНФРА-М. гОО"7. — 6U8 с.: ил. — (Профессиональное образо- вание). ISBN 5-91134-050-Х (ФОРУМ) ISBN 5-16-002873-0 (ИНФРА-М) Рассматриваются состав, характеристики, функции и структура техни- ческих средств обработки, хранения и передачи информации, в том числе виды информации и способы представления ее в ЭВМ; системы счисле- ния, перевод чисел ит одной системы счисления в другую; логические ос- новы ЭВМ, элементарные логические функции; персональные компьюте- ры (процессоры системы памян!, интерфейсы), накопители информации (магнитные лент, диски, оптические накопители — CD/DVD, магнито- оптические, твердотельные и другие альтернативные технологии): инте- рактивные устройства (терминалы с мониторами на ЭЛТ и плоскопансль- ными, манипуляторы, сенсорные экраны), мул1 тимедийные системы (цифровое фото, видео, звук, мультиме шйные проекторы); сре ютва орга- низации сетей и мобильных вычислений (сети, связь ком-кютерав, мо- бильные компьютеры — про тессоры и интерфейсы расширения). УДК 004 2(075 32) ББК 32.973-02я723 ISBN 5-91134-050-Х (фпрум' ISBN 5-16-0028'73-0 .ИНФРА М) © Т. Л. Партыка, И И Попов, 2307 © Издательство «ФОРУМ», 2007
Введение Средства вычислительной техники (СВТ; за послед- ние полвека преобразили цивилизацию, вовлекая человечество в процесс информатизации, который охватывает все сферы, все отрасли общественной жизни, прочно входит в жизнь каждо- го человека, воздействует на его образ мышления и поведение'. Высокий уровень знаний и практических применений информа- ции и а в т о м а т и з и р о в энных информационных тех- нологий (АИ1) в различных предметных областях и сферах деятельности стимулировал формирование концепции перехода промышленно-развитых государств в новую форму существова- ния — информационное общество, в котором решаю- щую роль играют приобретение, хранение, распространение и использование знаний с широким использованием достижений научно-технического прогресса, позволяющею постоянно совер- шенствовать государственные, научные, общественные и персо- нальные структуры, системы и т. п. Все большее число стран объявляют генеральной линией своего развития построение информационного общества. XXI в. объявлен веком информатизации В России как и в ряде других стран, имеется «Концепция формирования информационного общества». В ней определено, что в нашей стране в первой чет- верти XXI в. должны быть созданы основные черты и признаки информационного общества. При этом отмечается, что у России свои предпосылки перехода и свой специфичный путь, ибо она 1 Уже в 19R0-e гг. темпы развития СВТ потрясали современников Газета Washington Post того времени: «В 1953 г. ЭВМ с памятью 64 Кбайт стоила 1 млн долл., сейчас она стоит менее 1 тыс лолл. Если бы автомобили развивались в течение последних 20 лет теми же темпа- ми, как компьютеры, то сегодня Ролле Ройс стоил бы 3,0 долл., прохо- дил миллион миль на галлоне бензина, развивал мощность лайнера Queen Elisabeth, и два автомобиля помешались бы на кончике пера».
4 Введение обладает великим культурным наследием и многонациональной самобытной культурой, ра< полагает одной из лучших систем об- разования. СВТ являются важнейшим из факторов информати- зации. которые включают в себя: • СВТ (аппара гурный фактор); • программные средства и системы (программный фактор), • информационный фактор — собственно информация, т. е. сигналы, сообщения, массивы данных, файлы и базы дан- ных (БД); • интеллектуальные усилия и человеческий труп (человече- ский. 1уманитарный фактор). Перечисленные составляющие подобно классическим эконо- мическим факторам производства (труд, капитал, земля): • взаимозаменяемы (одна и га же производительность может быть достшнута при различных сочетаниях фак~оров — математически ио описывается кривом безразличия); • эффективность производства при увеличении одного из факторов, но при фиксированном вкладе остальных, уве- личивается, но все медленнее и медленнее (математиче- ски — закон убывающей производительности), Что требует гармоничного ра звития всех составляющих, и нс п эс тс. шяя роль здесь отводится человеческому фактору. В част ности. пользователь должен соответствовать уровню информаци- онных технолотий. Перечисленные факторы соответствуют также историческим этапам развития информатизации. Можно выделить следующие фазы, на каждой из которых доминирует какой-либо из упомя- нутых факторов: • технический период, в течение которого сл эжились основ- ные представления о структуре универсальных электрон- ных вычислительных машин (ЭВМ), определились архи- тектура и типы устройств — с 1946 по 1964 г. (приблизи- тельно); • программный период — выработ алась современная классм фикапия программных средств, их структур и взаи моевя зей, сложились языки программирования, разработаны компиляторы и принципы процедурной обработки — с 19S4 по 1970 г.; • информационный период — в центре внимания исс «едоват е- лей и разработчиков оказываются структуры данных, язы
В«едение 5 ки описания (ЯОД) и манипулирования (Я МД) данными, непроцедурные подходы к построению систем обработки информации — с 1970 г. по настоящее время; • гуманитарный период, связанный с ре жим возрастанием круга пользователей АИТ и повышением роли интерфейс- ных и навигационных возможностей соответствуют их сис- тем (с начала 90-х гг. прошлою века). Традиционные АИТ были подчинены прои ^водителю информации и доводили одинаковое содержание до всех адресатов. Новые АИТ на- правлены на индивидуального пользователя, предоставляя возможность получения информации, нужной именно ему. Конечно, данная периоди »ация условна, и говорить об окон- чании технического периода или исчерпании пределов развития не приходится. Именно С ВТ развиваются наиболее высокими темпами, увлекая за собой остальные факторы информ л изации. Настоящее учебное пособие посвящается данной проблема- тике. В первой главе рассматриваются история развития вычисли- тельных устройств и приборов, вопросы кодирования информа- ции. обработки в ЭВМ. передачи по каналам связи Рассмотре- ны элементы матлогики и их связь с элементами ЭВМ, узлы ЭВМ. технологии электронных схем, основные понятия алго- ритмов и программ. Вторая глава посвящена проблематике архитектур и структу - ры средств вычислительной техники, рассмотрены классы вы- числительных машин и систем, основные представления об ар- хитектуре ЭВМ вычислительных систем (ВС). Значительное внимание уделяется классам и структурам компьютерных сетей и телекоммуникационных технологий В 1лаве 3 рассматриваются такие важнейшие комполен гы вы- числи гельных средств, как процессоры и оперативная память. Описываются структуры, классы и архитектуры процессоров, эволюция процессоров Intel, AMD, Cyrix, а также прочих прибо ров, обра >уюших ПК (набор микросхем системной платы — чип- сет). Далее описаны иерархия оперативной памяти, конкретные системы и реализация систем основной памяти, а также система команд реально! о режима процессоров i80x86 в рамках макроас- семблера. В четвертой главе значительное внимание уделяется интер- фейсам ПК. в гом числе внутренним интерфейсам, интерфейсам периферийных устройств, внешним интерфейсам и интерфейсам
6 Введение центральных процессоров. Рассмотрены также системы связи и мобильных вычислений, в том числе каналы передачи и теле- коммуникация, цифровые и мобильные системы свя зи, компью- терные сети (локальные, глобальные, беспроводные). В главе 5 осуществляется рассмотрение периферийных уст- ройств. Это — накопители массивов информации (внешние ЗУ), в том числе на магнитных лентах, ма> нитных дисках, сменных носителях, DVD. Рассмотрены устройства массового ввода-выво- да текстовой и графической информации — принтеры, сканеры, плоттеры, дигитайзеры, — а также средства интерактивною взаи- модействия, в том числе мониторы на основе ЭЛТ, плоскопа- нельные мониторы, сенсорные мониторы и манипуляторы. Зна- чительное внимание уделено вопросам обработки и представле- ния мультимедийной информации Настоящее учебное пособие базируется на материалах, на- копленных авторами в процессе практической, исследователь- ской, а также преподавательской (МИФИ. МИСИ. РГГУ, РЭА им Г. В. Плеханова, МФПА) деятельности. Авторы выражают благодарность рецензентам, а также коллегам, принявшим уча- стие в обсуждении материала, — А Г. Романенко (РГГУ), К. И Курбакову (ГЭА им Г. В. Плеханова), П Б. Храмцову (РНИЦ «Курчатовский институт»), а также студентам РГГУ МФПА. РЭА им. Г. В. Плеханова за предоставленные иллюстра- тивные материалы.
Глава 1 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ Вплоть до XVII в. деятельность общества в целом и каждого человека в отдельности была направлена на овладение вещест- вом, т. е. есть познание свойст в вещества и из! отопление сначала примитивных, а потом все более сложных орудий т руда, вплоть до механизмов и машин, позволяющих изготовля~ь потребитель- ские ценности Затем в процессе становления индустриального общее гва на первый план выш. ia проблема овладения энергией — сначала теп- ловой, затем электрической, наконец, атомной. Овладение энер- гией плзвотило освоить массовое производство потребительских ценностей и, как следствие, повысить уровень жизни людей и из- менить характер их труда. В то же время человечеству свойственна потребность выра- зи гь и запомнить информацию об окружающем мире — так по- явились письменность, книгопечатание, живопись, фотография, радио, телевидение. В истории развития цивилизации можно выделить несколько информационных революций — преобразо- вание общественных отношений из-за кардинальных изменений в сфере обработки информации информационных техноло1ий Следствием подобных преобразований явилось приобретение человеческим обществом нового качества Информа гика меняет всю систему общественного производ- ства и взаимодействия KVJibTvp. С наступлением информацион- ного общества начинается новый этап не только научно тех- нической, но социальной революции Меняется вся система информационных коммуникаций. Разрушение старых информа- ционных связей между отраслями экономики, направлениями
8 Ггави 1. Вычислительные приборы и устройства... научной деятельности, регионами, странами усилило экономи- ческий кризис конца века в странах, которые уделяли развит ию информатизации недостаточное внимание. Важнейшая задача общества — восстановить каналы коммуникации в новых эконо - мических и технологических условиях для обеспечения четкого взаимодействия всех направлений экономического, научно) о и социального развития как отдельных стран, так и в глобальном масштабе. Современный компьютер — это универсальное, многофт нк- пиональное электронное автоматическое устройство для работы с информацией. Компьютеры в современном общее гве взя пи на себя значительную часть работ, связанных с информацией. По историческим меркам компьютерные технологии обработки ин- формации еще очень молоды и находятся в самом начале своего развития. Компьютерные технологии сегодня преобразуют или вытесняют старые технологии обработки информации. 1.1. Вычислительные устройства и приборы, история вопроса Рассмотрим вначале табл. 1.1. в которой приведены краткие сведения об истории ра<вития вычислительных средств и мето- нов в лицах, событиях и объектах. Таблица 1.1 Основные события в истории развития вычислите.! >иых методов, приборов, автоматов и машин Лица организации, изделия ХРОНОЛОГИЯ г ПСДрОЬноСТИ Джон Непер (1550-1617) Шотландец Джон Непер в 16’4i опубликовал «Описание удиви- тельных таблиц логарифмов» Он обнаружил, что сумма логарифма чи- сел я и б равна логарифму произведения этих чисел. Поэтомя деист вие умножения сводилось к простои операции сложения Тачсе им ' оазработан инструмеш леремнижени" чисел - костяц-ки Непе- ра Он состоял из наборе сегментированных стерженькот которые можно было располагал) таким образом что, складывая числа, в при летающих дгтг к другу по гооизонтапи сегментах получали результат и» умножения. Таблицы Непера были позже «встроены» г удпбж»- уст- ройство ускоряющее процесс вычисления - логарифмиче- скую линейку (Р Биссакас конеи1б20г.)
1.1. Вычислительные устройства и приборы, история вопроса 9 Продолжение табл. 1.1 Лима, организации, изделия Вильгельм Шиккард (1592-1636) Блэз Паскаль (1623-1662) го’фрчд Вильгельм Лейбниц (1646 1716) Хриюлоп я и подробности Считалось, что первую механическую счетную машину изобре- великий французский математик и физик Б. Паскаль в 1642 г. Однако ; в 1957 г. Ф. Гаммер (ФРГ. директоо Кеплеровскогс научного центра] обнаружил доказательства создания Вильгельмом Шиккард >м механи I ческой вычислительной машины приблизительно за два десятм.>ети° до изобретении Паскаля Он назва"еечасы для счета Машина редназначалась для выпот юния четырех арифметичеси х действий и состояла из следующие час “я суч*« рукхдего \ грсис в м“ ки и иного уст тойства. mi н тзмс и га промежучтны> pfcop ra’Oe Суммирующее устройство состояло из зубчатых передач и представ пяло простейшую форму арифмометра Однако эту простую и эффективную схему пришлось гзобоеать заново, так как сведения о машине Шиккарда не стали всеобщим до- стоянием В 1642 г., когда Паска; ю было 19 лет, была изготовлена первая действующая модель суммирующей машины. Через несколько лет Блэз Паскаль создал механическую суммирующую машину («паскали- на»), которая позволяла складывать числа в десятичной снс еме с^ис пения. В этой машине цифры шестизнм'О'С числа задавалисо путем соответствующих поворотов дисков (колесиков) с цифровыми селе- ниями. результат операции можно было прочитать в шести окошках - по одному на каждую цифру Диск единиц был связан i диском десят- ков, диск десятков - с диском сотен и т д Другие операции выполня- лись с помощью довольно неудобной процедуры повторных сложений, и в этом заключался основной недостаток •*таска"ины». Изобретенный Машина □ Паскатн) Паскалем принцип связанных колес явился основой, на которой строи- лось большинство механических вычислительных устройств В 1672 г , находясь в Париже Лейбниц познан тмился с голланд- ским математиком и астрономом Христианом 1 юйгенсом Виты. как много вычислений приходится делать астроному, Лейбниц решип изо брести механическое устройство для расчет ю. В 1672 г он завершил создание механического калькулятора. Развис идеи Паскаля Лейбниц испол юр0" операцию сдвига для поразрядного умножения чисел Сложение производилось на нем по существу гак же. как и на «паска- лине», однако Лойбниц включил в конструкцию рв ТЖУЩуЮСя часть прообраз подвижной каретки будущих настольных калькуляторов] и цучку. с помощью которой можно было крутить гупенча’ое колесо ИЛИ - В последующих вариантах машины цилиндры паслоложен! ые внутри аппарата
10 Глава I Вычислительные приборы и устройства. Продолжение табл. 1.1 Хронология и подробности Развитие вычислительные устройств связано с появлением пер- форационных карт и их применением. Появление же перфо- карт связано с ткацким производством В 1804 г. инженер Жозеф-Ма- ри Жаккар (Жаккард построил полностью автоматизированный станок (станок Жаккара), способный воспроизводить сложнейшие узоры тка- ней. Работа станка программировалась с помощью колоды перфокарт, каждая из которых управляла одним ходом челнока. Переход к новому рисунку происходит заменой колоды пеофокарт Чарльз Бэббидж (1791-1871) Он обнаружил погрешности в таблицах логарифмов Непера, кото- рыми широко пользовались при вычислениях астрономы, математики, штурманы дальнего плавания. В 1821 г. приступил к разработке своей вычислительной машины, котооая помогла бы выполнить более точ- ные вычисления В 1822 г. была построена разнос гная маши- н а (пробная модель) способная рассчитывать и печатать большие математические таблицы. Это было очень сложное, большое устройст- во предназначенное для автоматического вычисления логарифмов. Работа модели основывалась на принципе известном в математике как «метод конечных разностей»: при вычислении многочленов ис- пользуется только операция сложения и не выполняется умножение и де.тение, которые значительно труднее поддаются автоматизации Он достроил миниатюоный вариант, а большая машина, которая рчспва- 1 лась его воображению, так и не была завершена. Части ее. вроде той, , что изображена здесь, хранятся в научном музее (Южный Кенсингтон) В последующем он пришел к идее создания более мощной маши- ны-аналитической Она не просто должна была решать мате матлческие задачи определенного типа, а выполнять разнообразные вычислительные операции в соответствии с инструкциями, задавае- мыми оператором. По замыслу это не что иное, как первый универ npoi раммируемый компьютер Аналитическая машина в сяо ем составе должна была иметь такие компоненты, как «мельница» (арифметическое устройство по современной терминологии) и «склад» (память) Инструкции (команды) вводились в аналитическую машину с перфокарт (использовалась идея программного управлени” Жаккара с помощью перфокарт) U ведский издатель, изобретатель и переводчик Пер Георг Шойц. воспользовавшись советами Бэббеджа Фрагмент разностной машины Ч. Бэббиджа । построил видоизмененный вариа^ этой машины 1855 г. машина Шойца была удостоена золотой медали на Всемирной выставке в Па реже. В дальнейшем один из принципов, лежащих в основе идеи ана- литической машины, - использование перфокарт - нашел воплоще- । ние в статистическом табуляторе, построенном американцем Геома- ном Холлеритом (для ускорения обработки результатов переписи | населения в сш* п <890»)
J. J. Вычислительные устройства и приборы, история вопроса 11 Продолча hup табл. 1.1 I Лица, организации, изделия Хронология и подробности Огаста Ада Байрон ^графиня Лавлейс) (1815-1852) Графиня Огаста Ада Лавлейс дочь поэта Байрона, совместно с Ч. Бэббиджем работа! а над созданием программ для его счетных ма- шин. Ее работы в этой области были опубликован я в 1843 г. Однако в т время считалось неприличным для женщины издавать свои сочине- ния под полным именем и Лавлейс поставила на титуле только -вой инициалы. В материалах Бэббиджа и комментариях Лавлейс намечены -акне понятия, как «подпрограмма» и «библиотека подпрограмм» «модифи- кация команд» и «индексный регистр», которые стали употребляться только в 50-х гг. XX в. Сам терми! «библиотека» был введен Бэббид- жем, а термины «рабочая я юйка* и «цикл- тредложила А Лав. «Можно с полным основанием сказать, что аналитическая машина точ- но так же плетет алгебраические узоры, как ткацкий станок Жаккара воспроизводит цветы и листья» - писала графин? Лавлейс. Она фак чески была первой прогоамми, -кой (в ее честь был назван язык программирования Ада) Джордж Буль (1815-1 364» Дж. Буль по праву считается отцом математической ло- ги к и. Егс им :нем назван раздел о и~м"'й матемап-ео ж логики - булева алгебра. В 1847 г. написал статью «Матемсп-чески, анализ логики*. В 1854 г Буль развил свои идеи в работе под названи- ем «Исследование законов мы, тления». Эти труды внесли революци- онные изменения в логиют как науху. Дж. Буль ввел своеобразную ал гебру - систему обозначений и правил применяемую к всевозмож ным объектам от чисел и букв до предложений Пользуясь этой системой, Буль мог закодировать высказывания (утеождения! с помо щыс своего языка, а затем манипут ировать им, подобно тому как в математике манипулируют обыч тыми числами Основные операции системы - И, ИЛИ и НЕ. ПаФнутиГ- Львович Чебышев (1821-1894) Им была разработана теория маши» и механизмов, написан ряд работ. посвящ“нныл синтезу шарнирных механизм ». Среди много- численных изобоетенных им механизмов имеется нескоськс моделей арифмометров первая из которых была сконструирована не озднее 1876 г Арифмометр Чебышева для того времени был одной нз самых оригинальных вычислительных машин В своих конструкциях Чебышев предложил принцип непрерывном передачи десятков и автоматически i гюреход каретки с разряда на разряд при умножении. Оба эти изобретения вошли в ш трокую прах тику в 30-е гг. XX в. в связи с применением электропривода и распро- < тоаие, ием полуавтоматических и автоматических клавишных вычис- лительных машин С появлением этих и других изобоетений стало воз- можно значительно увеличить скоро ть работы механически' счетных ус-пойств J----------------------------------------------------------------
12 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... Продолжение табл. I. / Лица, организации, изделия фонология и подробности Русский кораблестроитель механик, математик академик Ан СССР. В 1904 г. он предложил конструкцию машины для интегрирова необыкновенных дифференциальных уравнений. В 1912 г. такая машина была постооена. Это была первая интегрирую- щая машина не1 рерывного действе, позволяющая решать диффе ренциальные уравнения до четвертого порядка Алексей Николаевич Крылов (1863- 1945) Вильгодт геофи Однер (1845-1905) Герман Холлерит (1860-1929) Выходец из Швеции Вильгодт Тэофил Однер в 1869 т. приехал в Петербург Некоторое время он работал на заводе -Русский дизель» на Выборгской стороне, на котором в 1874 был изготовлен первый образец егоарифмометра Созданные на базе ступенчаты) вали-1 ков Лейбница первые серийные арифмометры имели большие разме- ры в первую очередь по-ому. что на каждый разояд нужно было выде- лять отдельный валит Сднер вместо ступенчаты) валиков применил более совершенные и компактные зубчатые колеса с меняющимся числом зубцов - колеса Однера. В 1890i Однер получав» па- тент на выпуск арифмометров и в этом же году было продано 500 арифм<>метооь (очень большое количество по тем временам) Ариф мометры в России назывались- «Арифмомето Однера». «Оригинал-Од- нпр- -Арифмометр сиг темы Однер» и др. После окончания Колумбийского университета поступает на рабо- ту в контору по пеоеписи населения в Вашингтоне. 8 это время при- । ступили к исключительно трудоемкой (длившейся семь с половиной I лет) ручной обработке данных, собранных в ходе переписи населения в 1880 г. К 1890 г. Холлерит завершил разработку системы табуляции на базе применения перфокарт (см рис. 1.4). На каждой карте имелось 12 рядов в каждом из которых можно было проб«’ь по 20 от । верстай, они соответствовали таким данным, как возраст, пол, место ' рождения, количество детей, семейное положение и прочим сведени- ям. включенным в вопросник переписи. Содержимое заполненны». I формуляров переносилось на касты путем соответствующего перфо- | рисования. Перфокарты загружались в специальные устиойства. со- единенные с табуляционной машиной, где они нанизыва- лись на ряды тонких игл. по одной иью на каждую из 240 перфорируе- мых позиций на карте. Когда игла попадала в отверстие, она замыкала, контакт в соответствующей электрической цепи машины. Впоследст-1 вин Холлерит организовал фирму «Сот iputer Tabulating Recording» (CTR). Молодой коммивояжер этой компании Том Уотсон первым уви- дел потенциал счетных машин на основе перфокарт. Позд|<ее он воз- главил компанию и в 1924 г. переименсва" ее в корпорацию •'nternational Business Machines» (>BMi
1.1. Вычислительные устройства и приборы, история вопроса 13 “Ihuo органйци и деьия Ванневар Буш (1890-1974) А анасофф Джг и Винсент (1903-1995) Говард Эйкен «Марк-1» Продолжение табл /. / Хронология и подробности В 1930 г. построил механическое вычислительное устройстве - дифференциальный анализатор. Это была машина на которой можно были реша ь сли*1диффереь л " >ные vf течения. Однако она обладала многими серьезными недостатками, прежде все- го гигантскими размерами Механический анализатор Буша представ- лял собой сложную систему валиков, шестеренок и приволок, соеди- ненных в серию больших блоков, которые занимали целую комнат, При постановке задачи машине оператор должен бы > вруч! ,х подби рать множество шестереночных передач На это уходило обычно 2-3 дня. Позднее В. Буш предложил прототип современного гипер- текста - проект МЕМЕХ (МЕМоту EXtention пасш .пенне .тамяти) как автоматизированное бюро, в котором человек хранил бы свои кни- ги, записи “обую i о |учаемую i м информацию Профессор физики, автор первого проекта цифровой вы- числительной машины на основе двоичной, а не десятичной •-чстемы счисления. Простота двоичной системы счисления в сонета-1 нии с простотой физического представления двух символов (0,11 вме сто десяти (0,1,.... 9) в электрических схемах компьютера перевеши | чла неудобства, связанные с необходимостью перевода из двоичной системы в десятичную и обратно. Кроме того, применение двоичной системы счисления способствовало уменьшению размет вычисли тельной машины, и снизило бы ее себестоимость Машина Атанасоф фа была практически готова в декабре 19411., но находилась в разе- боан юм веде. В связи с началом Вт трой мировой войны все рабс*ы го реализации этого проекта прекрати пись. Лишь в 1973 г. приоритет Ата насоффа. как автора первого проекта такой архитектуры вычислитель- ной машины был п утвержден решением Федеральной суда США В 1937 г. Г. Эйкенг т редтюжил проект большой счетной маш: но и искал людей согласных профинансировать эту идею Спонсором выступит Томас Уотсон, президент корпорации IBM: его вклад в проект к тавип ж- по 500 ihc згпаров'.U1A I юек 1И1Х в“нис юиОг маши ны -Марк 1», основанной на электромеханических реле, гтачалост в 1939 г в лабораториях нью-йоркского Фгпиала IBM и про- должалось до 1944 г Готовый компьютер содержа- около 750 тыс. де- талей и весил 35 т. Машина оперировала двоичными числами до 23 разрядов и перемножала два числа максимальной разояцносп* примерно за 4 с. Поскольку создание «Марк- 1» длило» достэ-очно , долго, пальма первенства досталась не ему, а релеи“ому двоичному компьютеох 23 Кон таца Цузе, построенному в 194' Стой- смети ь . что машина Z3 была значительно меньше машины Эйкеня и к тому же I дешевле в производстве
14 Глави 1. Вычислительные приборы и устройства... Продолжение табл. 1.1 Конрад Цузе (1910-1995) МашинаZ3 Хронология и подроСЮности В 1934 г., будучи студентом технического вуза (в Берлине), не имея ни малейшего представления о работах Ч Бэббиджа 1.. Цузе на- чал разрабатывать универсальную вычислительную машину во мно- гом подобную аналитической машине Бэббиджа. В 1938 г. он завер- шил постройку машины, занимавшую площадь 4 кв. м., названную Z1 (по-немецки его фамилия гише*ся как Zuse). Это была полнос’ыс электромеханическая программируемая цифро- вая машина. Она имела клавиатуру для ввода условий задач Ре- зультаты вычислений высвечивались на панели с множеством мадень ких лампочек Се восстановленная версия хранится в музее Verker und Technik в Берлине. Именно Z1 в Германии называют первым р мире компьютером. Позднее Цузе стал кодировать инструкции для машины, пробивая о’верстия в использованной 35-миллиметровой фотопленке. Машина работавшая с перфориоованной лентой получила название Z2 В ’941 г. Цузе построил программно-угравляемую машину, осно- ванную на двоичной системе счисления, - Z3. Эта машина по многим| своим характеристикам превосходила другие машины, построенные независимо и параллельно в иных странах В 1942 г Цузе совместно с' австрийским инженером-электриком Хельмутом LГрайером предложи- ли создать компьютер принципиально нового типа - на вакуумных1 электронных лампах. Говоря о потенциальных сферах применения бы-1 стродействующего компьютера. Цузе и Шрайер отмечали возмож- ность его использования для расшибровки закодированных сообще ний (такие разработки уже велись в различных странах) Алан Гьюринг (1912-1954) Английский математик дал математическое определение алгорит- ма через построение, названноемаш иной Тьюринга. Впериод Второй мировой войны немцы использовали аппарат «Enigma* для шифровки сообщений Без ключа и схемы коммутации (немцы их ме- няли три раза в день) расшифровать сообщение было невозможно С целью раскрытая секрета британская разведка собрала группу бле- стящих и несколько эксцентричных ученых. Среди них бы" математик Аган Тьюрин! В конце 1943 г. группа сумела построить мощную ма шину (вместо электромеханических реле в ней применялись около 2000 электронных вакуумных ламп). Машину назвали «Колос» Пере- хваченные сообщения кодировались наносились на перфоленту и вво дились в память машины. Лента вводилась посредством фО’ОЭлектри ческого считывающего устройства со скоростью 5000 символов в се кунду Машина имела пять таких считывающих устройств. В процессе поиска соответствия (расшифровки) машина сопоставляла зашифро- , ранчос сообщение с уже известными «одами «Enigma»
1.1. Вычислительные устрош тва и приборы, история вопроса 15 Продолжение та&.. 1.1 Лица, организации, изделия Джон Мочли (1907-1980) local ц Экерт (род. в 1919) Хронология и подробно! ги Первой ЭВМ считается машина ЭН 1Ах (ENIAC, Electronic Numeral Integrator and Cumoutei - электронный цифровой интегратор и выч1<слитегы. Ее агоры американские ученые Дж. Мочли и Пре- I спер Экерт работали над ней с 1943 по 1 М5 г. Машина была по I строена в Пенсильванском университете по заказу арти терийского управление армии США, предназначалась длг расчета траекториг по петое снарядов, и представляла собой сложнейшее для сере„ины XX в инженерное сооружение - длина более 30 м, объем 85 куб м. масса - 30 1 В ЭЬИАКе были использованы 18 тыс. электронных памп 1500 реле машина потребляла около 150 кВ Далее возникла идея создания машины спр01раммным обеспечением хранимым в памяти машины, «то изменило бы принципы организации вычислений и тодготовнлс почву для пояе 1ени° совре- менных языков программирования (Э,ДВАК - Электронный Автомат “еский Вычислитель с дискретными переменными EDVAC - Electronic Discret Variable Autocratic Compute'. Эта машина была создана в 1950 г. В более емкой внутренней памяти содержались как данные, гак и npoi хамма. Программы записывались электронным способом в спеоиал лых устройствах - линиях задержки. Е ЭДЗАК данные коди- ровались не в десятичной системе а в двоичной (сократилось количе-, с во используемых электронных ламп) Дж Мочли и П. Экер1 после создания своей собственной komwhi и задались цел яо создать уни- версальный комп ютер для широкого коммерческого применен ю - ЮНИВАК (UNIVAC, Universal Automatic Compe'e' универсальный ав- томатический вычислитель) Примерно за год до того, как первый ЮНИВАК вступил в эксплуатацию в Бюро переписи населения в США, партнеры оказались в тяжелом финансовом положении и вычуждень были продать свою компания фирме «Ремингтон Рэнд». Однакс ЭНИАК ЮНИВАК не стал первым коммерческим компьютером. Им сталс ма- шина ЛЕО (LEO - Lyons’ Electronic Office’, ксторая поменялась t Ahi лии для расчета зарпга*ы пабстникам чайных магазинов (фирма •Лайонс») В 1973 г. федеральный суд США признал и» авт >рс«ие права на изобретение этектрончогс цифрой компьютера недейст- вительными, а идеи - заимствованными у Дж. АтанаахЬф
16 Глава I. Вычислительные приборы и устройства... Предо • укение таСл 1 / Лица организации, изделия Хронология и подробности Дж"» фон Нейман (1903- 19571 Работая в группе Дж Мочли и Г. Экерта, фон Нейман т одготоьил отчет - «Предварительный доклад'.машине ЭДВАК* в котором обоб- щил планы работы над машиной. Это была первая работа по цифро- вым электронным компьютерам с которой познакомились определен- ные круги научной общественности (по соображениям секретности рв- оты в этой области не публиковались С этого момента комльютес был признан объектом, представлявшим научный интерес. В своем 0юзд° фон Нейман выделил и детально описал пять ключевых ком- понентов того, что ныне называют архитектуре й фен Ней- мана современного компьютера. В СССР независимо от фон Неймана были сформулиг в°чы бо- лее детальные и полные гринцигы построения элек- тронных цифровых вычислительных мац ИН (Сергей Алексеевич Лебедев) Сергей Алексеевич Лебедев (1902-1974) МЭСМ ЭВМ БХМ 6 В 1946 г С. А. Лебедев становится ди тестером института элек- тротехники и организует в его составе свою лабора-орию моделирова- ния и регулирования, с 1948 г. ориентированную на создание МЭСМ (Малая электронная счетная машина). МЭСМ была вначале задумана как модель (первая буква в аббревиатуре МЭСМ] Большой алестион- ной счетной машины 'БЭСМ) Однако ₽ процессе ее создания стала гевидне п т*е по боазпост х враш тя ее i мало ЭВМ. Из- та за- секреченности работ, проводимых в области вычислительной техники, соответствующих "убликацчй в открытой печати не было. Основы построения ЭВМ. разработанные С А. Лебедевым неза- висимо от Дж. фон Неймана, заключаются в следующем1 • в состав ЭВМ должны входить устройства арифметики памяти, ввода-вывода информации управления; • программа вычислений кодируется и хранит з в памят г подоб- но числам; • для кодирования чисел и команд следует использовать двоич- ную систему счис ления; • вычисления должны осуществляться автоматически на основе хранимой в памяти программы и операций над командами- • томимо арифм! и геских операций вводятся также логиче- ские сравнения, условного и безусловного переходов, коныонкция. дизъюнкция отрицание. • память строится по иеoafтхическг)му ппинпипу • для вычислений используются численные мет тды решения задач 25 декабря 1951 г. МЭСМ была тоинята ь экс—туатаиию Это была ‘.рва е СССР быстродей-.твчю я ч д.нная цифрезая мамина Под ovKCBOiCTBOM С. А Лебедева были созданы и внедрены в "ротг водствп еще две ламповые ЭВМ БЭСМ-2 и М-20. В *9Ы-г гг. были созданы полупроводниковые варианты М2<1 М-220 и М 222, а также БЭСМ-ЗМ и БЭСМ-4
1.1. Вычислительные устройства и приборы, история вопроса 17 Предо 1жение табл 1 / Лица организации. изделия АВМ Настольная АВМ МН-7 IBM/360 МН-8 первая в СССР прецизионная АВМ белый >й мощное и IBM Хронология и подробности АВМ - аналоговые вычислительные машины (40-70-е гг. XX ь.] или ВМ непрерывного действия, обрабатывают информацию, пред- ставленную в виде непрерывного ряда значений Если говорить об отечественных АВМ то в 1949-1950 п. были созданы первые АВМ, называемые интеграторами постоянного тока - ИГЛ 1 -ИП1 -5. Они предназначались для решения линейных диффе- ренциальных уравнений с постоянными и переменными коэффициен- тами. Разработанные в 1952-1953 гг., АВМ получают наименование •моделирующие установки постоянного тока» (МТТ). С 1S4 г. АВМ получают название «моделирующие установки нелинейные» (МН). В течение 1954-1959 гг. разраба*ываются следующие АВМ- МН-2, секционная АВМ для решения дифференциальных уравнений 6-го по- рядка. МН-7, настольная АВМ С-го порядка В 1 №3 г. появилась МН-16. предназначенная для моделирования ракет и ракетных систем. В 1365 г выпущены вычислительное устрой- ство для авиационных тренажеров «Счет-22» и АВМ «Деза» для расчет’ данных полей при лучевой терапии. В 1967-1968 гг. разработав «Се- раф 1» для исследования сетевых графиков и «трансграф-1» для мо- делирования транспортных задач Эквивалентное быстродействие АВМ достигало десятков Meta флопс (миллионов операций с плавающей запятой е секунду) т. р побы решать систем1 диффереи и1 л иых -.оаече)ий с тдобтой жо- ростъю, ЦВМ должны были обладать именно таким (.ыстродействием. до которого в те времена было ещ° очень далеко Невозможно " юпустить ключевой этап в развитин вычислитель- ных средств и ме’ОДОВ. связанный с деятельностью фирмы IBM. Исто- рически первая ЭВМ классической структуры и со тавэ - Computer Installation System/360 (фирменное наименование - Вычисли- тельная установка системы 360, в дальнейшем извест чая как просто IBM.(360), была выпущена в 1964 г и с последующими модифиь ичями (IBM/370. IBM/375) поставлялась вплоть дс ередин1. 80-х гг., когда под влиянием микроЭВМ (ПК) не начали постепенно сходить со сцены. ЭВМ данной серии послужили основой Д"я разра- бо-ки в СССР и < гоанах членах СЭВ так называемой Единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ) которые в течение нескольких десятилетий являтись основой отечественной комп ю»еризац ти. Машины включа пи следивши компоненты • центральный проце сор (32-разрядныи; с двухадресной систе- мой КОМяТЩ, • главную (оперативную] память (от 128 Кбайт до 2 Мбаа * • накопители на магнитных дисках (Н‘ИД, МД] с сменными паке тами дисков (например, IBM-2314 - 7,25 Мбайт ВМ 2311 . -У) M6a(iT| IBM 3330 100 Мбайт), д-адо^ (ые (иногда совмесп'мые) гянутых серий; Устроиу^а^н^и^ту| ил >в я Экономики и инфОрматики БИБЛИОТЕКА
18 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... Продолжение табл. 1.1 Лица организации, изд< пня Хронология и подробносги ЕС 1045 • накопители на магнитных лентах (НМЛ, МЛ) катушечного типа, ширина ленты 0,5 дюйма длина от 2400 футов (720 м) и менее (обыч- но 360 и 180 м) плотность записи ог 256 бай, на дюйм (обычная) и большая в 2-8 раз (повышенная). Соответственно рабочая емкость на- копителя определялась размером кагушки и пло ностьк записи и до- I стигала 160 Мбайт на бобину МЛ’ • устройства печати построчные печатающие устройства бара- банного типа, с фиксированным (обычна 64 или 128 знаков; набором символов, включающих прописную латиницу и кириллицу (либо про- писную и строчную латиницу) и стандартное мяожес’во служебных символов вывод информации осуществлялся на бумажную ленту ши- риной 42 или 21 см со скоростью до 20 строк/с; • терминальные устройства (видеотерминалы, а первоначально - электрические пишущие машинки), предназначенные для интерактив- ного взаимодействия с пользователем (IBM 3270. DEC VT-100 и пр.) подключаемые к си теме для выполнения функций управления вычис I лительным процессом (консоль опера’ора - 1 -2 шт. на ЭВМ) и инте рактичнои отладки программ и обработки данных (терминал пользова- теля - от 4 до 64 шт. на ЭВМ) 1974 г. Фирма Intel разработала первый универсальный 8-разряд- ный микропроцессор 8080 с 4500 транзисторами. Эдвард Роберт „ молодой офицер ВВС США, инженер-электронщи» построит на базе процессора 8080 микрокомпьютер Альтаир, имевший огромный ком- мерческий успех, продававшийся по почте и широко использовавший- ся для домашнего применения. В 19751 молодой программист Поп Аллен и студент Гарвардско- го университета Билл Гейтс реализовали для Альтаира язы» Бейсик Впоследствии они основали фирму Майкрософт (Microsoft) Билл Гейтс и Поп Аллен
1.1. Вычислительные устройства и приборы, ucnv рия вопроса 19 Теоретической основой организации и функционироваг ия вычис [ительных машин и систем являются следующие дисцип- лины. • элементы теории информации — измерение ко- личества информации, пропускная способность каналов. «си1 нал—шум», децибелы, кодирование и сжатие—во< ста- новление информации; • элементы теории чисел и вычислительной математики — системы счисления, представление чи- сел в ра 1ЛИЧНЫХ системах, операции над числами точное гь представлений и ре эулэ тагов операций; • элементы м атс мати ч ес ко й л о г и ки —логические выражения и переменные, операции над ними, эквиватент- ныс преобразования выражений, схемные элементы, узлы и переключательные схемы ЭВМ. базирт ющиеся на подобных иреобра юваниях: элементы т р-опчнв Н» в .(gпгорифмоъ, по- научному») — циклТйЧЬбйЛеИввветмгящиес я, итерационные экономики и информатики БИБЛИОТЕКА
20 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... процессы, их свойства (эффективная вычислимость), зави- симость точности вычислений от их длительности и пр.; • другие разделы прикладной математи к и, в ча- стности — теория графов, топологические преобразования конфигураций сетей и пр. О тевидно, что мы не можем в О1раниченных рамках данного учебного пособия подробно осветить указанные вопросы, одна- ко далее мы приводим крат кое изложение основных положений некоторых из этих дисциплин. 1.2. Информация, кодирование, обработка в ЭВМ Понятие «информация» является таким же фундаменталь- ным, как понятия «материя», «энер1 ия» и другие философские категории. Это атрибут, свойство сложных систем, связанное с их развитием и самоорганизацией [24, 25] Известно большое ко- личество различных определений информации, отличие инфор- мации от данных, знаний и пр Мы здесь ограничимся только рассмотрением некоторых практически важных понятий и опре делений. Определение и классификация информации В настоящее время наука пытается найти общие свойства и закономерности, присущие многогранному понятию информа- ция, но пока это понятие во многом остается интуитивным и получает различные смысловые наполнения в различных отрас- пях человеческой деятельное ги. Информация может классифицироваться, например, по сте- дующим основаниям: • признаки, отражающие структуру данных и форму пред- ставления информации (табл. 1.2); • содержание предметной области применения. Исторически первой технологической формой получения, передачи, хранения информации являлось аналоговое (непрерыв- ное) представление звукового, оптического, электрического или другою сигнала (сообщения). Магнитная аудио- и видеозапись, фотографирование, запись на шеллачные или виниловые грам
1.2. Информация, кодирование, обработка в ЭВМ 21 Таблица 1.2. Некоторые классы инфе рмации (по струн пре и ферме ' Основание | для классификац >и Классы информации По уровням сложности Сигнал Сообщение^ документ Информационный массив МнфСрШДИ энный ресурс . По типу сигнала 1 Аналоговая (непреоывная) Цифровая (дискретная] । По уровням доступа 1 и организации Данные в регистре вой памяти Данные в опера- тивной памяти Файлы данных на внешних устройствах Базы данных По способам кодирова- ния и представления (данные, файлы и БД) Цифровая (вычисли- тельные данные, двоичные) Символьная (ал- феви но цифро- вая, строчная) Гоафиче* пая f По организации д ан iux 1 (файлы и БД) Табличная Текстовая 1 рафi“e '’я пластинки, проводное и радиовещание — основные способы хранения и передачи информации в аналоговой форме (рис. 1.1). Заметим, что с начала 50-х гг. (а во многом и сейчас) под терми- ном теория инфор мании подра зумевал ись георс гичсские методы, связанные с обеспечением как можно более точного 11рисма. пе- редачи, иписи, воспроизведения, преобразования непрерывных сигналов (основные понятия — линейность, нелинейность, шум, спектр сигнала, полоса пропускания и пр.). Более чем 50-летнее развитие теории и практики ЭВМ при- водит к вытеснению (в том числе и на бытовом уровне) аналоге - вых устройств и сигналов цифровыми. Аналого-цифровое (дискретное) преобразование — АЦП (analog-to-digital conversion — ADC) заключается в формирова Рис. 1.1. Аналоговый сигнал и его дискретная (цифровая) аппрок< имания (оцифротк»)
22 Глава I. Вычислительные приборы и устройства... нии последовате тьностей «-разрядных двоичных слов, представ- ляющих с заданной точностью аналоговые сигналы. Наиболее популярным примером несомненно, является ау- диокомпакт-диск (digital audio CDV В этом случае звуковой сиг- нал (см. рис. 1.1) сначала преобразуется в дискретную аппрокси- мацию («многоуровневый ступенчатый сигнал»), при этом вна- чале происходит квантование во времени, которое заключается в измерении в дискретные промежутки времени необходимого па- раметра аналогового сигнала. Затем осуществляется квантование по амплитуде сигнала При квантовании аналогового сигнала происходит округление его мгновенных значений до некоторой заданной фиксирован- ной величины, называемой уровнем. Расстояние между соседни- ми уровнями именуется шагом. Из-за округления квантование всегда связано с определенным искажением сигнала. Уменьше- ние искажения требует увеличения числа сровнен квантования и уменьшения шага квантования. Наименьшее изменение анало- гового сигнала, которое регистрируется у_т ройство.м осу шее гв- ляюшим преобразование, называется разрешением При квантовании по амплитуде каждая ступенька представ- ляется последовательностью бинарных двуху ровневых цифровых сигналов. Принят ый в настоящее время стандарт CD использует так называемый «16-разрядный звук с частотой сканирования 44 кГц». Для рис. 1.1 в переводе на нормальный язык это озна- чает. что «длина ступеньки» (г) равна 1 '44 Ги0 с, а «высота сту- пеньки» (5) составляет 1/65 536 максимальной громкости сигна- ла (поскольку 216 = 65 536). При этом частотный диапазон вое - произведения составляет 0—22 кГц, а динамический диапазон — 96 дБ (что составляет совершенно недос гижимую для магнитной или механической звукозаписи характеристику качества). Аналого-дискретные преобразователи чаще всего изютавли- ваются в виде интегральных схем В необходимых случаях осуще- ствляется обратное —дискретно-аналоговое ил г, ци ^роанатого вое преобразование — ЦАП (digit?l-to-analog conversion - DAC). Дискретный (цифровой) сигнал имеет конечное < >бь чне не- большое, число значений (два либо гри). В цифровых системах используются двоичные сигналы (рис. 1.2, а) имеющие значения (+), (-). Вместе с тем при пере даче данных в большинстве случаев применяются троичные сиг- наты (рис. 1 2Г б) со значениями (+). (0). (-). Здесь «единица»
1.2. Информация, кодирование, обработка в ЭВМ 23 Рис. 1.2. Примеры последовательных дискретных сигналов: а — двоичный; б — троичный; в — элементы импульсного сш нала представляется отсутствием потенциала в канале, тогда как «нуль» характеризуется положительным либо отрицательным импульсом. При этом полярность импульсов, представляющих «нули», должна чередоваться, т. е. за положительным (+) им- пульсом должен следовать отрицательный (-) и наоборот. В фор- ме троичного сигнала осу шесть тяется не только кодирование передаваемых данных, но также обеспечивается синхронизация работы канала и проверка целостности данных. Реальный импульсный сигнал (рис. 1.2, <?) характеризуется амплитудой Un, длительностью импульсов передним фрон- том /ф|, задним фронтом /ф; и периодом Т Отношение длитель- ности периода Т к длительности импульсов /, называется ск важностью. Дискретные си1 налы по сравнению с аналоговыми имеют ряд важных преимуществ: помехоустойчивость, легкость восста новления формы, простота аппаратуры передачи Измерение количества информации Термин «информация» имеет корень «form» (форма! чтс ра зумно т] 1актовагь как «информирование — придание формы, вы вод из состояния неопределенности, бесформенности», поэтому
24 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... логично подходить к определению понятия «количество инфор- мации». исходя из того, что информацию, содержащуюся в со- общении, можно трактовать в смысле ее новизны или, иначе, уменьшения неопределенности знаний «приемника информа- ции» об объекте. Американский инженер Р Хартли в 1928 г. рассматривал процесс получения информации как выбор одного сообщения из конечного заданного множества из Л равновероятных сообще- ний, а количество информации /, содержащееся в выбранном сообщении, определял как двоичный логарифм /V: /=log2A. Американский ученый К Шеннон предложил в 1948 г. более общую формулу определения количества информации, учиты- вающую возможную неодинаковую вероятность сообщений в наборе: Л' / = -(pjogjp, + p2log2p2 + ... + Avlog2Av) = -EA los? A’ где P' — вероятность того, что именно z-e сообщение выделено в наборе из N сообщений. Очевидно, что если вероятности ...... равны, то каждая из них равна —, и формула Шеннона превращается в формулу N Хартли. В качестве единицы информации Клод Шеннон предложил принять один бит (от англ, bit — binary digit — двоичная цифра). В вычислительной технике битом называют наименьшую «порцию» памяти компьютера, необходимую для хранения одно- го из двух знаков 0 и 1, используемых для машинного представ- ления данных и команд. Поскольку бит — слишком мелкая единица измерения, на практике чаще применяется более крупная единица — байт, рав- ная восьми битам В частности, восемь бит требуется для того, чтобы закодировать любой из 256 символов основного компью- терного кода ASCII (256 = 2s). Используются также более крупные производные единицы информации ки. юбайт (Кбайт) = 1024 байт = 2К байт; мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = 2? байт; гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт - 2™ байт.
1.2. Информация, кодирование, обработка в ЭВМ 25 В последнее время в связи с увеличением обьемов обрабаты- ваемой информации входят в употребление такие производные единицы, как: терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 2'10 байт; петабайт (Пбайт) ,= 1024 Тбайт = 250 байт; экзобайт - 1018 Мбайт и пр. Для описания скорости передачи данных можно использовать термин бод Число бод равно количеству значащих изменений сигнала (потенциала, фазы, частоты), происходящих в секунду. Первоначально бод использовался в телеграфии. Для двоичных сигналов нередко принимают, что бод равен биту в секунду, на- пример 1200 бод = 1200 бит/с. Однако единого мнения о правиль- ности использования этого термина нет, особенно при высоких скоростях, где число бит в секунду не совпадает с числом бод. Кодирование символьной информации Код (code) — совокупность знаков, символов и правил пред- ставления информации. Рассмотрим методы дискретного пред- ставления информации, или кодирования (которые, надо ска- зать, появились задолго до вычислительных машин) Первым широко известным примером является азбука Морзе (табл 1 3), в которой буквы латиницы (или кириллицы) и цифры кодиру- ются сочетаниями из «т®ек» и «тире». Воспользуемся данным кодом для иллюстрации основных понятий, связанных с коди- рованием (не вдаваясь в теорию кодирования). Таблица 1.5. Фрагменты кода Морзе Символ входного алфавита Мнемончче® ко» обозначение по МСС Кодова» (знаковая) комбинация А alfa - В Ьгач> С Charlie 0 del*a Е echo Y vankee ... Z zulu 1 one . 9 nine —. * Международный Свод Сигналов.
26 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства— Кодируемые (обозначаемые) элементы входного ал- фавита обычно называют символам и Символом (служит условным знаком какого-нибудь понятия, явления), как правило, является цифра, буква, знак пунктуации или иероглиф естественного языка, знак препинания, знак про- бела, специальный знак, символ операции. Кроме этого, учиты- ваются управляющие («непечатные») символы. Кодирующие (обозначающие) элементы выходного алфавита называются знаками; количество различных знаков в выходном алфавите назовем значностью (-арностью, -ичностью, например — «бинарный» или «двоичный» код); количество зна- ков в кодирующей последовательности для одного символа — разрядностью кода. Пространственно-временное расположение знаков кода приводит к понятиям параллельных или последова- тельных кодов. При последовательном коде каждый временной такт предназначен для отображения одного разряда слова. Здесь все разряды слова фиксируются по очереди одним и тем же элементом и проходят через одну и ту же линию переда- чи (например, радио- или оптические сигналы либо передача данных по двум проводам, двухжильному кабелю) При параллельном коде все знаки символа представ- ляются в одном временном такте, каждый знак проходит через отдельную линию (например, по четырем проводам, четырсх- жильному кабелю), образуя символ (г. е. символ передается в один прием, в один момент времени) Для последовательного кода характерно временное раз- деление каналов при передаче информации, для параллельно- го — пространственное В зависимости от применяемого кода различаются устройства параллельного и последова гельного действия Применительно к азбуке Морзе (AM)- • символами являются элементы языкового алфавита (буквы A—Z или А—Я) и цифровой алфавит (здесь — цифры 0-9); • знаками являются «точка» и «тирс» (или «+» и «-» либо «1» и «0». короче — два пюбых разных знака); • поскольку знаков два, AM является двузначным (бинарным, двоичным) кодом, если бы их было три. то мы имели бы дело с троичным, тернарным, трехзначным кодом;
1.2. Информация, кодирование, обработка в ЭВМ 27 • поскольку число знаков в AM колеблется oi I (буквы Е, Т) до 5 (цифры), здесь имеет мес го код с переменной разрядно- стью (в AM часто встречающиеся в тексте символы обо- значены более короткими кодовыми комбинациями, неже- ли редкие символы); • поскольку знаки передаются последовательно (электриче- ские импульсы, звуковые или оптические си1налы разной длины, соответствующие «точкам» и «тире»). AM есть по- следовательный код (можно представить себе некоторое таб- ло, на котором вспыхивали бы сочетания лампочек, обра- зующих точки и тире, одноврсмс нно представляющие пере- даваемый символ, но авторам не приходилось слышать о подобных приспособлениях). Первые опыты телорафной и радиосвязи осуществ ялись именно посредством AM, причем приемное устройство записыв а- ло импульсы переменной длины в виде «точек» и «тире» на дви- ж} щуюся телеграфную ленту, однако уже в начале XX в. был осу- ществлен переход на 5-разрядный (5-битовый) телеграфный код. В табл. 1.4—1.6 приводится описание наиболее распрест а- ненных кодов, некоторые из них использовались первоначаль- но для связи, кодирования данных, а затем для представления инфопмации в ЭВМ: • код Бодо — 5-разрядный код, бывший в прошлом европей- ским стандартом для телеграфной связи (друюе назва- ние — IA-1 — international alphabet #В, Таблииа 1.4 Некоторые кодовые таблицы Чгименоаагме кодовой страницы ‘Code Page) Интерпретация кодовой страницы Latin-1 Международный стандарт (ISO-8859-1) для интерпретации 2 и половины (128-256) кода ASCII, таблииа предназначена для латиницы lath-8 Международный стандарт (ISO 8859-8, для ивоита Latin-C Международный стандарт (ISO-8850) д'™ кирилли ты CP-437 Стандарт IBM для интерпретации 2-й половины (’ 28- 256' 'ода ASCII таблииа предназначена для греческого апФавпа CP 850 Сташаот IPM для восточноевропейских алфавитов CP-852 Стандарт IRM ДЛЯ греческого алфавита CP-862 Стандарт 'V для иврита CP-866 Стандарт IBM для русской кирил >ицы
28 Глава 1 Вычислительные приборы и устройства... • М-2 (российское обозначение) или IA-2 (между- народное обозначение) — телеграфный код, пред- ложенный Международным Комитетом по телефонии и те- леграфии (МККТТ) и заменивший код Бодо (табл. 1.5); Таблица 1.5. Разрядность некоторых наиболее известных кодов Код Разрядность (А-2(М2, МККТТ-2) 5 Baudot (Бодо) 5 ISO-7 (1А-5, ASCII-7, USASCII, ANSI Х3.4) 7 EBCDIC 8 ASCII-8 Б ' Hollerith (Перфокарты Холлерита) 12 • ASCII (American Standard Code for Infor- mation Interchange) — стандартный 7-битовый код для передачи данных, поддерживает 128 символов, вклю- чающих прописные и строчные символы латиницы, циф- ры, специальные значки и управляющие символы. Этот код, к которому были добавлены некоторые национальные символы (10 бинарных комбинаций), был принят Между- народной организацией по стандартизации (ISO) как стан- дарт 1SO-7; • EBCDIC (Expanded Binary Coded Decimal Information Code) — 8-разрядный код, предложенный фирмой IBM для машин серий IBM/360-375 (внутреннее представление данных в памяти), а затем распространив- шийся и на системы других производителей; • ASC 11 - 8 — 8-разрядный код, принятый для внутреннего и внешнего представления данных в вычислительных сис- темах. Включает стандартную часть (128 символов) и на- циональную (128 символов). Соответственно, в зависимо- сти от национальной части, кодовые таблицы различаются (табл. 1.6); • код Холлерита, предложенный для ПК (1913 г.), затем использовавшийся для кодирования информации перед вводом в ЭВМ с перфокарт (рис. 1.3), • UNICODE (UNIversal CODE — стандарт 16-разрядного кодирования символов) разработан техническим комите-
1.2. Информация, кодирование, обработка в ЭВМ 29 Таблица 1.6. Фрагменты некоторых кодовых таблиц (указаны 16-ричные коды символов) Символ IA-2 Бодо ISO-7 EBCDIC ASCII 8 Холтери А 03 10 41 С1 А1 В 19 06 42 С2 А2 880 С ОЕ 16 43 СЗ АЗ 840 0 09 1Е 44 С4 А4 820 а 61 81 Е1 ь 62 С2 Е2 с 63 83 ЕЗ d 64 84 Е4 . [точка1 1С 05 2Е 4В 4Е 842 . (запятая) ОС 09 2С 68 4С 242 двоекз«) 1Е ЗВ 5Е 5В 40А ?(вопрос) 10 0D 3F 6Т 5F 206 FII । । II - IV . -- «А. ' I я JC Я 5» -» к я ж е С U В • 5* 51 И И И < »ИИ В В » I Л " I I I I-ooe»it«e»r!9ecsec и seis scieitee с "seTcitatti'Ol се иго (4S45et!i 111 n|ti t|i ;|i i|< iji ill! ии п 1 и; s in 11 in in иш; n I нч и 111 ши н 11111111 - I S з11з|»1изапзз1зззззз|ззагзз;-,зг»зззззгззззззэзз5333зрззззззззз $ |И14Ч я UH <<1U41<H<I<<H1I << - * $;sHsi53S!,iH|*3isss435J:.i4itS3JJS5J65SH3355S i.'siif'ssisas И g ? l4»BJW.iSyU«t^U!5eGM5bW4S4MKSI£45H«S»$«M'i'«fir.J»SiSSeSS‘S»«k*S-MtfWS Я £ >565 EU>* | «1 < i * « *} w u й л <|.л з а я a » r 53 < q <• a ч a '4 * a js u u u cs - и у w •>! * I I Рис. 1.3. Перфокарта Хслчсрита том, в который вошли представители ряда йелугййх фирм. Он определяет коды, обеспечивающие идентификацию различных символов — букв, иероглифов, цифр и т. д. Код может использоваться вмес го 7- 8 битовых, в том числе и ASCII Поскольку в 16-разрядном UNICODE можно за- кодировать 65 536 символов вместо 128 в ASCII, то отпада- ет необходимость в создании модификаций таблиц кодов. Это сх'щесгвснно упрощает обработку текстовых файлов, хотя и нескоиькп увеличивает их размеры.
30 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... UNICODE охватывает 28 000 букв, знаков, слогов, иерогли- фов национальных языков мира, около 25 000 мест в UNICODE зарезервировано. Использование этого резерва дает возможность пользователям вводить математические или технические симво- лы, а также создавать свои собственные символы. Единая стандартизация языковых формат ов наводит порядок в международном кодировании алфавитов различных языков. Здесь учтено также то, что в таких языках, как иврит и арабский, текст пишется справа налево. При передаче данных часто используются избыточные коды, т. е. такие, которые за счет усложнения структуры позволяют повысить надежность передачи данных. К ним, в первую оче- редь, относятся коды с обнаружением ошибок. Чаще всего это циклические избыточные коды. Простая разновидность такого кода — код с контролем по четности Шиооко используется для обнаружения ошибок в блоках данных также код контро тя цик- лической избыточности (CRC) Он определяется на основе со- держимого блока данных перед его передачей, вклю чается в одно и з полей блока, а затем повторно вычисляется после пере- дачи. Несовпадение результатов свидетельствует об ошибке в пе- редаваемом содержимом. Важное значение имеют коды с исправлением ошибок. Ис- пользование этих кодов позволяет с большой вероятностью не только обнаруживать, но и исправлять возникшие при передаче ошибки (код Хсмминга, позволяющий исправлять одиночные ошибки, появляющиеся в блоках данных) Кодирование и обработка чисел Кроме кодирования символов, в ЭВМ очевидную важность имеют кодирование и представление чисел. Системы счисления. Мы привыкли считать предметы десят- ками, сотнями: десять единиц образуют десяток, десять десят- ков — сотню, десять сотен — тысячу и т. д. Это — десятичная система счисления, которая не является единственно возмож- ной. Существуют, например, двенадпа геричная система счисле- ния (счет идет на дюжины) или римская система счисления Наиболее естественный способ представления числа в ком- пьютерной системе заключается в использовании строки битов называемой двоичным числом — числом в двоичной системе
1.2. Информация, кодирование, обработка в ЭВМ 31 счисления (символ также может быть представлен строкой би- тов, или символа). Система счисления — способ именования и изображения чисел с помощью символов, имеющих определенные количест- венные значения. В зависимости от способа изображения чисел системы счисления делятся на: • непозиционные; • позиционные. Непозиционные системы счисления. В этом случае цифры не меняют своего количественного значения при изменении их расположения в числе. Самый простой и очевидный пример — система счисления, где количество обозначается I (палочкой/единицей): 1 = 1; 2 = 11, 5 = 1 I I I I; 10 = I I I I I I I I I I Пусть далее следующие символы (цифры в гипотетической системе счисления) соответствуют числам (в десятичной системе счисления): П - 1; £= -6; —12; - 24; Гф — 60; St - 365, и пуст ь ест ь правило, по которому число можно записать любой комбинацией таких символов, чтобы сумма обозначаемых ими чисел была равна заданному числу. Тогда 444 можно записать по крайней мере двумя способами: (365 + 60+ 12 + 6 + 1); =0=11 (6+ 1 + 365 + 60+ 12), т. е. Такая система счисления является непозиционной, так как цифры не меняют своего количественного значения при измене- нии их расположения в числе. Позиционные системы счисления. Здесь количественное значе- ние каждой цифры зависит от ее размещения (позиции) в числе.
32 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... Десятичная система счисления является позиционной, так как значение каждой цифры зависит от ее места (позиции) в числе. Например: 23 = 2 х 10+3; 32 = Зх 10+2 и 23 * 32. Римская система счисления является смешанной, так как значение каждой цифры частично зависит от ее места (позиции) в числе. Так, в числах VII, VI , IV — V обозначает 5. а I обозна- чает 1. Но, с другой стороны, важно, как цифры расположены относительно ьруг друга: VII = 5 + 1 + 1 = 7; VI = 5 ч 1 = 6; IV = 5-1=4. Основание системы счисления — количество (Р) различных цифр, используемых для- изображения числа в позиционной сис- теме счисления. Значения цифр лежат в пределах от 0 до Р- 1. В общем случае запись любого числа N в системе счисления с основанием Р будет предс гавля гь собой ряд ( mhoi очлен) вида: N = ат_, х Рт-' + ат_2 х Р' -2 + ... + ак > Р= + ... ... + а, х Р1 + а0 х Р1' + ... + с., х Р + а 2 > Р"1 + ... + a_s х Р\ (1.1) Нижние индексы определяют местоположение цифры в чис- ле (разряд): • положительные значения индексов — для целой час ?и чис- ла (т разрядов); • отрицательные значения — для дробной (л разрядов). Максимальное целое число, которое может быть представ те- но в т разрядах: Минимальное значащее, пе равное 0 число, которое м^жне записать в 5 разрядах дробной части: Имея в целой части числа т разрядов, а в дробной — s, мол - но записать Р” +s разных чисел.
1.2. Информация, кодирование ""работка в ЭВМ 33 Двоичная система счисления имеет основание Р- 2 и исполь- зует для представления информации две цифры — 0 и 1. Существуют правила перевода чисел из одной системы счис- ления в другую, основанные, в том числе, и на выражении (1.1). Например, двоичное число 101110,101 равно десятичному числу 46,625: 101110,1012 - 1 х2' + 0х24+ 1 х23+ 1 х2’+ 1 х2‘ч 0x2" + + 1 X 2 1 + 0х2’2 + 1 х 2~3= 46,625|П. Практически перевод из двоичной системы в десятичною можно легко выполнить, надписав над каждым разрядом соот- ветствующий ему вес и сложив затем произведения значений со ответствующих цифр на их веса. Например, двоичное число С10000Э.2 равно 65 )0. Действи- тельно, 64 • 1 + 1 • 1 = 65. Вес 128 64 32 16 8 4 2 1 Цифра 0 1 0 0 0 0 0 1 Таким образом, для перевода числа из позиционной системы счисления с любым основанием в десятичную систему счисле- ния можно воспользоваться выражением (1.1). Обратный перевод из десятичной системы счисле ния в сис- тему счисления с другим основанием непосредственно по (1.1) затруднигелеи, поскольку все арифметические действия, преду смотренные этой формулой, следует выполнять в той системе счисления, в которую число переводи гея. Обра гный перевод вы- полняется значительно проще, если предварительно преобразо- вать отдельно целую и дробную части выражения (1.1) к виду -(ат-1 ; Р- ат 2) X Р+ ... + д2) X Р- щ) х Р- «0; Nlip Р 1 х (й-1 + Р 1 х (а-2 + Р 1 х (л-з + ... + Р 1 х (a_s+ j + Р 1 х а. s)...))) Алгоритм перевода числа из десятичной системы счисления в систему счисления с основанием Р. основанный на этих вы ра жениях, позволяет оперировать числами в той системе счисле - 1 [ия из которой число переводится, и может бьгъ сформулирс ван еде [ующим обря юм
J4 Глава l. Вычислительные приборы и устройства... При переводе смешанного числа следует переводить его це- лую и дробную част и отдельно. 1. Для перевода целой части числа ее, а затем целые части получающихся частных от деления следует последовательно де- лить на основание Р до тех пор, пока очередная целая часть ча- стного нс окажется равной 0. Остатки от деления, записанные последовательно справа налево, образуют целую часть числа в системе счисления с основанием Р. 2. Для перевода дробной части числа ее, а затем дробные части получающихся произведений следует последовательно ум- ножать на основание Р до тех пор, пока очередная дробная часть произведения не окажется равной 0 или не будет достигнута нужная точность дроби. Целые части произведений, записанные после запятой последовательно слева направо, образуют дроб- ную часть числа в системе счисления с основанием Р. Пусть требуется перевести смешанное число из десятичной в двоичную систему счисления на примере числа 46,625. 1 Переводим целую часть числа: 46 : 2 = 23 (остаток 0): 23 : 2 = 11 (остаток 1); 11 : 2 = 5 (остаток 1); 5:2 = 2 (остаток 1); 2:2=1 (остаток 0); 1:2 = 0 (остаток 1). Записываем остатки последовательно справа налево — 101110, т. е. 4610= 101110,. 2 Переводим дробную часть числа: 0,625x2 = 1,250; 0.250 х 2 = 0,500; 0,500 х 2 = 1,000 (дробная часть равна 0 => стоп). Записываем целые части получающихся произведений после запятой последовательно слева направо — 0,101, т е. 0,62510= 0,1012. Окончательно: 46,62510- 101110,1012. Кроме двоичной и десятичной при работе с компьютером часто используются также двоично-десятичная и шестнадцате- ричная системы счисления (табл. 1.7).
1.2. Информация, кодирование, обработка в ЭВМ 3 5 Таблица 1.7 Перевод цифр из двоичной системы счисления в восьмерична ю и десятичную и наоборот Триада Восьмеричная цифра Тетрада Шестнашатеоичн' < цифра Десятичное число Двоичнс-десятичная запись ООО ’ 0 0000 0 0 0000-0000 001 I 0001 1 1 0000-001* 010 2 0010 2 2 0000-0010 011 3 0011 3 3 0000- 0011 ТОО 4 0100 4 3 0000-0100 101 110 5 0101 5 5 ГООО-ОЮ1 6 0110 6 6 0000-0' 10 111 7 0111 7 7 0000- 0111 1000 8 8 0000-1000 1001 9 9 0000-1J01 1010 А 10 L001-0000 1011 В 11 0001 -0001 1100 С 12 0001 -0010 1101 ' D 13 0001-0011 1110 Е 14 0001 -0100 1111 F 15 0001 -01С1 Шестнадцатеричная система счисления часто используется при программировании. Перевод чисел из шестнадцатеричной системы счисления в двоичную весьма прост — он выполняется поразрядно. Для изображения цифр, бопьших 9, в шестнадцатеричной системе счисления применяются буквы А=10, в=11, с = 12, D = 13, Е =14, F = 1 5. Например, шестнадцатеричное число F17B в двоичной сис- теме вьплядит так: 11 110001011 1 1011, а в десятичной — 61819. Двоично-десятичная система счисления получила большое распространение в современных компьютерах ввиду легкости перевода в десятичную систему и обратно. Она используется
36 Глава i. Вычислительные приборы и устройства... там, где основное внимание уделяется не простоте технического построения машины, а удобству рзбо ы пользователя. В этой системе счисления все десятичные цифры отдельно кодируются четырьмя двоичными цифрами и в таком виде записываются по- следовательно друг за другом. Двоично-десятичная сисема не экономична с точки зрения реализации техническою построения машины (примерно на 20 % увеличивается требуемое оборудование). но очень удобна при но troTOBKc зада^ и при программировании. Представление чисел в ЭВМ Как известно, в ЭВМ применяется двоичная система счисле- ния. Может быть доказано, что при этом на схлгроение ЭВМ тратится наименьшее количество базовых аппаратных элемен- тов — «вентилей» На самом деле. оптимальным основанием системы счисления по критерию «минимум аппаратных расхо- дов» является основание натурального логарифма Р-е* 2.72. Однако по ряду очевидных причин для ВМ принято Р-2 Достаточно вспомнигь, что одна из первых электронных ВМ ENIAC содержала 17 468 электронных ламп, имела размеры око- ло 6 м в высоту и 26 м в длину Обилие применяемых вакуумных ламп, габаритыс размеры машины отчасти объяснялись тем, что она работала с дсся1ичными числами. В ЭВМ прг меняются две формы представления чисел. • естественная форма, или форма с фиксированной запятой (точкой) - ФЗ (Ф1); • нормальная форма или форма с плавающей запятой (точ- кой) - ИЗ (ПТ) Фиксированная запятая (течка). В форме представления с фиксированной запятой (точкой) числа изображакнея в виде по- следовательности цифр с постоянным для всех чисел положени- ем запятой, отделяющей целую час гь от дробной. Например, пусть числа представлены в дсся)иннои системе счисления и имеют пять разрядов в целой части числа (до запя- той) и пять — в дробной части (после запятой) Числа, записан- ныс в такую разрядную сетку. имею! вил +00721 35500; +00000 00328, -10391.20260.
1.2. Информация, кодирование, обработка в ЭВМ 37 Эта форма наиболее проста, естественна, но имеет неболь- шой диапа юн представления чисел и поэтому чаще всего нс приемлема при вычислениях Диапазон значащих чисел N в системе счисления с основа- нием Р при наличии т разрядов в целой части и 5 разрядов е дробной части числа (без учета знака числа) будет таким Р ’< N < Р" - Г Например, при Р= 2. т = 10 и s- 6 числа изменяются в диа- пазоне 0.015 <N< 1024. Если в результате операции полечится число, выходящее за допустимые пределы, произойдет перепол- нение разрядной сетки, и дальнейшие вычисления теряют смысл В современных компьютерах естественная форма представления используется как вспомогательная и только для целых чисел. В памяти ЭВМ числа с фиксированной точкой хранятся в трех форматах. • полуслово — это обычно 16 бит или 2 байта: • слово — 32 бита или 4 байта, • двойное слово — 64 бита или 8 байтов. Отрицательные числа с ФТ записываются в разрядную сетку в дополнительных кодах, которые образуются прибавтенчем единицы к младшему разряду обратного кода. Обратный код по- учается заменой единиц на нули, а нулей на единицы в прямом двоичном коде. Плавающая запятая (точка). В форме представления с п та- вающей запятой (точкой» число изображается в виде двух гр^пп цифр: • мантисса; • порядок. При >том абсолютная величина мантиссы должна быть меньше 1. а порядок должен бььь целым числом. В общем виде число в форме с плавающей запятой может быть представле- но так: Л/-±Л/х Р г, где М — мантисса числа (|Л/| < 1); г - порядок чиста (целое число); Р — основание системы счисления.
38 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... Например, приведенные ранее числа в нормальной форме запишутся следующим образом: +0,721355 х 103; +0,328 х 10 3; -0,103012026 х Ю5. Нормальная форма представления обеспечивает большой диапазон отображения чисел и является основной в современ- ных компьютерах. Так, диапазон значащих чисел в системе счисления с основанием Р при наличии т разрядов у мантиссы и s разрядов у порядка (без учета знаковых разрядов порядка и мантиссы) будет: Р т х Р (Р’ ” < N < (1 - Р '") х Р(р' ”. Например, при Р-2, /и = 22 и 5= 10 диапазон чисел прости- рается примерно от 10 300 до Ю300. Для сравнения скажем, что ко- личество секунд, которые прошли с момента образования планет Солнечной системы, составляет около 10lS. Следует заметить, что все числа с плавающей запятой хра- нятся в машине в так называемом нормализованном виде. Нормализованным называют такое число, в старшем разряде мантиссы которого стоит больше нуля. У нормализованных дво- ичных чисел, следовательно, 0,5 < |Л/| < 1. Нормализованные, т. с. приведенные к правильной дроби, числа: 1О,351О = О,Ю35|0х 1(У2; 0,00007245, = 0,72458 х 8'4; F5C,9B16 = 0,F5C9B16x 16Л В памяти ЭВМ числа с ПТ хранятся в двух форматах: слово — 31 бита или 4 байта: двойное слово — 64 бита или 8 байт. Разрядная сетка для чисел с НТ имеет следующую структуру: • нулевой разряд — это знак числа (0 — «минус», I — «плюс»); • с 1 по 7 разряд записывается порядок в прямом двоичном коде, пустые разряды заполняются нулями. В первом раз- ряде указывается знак порядка (1 — «плюс» или 0 — «ми- нус»); • с 8 по 31 (63) указывается мантисса, слева направо без нуля целых в прямом двоичном коде и для отрицательных чи- сел, и пустые разряды заполняются нулями.
1.2. Информация, кодирование, обработка в ЭВМ 39 Алгебраическое представление двоичных чисел. Для алгебраи- ческого представления чисел, т. е. для представления чисел с учетом их знака, в вычислительных машинах используются спе- циальные коды; • прямой код числа; • обратный код; • дополнительный код. При этом два последних кода позволяют заменить неудоб- ную для компьютера операцию вычитания на операцию сложе- ния с отрицательным числом. Дополнительный код обеспечива- ет более быстрое выполнение операций, поэтому в ЭВМ приме- няется чаще именно он. Знак числа обычно кодируется двоичной цифрой, при этом; • код 0 означае г знак + (плюс I; • код I означает знак - (минус). Прямой код числа N (обозначим | /V]np). Пусть 7V= О|, й2, п3, ..., ат, тогда: • при N> 0, |Д/]лр = 0, а}, а2, ау, ..., ат\ • при TVcO, |Л|„р = 1, а„ аг, а3, ..., а,,;, • при N= 0 имеет место неоднозначность [0 ]„р = 0, 0... = 1, 0... Если при сложении в ЭВМ оба слагаемые имеют одинако- вый знак, то операция сложения выполняется обычным путем. Если при сложении слагаемые имеют разные знаки, то сначала необходимо выявить большее по абсолютной величине число, из него произвести вычитание меньшего по абсолютной величине числа и разности присвоить знак большего числа. Выполнение операций умножения и деления в прямом коде выполняется обычным образом, но знак результата определяется по совпадению или несовпадению знаков участвовавших в опе- рации чисел. Операцию вычитания в этом коде нельзя замени гь опсраци ей сложения с отрицательным числом, поэтому возникают слож- ности, связанные с займом значений из старших разрядов уменьшаемого числа. В связи с этим прямой кол в ЭВМ почти не применяется. Обратный код числа W обозначим | N ]<Лр. Пусть N= а,, а2, а3, ..., ат и а обозначает инверсию а, т. е. если а = 1, то а = 0, и наоборот. Тогда: • при 7V>0. I/Vtap = 0, а„ а2, ау, ..., а„, • при N< 0. 1, dt. S2, й3, ....
40 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... • при Л = () имеет место неоднозначность [0]^ = О,ОО...О - = 1,11...1. Для того чтобы получить обратный код отрицательного чис- ла, необходимо все цифры этого числа инвертировать, т. е. в знаковом разряде поставить 1, во всех значащих разрядах нули заменить единицами, а единицы — нулями. Например, для N= 1011 [7V]o6p-0,1011; для N= -1011 [(V]o6p = 1,0100 Дополнительный код числа N обозначим | /V |1О11, Пусть, как и выше, N= а„ а2, а?. ..., ат и а обозначает вели- чину, обратную а (инверсию а), т. е. если а= 1, то а = 0, и на- оборот. Тогда: • при N > 0 | 7У]ДОП = 0, а2, а3, ..., а„; • при N < 0 [ЛЧДОП = 1, а„ аг, а3, ..., а,„ + 0,00... 1. Для того чтобы получить дополнительный код отрицательно- го числа, необходимо все его цифры инвертировать (в знаковом разряде поставить единицу, во всех значащих разрядах нули за менить единицами, а единицы — нулями) и затем к младшему разряду прибавить единицу. В случае возникновения переноса из первого после запятой разряда в знаковый разряд, к числу следует прибавить единицу в младший разряд. Например, для N= 1011 [Л%, = 0,1011; для 2V= -1100 1ЛЧаоп = 1,0100; для Л'= 0000 [/V]non = 10,0000 = 0,0000 (1 исчезает). Неод- нозначности в изображении 0 нет. Эмпирическое правило: для получения дополнительного кода отрицательного числа необходимо все символы этого числа инвертировать, кроме последней (младшей) единицы и тех ну- лей. которые за ней следуют. Элементы двоичной арифметики. Рассмотрим, как выполня- ются арифметические действия в двоичной системе Дтя этого проведем анализ таблиц сложения и умножения в двоичной сис- теме: От 0-0, 0x0 = 0, 0 + 1 = 1, 0x1 = 0, 1+1 = 10. Следует обратить внимание на аналогию в правилах выпол нения арифметических действий в двоичной и десятичных сис- темах счисления: если при сложении двух двоичных чисел (точ-
1.2. Информация кодирование обработка в ЭВМ 41 нее, представленных в двоичной системе счисления) сумма цифр окажется больше единицы, то возникает перенос в стар- ший разряд; если уменьшаемая цифра меньше вычитаемой, то нужно сделать «заем» единицы в старшем разряде. Анализируя примеры умножения в двоичной системе счис- ления, необходимо обрат ить внимание на одну важную особен- ность выполнения этой операции в данной системе. Так как очередная цифра множителя может быть только 1 или 0, т о про- межуточное произведение равно либо множимому, либо 0 Та- ким образом, операция умножения в двоичной системе фактиче- ски не производится: в качестве промежуточного произведения записывается либо множимое, либо 0, а затем промежуточные произведения суммируются Иначе говоря, операция умножения заменяется последовательным сложением. как уже известно, дополнительный код используется для вы- читания чисел в компьютерах и позволяет эту операцию свести к сложению чисел. Правила выполнения вычитания с дополнительным числом следующие. Чтобы вычесть число А из числа В. достаточно сло- жить В с дополнительным числом к А, и отбросить перенос в со- седний старший разряд. Например, чтобы вычесть 623 из М2, достаточно сложить 842 с 377; отбросив перенос, получим 219 (842 - 623 = 219) Таким образом, важнейшее преимущество двоичной арифме- тики заключается в том, что она позволяет все арифметические действия свести к одному — сложению, а это значительно упро- щает устройство процессора ЭВМ Изложенные здесь основные принципы положены в основу' функционирования элементов и узлов ЭВМ (см. далее — триг- гер, сумматор, полусумматор). Двоично-десятичная арифметика. В этом случае для записи одного десятичного разряда используется чет ыре двоичных бита. Эти четыре бита называются тетрадой. Иногда встречается на- звание. пришедшее из англоязычной литературы — нибл. С по- мощью чет ырех битов можно закодировать шестнадцать цифр. Лишние комбинации в двоично-десятичном коде являются за- прещенными. Соответствие двоично-десятичного кода и деся- тичных цифр приведено в табл. 1 7. Суммирование двоично-десятичных чисел можно произво- дить по правилам обычной двоичной арифметики, а затем вы- полнять д во ич н о-дес я г и ч ну ю коррекцию При этом
42 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... осуществляется проверка каждой тетрады на допустимые коды и если в какой либо тетраде обнаруживается запрещенная комби- нация, это — наличие переполнения и необходимость произве- сти двоично-десятичную коррекцию. Двоично-десятичная коррекция заключается в дополнитель- ном суммировании числа ОНО — шесть (число запрещенных комбинаций) с тетрадой, в которой произошло переполнение или произошел перенос в старшую тетраду. Вот два примера: 1) 18 + 13 = 31 2) 19 + 19 = 38 Сложение тетрад Коррекция Сложение тетрад Коррекция + 0001 1000 + 00101011 0001 1001 + 0011 0010 0001 0011 0000 0110 0001 1001 0000 0110 0010 1011 0011 0001 0011 0010_ 0011 1000 _ Двоичное кодирование мультимедиа-информации С 80-х гг. бурно развивается технология обработки на компь- ютере графической информации. Компьютерная графика широ- ко используется в компьютерном моделировании в научных ис- следованиях, компьютерных тренажерах, компьютерной анима- ции, деловой графике, играх и т. д. Растровое и векторное изображения. С незапамятных времен существует два принципиально различных типа формирования изображения. Первый — путем нанесения на поверхность ри- сунка совокупности точек разного цвета, плотности, яркости (как это и происходит в цветной или черно-белой полиграфии), второй — путем вычерчивания и заштриховывания (графика или гравюра). Оба этих подхода сохранились и в компьютерную эру, только точечное изображение полупило наименование растрового (впрочем, как это и было у печатников), рисованное — век- торного. Большинство устройств ввода-вывода данных в ЭВМ имеет дело с растровой информацией, хотя векторное изображение бо- лее экономично, например, чтобы провести прямую, при век- торном подходе достаточно задать координаты ее начала и конца (четыре числа — (х,, у,), (х2, у2)), в то время как растровое описа- ние требует задания всех точек прямой (а их может быть не- сколько сот или тысяч!). Поэтому перед разработчиками инфор-
1.2. Информация, кодирование, обработка в ЭВМ 43 мационных систем стоит вечная проблему — векторизации растрового изображения. Пока что мы будем говорить только о растровых представле ниях. Здесь графическая информация на экране дисплея представ- ляется в виде изображения, которое формируется из точек (пик- селей). В современных компьютерах разрешающая способное гь (количество точек на экране дисплея), а также количество цве- тов зависят от видеоадаптера и мо>ут меняться пршраммно. Цветные изображения могул иметь различные режимы: 16 цветов, 256 цветов, 65 536 цветов (high color), 16 777 216 цве- тов (in.e color) — табл. 1.8. Очевидно, что количество бит на точ- ку (пиксель), например, режима true color, равно: / = log, 65 536 = 16 бит = 2 байта. Таблица 1.8. Характеристики различных стан тартов представления i рафики Разрешение 16 ивь'оа 256 цветов 65 536 цветов 16 777 2'6 цветов 640>480 150 Кбайт 300 Кбайт 600 Кбайт 900 Кбайт 800 x 600 234.4 Кбайт 468.8 Кбайт 937.5 кбайт 1.4Мбай- 1024 768 384 Кбайт 768 Кбайт 1.5 Мбайт 2,25 Мбайт 1280 х Ю24 640 Кбайт 1,25 Мбаи 2,5 Мбаи • 3,75 Мбайт Наиболее распространенной разрешающей способностью эк- рана является разрешение 800 х 600 точек, т. е 480 000 точек. Рассчитаем необходимый для режима true color объем видео- памяти: И= 2 байта х 480 000 = %0 000 байт = 937,5 Кбайт. Аналогично рассчитывается объем видеопамяти, необходи- мый для хранения битовой карты изображений при дру| их ви- деорежимах. В видеопамяти памяти компьютера хранится битовый план (bit map), являющийся двоичным кодом изображения, отсюда она считывается процессором (не реже 50 раз в секунду) и ото- бражается на экран. Схемы цветообразлвания- Цвета одних предметов человек ви дит потому, что они и случают свет, а других — потому, что пни его отражают Когда предметы излучают свез , они приобретают гот цвет, который мы видим. Когда они отражают свет (бумага.
44 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... например), их цвет определяется цветом падающею на них света и цветом, который эти объекты отражают. Сегодня диаметрально противоположные способы генерации цвета мониторов и принтеров являются основной причиной ис- кажения экранных цветов при печати. Для того чтобы получать предсказуемые результаты на экране и печати, следует представ- лят ь работу двух альтернативных систем описания цвета в ком- пьютере — аддитивной и субтрактивной. Аддитивные и субтрактивные цвета. Аддитив- н ы й цвет (от англ, add — прибавлять, складывать) получается при наложении лучей света разных цветов. В этой системе отсут- ствие всех цветов представляет собой черный цвет, а присутст- вие всех цветов — белый Система аддитивных цветов работает с излучаемым светом, например от монитора компьютера. В этой системе используются три основных цвета, красный, зеленый и синий (RGB — Red, Green, Blue). Если их смешать друг с другом в равной пропорции, они образуют белый цвет, а при смешивании в разных пропорциях — любой друг ой. В системе субтрактивных цветов (от англ, subtract — вычитать) происходит обратный процесс: вы получаете ка- кой-либо цвет, вычитая другие цвета из общего луча отраженно- го света. В этой системе белый цвет появляется в результате от- сутствия всех цветов, тогда как их присутствие дает черный цвет. Система субтрактивных цветов работает с отраженным светом, например от листа бумаги. В системе субтрактивных цветов основными являются голу- бой, пурпурный и желтый цвета (CMY). противоположные крас- ному, зеленому и синему. Когда эти цвета смешиваются на бе- лой бумаге в равной пропорции, должен получаться черный цвет В действительности типографские краски поглощают свет не полностью и поэтому комбинация трех основных цветов вы- глядит темно-коричневой. Чтобы исправить возникающую не- точность, для представления тонов черного цвета принтеры до- бавляют немного черной краски. Систему цветов, основанную на таком процессе четырехцветной печати, принято обозначать аббревиатурой CMY К (Cyan, Magenta, Yellow, ЫасК) Цветовая модель RGB. Монитор компьютера создает цвет непосредственно излучением света и использует, таким об- раюм, систему цветов RGB Поверхность монитора состоит из мельчайших точек (пикселей) красного, зеленого и синего цве- тов, форма точек варьируется в зависимости от типа электрон-
1.2. Информация, кодирование, обработка в ЭВМ 45 но-лучевой трубки (ЭЛТ). Пушка ЭЛТ подает сигнал различной мощности на экранные пиксели. Каждая точка имеет один из трех цветов, при попадании на нее луча из пушки она окрашива- ется в определенный оттенок своего цвета в зависимости от силы сигнала. Комбинируя различные значения основных цвс тов, можно создать любой опенок из более 16 млн цветов, до- ступных в RGB Цветовая модель CMYK. Система цветов CMYK была широко известна задолго до того, как компьютеры стали исполь- зоваться для создания графических изображений. Триада печат- ных цветов — голубой, пурпурный и желтый — является наслед- ником основных цветов живописи (синею, красного и же ттого) Изменение оттенка первых двух связано с отличным от художе- ственных химическим составом печатных красок, но принцип смешения тот же. И художественные, и печатные краски, не- смотря на провозглашаемую самодостаточность, нс могут дать очень многих оттенков. Поэтому художни ки используют допол- ните шные краски на основе чистых пигментов, а печатники до- бавляют как минимум черную краску. Система CMYK создана и используется для печати. Все файлы, предназначенные для вывода в типографии, должны быть конвертированы в CMYK Этот процесс называется цвето- делением. Цветовые модели HSB и HSL. Системы цветов RGB и CMYK базируются на ограничениях, накладываемых аппарат- ным обеспечением (мониторами и сканерами для RGB и типо- графскими красками для СМУК) Более логичным способом описания цвета является представление его в виде тона, насы- щенности и яркости — система HSB. Она же известна как систе - ма HSL (тон, насыщенность, освещенность). Тон представляет собой конкретный опенок цвета на цвето- вом круге, отличный от других: красный, зеленый, голубой и т. п. Насыщенность цвета характеризует его относитель- ную интенсивность (или чистоту'). У меньшая насыщенность, на пример, красного, мы делаем его более пастельным, приближаем к серому Яркость (и ти освещенность) цвета показывает величину затемнения или освст тения исходное опенка HSB имеет перед дру, ими системами важное преимушест во: она больше соответствует природе цвета, хорошо согласу- ется с моделью восприятия цвета человеком Мнотие оттенки можно быстро и удобно получить в HSB, конвертировав затем
46 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... в RGB или CMYK, доработав в последнем случае, если цвет был искажен. Схем a YUI'. Исследования показали, что глаз человека бо- лее восприимчив к яркости, чем к цветам. Это использовано в методе УС И для кодирования изображений, при котором интен- сивность обрабатывается независимо от цвета. Сигнал Y предна- значен для передачи интенсивности и измеряется в максималь- ном разрешении, в то время как U и V — для цветовых си, налов различия. При YUV представлении видеосигнала цветоразностные компоненты U и V передаются с вдвое меньшим разрешением (частота дискретизации у сигнала яркости в 4 раза больше ос- новной частоты в 3 МГц, а у цветоразностных — в 2 раза). Пере- вод в цифровую фирму сигнала YUV вместо RGB требует 16 би- тов (два байта) вместо 24 битов (три байта), чтобы представить точный цвет, так что одна секунда видеоформата PAL требует приблизительно 22 Мбайта. Форматы графических файлов Сжатие информации. Объем обрабатываемой и передаваемой информации быстро растет. Это связано с выполнением все бо- лее сложных прикладных процессов, появлением новых инфор мационных служб, использованием изображений и звука. Сжа- тие данных (data compression) — процесс, обеспечивающий уменьшение объема данных. Сжатие позволяет резко уменьшить объем памяти, необходимой для хранения данных, сократить (до приемлемых размеров) время их передачи. Особенно эффек- тивно сжатие изображений. Сжатие данных может осуществ- ляться как npoj раммным, так и аппаратным или комбинирован- ным методами. Сжатие текстов связано с более компактным расположением байтов, кодирующих символы. Определенные результаты дает статистическое кодирование, в котором наиболее часто встре- чающиеся символы имеют коды наименьшей длины. Здесь так- же используется счетчик повторений пробелов Что же касается звука и изображений, то объем представляющей их информации зависит оз выбранного шага квантования и числа разрядов ана- лого-дискретного преобразования В принципе, здесь использу- ются те же методы сжатия, что и при обработке текстов. Если
1.2. Информация, кодирование, обработка в ЭВМ сжатие текстов происходит без потери информации, то сжатие звука и изображения почти всегда приводит к ее некоторой по- тере. Сжатие широко используется при архивировании данных. Размер файла, в котором сохраняется изображение, сущест- венно зависит от формата файла, а это — важная характеристика технологии, поскольку высокие разрешающие способности, под- держивающиеся многими современными сканерами, могут при- вести к созданию файлов размера до 30 Мбайт для страницы формат^ А4. Перечислим основные форматы изображений. BMP. Используемый в Windows формат точечный рисунок (BMP — bitmap) приводит к наибольшим размерам файлов, так как при этом сохраняется изображение в полном цвете без сжа- тия или в 256 цветах с простым сжатием — кодирование с переме н- ной длиной строки (run-length encoding — RLF'1 Изображения, которые используются как «обои» в Windows, должны быть пред- ставлены в формате BMP. но для большинства других случаев этфго можно избежать. TIFF. Формат TIFF' (tagged image file format), или формат с разметкой, имеет наиболее гибкие возможности, так как в нем изображения могут сохраняться как в режиме RGB для экранно- го устройства отображения, так и CMYK для печати T IFF также поддерживает а норитм сжатия LZW который может значитель- но уменьшить размер файла без потери качества. Метод сжатия основан на двух методах, предложенных Дж. Зивом и А. Лемяэ- лсм в 1977 г. и впоследствии усовершенствованный Т.Ве'чем (Unisys). Алгоритм LZ77 создает указатели к повторяющимся группам данным, a LZ78 — словарь повторяющихся фраз с указа- телями на них. GIF- Разработан! 1ЫЙ CompuServe формат об иена графическим и данными (graphics interchange format) сохраняет изображения, ис- пользуя индексирование цветов. Хотя общее количе<тво цветов, доступных в каждом изображении, — 256, характер этих цветов может изменяться от изображения к изображению. Габпица на- сыщенности цветов RGВ сохраняется в начале файла. С IF-файлы обычно являются меньшими в размере, чем большинство дру гих форматов файла из-за уменьшенной цветовой гтубины, что дела- ет их хорошим выбором для WWW-пуб 1икаци! PCX. Формат PC Paintbrush предлагает сжатый формат при цветовой глубине в 24 бита, олнако он практически вышел из употребления
48 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... JPEG. Данный формат файла использует сжатие с потерями и может создавать файлы небольших размеров при цветовой глу- бине 24 бита Уровень сжатия (и, следовательно, степень потери данных) может изменяться, но даже при максимальной качест- венной установке JPEG теряет некоторые подробности и поэто- му наиболее подходит только для интерактивного просмотра изображений. Количество доступных уровней сжатия зависит от используемого для редактирования изображений программного обеспечения. Таблица 1.9 иллюстрирует размеры и цветовую глубину фай- лов, которые соответствуют различным форматам при сохране- нии исходного изображения размером в 1 Мбайт. Таблица 1.9. Сравнительные характеристики различных графических файтгв Формат обмена графическими дани ши Размер файла, Кбайт Число цветов BMP-RGB 1 Мбайт 16.7 млн BMP —RLE 83 256 GIF 31 256 JPEG - минимальное сжатие 185 16.7 млн JPEG - минимальное прогрессивное сжатии 150 16,7 млн JPEG максимальное сжатие 20 16,7 млн JPEG - максимальное прогрессивное сжатие 16 16,7 м,.н PCX 18? 16,7 млн TIFF 1 Мбайт 16,7 млн TIFF - LZW compression 83 16,7 млн Передача данных Канал передачи — это комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу сигнала электро- связи в определенной полосе частот или с определенной скоро- стью передачи между сетевыми станциями и узлами. При обмене данными по каналам используются три метода передачи данных: • симплексная (однонаправленная) передача (телевидение, радио):
1.2. Информация, ко Жирование, обработка в ЭВМ 49 • полудуплексная (прием и передач! информации осуществ- ляются поочередно); • дуплексная (двунаправленная), каждая станция одновре- менно передает и принимает данные. Для передачи данных в информационных системах наиболее часто применяется последовательная передача. Широко исполь- зуются следующие методы последовательной передачи — асин- хронная и синхронная. При асинхронной передаче каждый символ передается от- дельной посы 1кой (рис. 1.4). бита че~ности бит Биты Поле данных Символ синхронизации (передаваемые символы) обнаруж«ниЧ окончании ошибки пеоедачи б Рис. 1.4. Асинхронная (о) и синхронная (б' переда1 а данных При асинхронной передаче каждый символ передаетсч от- дельной посылкой Стартовые биты предупреждают приемник о начале передачи. Затем передается символ. Дчя определения достоверности передачи используется биг четности (бит четно- сти ранен I, ести количество единиц в символе нечетно, и 0 — в противном случае) Последний бит «стоп-бит» стнализирует об окончании передачи. При использовании синхронного метода данные передаются блоками Для синхрони зации работы приемника и передатчика в начале б юка передаются биты синхронизации Затем передают- ся данные, код обнаружения ошибки и символ окончания пере- дачи При синхронной передаче данные могут передаваться и как символы, и как поток битов. В качестве кода обнаружения ошибки обычно используется циклический избыточный код обна- ружения ошибок (CRC — Cyclic Redundance Check). Он вычиспя-
50 Глава I. Вычислительные приборы и устройства.. ется по содержимому поля данных и позволяет практически од- нозначно определить достоверность принятой информации. Пакеты данных. Довольно редко передача осуществляется отдельными символами (байтами), чаше — пакетами (кадрами, фреймами) определенного формата. Форматы представления данных могут различаться по следующим признакам: • порядок следования битов и размерность символа в битах; • поря, юк следования байтов; • представление и кодировка символов; • структура и синтаксис файлов На рис. 1.5 приводится пример пакета данных формата 1Ы Е 802.3, принятого в сетях Ethernet (гл. 4). Байты В 0 1500 Преамбула Адрес назначения Исходящий адрес Длина блока данных Заголовок протокола данные Рис 1.5. Формат кадга (фрейма) IFFE 8С2.3 Компрессия или упаковка данных сокращает время передачи данных. Кодирование передаваемой информации обеспечивает защи ту ее от перехвата. Коммутация пакетов. В системах передачи данных широкое распространение получил метод пакетной коммутации При этом сообщения разбиваются на меньшие части (пакеты), каж- дый из которых имеет установленную максимальную длину. Па- кеты нумеруются, снабжаются адресами и прокладывают себе путь по сети (методом передачи с промежуточным хранением), которая их коммут ирует. Множество пакетов одного и того же сообщения может пе - рсдаваться одновременно, что и является одним из главных пре- имуществ систем КП. Приемник в соответствии с заголовками пакетов выполняет сборку' пакетов в исходное сообщение и от- правляет его получателю. Благодаря возможност и не накапли - вать сообщения целиком в узлах коммутации не требуется внеш- них запоминающих устройств, и вполне можно огрг ничиться оперативной памятью, а в случае ее переполнения можно ис пользовать различные механизмы задержки передаваемых паке- тов в местах их генерации. Части одного и того же сообщения могул в одно и то же вре мя нахо литы я в различны к каналах свя зи, более того, когда на-
L3. Логические основы и элементы ЭВМ 51 чало сообщения уже принято, его конец отправитель может еше даже не передавать в канал. 1.3. Логические основы и элементы ЭВМ Начато исследований в области формальной логики было положено работами Арист.метя в IV в. до нашей эры Однакс математические подходы к этим вопросам впервые были указа- ны Дж Будем. В честь него алгебру высказывания называют бу- левой (булевской) алгеброй, а логические значения булевыми (булевскими). Основу математической логики составляет атгебра высказываний. Это освобождает матлщику от неопределенности в толковании логических выражений показы- вающих связь между отдельными суждениями и понятия ми. Ал гебра логики используется при построении основных узлог ЭВМ (лешифпатор, сумматор, шифратор). Алгебра логики оперируете высказываниями Под вы- сказыванием понимают повествовательное предложение, отно- сительно которого можно утверждать, истинно оно или ложно. Например, выражение Расстояние от Москвы до Киева больше, чем от Москвы до Гулы» истинно, а выражение «5 < 2» — ложно.
52 Глава 1 Вычислительные приборы и устрош тва. Высказывания (логические переменные) при пято обозначать буквами латинского алфавита (иногда — с ин- дексами): А. В, С, ..., X, Y, А, Ь, с, ..., х, у, z, (л), а^, х„ ...) и т. д. Если высказывание С истинно, то пишут С- 1 (C=t, true), а если оно ложно, то С=0 (С= f, false). Логические операции и базовые элементы компьютера В алгебре высказываний над высказываниями можно прои з- водить определенные логические операции, в результате кото- рых получаются новые высказывания. Истинность результирую- щих высказываний зависит от истинности исходных и использо- ванных для их преобразования логических операций. Схемные элементы ЭВМ. Преобразование информации в ЭВМ осуществляется элементами (схемами) двух классов • комбинационными; последовательностными (схемы с памятью). Состояние выходов комбинационных схем однознач- но определяется состояниями входов в данный момент времени. Состояние выходов в последовательностных схемах оп- ределяется не только состоянием входов, но и внутренними со- стояниями, имевшими место в предыдущие моменты времени Комбинационные схемы являются техническим аналогом бу- левых функций. Подобно тому, как сложная булева функция мо- жет быт ь получена суперпозицией более простых функций, так и комбинационная схема может строиться из более простых схем. Существует следующее определение — систему л о i и ч е - ских элементов, с помощью которых путем су- перпозиции можно представить любую сколь угодно сложную комбинационную схему, называют функиионольно полной. Извсст ны различные функционально пол- ные системы элементов, но наибольшее распространение полу- чили системы, использующие логические операции, выражае- мые предлогами «НЕ», «И», 'ИЛИ». Логический элемент компьютера — это часть электронной схемы, которая реализует элементарную логическую функцию. Логическими элементами компьютеров являются электронные схемы «И», «ИЛИ», «НЕ», «И-НЕ». «ИЛИ-HE» или другие (на- зываемые также вентилями} а также триггер. Можно показать, что с помощью этих схем можно реализовать любую логическую
1.3. Логические основы и элементы ЭВМ 53 функцию, описывающую работу устройств компьютера Обычно у вентилей бывает от двух до восьми входов и один и ли два вы- хода. Каждый логический элемент имеет свое условное обозначе- ние, которое выражает его логическую функцию, но не указыва- ет на то, какая именно электронная схема в нем реализована. Работу логических элементов описывают с помощью таблиц ис- тинности. Рассмотрим логические операции и соответствующие им элементы логических схем. Конъюнкция. Соединение двух (или нескольких) высказыва- ний в одно с помощью союза и (OR) называется операцией логи- ческого умножения, или конъюнкцией. Эту операцию принято обозначать знаками «л, &» или знаком умножения «х». Сложное высказывание истинно только в том случае, когда истинны оба входящих в него высказывания. Истинность такого высказыва- ния задается табл. 1.10. Логическая схема «И» реализует конъюнкцию дв}х или более логических значений. Условн эе обозначение на струк- турных диаграммах схемы «И» с двумя входами представлено на рис. 1.7. а. Таблица /. 10. Таблицы истинности конъюнкции и логической суммы высказываний Конъюнкция Дизъюнкция А В А - В А В А В 4 хог В 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 Единица на выходе схемы «И» будет тогла и только тогда, когда на всех входах бупут единицы. Когда хотя бы на одном входе будет нуль, на выходе также будет нуль Свя $ь между выходом z >той схемы и входами х и у описыва- ется соотношением (читается как «а И у»). Операция конъи»нкции на структурных схемах обозначается знаком <&" Дизъюнкция. Объединение двух (и ти нескольких) высказыва- ний с помощью союза или (OR) называется операцией тогиче- ского сложения, или дизъюнкцией. Эту операцию обозначают
54 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... знаками «|, v» или знаком сложения «+». Сложное высказывание A v В истинно, если истинно хотя бы одно из входящих в него высказываний (см. табл. 1.10). В последнем столбце табл. 1.10 размешены результаты моди- фицированной операции или — исключающее или (XOR). Отли- чается от обычного или последней строкой (см также рис. 1.7, е). Схема «ИЛ И» реализует дизъюнкцию двух или более логиче- ских значений. Когда хотя бы на одном входе схемы «ИЛИ» бу- дет единица, на ее выходе также будет единица. Условное обозначение на структурных схемах схемы «ИЛИ» с двумя входами представлено на рис. 1.7, б. Знак «1» на схеме происходит от классического обозначения дизъюнкции как «>» (т. е. значение дизъюнкции равно единице, если сумма значений операндов больше или равна 1). Связь между выходом г этой схемы и входами х и у описывается соотношением: z = x vy (чи- тается как «х ИЛИ у»). е Рис. 1.7. Схемные логические элементы вычислительных машин Инверсия. Присоединение частицы НЕ (NOT) к некоторому высказыванию называется операцией отрицания ^инверсии) и
1.3. Логические основы и элементы ЭВМ 55 обозначается А (или -»Л). Если высказывание А истинно, то В ложно, и наоборот (табл. 1.11). Таблица 1.11. Таб шца истинности отрицания Схема <НЕ>> (инвертор) реализует операцию отри- цания. Связь между входим х этой схемы и выходом ? можно записать соотношением z =х, где х читается как «НЕх» или «ИНВЕРСИЯ х». Еспи на входе схемы «О»., то на выходе «1», и наоборот Ус- ловное обозначение на структурных схемах инвертора — на рис. 1.7. в. Вентили. Кроме схемных элементов, соответствующих пере- численным логическим операторам, в состав логических схем входят комбинированные связки, именуемые вентилями, напри- мер, следующие. Схема «И-НЕ» состоит из элемента «И» и инвертора и осуществляет отрицание результата схемы < И» (табл, 1.12). Связь между выходом z и входами х и у схемы записывают как х I у, или «ИНВЕРСИЯ х И у». Условное обозначение на структурных схемах схемы «И-НЕ» с двумя входами представлено на рис. 1.7, г. Таблица 1.12. Таблица истинности схем «И-НЕ». ИЛИ-1 IF Инверсия х И у Инверсия х ИЛ И у X X А У X > л v у 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 ] 1 0 0 1 1 0 1 1 0 Схема «И Л И - Н Е» состоит из элемснга «ИЛ И* и инвер- тора и осуществляет отрицание результата схемы «ИЛИ» (табл. 1.12). Связь между выходом z и входами х и у схемы запи- сывают как xv у, или ИНВЕРСИЯ х ИЛИ у». Условное обо-
56 Глава I. Вычислительные приборы и устройства... значение на структурных схемах схемы «ИЛИ-HE» с двумя вхо- дами представлено на рис. 1.7, д. Схема «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» (рис. 1.7, е) соот- ветствует «сложению по модулю два» См также табл 1.15. Следует отметить, что помимо операций и, или, НЕ в алгебре высказываний существует ряд других операций. Например, опе- рация эквивалентности (эквиваленции) А -В В. или A eqv В) (табл. 1.13) Таблица 1.13. Таблицы истинности операций эквивалентности и импликации Эквивалешность Импликация А в л- в А в А В 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 Другим примером может служить логическая операция им пликации или логического следования (Л -> В, A IMP В), иначе говоря. «ЕСЛИ А, то В» (табл. 1.13). Высказывания, образованные с помощью логических опера- ций, называются сложными. Истинность сложных высказыва- ний можно установить, используя таблицы истинности Напри- мер, истинность сложного высказывания А л В определяется табл. 1 14 Таблица 1 /4 Таблица истинности вы* называния 1 л В А в А Св| । 1й5 < IT 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 С 1 0 1 1 0 0 0 Высказывания, у которых таблицы истинности совпадают, называются равносильными. Для обозначения равносильных вы - сказываний используют знак «=» (А В) Рассмотрим сложное высказывание (Л л В) v (Л л ВУ — табл. 1.15.
1.3. Логические основы и элементы ЭВМ 57 Таблица 1.15. Таблица истинности выражения (А В) v (А л В) А А В в А В Ал В (Лл 5)v (А л В) 0 1 0 ] 0 1 3 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 ] 0 1 0 1 Если сравнить эту таблицу с таблицей истинности операции эквивалентности высказываний А и В (см. табл. 1.13), то можно увидеть, что высказывания (4лА)у(Л л В) и А- В тождест- венны, т. е. (А ~ В) = (А л В) v (А л В). В алгебре высказываний можно проводить тождественные преобразования, заменяя одни высказывания равносильны ми им другими высказываниями Свойства операций. Исходя из определений дизъюнкьии конъюнкции и отрицания, устанавливаются свойства этих опе- раций и взаимные распределительные свойства. Приведем при- меры некоторых и $ этих свойств: • коммутативность (перестановочность!: А л В = В а Л; A v В = В ' А; • закон идемпотентности: А л А = А, Л v А = А- • двойное отрицание: Л = Л; • сочетательные (ассоциативные) законы: Л х/ (В v С) - (Л v В) С A v В С: А л(В л^ = (А х В) л С = Л а В л С: • растр ед сл ит сльн ые (дистрибутивные) законы: А А (Ям С) = (Л А В) V (Л А С); Av (В ‘С) = (Av В)л(ЛмС); • по гл ощение: Л v (Л а В) - Л; Л а (Л v В) Л; • склеивание (A /\ В) v (А а В) В. (Ах/ В} a (A v В) В.
58 Глава 1. Вычис штельные приборы и устройства... • операция переменной с ее инверсией: А л А = false', A v А = true; • операция с константами: А л true = А, А \> true = true; А л false = false, A v false = А; • законы де Моргана: I. Ал В = A v В (условно его можно назвать 1-й); 2. А \' В ~ А л В (2-й) — описывает результаты отрицания переменных, связанных операциями и, или. Высказывания, образованные с помощью нескольких опера- ций логического сложения, умножения и отрицания, называют- ся сложными. Истинность всякого сложного высказывания устанавливается с помощью таблиц истинности. Сложные вы- сказывания, истинные (true) для любых значений истинности входящих в них простых высказываний, называются то жд е ст- в е н н о - исти н н ы м и. Наоборот, тождественно-лож- ными являются формулы, принимающие значение false для любых значений входящих в него простых высказываний. В табл. 1.16 приведено доказательство истинности дистрибу- тивного закона. Аналогичным образом могут быть доказаны и другие тождества. Таблица 1.16. Доказательство истинности дистрибутивного закона А в < BvC А л (В v С) А л В АлС (Л/. B)v(^aC) С 0 0 0 0 0 Г) С 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1J _±J 1 1 1 1 1 1 На рис. 1.8, а- ж приведены иллюстрации к основным логи- ческим операциям и их композициям (так называемые диаграм- мы Эйлера—Венна). В качестве высказывания А здесь принято
1.3. Логические основы и элементы ЭВМ 59 Рис. 1.8. Некоторые примеры диаграмм Эйлера—Венна: а — диаграмма Эйлера- Венна, иллюстрирующая расположение областей истин ности высказываний А и В' б — конъюнкция высказываний А и В (ANr); в — дизъюнкция высказываний А и В (OR); г— исключающая дизъюнкция (XOR); й — разность высказываний (А - В); е — иллюстрация к законам де Моргана (допол- нение пересечению высказываний); ж — иллюстрация к законам де Моргана (объединение дополнении)
60 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... утверждение х > а, в качестве В — у> Ь. На рис. 1.8, а приведены области истинности каждого из высказываний, здесь же с гано- вится понятен смысл дополнения (отрицания), объединения (дизъюнкции), пересечения (конъюнкции) и других операций. Первый из законов де Моргана илл юстрируется рис. 1.8, е, ж. Побитовые операции. В некоторых совре менных ЯП включе- ны операции побитового сравнения содержимого машинных слов (которые могут содержать числовые, строчные и др. дан- ные), при этом каждый бит результата образуется в соответствии с табл. 1.17 (для бинарных операций). Унарная операция отри- цания (NOT) в данном случае реализует очевидную замену < 1» на «О» и наоборот. Табчииа 1.17. Операнды и результаты некоторых операций побитового сравн< ши X У х <! у X V у х IMP у х EQV у х XOR ! 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 Г - 1 1 1 1 1 1 1 1 Синтез и оптимизация схем При пост роении схемы, реатиз] юшей прои {вольную таблицу исгинности. каждый выход анализируется (и строится схема) от- дельно. Для реа [изапии таблицы истинности с помошью логиче- ских элементов <И» достаточно рассмотреть только тс строки таблицы истинности, которые содержат логические «1» в выход- ном сиг нале. Строки. содержащие в выходном сигнале логиче- ский «О», в пос гроении схемы не участвуют Каждая строка, со- держания в выходном сигнале логическую «Ь>, реализуется схе- мой логического <И" с кошчеством входов, совпадающим с количеством входных сигналов в таблице истинности. Вхо шые сигналы, описанные в таблице истинности логической «1», пода- ются на вход этой схемы непосредственно, а входные сигналы, описанные в таблице истинности логическим «О», подаются на вход через инверторы Объединение сигналов с выходов схем, реализующих отдельные строки таблицы истинности, произво- дится с помощью схемы логическою «И1И» Количество входов
13. Логические основы и элементы ЭВМ 61 в этой схеме определяется количеством строк в таблице истинно- сти, в которых в выходном сигнале присутствует логическая «1» Рассмотрим конкретный пример. Пусть необходимо реализо- вать таблицу истинности, приведенную в табл 1.18. Таблица 1.18. Таблица истинности некоторой j-огической функции 1 Входы Выходы Х| *2 х4 TT У2 0 0 0 0 0 0 L_.y ; . ° 0 1 1 0 ° 0 1 0 ° 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 • 1. 1 — ! • 0 1 1 0 э 1 1 1 0 0 j 0 1 0 0 0 0 Ш 1 0 1 0 0 с 1 0 1 1 0 0 1. 1 0 - 0 0 1 1 'о 1 1 0 имиииш Для построения схемы, реализующей сигнал достаточно рассмотреть строки, выделенные светлой штриховкой. Эти стро- ки реализуются сборкой (микросхемой) S, на рис. 1 9 Каждая строка реализуется своей схемой «И», затем выходы этих схем объединяются Для построения схемы, реализующей сшнал у2, достаточно рассмотреть строки, выделенные более темной штри- ховкой Эти строки реализуются сборкой 53. Инвертирование входов схемы осуществляется сборкой 5,. В частности, здесь у, = (Х| л х2 л х3 л х4) v (х, л х2 л х3 л х4) v V (х, А х2 А х3 А х4) И Т. Д.
62 Глава I. Вычислительные приборы и устройства... Рис, I 9. Схемная реализация таблицы истинности (табл. 1.18) Преобразования логических формул. Равносильные преобразо- вания логических формул имеют то же назначение, что и преоб- разования формул в обычной алгебре. Они служат для упроще- ния формул или приведения их к определенному виду путем ис- пользования основных законов алгебры логики Под упрощением формулы, не содержащей операций импли- кации и эквиваленпии, понимают равносильное преобразование, приводящее к формуле, которая либо содержит по сравнению с исходной меньшее число операций конъюнкции и ди зъюнкции и не содержит отрицаний неэлементарных формул, либо содер жит меньшее число вхождений переменных. Некоторые преобразования лот ических формул похожи на преобразования формул в обычной алгебре (вынесение общего множителя за скобки, использование переместительного и соче- тательного законов и г. п.), тогда как другие преобразования ос- нованы на свойствах, которыми не обладают операции обычной алгебры (использование распределительного закона для конъ- юнкции, свойств поглощения и склеивания, законы де Моргана и др.).
1.3. Логические основы и элементы ЭВМ 63 Приведем несколько примеров, иллюстрирующих методы, применяемые при упрощении логических формул: 1) х v у (х у) = х у (х у) = х - х у у = =0 у у=0 у=0 (законы алгебры логики применяются в следующей последова- тельности: закон де Моргана, сочетательный закон, правило конъюнкции переменной с се инверсией и правило операций с константами); 2) xyvxv yv х=х-у v х у v х = = x(yvy)vx = xvx = l (применяется правило де Моргана, вы носится за скобки общий множитель, используется правило операций переменной с ее ин- версией); 3) (х v у) (х v у) (х v у) = (х V у) - (х V у) (х V у) (х V у) = у X (повторяется второй сомножитель, что разрешено законом идем- потенпии; затем комбинируются два первых и два последних со- множителя и используется закон склеивания); 4) xyvx-yzvx-z = = xyvx-y?vx-z(yvy) = = xyvx-y^vxy-^vx-y-2 = = (х у v х у г) v (х - у z v х - у - z) = х у м у г (вводится вспомогательный логический сомножитель (у v у); за- тем комбинируются два крайних и два средних логических сла- гаемых и используется закон поглощения); 5) xyvf = xyf = (xvy)z (сначала добиваемся, чтобы знак отрицания стоял только перед отдельными переменными, а не перед их комбинациями, для этого дважды применяется закон де Моргана; затем двойное от- рицание);
64 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... 6) X-}VXy-lvX-Zp = -х (у • (I v г) v z р) = х • (у v z р (выносятся за скобки общие множители; применяется правило операций с константами), 7) XV У zv X v у v z = X v у v Z v X • У z - -xvyvzvx-y-z=xv Z'v (У v х у • z) - х v z v у (к отрицаниям неэлемензарных формул при ие чяется закон де Моргана; используются двойное отрицание и склеивание); 8) x-yvx-y-zvx-y-zvx у z = = х • (у v у - г v у • z v у • <) = = х ((у V у • Z) v (у • Z V у • z)) = = х (у v у • z v 1) - х 1 = х (общий множитель х выносится за скобки, комбинируются сла- гаемые в скобках — первое с третьим и второе с четвертым, к дизъюнкции у - z v у - z применяется правило операции пере - менной с ее инверсией); 9) (х у v z) (х v j) v г = = xy-xvxy-yvz х v z у v z = = 0 v 0 v z - х v z - У v z - Z х v (z\ f) - (j v <) = = z х v 1 (у v z.) = Z • x v у v z = (z • x v z) v у = - (z V z) (X V z) V у - 1 (x V z) V у = x V Z V у (исполыуются распределительный закон для дизъюнкции, пра- вило операции переменной с ее инверсией, правило операций с константами, переместительный закон и распределительный за- кон для конъюнкции^ 10) х у (х - z v х -у z v z /) = - х - у (х • < V х у v z v z • /) = - X У (X Z V X У v z V z f) - = x- yvx-y-zvx у zt - х у (используются закон де Морвана, двойное отрипгчич и поглс шение).
1.3. Логические основы и элементы ЭВМ 65 Минимизация логического выражения. Целью минимизации логического выражения, представляющего заданную логическую функцию, является уменьшение стоимости ее ре ализации I коли- чества используемых логических элементов). Общая схема про- цесса реализации логической функции такова. Для нее составля- ется сумма произведений, или дизъюнктивная совершенная нор- мальная форма. Затем полученное выражение минимизируют до эквивалентной минимальной суммы произведений. Чтобы опреде- лить критерий минимизации, вводится понятие стоимости, или величины, логического выражения. Обычно при оценке стоимос ги выражения учитывается об- щее количество вентилей и их входных значений (входных ли- ний), необходимых д 1я реализации выражения в форме, приве- денной на рис. 1.10. Рис. 1.10. Минимизация логических схем Стоимость большей схемы (рис 1.10, а) равна 21: 5 вентилей плюс 16 входных значений. Инверсия входных значении при подсчете игнорируется. Стоимость более простого выражения (рис. 1.10. б) равна 9: 3 вентиля плюс 6 входных значений Теперь можно определить критерий минимизации: сумма произведений считается минимальней, если не существ) ет эквива- лентного ей выражения меньшей стоимости Страте! ия упрощения заданного выражения шключаеъ я в следующем. Прежде всего термы-произведения разбиваются на пары, отличающиеся единой переменной, которая в одном тер- ме стоит со знаком - (х). а во втором — без него (х) Затем в ка- ждой паре общее произведение двух переменных выносится за
66 Гласа 1. Вычислительные приборы и устройства... скобки, а в скобках остается терм -х + х, всегда равный 1. Вот что мы получим, применив эту процедуру к первому выражению для функции/; (на рис. 1.10, а). f = (Х| л х2 л х3) v (х, л х2 л х3) v (х, л х2 л х3) v (xt л х2 л х3) = = X) л Х2 л (х3 v X,) V (х, Л Х|) л х2 Л Х3 = — Х[ Л Х2 Л 1 V 1 Л Х-, Л х3 — - л л х, v х2 л х3. Это выражение минимально. Соответствующая ему ло! иче- ская схема приведена на рис 1.11, б. Другие схемные элементы ЭВМ Триггер (от англ, trigger — зашелка, спусковой крючок) — электронная схема, широко применяемая в регистрах компьюте- ра для запоминания одного разряда двоичного кода. Триггер имеет два устойчивых состояния, одно из которых соответствует двоичной единице, а другое — двоичному нулю. Для обозначения этой схемы в английском языке часто упот- ребляется термин flip-flop, что в переводе означает «хлопанье». Эго звукоподражательное название электронной схемы указыва- ет на ее способность мгновенно переходить («перебрасываться») из одного состояния в другое и обратно. Самый распространенный тип триггера — так называемый RS-триггер (5 и R, соответственно, от английских set — установ- ка и reset — сброс). Он имеет два симметричных входа S и R и два симметричных выхода Q и Q, причем выходной сигнал Q яв ляется логическим отрицанием сигнала Q. Условное обозначе- ние Д^-триггеоа приводится на рис. 1.12, а. На каждый из двух входов S и R могут подаваться входные сигналы в виде кратковременных импульсов (рис. 1.11, а). На рис. 1.11, б показана реализация триггера на базе вентилей «ИЛ И-НЕ» и «И НЕ». Перечислим возможные комбинации значений входов R и 5 триггера, используя его схему и таблицу истинности схемы «ИЛИ-HE» (табл. 1 19, рис. 1.12. л). 1 Если на входы триггера подать S = 1, R = 0. го (независимо от состояния) на выходе Q верхнего вентиля появится «0». После
1.3. Логические основы и элементы ЭВМ 67 Рис 1.11. Варианты триггерных цепей: а — RS триггер: б — его реализация; в — синхронный грипер. г — его рсализа ция; д — JK -трит rep; е — Т триггер, ж — D- триггер в Рис. 1 12. Временные анаграммы функционирования а — /?5-трчггсря- б — Г-трш гора, я — Л- грин ера
68 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства Таблица 1.19. Таблица истинности для Л5-трштера 5 R Q ТТ- Q 0 0 Без изменений 0 1 1 ° 1 0 0 1 1 1 Неопределенно этого на входах нижнего вентиля окажется R = 03 Q = 0 и выход Q станет равным «1». 2 . При подаче «С > на вход 5и «1» на вход R на выходе Q по явится «О», а на Q «1». 3 Если на входа R n S одновременно подан логический «0». то состояние Q и Q не меняется. 4 Состояние триггера прг R = I и S- 1 считается нсопреде ленным, так как после снятия таких сигналов триггер не перехо- дит однозначно в нужное состояние. Поэтому на состояние вхо- дов налагается условие R * 5 = 0 (R л S = 0). Поскольку трит гер может запомнить только один разряд дво- ичного кода, для запоминания байта нужно 8 триггеров, для запо минания килобайта, соответственно, 8 х 2'n = 81Q2 триггеров. Со- временные микросхемы памяти содержат миллионы трип еров. RS т риггео позволяет запоминать состояние логической схе- мы, но так как в начальный момент времени может возникать п< реходный процесс (в цифровых схемах этот процесс называет- ся опасные гонки сигналов), то запоминать состояния логической схемы нужно только в определенные моменты вре- мени, когда все переходные процессы закончены. То есть циф- ровые схемы требуют синхросш нала. Все переходные процессы должны закончит ься за время периода синхросигнала. С этой целью используются синхронные триггепы. Сх<ма синхрон- ного триггера приведена на рис. 1 11. г, а обозначение на прин- ципиальных схемах — на рис. 1.11, в. Кроме RS грип еров извест ны также JK-, Т и D трйг геры. JR-триггер (рис. 1 11 ф содержит схемные дополнения, которые снимают неопределенность состояния при подаче <1» на оба входа. Теперь при этом ппоисхолиг «. переброс" схемы в про' и"о-
1.3. Логические основы и элементы ЭВМ 69 положное состояние (О и Q меняются местами — «О» пере кодит в «Ь> и наоборот) — табл. 1.20 Таблица 1.20. Таблица истинности для JK-триггера J к Q Q 0 0 Без изменений 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 ГереСоос 'и Г-триггер (см. рис 1.11, ё) имеет единственный вход (7). при подаче «1» на который (рис. 1.12, б) осуществляется «переброс: схемы (табл. 1.21). Таблица. 1.21. Иллюстрация к действию Т-триггера Т Q Q 0 Без изменений 1 Переброс состояния Г-триперы могут использоваться для создания двоичных счетчиков (например, счетчик адреса команд, обеспечивающий последовательную выборку слов из оперативной памяти) £)-триггер (см. рис. 111 ж) имеет информационный вход D и вход синхронизации С. Сое гоянис на выходе Л-трипера отра- жав г информацию, поступившую на его информационный вход в течение воздействия синхросигнала (см. рис. 1.12, в). Рассмотрим далее однора $рядные сумматоры Сумматор по модулю 2 является простейшим среди них и реализует операцию А хог В (исключающее ИЛИ, см. табп. 1.10) Обозначение на схемах и реа'.тация сумматора по модулю 2 приводятся на рис 1 13. Полусумматор. Вспомним, что при сложении двоичных чи- сел образе гея сумма в данном ра$ряде, и при этом возможен перенос в старший разряд Обозначим с .агаемые (А. В), перенос (Р), сумму (5) и рассмотрим соответы вующую данной операции габл 1.22.
70 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... Рис. 1.13. Сумматор по модулю 2: а — обозначение на схемах; б — реализация Таблица 1.22. Таблииа сложения о (норазрядных двоичных чисел с учетом переноса в старший разряд Из этой таблицы очевидно, что перенос можно реализовать с помощью операции логического умножения Р = А л В Выведем формулу для вычисления суммы. Значения суммы более всего совпадают с результатом операции логического сло- жения (кроме случая, когда на вход подаются две единицы, а на выходе должен получиться нуль). Нужный результат достигается, если результат логическою сложения умножить на инвертированный перенос. Таким обра- зом, для определения суммы можно применить выражение (см. сложение по модулю 2): S-A\'В \ А/\ В. На основе полученных логических выражений можно по- строить схему полусумматора из базовых логических элементов. Из логической формулы лля суммы следует, что на выходе должен стоять элемент логического умножения «И», который имеет два входа На один из входов подается результат логиче- ского сложения исходных величин, т. е. на него должен пода- ваться сигнал с элемента логического сложения «ИЛИ»
1.3. Логические основы и элементы ЭВМ 71 На второй вход требуется подать результат инвертированного логического умножения исходных сигналов А л В, т. е. на вто- рой вход подается сигнал с элемента «НЕ», на вход которого по- ступает сигнал с элемента логического умножения «И». Данная схема называется полусумматором, так как реализует суммирование одноразрядных двоичных чисел без учета перено- са из младшего разряда (рис. 1.14). А В 5, А В а б Рис. 1.14 Полусумматор: о — обозначение на схемах; б — реализация Полный одноразрядный сумматор. Полный одноразрядный сумматор должен иметь з ри входа: с„ hi — слагаемые и р,_( — пере- нос из прелыдуще! о разряда, и два выхода: сумма 5, и перенос р,. Порядок функционирования схемы приводится в табл. 1.23. Таблица 1.23. Таблица с ожеиия для полного одноразрядного сумматора Слагаемые Входящий перенос Выходящий перенос Сумма bi Лд Pi Si 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 г ! 1 0 0 1 0 1 0 i 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 с 1 1 1 1 1
72 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... Рис. 1.15. Одноразрядный сумматор: а — обозначение на схемах; б — реализация на логических сборках; в — реализа- ция на полусумматорах Последовательность построения полного сумматора такая же, как и полусумматора. Перенос реализуется с помощью еле дующей формулы: р, - (о, л i, ) v (а, л р, ,) v (/>, л р1 ,).
1.4. Узлы ЭВМ 73 Логическое выражение для вычисления суммы в полном сумматоре принимает следующий вил 5, = (a, v v Pi.,) л Pi., v (а_ л bi л р,. (). В соответствии с принципами построения схемы по произ- вольной таблице истинности (см. табл. 1.18, рис. 1 9^ можно по- строить схему полного двоичного одноразрядною сумматора (рис. 1 15. 6) 1.4. Узлы ЭВМ Узлом ЭВМ называется совокупность функционально свя занных элементов, предназначенных для выполнения опреде- ленных операций над двоичными словами. Узлы ЭВМ являются основными элементами реализации аппаратных функций ЭВМ (преобразование, передача, хранение и управление информаци- ей). Они также обеспечивают преобразование кодов, счет им- пульсов. сравнение кодов, сдвиг информации. По выполняемым функциям узлы делятся на регист ры, сум- маторы (накапливающего типа), счетчики, дешифраторы, шиф раторы, мультиплексоры, демультиплексоры, схемы сравнения кодов, программируемые логические матрицы (ПЛМ), аналою- во-цифровые и цифроаналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП) и пр. Регистр — узел ЭВМ, предназначенный для хранения двоич- ных слов и выполнения над ними некоторых логических опера- ций. Регистр представляет собой совокупность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове, и вспомогатель- ных схем, обеспечивающих выполнение некоторых операций, таких как: • установка регистра в 0 — сброс; • прием слова; • выдача слова. • сдви! слова влево или вправо на требуемое количество раз- рядов; • преобразование последовательного кода в параллельный и наоборот: • разрядные логические операции
74 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... По способу приема и выдачи информации регистры делят- ся на: • параллельные; • сдвиговые; • комбинированные. Параллельные регистры. Используются для выполне- ния операций приема, хранения, выдачи и поразрядных логиче- ских операций над словами и представляю! собой совокупность RS-, D- и /’-триггеров, имеющих свя данные входные и выходные цепи (рис. 1.16). Рис. 1.16. Параллельный регистр ПЧ — прием числа; СБ — сброс регистра в 0; ВПК — выдача прямого кода; ВОК — выдача обратного кода
I 4. Узлы ЭВМ 75 Сдвиговые регистры. Используются для выполнения следующих операций: 1) умножение на 2*, если сдвиг осуществляется на к разрядов в сторону старших разрядов; 2) умножение на 2"\ если сдвиг осуществляется на к разря- дов в сторону младших разрядов; 3) преобра ювание кода из параллельного в последователь- ный и обратно. Самая простая схема сдвигового регистра строится на D- грш - герах и имеет вид, приведенный на рис. 1.17. Синхроимпульсы Рис. 1.17. Простейший сдвиговый регистр Прямой выход С, предыдущего разряда поступает на инфор- мационный вход D последующего разряда Благодаря этому каж- дый синхросигнал устанавливает последующий триггер в состоя- ние, в котором до это! о находился предыдущий разряд, осущест- вляя тем самы м сдвиг информации на разр ш влево (или вправо). Реверсивные регистры сдвига. Обеспечивают воз- можность сдвига информации как влево, так и вправо (рис. 1 18). Если сигнал на шине N равен «1», то потенциал на входе D /-го триггера определяется выходом Q грш гера. стоящего слева от него (/- 1). Если сигнал равен «О», го потенциал на входе D Цепь сдвига Рис 1 18. Реверсивный регистр сдвига
76 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... /-го триггера определяется выходом Qi+l триггера, стоящего спра- ва от него (/ + 1) Счетчик — накопительный узел ЭВМ. предназначенный для подсчета числа импульсов, поступивших на его вход. По струк- туре ра ишчают счетчики с: • последовательным переносом; • сквозным переносом; • параллельным переносом; • групповым переносом. В зависимости от алгоритма реализации выделяют счетчики: • суммирующие; • вычитающие; • реверсивные; • с предустановкой. В зависимости от модуля счета счетчики бывают: • двоичные; • десятичные. К характеристикам счетчиков относят: • коэффициент пересчета (число состояний счетчика) М (ко- личество импульсов, поступивших на вход счетчика, кото- рые переводят его в исходное состояние). Между числом разрядов счетчика п и коэффициентом пересчета М суще- ствует соотношение п > log( М ч 1); . время реакции (регистрации) — интервал времени меж- ду поступлением входного сигнала и окончанием самого длительного переходного процесса в счетчике, • разрешающую способность — минимальный допустимый период (или максимальная частота) следования вход- ных сигналов, при котором счетчик работает без сбоев. Счетчик с последовательным переносом. Строит- ся на основе /’-триггеров (рис. 1.19). Здесь где п — разрядность счетчика, тт — время пе- реключения триггера. Чем больше разрядность слова, те м больше Риг. 1 19 Счетчик с последовательным переносом
1.4. Узлы ЭГ.М 77 время регистрации, поэтому счетчик имеет наиболее низкое бы- стродействие. Счетчик со сквозным переносом. Увеличить быст- родействие счетчика можно за счет организации цепей сквозно- го переноса между разрядами счетчика (рис. 1.20). В этом случае t = тт + (п - 1)ти, где ти — время срабат ывания схемы «И». Вентиль сквозного переноса Рис. 1.20. Счетчик со сквозным переносом Счетчик с параллельным переносом имеет макси- мальное быстроде йствие. Здесь t^r= тт + ти. Счетчик с групповым перено*, ом. Из-за конечности коэффициентов объединения элементов «И» число разрядов в счетчике с параллельным переносом не может быть очень боль- шим (обычно не более 8 разрядов). Если же требуется ботьше разрядов, то целесообразно использовать групповой перенос, при котором переносы внутри группы формируются параллель- но. а между группами или последова гельно, или параллельно. Вычитающий счетчик. Строится по принципу сумми- рующего счетчика, только подача сигналов осуществляется с ин- версных выходов предыдущих разрядот Реверсивный счетчик. В зависимости от наличия сиг- нала сложения или вычитания ведет счет в прямом или обрат- ном направлениях. Счетчик с предустановкой. Использусгея. например, в качестве счетчика команд (СчАК) — см. рис. 3.1. Позво- ляет вначале переслать некоторый код в счетчик, а затем про- должить прерванный счет, начиная с этого кода, записанного в счетчике. Пересчет на я схема. Отличается от счетчиков способом снятия результата. В счетчиках показания снимаются в пара~- лельном коде В пересчетных схемах единичный сигнал форми-
78 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... руется на выходе после подачи определенного количества им- пульсов на вход” Сумматор — узел ЭВМ. выполняющий суммирование дво- ичных кодов чисел. Он является узлом преобразования инфор- мации. Различают комбинационные и накапливающие сумма- торы. В комбинационных сумматорах оба слагаемых подают- ся одновременно. При этом на выходах сумматоров фиксируется сумма, которая существует до тех пор. пока на входах действую г слагаемые. Впакапливаюших сумматорах вначале подается 1 -е сла- гаемое, которое запоминается сумматором. После подачи 2-го слагаемого в сум маторе образуется сумма, которая тоже заломи - настся. В зависимости от способов обработки разрядов слагаемых различают сумматоры: • последовательного действия (разряды обрабатываются по- следовательно один за другим, начиная с младшего); • параллельного действия (все слагаемые обрабатываются одновременно, как правило, за оди н рабочий т акп • последовательно параллельного дейс гвия (одновременно об- рабатывается I руппа разрядов, а между группами обработка идет последовательно). В зависимости от способа реализации переносов различают сумматоры с: • последовательным переносом; • сквозным переносом: • параллельным переносом; • групповым переносом. Многоразрядные сумматоры строятся как совокупность од- норазрядных (см рис. 1.15). комбинационный сумматор параллельного дей- ствия с последовательным переносом. Такие суммато- ры строятся на основе композиции одноразрял пых полных сум- мат зров Обработ ка слагаемых происходит одновременно во всех разрядах. Сигнал переноса, котопый выраба гывается в младших разрядах, последовательно распространяется в цепях переноса к старшим разрядам. Например, схема вычисления суммы 5 = (5, s2 $, з0) двух двоичных трехразрядных чисел А=(а2а,а0) и В - (bf bry) может имет ь вид. прив». денныи на рис. 121.
1.4. Узлы ЭВМ 79 Рис. 1.21. Изображение полного двоичного многоразрядного сумматора на схе- мах (в); фрагмент (три разряда) принципиальной схемы многоразрядного сум- матора (б) Комбинационный сумматор параллельного дей- ствия с параллельным переносом. Применяется схема параллельного переноса (СПП), формирующая перенос каждого разряда сумматора независимо и параллельно (рис. 1.22). Слож- ность СПП уменьшается, если использовать зависимости между последующим (Р.) и предыдущим (Р) переносами, которые вы- ражаются так; =а, v b, л Р,. Рис. 1.22. Сумматор параллельного действия с параллельным переносом
80 Глава I. Вычислительные приборы и устройства... Отсюда = а0 v А() л Ро; Р? = в, v А, л ; Р2 - а2 \ b2 л Р2 ..., или Р2 — G| v А, л Ао л Ро, Р} = a2v (Ь2 л в,)v (А2 л А л g0) v (А2 л А, л Ьй л Рп); PtJ,i = Ч v (А л а, i)v (А А А । л а 2) v ... v (Z> л A,_t л ... л Ао л Ро). Комбинационный сумматор параллельного дей- ствия со сквозным последовательным переносом (рис. 1 23) Повысить быстродейст вие сумматора можно за счет упрощения цепей распространения переносов, если один вход с одноразрядного сумматора выделяется для этих целей: Р, = А, л В, v (Д v В) л В,-, где xi = А, /\ Bt -— сигнал переноса, непо- средственно обрабатывается в / м разряде; К = А \/ В — при- знак распространения си1 нала переноса через /-й разряд Рис 1.23. Комбинационный сумматор параллельного действия со сквозным последовательным переносом Комбинационный п- разрядный сумматор с груп- повым переносом В таком сумматоре ввод аг обходные цепи распространения си> нала переноса, для этого сумматор разбива- ется на группы разрядов равной длины, как правило, по 4 или 8 разрядов. Внутри каждой группы создается параллельный пере- нос, а между группами может быть параллельный или последова- тельный перенос. Сигнал переноса, поступающий на вход млад- шего разряда группы при наличии условий распространения пе- реносов во всех разрядах группы, подается на вход следующей группы в обход данной группы. Внутри группы находится блок, который вырабатывает сигнал переноса, и схема, которая выра-
1.4. Узлы ЭВМ 81 батывает распространение переноса Р. Такой блок называется схемой ускоренного переноса (СУП). В СУП выпол- няется параллельный перенос, а между группами может осущест- вляться параллельный или последовательный перенос. Дешифратор — комбинационный узел, который предназна- чен для преобразования двоичного кода (а) на входе в управляю- щий сигнал (?) на одном из выходов (рис. 1.24, а). Если входов л. то выходных шин должно быть 7V = 2" (табл. 1.24. я = 3, N- 8). Если на вход дешифратора подастся двоичный код. то но одном из выходов вырабатывается сигнал «1», а на остальных выходах сохраняется «О» (дешифратор преобразует код на входах в уни- тарный код на выходах). Рис. 1.24. Ус ювное обозначение лсшиЛратора в схемах (д); схема чиненного дешифратора (б) Для трехвходового дешифратора можно записать логическое выражение выходов (см. также табч 1.24):
82 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... Таблица 1.24 Пример таблицы состоянии дешифратора По структурному построению дешифраторы делятся на ли- нейные и многокаскадные. У линейных дешифраторов все переменные х,, х2, х3 подаются одновременно (рис. 1.24, б). Схема дешифратора представляет собой набор из восьми трехвходовых элементов «И», на входы которых подаются все возможные комбинации прямых и ин- версных значений входного кода (рис. 1.24, б}. Они обладают более высоким быстродействием, но более трех переменных одновременно подать нельзя, поэтому чаще применяются многокаскадные дешифраторы. Здесь количество элементов в каждом следующем разряде больше, чем в предыду- щем. На вход первого каскада подается один слог, на вход сле- дующего каскада — второй слог и результаты конъюнкций, про- изведенных в первом каскаде. Простейший линейный дешифратор можно построить на ди одной матрице (рис. 1.25, а). В этой схеме используется отрица- Рис. 1.25, Диодная матрица (а), многокаскадный дешифратор (б)
1.4. Узлы ЭВМ 83 тельная логика. При подаче «1» на анод (коллектор) диода он за- крывается. Если закрыты все три диода, подсоединенные к ог ной горизонтальной линии то на этой линии появляйся потенциал -Е, соответствующий уровню «1». Многокаскадный дешифратор можно opi анизоват ь так. как это изображено на рис. 1.25, б. Два линейных дешифратора об- рабатывают по два слова. В последнем каскаде образуются конъ- юнкции выходного сигнала первого каскада. Многокаскадные дешифраторы обладают меньшим быстродействием. Шифратор — это узел ЭВМ с несколькими входами и выхо- дами. преобразующий сшнал на одном из входов в код этого вхо- да (рис. 1.26, а). Шифратор выполняет ф] нкцию. обратную отно- сительно дешифратора. Примером шифратора является клавиа- тура, преобразующая сигналы клавиш в код этой клавиши. Рис. 1.26. Шифратор: а — условное обозн ачение на схемах, б — схема шифратора Для построения шифраторов могут использоваться схемы «ИЛИ», на которые подаются прямые значения входного сигна- ла (рис. 1.26. б). Таблица истинности работы шифратора, который имеет 3 входа и 2 выхода, приводится в табл. 1.25. Таблица 1.25. Таб шца истинности шифратора X, *2 Х| 3’1 3’0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 Мультиплексор — узел ЭВМ осуществляющий передачу сиг- налов С ОДНОЙ ИЗ ВХОДНЫХ ЛИНИЙ В ВЫХОДНХ'Ю (рис 1 27) Выбор
84 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... Рис. 1.27. Мультиплексор. а, б — обозначения на схемах; в — схемная реализация выходной пинии производится управляющим кодом, пост; таю- щим на входы мультиплексора, т. е. в мультиплексорах различа- ют управляющие и информационные входы. Если управляющих кодов к. то информационных кодов 2*. Мульти- плексор обеспечивает временное объединение каналов и являет- ся основным узлом, реализующим аппаратную функ иию перс та- чи ланных. Демультиплексор — узел ЭВМ. осуществляющий передачу ин- формации. поступающей на общий вход, на одну из выходных линий (рис. 1.28). Выполняет фу нкцию, обрат ную ф1 нкиии муль- типлексора, и используется для временного разделения информа- ции. поступающей от очного источника, по кана 1ам Выбор ли- нии выхода прои (води’ся кодом, поступающим на управляющие входы демультиплексора, т. е. он имеет одну информационную пинию и несколько управляющих
1.4. Узлы ЭВМ 85 Рис. 1.28. Демультиплексор: а, б — обозначения на схемах, в — схемная реализация Схема сравнения чисел (цифровой компаратор) — узел ЭВМ. предназначенный для выдачи выходных сигналов «равно» (F). «больше» (G), «меньше» (L) в зависимости от соотношения сравниваемых кодов А и В (рис. 1.29). Для того чтобы синтези- ровать «-разрядную схему сравнения, вначале надо составить таблицу истинности для / го разряда (табл. 1.26). Таблица 1.26. Таблица истинности сравнения для <-го разряда комгаоатора <з Л, д /, 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1
86 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... Рис 1.29. Компаратор: а — обозначение на схемах; б — схемная реализация Значения выходов / го разряда, очевидно, равны: gt - а л Ь,; /, = а, л b,, е, -а, л й, л о, л Ь,, т. е. g, = 1, если а, =1 и Ь, = 0; /, = 1, если at = 0 и b, = 1; et = 1, если л. = Ь:
I 4. Узлы ЭВМ 87 Значение Е, равное «1», означает равенство двух «-разрядных кодов, и оно вычисляется как конъюнкция одноразрядных функций равнозначностей е-. Е =₽| л е2 л ... л е п. Функция G определяется в соответствии с правила ми форми- рования переноса в параллельном сумматоре, только продвиже- ние переносов осуществляется от старших к младшим разрядам: G = g„ v (g„ । apJv (gn_2 ac„_, ac„)v ... ... v g, a (e2 a e} a ... a e„_, a ). Отношение L определяется как совместное наступление со- бытий Е и G Ь = ЁлС. Программируемые логические матрицы (ПЛМ). ПЛМ — узел ЭВМ. предназначенный для реализации системы булевых функ- ций. ПЛМ - это комбинационная схема с роулярной структу- рой, которая реализуется обычно в виде интегральной схемы. В ней входы х„ х2, х3, х„ и выходы у2, у2, >•„ связаны двумя матрицами и логическими элементами «НЕ», «И», «ИЛИ». Структурно ПЛМ состоит из двух матриц Mt и М2 (рис 1.30). М, — матрица «И» — формирует к промежуточных конъюнкций Рис 1.30. Структура прсяраимируемой логической .матрицы (ПЛМ)
88 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... от п входных переменных (или их инверсий), а М? (матрица «ИЛ Ил) — т дизъюнкций от к конъюнкций. При построении матриц М, и Л/? на пересечении горизон- тальных и вертикальных линий включаются транзисторы. В мат- рице М входные сигналы и их инверсии коммутируются через транзисторы с горизонтальными . тиниями zk, образуя ло> ическое произведение входов: Zk = X -А X- г Xi А ... А Х„. Количество функций zk будет зависеть от числа ло1 ических объектов, формирующих вертикальные линии. Далее, выходные сигналы ут в матрице М2, соответствующие функциям Уш = Zt V z2 V Zi V ...V zk. Информация заносится в ПЛМ путем установки связей меж- ду горизонтальными и вертикальными линиями Это г процесс называется программированием матриц. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП. DAC) — i ipeana зна- чен для преобразования числа, представленного //-разрядным двоичным кодом, в выходное напряжение — пропорциона ьну ю аыалогфвую величину. Схемы ЦАП строятся с использованием операционных усилителей (ОУ1 В основу преобразования поло- жено ступенчатое изменение коэффициента передачи ОУ про- порционально коду числа на входе путем коммутации сопрот ив- лении на входе ОУ. В состав ЦАП входят (рис. 1.31): • регистр RG предназначенный для хранения входного пре- обра дуемого двоичного кода; Рис. 1.31. Принципиальная схема цифроаналогового преобразователя
1.4. Узлы ЭВМ 89 • ОУ с сопротивлением обратной связи Ro, • матрица сопротивлений /?2, /?„ (7?, = 2/?i+1); • источник стабильного напряжения t/on; • транзисторные ключи. Выходное напряжение ЦАП равно сумме напряжений вклю- ченных разрядов с учетом их веса: П D к, где bi (0 или 1) — значение /-го разряда регистра RG. Точность преобразования ЦАН определяется: • стабильностью опорного напряжения f/on; • точностью изготовления сопротивлений /?,; • количеством преобразуемых двоичных разрядов (п); • точностью операционного усилителя. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП, ADC) — основы- вается на операциях дискретизации сигнала по времени и кван- товании по уровню (рис. 1.32). В процессе дискретизации через определенные интервапы времени измеряются мгновенные зна- чения непрерывного си/ нала. Рис 1.32. АЦП с обратной связью Суть операции квантования состоит в создании множества уровней, смещенных относительно друг друга на величину тага квантования По принципу действия АЦП делятся на два класса: • прямого преобразования (без обратных связей); • уравновешивающие (с обратными связями).
90 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... Рассмотрим в качестве прим< ра АЦП поразрядного уравно- вешивания с использованием реверсивного счетчика, в состав которого входят (см. рис. 1.38): • ГТЧ — генератор тактовой частоты: • СТ — реверсивный счетчик, на выходе которого формиру- ется цифровое представление входного сигнала; • ЦАП — цифроаналоговый преобразователь — преобразует выходной код счетчика в напряжение обратной связи t/I • АК — амплиту цный компаратор, который сравнивает на- пряжение с выхода ЦАП с преобразуемым входным напря- жением Ux. Компара гор пеоеключает реверсивный счетчик: • при Uк - UЛ > 0 счетчик ведет счет в прямом направлении. • при Uх - U3 < 0 счет идет в обратном направлении. 1.5. Технологии электронных схем Основой электронных технологий в настоящее время явля- ются полупроводники (semiconductors) — вещества, электропро- водность которых увеличивается с ростом температуры и являет- ся промежуточной между проводимостью металлов и изоляторов. Связь электронов в полупроводнике может быть разорвана ра (личными внешними воздействиями: светом, пот оком быст- рых частиц, электрическим полем и т. д. Полупроводники очень чувствительны к дефектам в кристаллах и примесям Возмож- ность в широких пределах управлять электропроводимостью по- лупроводников является основой их широкого применения в электронике. Наиболее часто используемыми в электронике полупровод- никами являются кре иний и германии. Н? их основе путем вне- дрения примесей в определенных точках кристаллов созтаются рагнообразные полупроводниковые элементы, к которым, в пер- вую очередь, относятся: • проводники, коммутирующие активные элементы: • вентили, выло гняющие логические операции: • транзисторы (полупроводниковые триоды), i |ретназначен- ные дтя уситения, генерирования и преобразования элек- трического тока, • резисторы, обеспечивающие режимы работы активных эле- ментов;
1.5. Технологии электронных схем 91 • приборы с зарядовой связью (ПЗС), предназначенные для кратковременного хранения электрического заряда и ис- пользуемые в светочувствительных матрицах видеокамер; • диоды и др. В настоящее время используется несколько технологий по- строения логических элементов: • транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL); • логика на основе комплементарных МОП-транзисторов (КМОП, CMOS); • логика на основе сочетания комплементарных МОП- и би- полярных транзисторов (BiCMOS). Вкратце приведем основные характеристики различных тех- нологий производства цифровых микросхем Наибольшим быстродействием и наименьшей помехоустой- чивостью обладала технология ЭСЛ (э.миттерно-связанная ло!И- ка). Принципиальная ее особенность приводит к тому, что в процессе работы накапливаются и усиливаются шумы транзи- сторов, а это означает, что достаточно сложные алгоритмы рабо- ты возможно будут выполняться с ошибками. Это привело к тому, что в настоящее время эта технология производства циф- ровых микросхем применяется весьма редко. Следующий вид технологии производства цифровых микро- схем — это ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) Микро- схемы, производимые по этой технологии, обладают быстродей- ствием. соизмеримым с ЭСЛ Однако энергопотребление микро- схемы в этом случае не зависит от скорости переключения логических элементов — решая задачу, требующую высокого бы- стродействия, или задачу, в которой вентили переключаются только несколько раз в секунду, микросхема потребляет одина- ковый ток. Наибольшее распространение получила технология CMOS (КМОП — комплементарные транзисторы с изолированным за- твором), особенностью которой является то, что микросхемы построены по двухтактной схеме. Поэтому в статическом состоя- нии, если один из транзисторов открыт, то закрыт второй, и на- оборот. Это означает, чго ток через вентиль не протекает ни в состоянии логической «1», ни в состоянии «О», а в состоянии покоя через микросхему протекают только токи утечки транзи- сторов. Потребление микросхем КМОП возрастает только при уве- личении скорости переключения логических вентилей. На пре-
92 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... дельных скоростях работы микросхемы ее потребление сравни- вается и даже может превосходить потребление микросхем, вы- полненных по ТТЛ-технологии. Именно поэтому в настоящее время подавляющее большинство микросхем выпускается имен- но по этой технологии. Кроме того, раз шчают: • положительную логику, или систему высоких потенциалов; • отрицательную логику, или систему низких потенциалов; • смешанную. При положительной логике напряжение высокого уровня со- ответствует логической «1», а при отрицательной логике — «нулю» Логические элементы, функционирующие в системе высоких потенциалов, дуальны элементам, работающим в системе низких потенциалов. Например, в системе высоких потенциаюв эле- мент реализует функцию «ИЛИ-НЕ», а в системе низких потен- циалов — «И-НЕ». Может быть рассмотрен рис. 1.33. на котором достаточно уп- рощенно представлены транзисторные сборки «И>: (последователь- но включенные транзисторы) и «ИЛИ» (параллельное включение). Входные и выходные сигналы «1» прег.став’гяются высоким уров- нем напряжения на коллекторе транзистора (практ ичсски разным напряжению питания). Сигналу «О», наоборот, соответствует низ кий уровень выходного напряжения. Вход 1 Транзистор 1 Выходной ток Сток (эмиттер) Транзистор 2 Вход 2 Затвор (база) сток (коллектор) а б Рис. 1.33. Пример реализации сборок «И» (а) и <-ИЛИ>' (6) Поскольку, например, в большинстве современных персо- нальных компьютеров напряжение питания составляет 3,"< Б (в более ранних версиях, до Pentium — 5 В), то выходная «1» за- дается напряжением 3,3 В
1.5. Технологии электронных схем 93 Микропроцессоры Microprocessor — процессор, выполненный в одной либо не- скольких взаимосвязанных интегральных схемах. Микропроцес- сор является устройством, предназначенным для обработки или передачи данных Все чаще используются 32- и 64-разрядные микропроцессоры, которые позволяют увеличивать адресуемую память и размер файлов, с которыми они работают. Процессор полностью собирается на одном чипе из кремния. Электронные цепи создаются в несколько слоев, состоящих из различных веществ, например, диоксид кремния играет роль изолятора, а поликремний — проводника. Технология микро- процессоров в простейшем случае включает следующие обяза- тельные этапы производства" • выращивание кремниевых заготовок и получение из них пластин; • шлифование кремниевых пластин: • нанесение защитной пленки диэлектрика (SiO2); • нанесение фоторезиста. • ли гографический процесс; • травление; • диффузию; • металлизацию. Все перечисленные этапы используются для того, чтобы соз- дать на кремниевой основе сложную структуру полупроводнико- вых планарных транзисторов (CMOS-транзисторов) и связать их должным образом между собой Процесс изготовления любой микросхемы начинается с вы- ращивания кремниевых монокристаллических болванок цилинд- рической формы (кремниевых заготовок). Это лишенный приме- сей монокристалл. При формировании пластин из монокристаллов кремния учитывается то обстоятельство, что в идеальных кристалличе ских структурах физические свойства в значительной степени зависят оз выбранного направления (свойство анизотропии). Поэтому пластина должна быть вырезана из монокристалла та- ким образом, чтобы ориентация кристаллической решетки отно- сительно поверхности была строго выдержана в определенном направлении В дальнейшем из таких монокристаллических заготовок на- резают круглые пластины, «таблетки» (waftcr — вафля, облатка^,
94 Глава 1. Вычислительные приборы и устрой тва .. толщина которых составляет приблизительно от 0,2 дс 1,0 мм а диаметр — от 5 см (ранние технологии) до 20 см (современные технологии), поверхность которых отполировывается до зеркаль- ного блеска. После полировки поверхности кремниевой основы се по- крывают тончайшим слоем оксидной пленки (SiO2), выполняю- щей функцию диэлектрика и защитной пленки при дальнейшей обработке кристалла кремния. Пластины помешают в камеру, где при высоких температуре и давлении происходит диффузия кислорода в поверхностные слои пластины, приво дящая к окис- лению кремния и образованию поверхностной пленки диокои д г кремния. Для того ч гобы пленка диоксида кремния имела точно заданную толщину и не содержа да дефектов, необходимо под- держивать строго постоянную температуру во всех тетках пла- стины в процессе окисления. После того как кремниевая основа покроется защитной пленкой диоксида кремния, необходимо удалить эту пленку с тех мест, которые будут подвергат ься дальнейшей обработке Удале- ние пленки осуществляется посредс гвом травления, а для toi о, чтобы в результате травления оксидная пленка удалялась избира - тельно, т. е. только в нужных местах, на поверхность пленки на- носят слой фоторезиста (особого состава, который изме, гяет свои свойства под воздействием УФ-излучения) Об в ченные об - ласти становятся растворимыми в кислотной среде. Пооцесс нанесения фоторезиста и его дальнейшее облучение ультрафиолетом по заданному рисунку называется фо опитогра- фией. Перед нанесением слоя фоторезис га на основу последняя подвергается предваритетьной обработке, в результате чего улуч- шается ее сцепление со слоем фоторезиста. Для засветки нуж иых участков слоя фоторезиста используется шаблон маска ко- торый содержит рисунок одного из слоев будущей микросхемы. Ультрафиолетовое излучение, проходя сквозь такой шаблон, за- свечивает только нужные участки поверхности слоя фо орелиста. После облучения фоторезист подвергается проявлению, в ре- зультате которого удаляются ненужные участки слоя. По мерс возрастания плотности размещения транзисторов, формируемых в кристалле, усложняется и л итографический про- цесс. Процесс уменьшения геометрических размеров транзисто- ров сопровождается и уменьшением размеров >1ини1>, наносимых на слой фоторе 'иста. Минимал ьная то. гщин а линии, получаемая в процессе литографии, определяется размером пятна, в кото-
1.5. Технологии электронных схем 95 рый удается сфокусировать лазерный луч. П< >мимо прочих фак- торов размер пятна фокусировки зависит от длины волны. Поэтому при производстве современных микропроцессоров для облучения используют ультрафиолетовое излучение. Для производства микросхем по 130-нанометровому технологическо- му процессу используется глубокое ультрафиолетовое излучение (Deep Ultra Violet — DUV) с длиной волны 248 нм На подходе литографический процесс с длиной волны 13 нм, получивший название EUV-литографии (Extreme UltraViolet — сверхжесткое ультрафиолетовое излучение). Обычная литографическая техно- логия позволяет наносить шаблон с минимальной шириной про- водников 100 нм, а EUV-литография делает возможной печать линий гораздо меньшей ширины — до 30 нм. После засвечивания слоя фоторезиста приходит очередь эта- па травления (etching) с целью удаления пленки диоксида крем- ния. При производстве процессоров используется сухой метол травления, который позволяет точно контролировать процесс травления, а разрушение вытравливаемого слоя происходит здесь в строго вертикальном направлении При использовании сухого травления для удаления с поверхности пластины диоксида крем- ния применяется ионизированный газ (плагма). Газ вступает в реакцию с поверхностью диоксида кремния, в результате че! о об- разуются летучие побочные продукты. После процедуры травле- ния, т. е когда оголены нужные области чистого кремния, удаля- ется оставшаяся часть фотослоя, и на кремниевой основе остает- ся рисунок, выполненный диоксидом кремния Формирование необходимого рисунка на кремниевой основе необходимо для создания в нужных местах полупроводниковых структур путем внедрения донорной или акцеп горной примеси Процесс внедрения примесей осуществляется посредством диффузии — равномерного внедрения атомов примеси в кристал- лическую решетку кремния. Для процесса диффузии легирующей примеси применяется ионная имплантация, при которой ионы нужной примеси излучаются высоковольтным ускорителем и, об- ладая достаточной энергией, проникают в поверхностные слои кремния. Этап ионной имплантации завершается созданием не- обходимого слоя полупроводниковой структуры, в котором со- средоточены десятки миллионов транзисторов. Далее необходимо в нужной последовательности соединить их между собой провод- никами. Если приня гь во внимание, что каждый транзистор име - ет сток, исток, затвор и каждый из этих электродов должен быть
96 Глава I. Вычислительные приборы и устройства,.. соединен проводником с другими компонентами, то очевидно ог- ромное количество требуемых соединении. Осуществить требуемую разводку в пределах того же слоя, где расположены сами транзисторы, нереально — неизбежны пере- крещения между проводниками, потому для соединения транзи- сторов друг с другом применяют несколько слоев металлизации, т. е. слоев с металлическими проводниками, причем, чем больше транзисторов насчитывается в микросхеме, тем больше слоев ме- таллизации используется. Для соединения транзисторов друг с другом прежде всего не- обходимо создать проводящие контакты стоков, истоков и затво- ров Для этого по маске в нужных местах вытравливается слой диоксида кремния, и соответствующие окна заполняются атома- ми металла Для создания очередного слоя на полученном ри- сунке схемы выращивается дополнительный тонкий слой диок- сида кремния После этого наносятся слой проводящего металла и еще один слой фоторезиста. Ультрафиолетовое излучение про- пускается сквозь вторую маску и высвечивает соответствующий рисунок на фоторезисте. Затем опять следуют этапы растворения фот орезиста и т равления металла. В результате в новом слое об- разую гея нужные проводящие полоски, напоминающие рельсы, а для межслойных соединений, т. е соединений слоев друг с другом, в слоях оставляются окна, которые затем заполняются атомами металла. К примеру, при 0,25-микронном технологиче- ском процессе для осуществления разводки используется пять дополнительных слоев Процесс нанесения слоев заканчивается, когда схема собра- на полностью Поскольку за один раз на одной «таблетке» созда- е гея несколько десятков процессоров, на следующем этапе они разделяются (получаются полуфабрикаты — матрицы — dice) и тестируются. На ранних этапах развития технологий отбраковы- валось более 50 % схем, сейчас процент выхода выше, но нико гда не достигает 100 % Прошедшая тестирование матрица помешается в керамиче- ский прямоугольный футляр, из которого выходят «ножки», мик- роразъемы (pin grid arrays — PGA) интерфейса процессора, с помо- щью которых процессор помещается и закрепляется в гнезде (socket) на системной плате компьютера (иногда интерфейс оф< >рмляется в виде линейного разъема — slot). Количество кон- тактов — от 169 (Socket 1, процессор Intel 80486) до 603 (Soc- ket 603. Pentium IV Хеоп). В последнем случае часть соединений
1.5. Технологии электронных схем 97 зарезервирована для последующего расширения возможностей — размещения на плате процессора кэш-памяти уровня 3 (L3 cache), соединения с дру1ими процессорами (для мноюпроцсссорных систем) и пр. В настоящее время используется технология микроразъемов (micro pin grid array — pPGA), сущее гвенно снижающая физиче- ские размеры интерфейса процессора (Socket 478 — Pentium IV Northwood). В новом поколении процессоров используются такие ново- введения, как SOI-траншсторы (Silicon On Isolator), в которых за счет дополнительного слоя оксида снижаются емкость и токи утечки, а также транзисторы с двумерными затворами и другие новшества, позволяющие повысить быстродейст вие транзисторов при одновременном уменьшении их геометрических размеров. Чипы памяти DRAM изготовляются на основе технологии, сходной с изготовлением процессора, — кремневая основа с на- несенными примесями обрабатывается с маской, которая обра- зует множество пар «транзистор—емкость», каждая из которых размещает 1 бит информации. Стоимость этих схем юраздо ниже, чем процессоров, поскольку они состоят из однородных повторяющихся структур, а также дешевле схем SRAM, посколь - ку в последних содержит ся в 2 раза больше транзисторов (каж- дый бит здесь содержимся в триггере, который треб} ет по ме нь- шей мере два транзистора) В Германии, в предместье Дрездена, расположена крупнейшая фабрика по производству микропроцессоров компании AMD ^Advanced Micro Device), потупившая на «вание Fab 30, на которой производятся процессоры AMD Athlon ХР, Athlon MP, Athlon 64 и AMD Opteron. Фабрика была заложена в 1996 г. и к 2003 г. вло- жения AMD составили 2.5 мдрд долл. На сегодняшний день это самый крупный иностранный проект в восточной части Герма- нии. Процессоры AMD Athlon ХР с ядром Thoroughbred произво- дятся на Fab 30 с использованием 0.13-микронного технологиче- ского процесса на пластинах (wafers) диаметром 200 мм. Наряду с этим на фабрике также выпускаются процессоры с использовани- ем 0,18-микронной технологии (в дальнейшем — 90-нанометровая тсхнологця) Производственная мощность фабрики составт«ет 5 тыс. 200-миллиметровых пластин в неделю, на каждой из кото рых расположено 315 процессоров (Thoroughbred'' В процессорах AMD с ядром «К-7», Athlon 64 и AMD Opteron применяют 8-слойные соединения. Есл и чри произвол-
98 Глава J. Вычислите н>ные приборы и устройства... стве микросхем по 0,25-микронному технологическому процессу компания AMD применяла алюминий, то при переходе на тех- нологический процесс 0,18 мкм (и менее) она стала использо- вать медные соединения. Компания Intel также перешла на мед- ные соединения, но несколько позже — при производстве 1 ро- цессоров по 0,13-микронному технологическому процессу. Т ерагерц-технологии Первый процессор Intel 4004. выпушенный в 1971 г., содер- жал 2300 транзисторов. Через 30 лет процессоры Intel Pentium IV и AMD Athlon содержали от 42 до 150 млн элементов. Основная страте! ия поставщиков микросхем всегда заключалась в умень- шении размера транзистора (схемного элемента) и повышении плотности упаковки на кристалле. В процессоре Intel 4004 (1971) использовалась технология 10-мкм (размер структурного элемента схемы не более 10 мкм - - 10 ' м); в процессоре Pentium II (1998 г.) — технология 0,25 мкм (250 нм = 250 х 10‘* м); в процессорах Intel Pentium IV Prescott и AMD Athlon 64 Toledo (2004 г.) — нанотехнологии — 0,09 мкм (90 нм) (см. также табл. 1.4 и 1.6). На повестке дня — техно ю- гии 10 нм. Для сравнения следует указат ь, ч го средний ра тмер частиц пыли составляет 100 мкм (что накладывает очевидные ус- ловия чистоты производства). В конечном итоге критическими факторами стали энергопо- гребление и ра югрев платы. В конце 2002 г. Intel Corporation объявила, что ее инженеры разработали инновационную структуру транзисторов и новые материалы позволяющие снизить пот реблснис энергии и выде- ление тепла. Новые струкг ры по 1учили название Intel TeraHertz transistor (терагерц-транзисторы) в связи с их способностью пе- реключаться со скоростью выше триллиона раз в секунду Пред- полагается, что новая технология позволит увеличить плотность в 25 раз, использовать '-технологию 20 нм» (элемент схемы в 250 раз меньше толщины человеческого волоса) и разместить на кристалле до миллиарда транзисторов. Транзистор представляет собой простейшее устройство, раз- мещающееся на поверхности кремниевой пластины и функиио нируюшее как электронный ключ. Обычно он содержит три вы- вода — источник (»мигтер), сток (коллектор! и «атвор (бз<а) Ис-
1.5. Технологии электронных схем 99 точник и сток образуются путем внедрения в поверхнос гь кремния определенных примесей, а затвор содержит материал, именуемый полисиликоном. Ниже зал вора расположи слой ди- элекл рика. из> отовленного из диоксида кремния. Данная стрз кту - ра полечи.ia название «кремний-на-изоллторе» (SOI, silicon-on- insulator). Когда к транзистору приложено напряжение, затвор «открыт», и транзистор пропускает ток. Если напряжение снято, затвор «закрыт» и тока нет. Терагерц-транзистор отличается в л рех важных мс ментах: (рис 1.34). • источник и сток образуются из более толстых слоев в крем ниевой пластине, что уменьшает электрическое сопротив- ление, потребление элекл роэнергии и тепловыделение; • ниже источника и стока помещается сверхтонкий слой изолятора. ЭУо обеспечивает более высокие интенсив поел и тока в открытом состоянии транзистора и увеличивает ско- рость’ переключения. Кроме того, изолятор понижает утеч- ки гока при закрытом траншсторс (в 10 гыс. раз по сравне- нию с SOI). Это уменьшает вероятность случайного пере- ключения пол влиянием блуждающих тепловых электронов и повышает надежность схемы; • химическое соединение, расположенное между затворам, источником, стоком, заменяется на новый материал «high-k gate dielectric» (оксид алюминия или титана), для нанесения которого используется технология наращивания слоя по од- ной молекуле. Рис. 1.34. Обычный транзистор (д), тсрагсри-транзистор (б) Приподнятые ИСТОК И СТОК Диэлектрический затвор Эли архитектурные новшества поеслсдуют основною цель — более эффективное испол ь ювание электричес гва. Поелпола! ает- ся, что к 2007 ] будут выпушены процессоры, содержащие бо-
100 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... лее 1 млрд транзисторов, но потребляющие энергии не болге чем ЦП Pentium IV. Частота в 20 ГГц может быть достигнута к концу десятилетия. Технология медных проводников Транзисторы на поверхности чипа — сложная комбинация из кремния, металлов и микродобавок, точно расположенных, чтобы образовать миллионы крохотных переклюиагелей. По- скольку создавались все меньшие и быстрые транзисторы, упа- кованные все плотнее, их соединение между собой стало превра- щаться в проблему. Для установления соединений дзитепьное время использо- вался алюминий, однако к середине 1990-х гг. стало очевидным, что скоро будут достигнуты технологические и физические пре- делы существующей технологии. Относительно высокое удель- ное сопротивление алюминия при уменьшении диаметра про- водников приводит к потерям и пере ~реву схем. Ученые видели эту проблему и стремились найти способ заменить алюминий одним из грех металлов, которые проводят электричество луч- ше — медью, серебром или золотом Однако тигельное время никому не удавалось сослать конкурентоспособный чип с мед- ными проводниками. Все это изменилось в сентябре 1998 г., когда фирма IBM объявила о разработке нового технологическою процесса, вкчю- чающего создание медных проводников на чипе (Damascene процесс — 0,18 мкм CMOS 7SF). Медные соединения позвопяют уменьшить размеры кристалла и потребляемую мощность при сохранении параметров изделия. IBM часто оказывалась впереди всех по ра сработанным тех- нологическим решениям, но еще чаше терпела фиаско в их ком- мерческом использовании На сей раз те кнол эгия была быт ро внедрена и последующим развитием был союз с четырьмя ком- паниями, который включал изготовителя оборудования Nov ell us Systems, а в 1999 г. IBM предложила технолшию 7SF-npouecca третьим лицам как свой взнос в производство кремниевых мик- росхем Основное преимущество медных соединений в данном слу- чае заключается в том, что медь обладает меньшей удельной проводимостью по сравнению с алюминием. При уменьшении
1.5. Технологии электронных схем 101 плошали сечения проводников (с уменьшением размера транзи- сторов) увеличивается и сопротивление проводников. Кроме того, медные проводники способны выдерживать зна- чительно большую плотность гока, чем алюми чиевые, и к тому же обладают более высокой устойчивостою к разрушению под воздействием тока, что позволяет продлить время жизни микро- схемы. В результате применения медных соединений также уменьшается время задержки распространения сиз налов, что приобретает особую актуальность при повышении тактозой час- тоты. Разница в задержках распространения сигналов при ис- пользовании медных и алюминиевых соединений возрастает по мере уменьшения геометрических размеров транзисторов Наряду с рассмотренными преимуществами медь обладает рядом свойств, создающих немало сложностей в процессе про- изводства микросхем. Медь легко диффундирует в глубь кри- сталла что вызывает порчу микросхемы и, в отличие от алюми- ния, плохо поддается травлению, поэтому технологии создания медных и алюминиевых внутрислойных соединений в корне раз личаются. В случае использования алюминия травлению по ма с- ке подлежит собственно алюминий, а при применении меди гравлению подлежит оксидная пленка, в результате чего образу- ются бороздки, которые впоследствии заполняются медью Эта технология получила название Damascus, или узорная инкруста- ция. Поэтому процесс изготовления микросхем с использовани- ем алюминиевых соединении технологически несовместим с аналогичным процессом с использованием медных соечинений. Создание каж'юго нового слоя начинается с получения ок- сидной пленки, которая покрывается слоем фоторезиста. Дал^е, посредством литографического процесса в оксидной пленке вы - травливаются бороздки и углубления требуемой формы. Эти бо- роздки и yiдубления необходимо заполнить медью. Но прежде для предотвращения нежелательной диффузии меди, они запоп няются тонким слоем ан гидиффузионного вещества (diffusing barrier), изготовленного из устойчивого материала — титана или нит рила вольфрама. Толщина такой ант идиффузионно з г ле н- ки — всего 10 нм. Микроскопическая начальная пленка меди размещается выше, чтобы удерживать медный слой, который за- тем наносится на весь чип (рис. 135). Для осаждения меди используют гальванизацию из раствора медного купороса Cu;SO4, причем сама пластина, на которую осаждаются ионы меди Си”, выступает в роли катода При галь-
102 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства в Рис. 1.35. Технология медных проводчиков. а — вытравливание соединений путем фотолитографии; б — нанесение защитно- го слоя; в — нанесение микроскопической пленки меди; г — нанесение рабочего слоя меди; д — удаление избыточного металла ванизации необходимо, чтобы медь равномерно осаждалась но всей пластине, поэтому подбирают такую плотность электролита, чтобы минимизировать разницу тока в центре и по краям и тем самым обеспечить равномерность осаждения меди При электро- лизе происходит постепенное заполнение атомами меди вытрав- ленных канавок, в результате чего образуются проводящие рель- сы. После заполнения медью канавок лишний слой меди удаля- ется с пластины посредством шлифования, а затем наносится очередной слой оксидной пленки и проводится формирование следующего слоя В результате образуется многослойная система. Сверхбольшие интегральные схемы — wafer-scale integration Модули памяти. Полупроводниковая пластина создается из гладкого тонкого (около четверти миллиметра) диска кремния диаметром примерно 150 мм. который, в отличие от обычной технологии, не разрезается на части На пластине создаются структура полупроводника и матрица, содержащая элементы па- мяти и вспомо] ательныс логические элементы. Применение в интегральной схеме целой пластины кремния позволяет исклю- чить ряд технологических операций, в том числе 40 % дорого- стоящих операций, связанных с соединением компонентов на печатных платах. После обработки пластина может содержать немало элементов, оказавшихся бракованными. Поэтому в полу- проводниковой пластине каждый элемент памят и содержит про- граммируемые ло| ические элементы. Модули памяти, создаваемые на полупроводниковых пласти- нах, образуют полупроводниковый диск Он значительно дороже
1.5. Технологии электронных схем 103 магнитного диска, однако по сравнению с ним полупроводнико- вый диск имеет ряд важных достоинств: • может работать в любом положении, что важно для транс- портных среде гв; • не содержит механических деталей и не вращается и поэто- му более надежен в работе; • обеспечивает значительно меньшее время доступа к данным. Бескорпусная интегральная схема bare integrated circuit — схе- ма-полуфабрикат без защитной оболочки. Разнообразие используемых систем привело к необходимо- сти производства на заказ специальных интегральных схем, тре- буемых в небольшом количестве. Их производство становится экономически выгодным, например, если эти схемы собираются из компонент массового производства. С этой целью произво- дятся бескорпусные, или «голые», интегральные схемы. Благодаря этому изготовители аппаратуры получили возмож- ность создавать собственные многомикросхемные комплексы, которые собираются из серийных компонентов и лишь затем по- мещаются в какой-нибудь корпус либо другую защитную оболоч - ку. По такой технологии могут выпускаться микропроцессоры. ЗУ, специальные логические модули, микроконтроллеры, моде- мы и т. д. Программируемая интегральная схема programmable integrated circuit — полуготовая ИС, программируемая ее разработчиком либо пользователем. Создание программируемых интегральных схем связано с не- обходимостью получения небольших партий специальных инте- гральных схем в очень короткие сроки Сущность технологии создания схем, программируемых их изготовителями, заключает- ся в следующем Выпускается универсальная вентильная матри на. Затем при получении заказа на специальную схему в этой матрице с помощью соответствующего рисунка слоя металлиза- ции осуществляется минимальное число дополнительных техно- логических операций В результате в нужном количестве произ- водится необходимая интегральная схема. Применение лазеров в создании интегральных схем позволя- ет сократить время выполнения заказа на интегразьную схему до нескольких часов. С этой целью заранее изготавливается матри- ца изолированных транзисторов. При получении заказа на ма- лую серию осуществляется безмасочная лазерная обработка поч- ти готовой интегральной схемы. Используются две технологии —
104 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... расплавления или формирования перемычек между транзист эра- ми. Обе технологии изменяют лишь самый верхний металличе- ский слой на кристалле. Метод химического травления перемы- чек заключается в том, что кристалл погружают в ванну опреде- ленного химического состава и фиксируют лазерный луч в заданной точке. Происходит нагрев, осуществляющий травление перемычки Нанесение лазером перемычек гораздо сложнее. Дня этого лазер облучает нанесенную на кристалл золотосодержащую пасту либо селективно осаждает вольфрам. Печатные платы Плата, или printed circuit board — изоляционная пластина, на которой устанавливаются и соединяются друг с другом элек- тронные элементы, перечисленные выше, и приборы меньшей степени интеграции — отдельные транзисторы, резисторы кон- денсаторы и др Печатная плата изготавливается из пластмассы, гетинакса, текстолита либо друюго изолятора (керамика) На плате с одной либо обеих сторон размещаются интегральные схемы, резисторы, диоды и другие полупроводниковые приборы. Дзя их соединения на поверхность платы наносятся тонкие электропроводящие по- лоски Печатная плата может быть двух- либо многослойной. Существует несколько технологий монтажа элементов (в том числе и интегральных схем) на печатных платах. Наиболее ста- рая из них — монтаж в сквозные отверстия. Здесь элементы соз- даваемой схемы устанавливаются с одной стороны платы. Вслед за этим появился способ укладки интегральных схем прямо на поверхности этой платы. Вначале интегральные схемы припаи- вались к печатным платам. Теперь все чаще он и приклеиваются без использования припоя. Малая высота интегральных схем, монтируемых на поверхность, позволяет устанавливать их на обеих сторонах платы. Еще большие возможности миниатюризации предоставляет монтаж кристаллов на небольшие платы Здесь компактно рас- положенные кристаллы прикрепляются с помощью приварки их проволочных выводов. При этом исключается один из самых до- рогих компонентов многокристальных модулей — керамическая подложка Монтируемые на печатную плату кристаллы могут
1.6. Алгоритмы и программы 105 и мет ь толщину всего 1 мм, что используется, например, при со- здании компьютерных карточек. Печатные платы перестают быть только плоскими. Происхо- дит переход от двух измерений к криволинейным поверхност ям и созданию печатных дорожек на геометрически изогнутых фор- мах. Все это связано с тем, что по мере усложнения электронных компонентов становится все трудней размещать плоские платы в корпуса, удовлетворяющие требованиям потребителя. Для изго- товления основы трехмерных печатных плат используется пласт- масса, пригодная для литья Усложнение печатной платы ведет к повышению выделяемо- го на ней тепла. Поэтому появились так называемые холодные печатные платы. С целью охлаждения каждая пара печатных плат поверхностями интшральных схем прижимается к «своей» плоской металлической коробке того же размера, а внутри ко- робки прокачивается специальная охлаждающая жидкость. Для лучшего охлаждения интегральные схемы покрываются тепло- проводящим эластичным компаундом и прижимаются к поверх- ности коробки. Для решения задач трассировки соединений на печатных платах применяются средства автоматизированного проектиро- вания (САПР) — программы-трассировщики 1.6. Алгоритмы и программы Понятие алгоритма является одним из основных в современ- ной науке и практике. Еще на самых ранних ступенях развития математики (Древний Египет, Вавилон, Греция) в ней стали рас- сматриваться различные вычислительные процессы чисто меха- нического характера. С их помощью искомые величины ряда за дач вычислялись последовательно из исходных величин по опре деленным правилам и инструкциям. Со временем все такие процессы в математике получили название алгоритмов (алго- рифмов) Алгоритм есть совокупность четко определенных правил, процедур или команд, обеспечивающих решение поставлен- ной задачи за конечное число шагов. Термин алгоритм происходит от имени средневекового уз- бекского математика Аль-Хорезми, который еще в IX в (825 г.)
106 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... дал правила выполнения четырех арифметических действий в десятичной системе счисления. Процесс выполнения арифмети- ческих действий был назван алгоризмом. С 1747 г. вместо слова а торизм стали употреблять алгорисмус, смысл которого состоял в комбинировании четырех операций арифметического исчисления — сложения, вычитания, умноже- ния, деления К 1950 г. алгорисмус стал алгорифмом Смысл алгорифма чаще всего связывался с алгорифмами Евклида — процессами нахождения наибольшего общего делителя двух многочленов, наибольшей общей меры двух отрезков и т. п. Важнейшими характеристиками алгоритма являются: вы- бранный язык описания, однозначность определения цели, рас- члененность на отдельные элементарные акты и достижение ис- комого результата. Благодаря этому, алгоритм является точным описанием процесса обработки или передачи данных. Ал> орит- мы описываются в виде правил, формул, программ. Нахождение алгоритмов решения различных классов задач является одной из целей математики. Способы записи алгоритмов Алгоритм должен быть понятен (доступен) пользователю и/или машине. Доступность пользователю означает, что он обя- зан отображаться посредством конкретных формализованных изобразительных средств, понятных пользователю. В качестве таких изобразительных средств используются следующие спосо- бы их записи • словесный; • формульный; • табличный; • операторный; • графический; • макроязык программирования. При словесном способе записи содержание последователь- ных этапов алгоритма описывается в произвольной форме на ес- тественном языке Формульный способ основан на строго формализованном аналитическом задании необходимых для исполнения действий.
1.6. Алгоритмы и программы 107 Табличный способ подразумевает отображение алгоритма в виде таблиц, использующих аппарат реляционного исчисления и алгебру логики для задания подлежащих исполнению взаимных связей между данными, содержащимися в таблице. Операторный способ базируется на использовании для ото- бражения алгоритма условного набора специальных операторов: арифметических, логических, печати, ввода данных и т. д.; опе- раторы снабжаются индексами, и между ними указываются не- обходимые переходы, а сами индексированные операторы опи- сываются чаще всего в табличной форме. Графическое отображение алгоритмов в виде блок-схем — весьма наглядный и распространенный способ. Графические символы, отображающие выполняемые процедуры, стандартизо- ваны. Наряду с основными символами используются и вспомо- гательные, поясняющие процедуры и связи мс аду ними. Алгоритмы могут быль записаны и в виде команд какого-ли- бо языка программирования. Если это макрокоманды, то алго- ритм читаем и пользователем-программистом, и вычислитель- ной машиной, имеющей транслятор с соответствующего языка. Приведем пример словесного представления алгоритма на примере нахождения произведения п натуральных чисел (с = п\ = =1-2-34 я). Этот процесс может быть записан в виде следующей системы последовательных указаний (пунктов): 1 Полагаем с равным единице и переходим к следующему пункту. 2. Полагаем i равным единице и переходим к следующему пункту. 3. Полагаем с равным с = / х с и переходим к следующему указанию. 4. Проверяем, равно ли 7 числу я. Если 7 = я, то вычисления прекращаем. Если i<n. то увеличиваем 7 на единицу и перехо- дим к пункту 3. Классификация и свойства ат оритмов Алгоритмы, в соответствии с которыми решение поставлен- ных задач сводится к арифметическим действиям, называются численными алгоритмами.
108 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... Алгоритмы, в соот ветствии с которыми решение поставлен- ных задач сводится к логическим действиям, называются логиче- скими алгоритмами. Примерами логических алгоритмов могут служить алгоритмы поиска минимального числа, поиска пут и на графе, поиска пути в лабиринте и др. Алгоритмом является последовательность четких однознач- ных указаний, которые, будучи применены к определенным имеющимся данным, обеспечивают получение требуемого ре- зультата. Данными называют все величины, участвующие в реше- нии задачи. Данные, известные перед выполнением алгоритма, являются начальными, исходными данными Результат решения задачи — это конечные, выходные данные. Каждое указание алгоритма предписывает исполнителю вы- полнить одно конкретное законченное действие. Исполнитель не может перейти к выполнению следующей операции, не за- кончив полностью выполнения предыдущей. Предписания алго- ритма надо выполнять последовательно одно за другим, в соот- ветствии с укатанным порядком их записи. Выполнение всех предписаний гарантирует правильное решение задачи Поочередное выполнение команд алгоритма за конечное число шагов приводит к решению задачи, к достижению цели. Разделение выполнения решения задачи на от цельные операции (выполняемые исполнителем по определенным командам! — !ажнос свойст во алгоритмов, называемое дискретностью. Анализ примеров различных алгоритмов показывает. что за- пись алгори гма распадае гея на от дельные указания исполнит елю выполнит ь некоторое законченное действие. Ка ждое такое ука- зание называется командой. Команды алгоритма выполняются одна за другой. После каждого шага исполнения ачгоритма точ- но известно, какая команда должна выполняться следующей. Алгоритм прелставл чет собой последова гельность команд (также инструкций, директив), определяющих действия исполнителя (субъекта или управляемого объекта). Таким образом выполняя алгоритм, исполнитель может не вникать в смысл того, что он делает и вмест е с тем получать нуж- ный результат В таком случае говорят, что исполнитель действует формально, т. е. отвлекается от содержания поставленной задачи и то. 1ько с грого выполняет некоторые прави ia. инстру кции Это очень важная особенность алгоритмов. Наличие алю- ритма формализовало процесс, исключило рассуждения Если обратиться к примерам других алгоритмов, го можно увидеть,
1.6. Алгоритмы и программы 109 что и они позволяют исполнителю действовать формально. Та- ким образом, создание алгоритма дает возможность решать ада чу формально, механически исполняя команды алгоритма в ука - занной последоват ельности. Построение алгоритма для решения задачи из какой-либо об- ласти требует от человека глубоких знаний в этой области, быва- ет связано с тщательным анализом поставленной задачи, слож- ными, иногда очень громоздкими рассуждениями На поиски ал- горитма решения некоторых зада i могут быть потрачены многие годы Но когда алгоритм создан, решение задачи по готовому ал - горитму уже не требует каких-либо рассуждений и сводится толь- ко к строгому выполнению команд алгоритма. Всякий алгоритм составляется в расчете на конкретного ис- полнителя с учетом его возможностей. Для того чтобы алгоритм мог быть выполнен, нельзя включать в него команды, которы; исполнитель не в состоянии исполнить. У каждою исполнителя имеется свой перечень команд которые он может выполнить Совокупность команд, которые могут быть выполнены исполни- телем. на 1ывается системой команд исполнителя. Каждый алгоритм строится в расчете на некоторого испол- нителя. Для того чтобы исполнитель мог решить задачу по за- данному алгори гму, необходимо, чтобы он был в состоянии по- нять и выполнить каждое действие, предписываемое командами алгоритма. Каждая команда алгоритма должна определять одно- значное действие исполнителя Такое свойство алгоритмов на- зывается определенностью (или точностью) алгоритма. Алгоритм, составленный для конкретного исполнителя, дол- жен включать только те команды, которые входят в его систему команд. Это свойство алгоритма называется понятностью. Алго- ритм нс должен быть рассчитан на принятие каких-либо само- стоятельных решений исполнителем, не предусмотренных со- ставлением алгоритма. Еще одно важное требование, предъявляемое к алгорит- мам. — результативность (или конечность) алгоритма. Оно озна- чает, что исполнение алгоритма должно закончиться за конеч- ное число шагов. Поскольку разработка алгоритмов — процесс творческий, требующий умст венных усилий и затрат времени, предпочтитель- но разрабатывать алгоритмы, обеспечивающие решения всего класса задач давно! отипа. Например, если составляется алгоритм решения кубического уравнения то он должен быть вариативен,
по Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... т. е. обеспечивать возможное гь решения для любых допустимых исходных значез 1 чоэффицнентов a, b, с, d Про такой алгоритм гслЮрят, что он удовлетворяет требованию массовости. Свойство массовости не является необходимым свойством алгоритма. Оно, скорее, определяет качество алгоритма; в то же время свойства точности, понятности и конечности являются необходимыми (иначе это не алгоритм). Запись алгоритмов в виде блок-схем Алгоритмы можно записывать по-разному. Форма записи, состав и количество операций алгоритма зависят от того, кто бу- дет исполнителем этого алгоритма. Если задача решается с по- мощью ЭВМ. алгоритм решения задачи должен быть записан в понятной для машины форме, т. е. в виде программы. Схема алгоритма — графическое представление алгоритма, дополняемое элементами словесной записи Каждый пункт алго ритма отображается на схеме некоторой геометрической фигу- рой или блоком. При этом правило выполнения схем алгорит- мов регламентирует ГОСТ 19 002—80 «Единая система про- граммной документации» (табл. 1.27). Таблииа 1.27. Основные элементы блок-схем № Символ Наименование Содержание Размеры поГОСТ 1S 003-80 (ЕСПД) а= 10.15.20 мм. 6=1,5о 1 а := b А ‘ с Блок вычислений Вычислительные действия или последовательность действий а b 2 Логический блок Выбоо направления выполнения алгоритма в зависимости от не- которого условия . ь . а Блоки ввода-вы- вода данных 1. Общие обозначения ввода (вывода' данных (вне зависимо- сти от физического носителя! 2 Вывод данных, носителем ко- торых является дохумен’
1.6. Алгоритмы и программы 111 Блоки на схемах соединяются линиями потоков информа- ции. Основное направление потока информации идет сверху вниз и слева направо (стрелки могут не указываться1», снизу вверх и справа налево — стрелка обязательна Количество входя- щих линий для блока не ограничено. Выходящая линия — одна, за исключением логического блока. Базовые структуры алгоритмов Это определенный набор блоков и стандартны* способов их соединения для выполнения типичных последовательных дейст- вий. К основным структурам относятся следующие — линейные, разветвляющиеся, циклические (рис. 1.36, б-).
112 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства... Линейными называются алгоритмы, в koi орых действия осу- ществляются последовательно друг за другом Стандартная блок- схема линейного алгоритма приводится на рис. 1.36, а (вычисле- ние суммы двух чисел — А и В) Рис. 1.36. Примеры структур алгоритмов: а — линейный алгоритм; б — алгоритм с ветвлением; в — алгоритм с циклом Разветвляющимся называется алгоритм, в котором действие выполняется по одной из возможных ветвей решения задачи в зависимости от выполнения условий. В отличие от линейных ал- горитмов, в которых команды выполняются последовательно одна за другой, в разветвляющиеся алгорит мы входит условие, в зависимости от выполнения или невыполнения которого выпол- няется та или иная последовательность команд (серий). В качестве условия в разветвляющемся алгоритме может быть использовано любое понятное исполнителю утверждение, которое может соблюдаться (быть истинно) или не соблюдаться (быть ложно). Такое утверждение может быть выражено как сло- вами, так и формулой. Т аким образом, команда ветвления со- стоит из условия и двух последовательностей команд. Примером может являться разветвляющийся алгоритм, изо- браженный в виде блок-схемы (рис 1.36, б) Аргументами этого алгоритма являются две переменные А, В, а результатом — пере- менная X Если условие А > В истинно, то выполняется операция X:= А х В. в противном случае выполняется X А + В. В резуль-
1.6. Алгоритмы и программы 113 тате печатается то значение переменной Л, которое она получает в результате выполнения одной из серий команд. Циклическим на зывается алгорит м, в котором некоторая по- следовательность операций (тело цикла) выполняется много- кратно. Однако «многократно» нс означает «до бесконечности». Организация циклов, никогда не приводящая к остановке в выполнении алгоритма, является нарушением требования его результативности — получения результата за конечное число шагов. Перед операцией цикла осуществляю гея операции начально- го присвоения значений тем переменным, которые используются в теле цикла В цикл входят в качестве базовых следующие erpj к- туры: блок проверки условия и тело цикла. Если тело цикла рас- положено после проверки условий Р (цикл с прсдусл эвием\ го может случит ься, что при определенных условиях блок тело цик- ла не выполнится ни разу Такой вариант организации цикла, управляемый предусловием, называется цикл «пока» (здесь усло- вие — это условие на продолжение цикла). Возможен другой случай, когда тело цикла выполняется, по крайней мере, один раз и будет повторяться до тех пор. пока н< станет истинным условие. Такая организация никла, козла его тело расположено перед проверкой условия, носит название цикла с постусловием, или цикла «до». Истинность условия в атом случае — условие окончания цикла. Отметим, что возмож- на ситуация с постусловием и при организации цикла «пока». Итак, цикл «до» завершается, когда условие становится истин- ным, а цикл «пока» — когда становится ложным. Современные языки программирования имеют достаточный набор операторов, реали дующих как цикл «пока», так и цикл «до». Рассмотрим пример алгоритма вычисления факториала, изо- браженный на рис. 1 36 (с циклом «пока»). Переменная Л' полу- чает значение числа, факториал которого вычисляется. Пере- менной N!. которая в результате выполнения алгоритма должна получить значение факториала, присваивается первоначальное значение 1. Переменной К также присваивается значение 1 Цикл будет выполняться, пока справе пиво условие N> К Тело цикла состоит из двух операций N!= N‘* К и К= К а 1. Цик тические алгори гмы. в которых тело цикла выполняется заданное число раз. реализуются с помошью цикла си счетчи ком Цикл со счетчиком реализуется с помощью команды повто- рения.
114 Глава 1. Вычислительные приборы и устройства Процесс решения сложной задачи довольно часто сводится к решению нескольких более простых подзадач. Соответственно при разработке сложного алгорит ма он может разбиват ься на от- дельные ачгоритмы. которые называются вспомогательными. Каждый такой вспомогательный алгоритм описывает решение какой-либо пол ишачи. Процесс построения алгоритма методом последовательной де- тализации состоит в следующем. Сначала алгоритм формулир; ет- ся в «крупных» блоках (командах), которые могут быть непонят- ны исполнителю (не входят в его систему команд), и записывают- ся как вызовы вспомогательных алгоритмов. Затем происходит четали $ация, и все вспомогательные алгоритмы подробно распи- сываются с использованием команд, поня гных исполнителю. Самый ни жий уровень управления ЭВМ составчяют микро операции — управляющие сщ наты непосрецст вен но связанные с аппаратурой. Микрооперации, которые срабатывают в очном такте , объеди- няются в микрокоманды и сост ав тяю ' второй уровень иерархии. Множество микрокоманд объединяются в микропрограммы - третий уровень микропрограммно! о управления. Каждой микро программе соответствует команда, составляющая низший уровень программного управления и входящая в состав текущей програм- мы Программа поддерживается ОС и входящими в нее служебны- ми программами. ОС завершает иерархию yi равления ЭВМ Контрольные вопросы 1. Что такое поколения ЭВМ? 2. Охарактеризуйте ЭВМ по областям применения. 3. Дайте классификацию информации. 4 Каковы преимущества цифровой информации по отношению к анало- говой7 5. Перечислите методы кодирования символов. 6. Перечислите методы кодирования численной информации 7. В чем заключаются особенности двоичной арифметики? 8 Перечит пите логические элементы ЭВМ 9 Что такое логические узлы ЭВМ7 10. Составьте таблицы истинности для левого (—. 8)1 и noaeoi о (-.A v -.8) выражений 1 го закона де Моргана Поовлрьте их на соот- ветствие.
1.6. Алгоритмы и программы 115 11. Составьте таблицы истинности для левого ( .(A v В)) и пра«огс (-A v .8) выражений 2-го закона де Моргана. Проверьте их на со*1 ветствие. 12. П| юверьте выполнимость законов де Моргана с учетом значения null. 13. Последний столбец таблицы истинности для двухместных операций, очевидно, может содержать 16 = 24 различных сочетаний «1» и «О». Следовательно, всего может быть определено 16 логических опера- ций над двумя переменными, из которых нами рассмотрены только пять- Составьте таблицу истинности для одной из 9 оставшихся вне рассмотрения функций и попытайтесь построить логическое выраже- ние для этой функции 14. Перечислите базовые структуры алгоритмов и программ.
Г лава 2 АРХИТЕКТУРА И СТРУКТУРА СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ Прежде всего, следует определить основные объекты рас- смотрения. Среде гва вычислительной техники (СВТ) включают: • обычные вычислительные машины (одн ^процессорные); • суперкомпьютеры (многопроцессорные ЭВМ, инотда объ- единяются в один класс с вычислительными системами); • вычислительные системы (обычно — комплексы ЭВМ), в том числе многопроцессорные машины; • вычислительные (информационно-вычислительные) сети. Таким обратом, в целом следует рассматривать все множество современных вычислительных машин, систем, сетей. На рис. 2 1 приводится перечень основных компонент СВТ, рассматривае- мых в настоящем учебном пособии. Рассматривая архитектуру ЭВМ, вычислительных систем, су- перкомпьютеров и информационно-вычислительных сетей с об- щих петиций и абстрагируясь от деталей, можно воспользовать- ся следующей схемой (рис. 2.2), которая включает: • процессоры и системы памяти — вычислите;: ьно-информа- ционная среда; • средства коммутации и коммуникации — коммуникацион- но-коммутационная среда. Все >ти компоненты активно присутствуют как в ЭВМ, так и в вычислительных сетях и системах (суперЭВМ) Рассмотрим последовательно состав, структуру, архитектуру и классификацию ЭВМ, вычислительных комплексов информа- ционно-вычислительных сетей.
Компоненты средств вычисли- тельной техники Опеоагивная память (главная память, main storage) Центоагъный процессор (ЦП CPU) Интерфейсы (interfaces) Внешние устройства (peripheral devices) Арифметико-логи- - ческое устройство (АЛУ, ALU) Динамическая память (DRAM) Внутренние (шины) Устройство управления (control unit -CU) Массив регистров, первичная кэш- память (L1 кэш) Блок плавающей ггчки ,FPU) Конвейер команд (Pipeline) Статическая (SRAM) Постоянная (ПЗУ. ROM) ISA/EISA - (платы расширения системы) IDE/ATA (накопители данных) AGP (графические кар~ы) PCI (платы оасииоения) SCSI (лепифеоииные устройства) Внешние Ввод-вывод Последовательный (RS-232) Терминалы (мониторы, дисплей) - Параллельный (I PT и пр.) Манипуляторы (мышь, трекбол) USB (все виды внешних ус-ройс-в) Звуковые карты (SoundBlaster) IEEE1394 (внеш- ние устройства, обычно видео) Сканеоы. фотокамеры, видеозахват Устройства связи (модемы, маршру- тизаторы и пр) - Принтеры, плоттеры Дигитайзеры Массовая память магнитные (НМЛ НМД, HDD, FDD) Оптические (CD, DVD) Флэш-накопители Магнитооптика И ДР. Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ Рис. 2.1. Основные компоненты (блоки) СВТ
118 Глава 2 Архитектура и структура средств ВТ Процессоры (вычислительная среда) пи пи ПУ ПУ ПУ ПУ ПУ Коммутационная среда (среды) П У ПУ ПУ Коммуникационная среда (среды) ПУ ПУ ПУ Коммутационная среда (среды) ПУ ПУ ПУ ПУ ПУ ПУ ПУ ПУ Блоки памяти (запоминающая среда) Рис. 2.2. Обобщенное представление об архитектурах ЭВМ. вычислительных систем и сетей 2.1. Классы вычислительных машин и систем Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер представляет собой комплекс технических средств, предназна- ченный для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач. Характеристики и классы ЭВМ Основные характеристики, используемые для классификации ЭВМ. приведены в табл. 2.1 В табл. 2.2 приведены различные ос- нования для классификации ЭВМ, некоторые из которых, а так- же ряд других более подробно изложены ниже В табл. 2.3 приведены основные классы ЭВМ по сферам применения и другим признакам. Среди всех перечисленных здесь типов ЭВМ задержимся на ПК или персональных элек- тронных вычислительных машинах (ПЭВМ), которые в ряду компьютеров характеризуются небольшими размерами и массо- вым производством. Это позволяет делать их широкодоступным
2.1. Классы вычислительных машин и систем 119 товаром, обеспечивающим обработку различной информации — текстов, звука, изображений и пр В связи с их доминированием в сегодняшней ситуации, остановимся на них подробнее. Таблица 2. Л Основные характеристики ЭВМ Характеристика Содержание Быстродействие Определяет способное к, ЭВМ выполнять определенные типы опе- раций (пересылка данных между регистрам! суммирование срав- нение) за единицу времени Быстродействие ограничивается скоро- стью протекания переходных процессов в элементной базе и обыч- но характеризуется тактовой частотой внешнего генератора, которая col тасует действия устройств и узлов Производительность Способность ЭВМ обрабатывать некоторый тестовый массив раз- личных команд (так называемые смеси Гибсона) за единицу време- ни. Производительность во многом зависит от применяемых архи- тектурных решений Разрядность машинного слова Влияет на диапазон представимых в ЭВМ чисел адресность систе- мы команд, скорость пересылки данных Максимально возможный размер адресного пространства Определяет максимально доступный объем оперативной памяти (ОП). возможности по ее виогуальному расширению Количество групп команд и ко- манд в группах Характеризует систему команд их адресность и пр характеристик Количество способов адресации команд и данных Включает прямую, косвенную и прочие типы адресации команд и данных Тип используемого ин ерфейса (сопряжения) ядра ЭВМ с перифе- рией Шины или каналы связи, характеризующиеся разрядностью (шири- ной параллельного кода передаваемого единовременно) и часто- той, с которой эта передача осуществляется Надежность Измеряе-ся средней наработкой на отказ (средним временем без- отказной работы',, скоростью восстановления и пр Стоимость Очевидная экономическая характеристика Потребляемая мощность Электрическая мощность в ваттах (Вт), киловаттах (кВт) Таблица 2.2. Различные подходы к классификации ЭВМ Тип ЭВМ Особенности класса Физический способ представления информации Аналоговые (АВМ) И |формаци° представляется в виде непрерывно изменяющейся во времени аналоговой величины (напряжения или тока) Цифровые (ЦВМ) Информащ-я представляется в виде специальных кодов, в поинятой для данной ЭВМ системе исчисления ..... ... _ . - - --
120 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ Окончание табл. 2.2 ТигЭВМ Особенности класса Гибридный Такие ЭВМ. например, имеют аналоговый вход информации за*ем следует цифровая обработка и аналоговый выход Поколения ЭВМ 1 поколение 1950-1958, построены на лампах II поколение 1959-1967-на транз юторах и печатных платах III поколение 1968-1978 - на микросхемах малой степени миниатюризации IV поколение 1979-1993 - на микоосхемах большой степени миг- вапоризации V поколение 1994-... - на микросхемах сверхбольшой степени миниатюризации Назначение ЭВМ Вычислительные системы Характеризуются небольшими объемами входной и выходной ин- формации и сложными алгоритмами ее обработки. Такие ЭВМ должны иметь высокую я юизводи-ельность и небепьиюе количест во устройств ввода-вывода Системы обработки данных Характеризуются большим количеством внешних запоминающих устройств, способных хранить большой объем информации и срав- нительно несложными алгоритмами обработки этой информации. Системы не требуют высокой производитепьности Управляющие ЭВМ Предназначены для управления какими-либо объектами и произ- водственными процессами, поэтому для связи с объектами управ- ления ЭВМ снабжаются преооразовате.,ями датчиками и т д., ко- торые устанавливаются в контуре управления Сама ЭВМ работает в реальном масштабе времени Способ организации вычислительного процесса Однопрограммные Способны одновременно выполнять не более одной задачи Многопрограммные Многопрогиаммные ЭВМ MGiyi работать в одчопрограммном и мультипрограммных режимах Эти режимы должны поддерживаться соответствующими операционными системами (ОС) Область применения Универсальные Ориентированы на решение широкого круга задач путем примене- ния соответствующего программного обеспечения (ПО) как прави- ло. разработку таких программ осуществляют по заказам извне Ха- рактеоные особенности универсальных ЭВМ: наличие высокопроиз води’ельяого процессора; большой объем памяти: соответствующая ОС Специализированные Предназначены для решения определенного круга задач и не требу- ют, как правило разработки нового программного обеспечения Специал.«тированные ЭВМ проще и дешевле универсальных ЭВМ
2.1. Классы вычислительных машин и систем 121 Таблица 2.3 Классификация ЭВМ по сферам примет ния, методам использования и габаритным характеристикам
122 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ Окончание ниш 2.3 | Класс ЭВМ Основное назначение Основные технические данные | Общий вид ЭВМ Рабочие станции Системы автоматизи- рованного проектиро- вания, системы авто- матизации экспери- мента. индустриаль- ные процессы и др Чысогое быстроде* твие про- 11 цессора, емкость оперативного । заломи) акнде! -устройства 32-64 Мбайт, с тециал зареван- ная система периферийных уст- < роиств ь » ___ 1 > МикроЗВМ' настольный персональный компьютер (ПК) Индивидуальное об- служивание пользо- вателей “ '" г1 Центральный блок с одним или несколькими процессорами, мо- нитор, акустическая система, клавиатура» электронное перо с п иншетом. устройство ввода информации принтеры, жесткие диски» гибкие диски, магнитные ленты, оптические диски и пр. еж 1 • 1 1 1 1 И 4» ! MJ * Переносной ПК «наколенник» (laptop) Тоже Малогабаритный книжного раз- мера портативный вариант ста- ционарного персонального ком пыотера Блокнотный ПК, ноутбук (notebook) Модели могут иметь процессор Pentiurr. оперативную память до 96 Моаи. жесткие диск до 9 гбайт, встроена ком- пакт-диск и факс-модем рис пле^ жидкокристаллическим, время работы о’ собст eei нс'о источника питания от 2 дп 8 ч !я I Карманный компьютер •наладонник» । (palmtop) » в Оперативная память выполняет функцию долговременной памя- ти, размером в несколько Мбайт Жесткий диск отсутству- ет Работаетподугравлением Windows СЕ, имеет интерфейс с другими компьютерами встро- енные интегрированные смете мы. жидкокристаллический дисплеи * -’I
2.1. Классы вычислительных машин и систем 123 Первые ПК История ПК началась в 80-е гг. XX в . когда практически од- новременно компании Motorola, Zilog и Intel выпустили на ры- нок дос гаточно мощные микропроцессоры — Intel 8086, Z80 и М6800. На этих микропроцессорах были построены первые микро- компьютеры (ПК): • Kaypro II (Zilog); • Macintosh 128К (Motorola); « IBM PC — XT/AT (Intel — INTegrated ELectromcs) Kaypro 77 был представлен публике в августе 1982 г. (рис. 2.3, а) Несмотря на название, это была первая модель компании Э Кея е Рис. 2.3. Первые ПК" а — Kaypro 11. б — Macintosh 128К. в — IBM PC XT
124 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ (Andrew F. Kay) Non-Linear Systems. Inc., позже переименован- ной в Kaypro Corporation. При весе более десяти килтрамм Kaypro II позиционироват- ся как переносная система. Возможность работъ* в полевых усло- виях была подтверждена во время ралли Париж—Дакар в 1984 г , на котором организаторами использовалось десять компьютеров Kaypro II. Технические характеристики этой модели близки к системе Osborne I. выпускаемой фирмой А. Осборна, и HP-85 (Hewlett- Packard). Следует, однако, отметить, что при близости возмож- ностей Kaypro 11 был почти вдвое легче Osborne 1. что для пере- носной системы имеет первоочередную важность, и на два года «моложе > НР-85. Kaypro II оснащатся процессором Zilng Z80 с тактовой час- тотой 2,5 МГц. Объем ОЗУ составлял 64 Кб, ПЗУ — 2 KG. Встроенный дисплей размером 9" был способе! i работав ь в тек- стовом режиме 80 х 24. поддержка i рафического режима не пре- дусматривалась. Клавиатура компьютера была довольно удоб- ной, с курсорными и цифровыми клавишами Устройством хра- нения данных служили два дисковода для односторон них 5,25" дисков двойной плотности емкостью 190 Кб. Работал Kavpro II под управлением ОС СР/М (Control Program for Microprocessor) и стоил на момент выхода 1795 долл. Модель 128К — первый продукт в семействе компьютеров Macintosh (рис. 2.3, б). Корпорация Apple представила се в янва- ре 1984 г., развернув интенсивную маркетинговую кампанию «Если уж компьютеры так умны, — говорилось в одной из рек- лам. — то не лучше ли научить их общаться с человеком, чем учить людей общаться с компьютером?» Macintosh 128К базировался на 32-разрядном микропроцес- соре Motorola 68000 с тактовой частотой 8 МГц, имел 128 Кб ОЗУ, 64 Кб ПЗУ. односторонний флоппи-дисковод (400 Кбайт; 3,5”), встроенный 9” черно-белый экран с графическим разреше- нием 512*342 точки, оснащался, помимо кпавиатуры, манипу- лятором «мышь» и весил 20 фунтов (8 кг). Многое в новом компьютере было заимствовано из разрабо- ток исследовательского центра PARC компании Xerox, 15 спе- циалистов которой в начале 1980-х гг перешли на работу в Apple. Именно благодаря достижениям PARC возникай система «окон» на экране, интерфейс, основанный на симвотических мюбражениях действий, устройство «мышь».
2.1. Классы вычислительных машин и систем 125 Первый Macintosh стоил в 5 раз дороже, чем требовали спе- цификации проекта — 2495 долл, вместо 500 долл. Но продажи шли очень успешно и за первые 9 месяцев было реализовано 275 тыс. компьютеров. «Мак», как вскоре окрестили поклонники новую машину, принес Apple грандиозный успех. Владельцы компьютеров дру- гих типов завидовали графическим средствам «Мака» и просто те обращения с ним. Программы, позволявшие использовать «окна» и «мышь» в компьютерах других моделе и, раскупались нарасхват. Однако очень скоро пользователи Macintosh 128 К столкну- лись с проблемой слишком малого объема оперативной памяти при том. что возможностей для расширения ОЗУ конструкцией модели предусмотрено не было. Посыпались многочисленные нарекания, побудившие корпорацию Apple усовершенствовать свой продукт, и уже осенью того же 1984 г. был представлен но- вый «Мак» — модель Macintosh 512К (модель Macintosh 12хК была снята с производства в октябре 198 т г). IBM PC. Что же касается IBM — IBM/PC-соьместимых ПК, то поскольку в дальнейшем основное внимание будет уделено именно им и их «потомкам», здесь мы охарактеризуем первые образцы кратко. На рис. 2.3. в июбражена ПЭВМ IBM PC XT (eXtendet Tecnology — расширенная технология, по сравнению с IBM PC), не самая первая машина в серии (8 марта 1983 г.) Про- цессор Intel 8088 - 4,77 МГц, ОЗУ 256 Кбайт, ПЗУ 64 Кбайт, не- большой винчестер, 2 дисковода по 360 Кбайт и адаптер MDA (CGA): операционная система — СР/М-86, MS-DOS. Minix Персональный компьютер для удовлетворения требованиям общедоступности и универсальности применения должен обла- дать такими качест вами, как: • малая стоимость, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя; • автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды: • гибкость архитектуры, обеспечивающая адаптируемость к разнообразным применениям в ccbepi управления, науки, оора ювания и в быту. • дружественность операционной системы и прочего про граммного обеспечения, обусловливающая во imo кность ра
126 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ боты пользователя без специальной профессиональной под- готовки; • высокая надежность работы (более 5000 час на отказ). Требования к ПК В святи с широким распространением ПК (по различным оценкам, их общее число превысило миллиард в 1998 или 2002 г.), на данном этапе важное значение приобретают: • повышение безопасности компьютеров для пользователей (безопасный компьютер); • уменьшение воздействия компьютеров на окружающую среду («зеленый компьютер»); • минимизация энергопотребления (технология OnNow PC). Безопасный компьютер — компьютер, при работе с которым здоровье людей не подвергается опасности. Считается, что ос- новное вредное воздействие оказывают монитор, построенный на базе электронно-лучевой трубки, и электромагнитные поля, генерируемые компьютером. Для ограничения вредных воздей- ствий компьютера департамент труда Швеции в '.987 г. принял стандарт MPR I В 1990 г. принят еще более жесткий стандарт MPR1I. На смену MPR II пришли еще более жесткие требова- ния шведского объединения профсоюзов ТСО'92 (1992 г.) и ТСО'95 (1995 г.). Эти стандарты приняты многими странами. Мони горы, удовлетворяющие этим стандартам, имеют марку LR (Low Radiation — низкое излучение) Госсанэпиднадзор России в 1996 г. выпустил СанПин 2.2.2.542—96 «Гигиенические требова- ния к видеодисплейным терминалам, персональным электрон- но-вычислительным машинам и организации работ», которые по многим параметрам соответствуют вышеуказанным. По этим правилам продолжительность непрерывной работы взрослого пользователя компьютера не должна превышать 2 ч, ребенка — от 10 до 20 мин в зависимости от возраста. Минимальный пере- рыв определен в 15 мин. Расстояние от глаз пользователя до эк рана монитора должно быть не менее 50 см. оптимально 60—70 см Расстояние от экрана монитора до задней стенки мо нитора соседнею ряда должно быть не менее 2 м, а расстояние между боковыми стенками — не менее 1,2 м Плошадь на одного взрослого пользователя должна составлять не менее б м2.
2.1. Классы вычислительных машин и систем 127 «Зеленый компьютер» (green computer) — компьютер, характе- ризующийся уменьшенным воздействием на окружающую среду. При создании модели «зеленого компьютера» постав юны задач и: • охрана здоровья пользователей; • понижение уровня радиационных и электромагнитных из- лучений; • отказ от использования в производстве веществ, вредных для здоровья людей; • утилизация отработанных компонентов компьютеров; • уменьшение выделения тепла; • обеспечение энергосбережения, т. е. понижение потребле- ния электроэнергии. Что касается последнего, то существует целая гамма оттенков «зеленого». Наиболее простой («светло-зеленый») компьютер имеет лишь программное обеспечение, следящее за работой пользователя. Если заданное время последний не обращался к компьютеру, выдается команда отключения монитора и внешних устройств. Если компьютер не работает более длительное время, то он может полностью отключиться от электрического питания. При itom однако, нужно помнить что часто компьютер вклю- чен в информационную сеть и всегда должен быть готов к прие- му из нее сообщений. В компьютере средней «зечености» вею структуру добавляется небольшой (с малым i ютреб гением элек- тро ‘нергии) микропроцессор, который является «де курным» и наблюдает за появлением требований на восстановление работе способности и включает или выключает компьютер В «темно- зе - леном» компьютере к ска данному добавляется использование ин- тегральных схем с малым потреблением электроэнергии. В США зеленым называют компьютер, который соответст вует требованиям Energy Star, ра зработан ным Федеральным агент с гвом по защите окружаю- щей среды США (ЕРА). Компьютеры, которым присваивается признак Energy Star (звезда энергетики), должны потреблять менее 60 Вт в режиме ожидания, причем монитор и системный блок — меньше 30 Вт. Технология OnNow PC — способ управления энергопотребле- нием системы, который заключается в значитеявном уменьше- нии потребления электрической энергии, но так. чтобы система в любой момент времени была готова к работе без гтерезагру зки ОС (например к»к готов тепевиюр, включаемый с помощью
128 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ удаленного пульта). Система при включении ос гается способной реагировал» на внешние события: нажатие кнопки пользовате- лем, сигнал из сети. Это обеспечивается тем, что небольшая, особая, часть системы остается постоянно включенной Технология OnNow PC требует выполнения следующих условий: • операционная система берет на себя управление энергопо- треблением; • все устройства, входящие в систему, должны допускать возможность эффективного регулирования потребления ими электрической энергии; • должен быть предусмотрен ряд определяемых операцион- ной системой последовательных энергетических состоя- ний, переходящих одно в другое. Спецификации для ПК — PC 98, PC 99, PC 2001 По инициативе корпораций Intel и Microsoft были разработа- ны рекомендации по конфигурированию ПК, их компонентам и характеристикам [2, 3J. В частности, в соответствии со спецификацией PC 98 под- соединяемые устройства рекомендуется обозначать ярлыками, приведенными в табл. 2.4 Таблица 2.4. Рекомендуемые спецификацией PC 98 обозначения для устройств и портов ПК Символическое обозначение Описание Символическое обозначение Описание
2.1. Классы вычислительных машин и систем 129 Окончание табл. 2 4 Символическое обозначение Описание Символическое обозначение С канте Клавиатура |ЮЮ|| По "°д ва t ты ь ”J lop Микрофон |ЮЮ|| Последовав и. ыи юр11 н- Аудиовход [ioioll ГоС.тег,0ва1и ыи К р- 2 Аудиовыход и Телефонная линия Монит Xj к— Телефон! ый аппарат й Мышь Шина USB ''о* м Интерфейс IEEE 1394 FireWire Некоторые положения спецификации PC 2001. Обращает иг. себя внимание, что в отличие от либерапьных (рекомендатепь- ных! PC 98 и PC 99, PC 2001 содержит только требования Про- ведена некоторая расчистка; увалены требования поддержки уже устоявшихся стандарт ов, вроде Plug-and Play. Ключевые задачи, стоящие перед этой спецификацией. — попу тяризапия EasyPC и в очередной раз, отказ от устаревших техноло!ий (табл 2 Очевидно что спецификации ПК, разработанные ведущими производителями в 1999 2000 гг на1 ыдно показывают, какое это неб. [агодарное дело — прогнозировать Показатели информа- тизации. Вес сформулированные в спецификациях требования для профессиональных машин XXI в. цавным давно превзойде- ны самыми слабыми из массовых бытовых ПК
Таблица 2.5 Основные требования спецификации PC 2001 Система ПК Добавления или различия Компонен а Требования Рабочая станция Мобильный компьютер Комплекс про- цессора 667 МГц 700 МГц. Дополнительные требова- ния для многопроцессорной систе- мы, если реализовано 400 МГц Дополнительная батарея и требо- вания к докинг-станциям Допускается усовершенствованный программируемый контрол- лер прерываний (APIC) Нет дополнительных требований APIC, необязателен Кэш 128 Кбайт 256 Кбайт Не. дополнительных .ребовапИй ПлМЯ|Ь (опеоа- тивная память/ 54 или 128 Мбайт для сис.ем, разрабо.анных для Windows 2000 Оперативная память на 128 Мбайт, расширяемая до 2 Гбайт Нот дополнительных требований Управление пи- танием Системная плгта должна поддерживать Advanced Configuration and Power Interface Soecificatlon, Version 1 Ob- ACP11 Ob (Расши- ренная Конфигурация и Спецификация Интерфейса питающего устройства. Версия 1,0b) для упоавлпиия питанием и устройст- вами Plug-n-Play. Если осуществлено программное управление вентиляторами охлаждения, то тепловой дизайн и управление охлаждением должны удовлетворять ACP11 0b Нет дополнительных требований Mobile PC supports или Мобильный PC поддерживает Smart Battery или батарею Метода Управления АСР1 (ACPI Control Mo,hod batten) Шина расшиоения USB требуемый, PCI, SCSI, дополнительный, ISA запрещена Дополнительные требования для 64-битовий РС'-шины, мосты и адап- теры, если осуществлено. PCI-Х до- полнительный Нет дополнительных |рнбовяний Порть1 2 USB, доступные пользователю Никаких дополнительных требований 1 USB, доступный пользователю Г рафическая подсистема Гр°Ьуема° возможность чидеовоспроизв‘л°ния. Интерактивная дигЬооьая видеосистема (DV1), анало овый видеоввод и гоебо вания видеозахвата Больший экранный размер Соответ сгвует спеиификаиии AGn Pro Bus 1 1 Мобильный PC имеет интегриро- ванный дисплей Подсистема па- мяти (хоанения) гр°буется жесткий диск CD или DVD Требования множественных жестких дисков, если осуществлено Жесткий ДИСК первичное .затру, зонное устройстве Liaea 2. Архитектура и структура средств ВТ
2.2. Базовые представления об архитектуре ЭВМ 131 2.2. Базовые представления об архитектуре ЭВМ Структура компьютера — это совокупность его функцио- нальных элементов и связей между ними. Элементами могкг быть самые различные устройства — от основных логических уз- лов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне де- тали ?ации. Архитектурой компьютера считается его представление на некотором общем уровне, включающее описание пользователь- ских возможностей программирования, системы команд систе- мы адресации, организации памяти и т д. Архитектура опреде- ляет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, ОП), внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных ком- пьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения поль- зователя. Принципы фон Неймана В основу архитектуры большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. аме- риканским ученым Джоном фон Ней чаном: • принцип программного управления — из него следует, что программа сос гоит из набора команд, которые выполняют- ся процессором автомат ически друг за дру1 ом в опоеделен- ной последовательности. Выборка про1раммы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды. Гак как команды программы расположены в памяти дру1 за другом, то тем самым орга- низуется выборка цепочки команд из п эстецовательно рас- положенных ячеек памяти. Если после выполнения коман ды следует перейти не к следующей, а к какой то другой, иснользу ются команды ус поеного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборы команд из па-
132 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ мяти прекращается после достижения результата или вы- полнения команды «стоп»; • принцип однородности памяти — программы и данные хра- нятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не раз- личает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия как и над данными. Это открывает целый ряд воз- можностей. Например, программа в процессе своего выпол- нения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм) Более того, команды одной программы мо- гут быт ь получены как результаты исполнения другой про- граммы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования вы- сокого уровня на язык конкретной машины; • принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чт обы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения про- грамм с использованием присвоенных имен. Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских Существуют и другие классы компь- ютеров, принципиально отличающиеся от фон-неймановских (не-фон-неймановские). Здесь, например, может не выполнять- ся принцип программного управления, т. е. они могут работ ать без счетчика (регистра адреса) команд, указывающего на выпол няемую команду про] раммы. Функциональные блоки (агрегаты, устройства) В то время как логические элементы и узлы во многом уни- версальны и могут использоваться в самых различных сочетаниях для решения разнообразных задач, блоки (агрегаты) СВТ пред- ставляют собой комплексы элементов (узлов), ориентированные на узкий круг задач (операций). Такие агрегаты, как АЛУ. про- цессор, банк памяти, внешние устройства (модем. НГМД и пр.), обязательно включают в свой состав (кроме механического, оп-
2.2. Базовые представления об архитектуре ЭВМ 133 тического, электрома! нитного и ино! о оборудования) логические элементы и узлы, используемые для хранения информации, ее обработки и управления этими процессами. Данные ком поненты рассматриваются далее в соо гветст вую- щих главах, здесь же мы только кратко их охарактеризуе м. Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Arithmetic and Logical Unit (ALU) — часть процессора, выполняющая арифме- тические и логические операции над данными. АЛУ реализует важную часть процесса обработки данных. Она заключается в выполнении набора прос гых операций. Ариф метической операцией называют процедуру обработки данных, аргументы, результатом которой являются числа (сложение, вы- читание, умножение, деление, ...). Л01 ической операцией имену- ют процедуру, осуществляющую нос гооенис сложного высказы- вания (операции И, ИЛИ. НЕ. ...). АЛУ состоит из регистров, сумматора с соответствующими логическими схемами и элемента управления выполняемым процессом. Устройство работает в со отве гствии с сообщаемыми ему именами (кодами) операций, ко- торые при пересылке данных нужно выполнить над переменны- ми, помещаемыми в регистры. Центральное устройство (ЦУ) 1 грелыавляст основную ком- понент} ЭВМ и. в свою очередь, включает ЦП — центральный процессор (central processing unit — СР1>) и ОП — оперативную (главную) память или оперативное запоминающее устройство — ОЗУ (синонимы — main storage, core storage, random access mem,ry — RAMi. Процессор непосредственно реализует операции обработки информации и управления вычислительным процессом, осуще- ствляя выборку машинных команд и данных из оперативной па- мяти и запись в ОП, включение и отключение ВУ. Основными блоками процессора являются: • устройство управления (VV) с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узла- ми машины); • арифметико-логическое устройство (АЛУ); • процессорная память (внутренний кэш). Оперативная память предназначена для временною хране- ния данных и программ в процессе выполнения вычислительных и логическ их операций
134 Глава 2. Архитектура и структура средств В Г Внешние устройства (ВУ). ВУ обеспечивают эффективное взаимодействие компьютера с окружающей средой — пользова- телями, объектами управления, другими машинами. В специализированных управляющих ЭВМ (технологические процессы, связь, ракеты и пр.) внешними устройствами ввода являются датчики (температуры, давления, расстояния и пр), устройствами вывода — манипуляторы (гидро-, пневмо-, серво- приводы рулей, вентилей и др.). В универсальных ЭВМ (человеко-машинная обработка ин- формации) в качестве ВУ выступают терминалы, принтеры и др. устройства. Каналы связи (внутримашинный интерфейс) служат для со- пряжения центральных узлов машины с ее внешними устройст- вами. Однотипные ЦУ и устройства хранения данных могут ис- пользоваться в различных типах машин Известны примеры того, как фирмы, начавшие свою деятельность с производства управляющих машин, совершенствуя свою продукцию, перешли к выпуску систем, которые в зависимости от конфигурации ВУ могут исполнять роль как универсальных, так и управляющих машин (Hewlett-Packard и Digital Equipment Corporation). Основные типы архитектур Если абстрагироваться от подробностей, то основные клас- сические гины архитектур можно определить как следующие: централизованная («звезда»), иерархическая, магистральная (схе- матически изображены на рис. 2.4). Архитектура «звезда». Здесь процессор (ЦУ) — рис. 2.4, а — соединен непосредственно с ВУ и управляет их работой (ранние модели машин) Этот тип также именуется классическая архитекту ра (фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток дачных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток ко- манд — программа. Это однопроцессорный компьютер. Принстонская и гарвардская архитектуры. Архитектуру фон Неймана, часто отождест вляют с принстонской архитек- турой, которая характеризуется использованием общей опера тивной памяти для хранения программ, данных, а также для ор ганизации стека. Для обращения к этой памяти используется об-
2.2. Базовые представления об архитектуре ЭВМ 135 a б Рис 2.4 О< новные классы архитектур ЭВМ а — пентряличопянияя- б — иерархическая: а — магистральная; г — общая струк- тура персонального компьютера
136 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ щая системная шина, по которой в процессор поступают и команды, и данные. Эта архитектура имеет ряд важных досто- инств. Наличие общей памяти позволяет оперативно перерас- пределять ее объем для хранения отдельных массивов команд, данных и реализации стека в зависимости от решаемых задач. Однако ей присуши и существенные недостатки. Основным из них является необходимость последовательной выборки ко- манд и обрабатываемых данных по общим каналам, что ограни- чивает производительность цифровой системы. Гарвардская архитектура характеризуется физиче- ским разделением памяти команд (програ им) и памяти данных. Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что позволяет одновременно с чтением-записью данных при вы полнении текущей команды производить выборку и декодирова- ние следующей команды. Благодаря такому разделению потоков команд и данных и совмещению операций их выборки реализу- ется более высокая производительность, чем при использовании принстонской архитектуры. Иерархическая архитектура (рис. 2.4. б) — ЦУ соединено с периферийными процессорами (вспомогательными процессора- ми, каналами, канальными процессорами», управляющими в свою очередь контроллерами, к которым подключены группы ВУ (системы IBM 360-375, ЕС ЭВМ); Магистральная структура (общая шина — unibas, рис. 2.4, в) - процессор (процессоры) и блоки памяти (ОП) взаимодействуют между собой и с ВУ (контроллерами ВУ) через внутренний ка- нал, общий для всех устройств (машины DEC, ПЭВМ IBM PC-совместимые). К этому типу архитектуры относится также архитектура пер- сонального компьютера (ПК) — функциональные блоки здесь связаны между собой обшей шиной, называемой также систем- ной магистралью. Реальная структура ПК, использующая не- сколько разновидностей шинных интерфейсов, приводится на рис. 2.4, г. Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Сово- купность проводов магистрали разделяется на отдельные груп- пы — шину адреса, шину данных и шину управления. Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные устройства управле ния периферийными устройствами.
2.3. Классы и архитектуры ВС и суперкомпьютеров 137 Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственною управления функ- ционированием данного оборудования. 2.3. Классы и архитектуры вычислительных систем и суперкомпьютеров Вычислительная система (ВС) — совокупность взаимосвя- занных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, перифе- рийного оборудования и программного обеспечения, предназна- ченная для сбора, хранения, обработки и распределения инфор мании. Создание ВС преследует следующие основные цели • повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных: • повышение надежности и достоверное ги вычислений, • предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т. д. Очличительнои особенное! ью ВС по отношению к классиче- ским ЭВМ является наличие в ней нескольких вычислите) ей. реализующих параллельную обработку. Параллелизм выполнения операций существенно повышает быстродействие системы; он может также значительно повысить и надежность (при отказе одного компонент? системы ci о функ- ции может взять на себя другой), и достоверность функциониро- вания системы, если операции будут дуб тироваться, а результаты их выполнения сравнива гься. Параллелизм в вычислениях в значительной степени услож- няет управление вычислительным процессом, использование технических и про)раммных pecvpcoB Эти функции выполняет операционная система ВС Несмотря на то, что классическим является многомашинный вариант ВС. в ВС может быть только один компьютер, но агре- гированный с многофункциональным периферийным оборудо- ванием (стоимость периферийно) о ооорудовгния часто во много раз превосходил стоимость центральных устройств компьютера) В комшютере может быть как несколько процессоров (roi ia имеет место также классический многопроцессорный вариант
138 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ ВС), так и один процессор (если не брать в расчет специализи- рованные процессоры, входящие в состав периферийных уст- ройств). Классификация архитектур вычислительных систем с параллельной обработкой данных (М. Флинн, 1966 г.) В 1966 г. М Флинном (Flynn) был предложен следующий подход к классификации архитектур вычислительных систем. В основу было положено понятие потока, под которым понима- ется последовательность элементов, команд или данных, обраба- тываемая процессором. Соответствующая система классифика- ции основана на рассмотрении числа потоков инструкций и по- токов данных и описывает четыре базовых класса (табл. 2 6, рис. 2.5). б Рис- 2.5. Классификация Флинна a - SISD (ОКОД), б - MISD (МКОД). в - SIMD (ОКМД). г - MIMD < МКМЛ1
2.3. Классы и архитектуры ВС и суперкомпьютеров 139 Таблица 2.6. Кла< сификация Флинна Поток данных Поток команд Одиночный Множественный Одиночный SISD - Single Instruction stream/Single Data stream (Одиночный поток Команд и Одиночный Поток Данных - ОКОД) MISD - Multiple Inst notion stream/Single Date stream (Множественный Поток Команд н Одиночный Поток Данных - МКОД Множественный SIMD - Single Instruction stream/Multipte Data stream (Одиночный поток Команд и Множественный Поток Данных ОКМД) MIMD - Multiple Instruction stream/Multiple Data stream (Множественный Поток Команд и Множественный Поток Данных - Ml МД, Коротко опишем отличительные особенности каждой из ар- хитектур. Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и од- номашинные варианты систем, т. е. с одним вычислителем Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс Здесь па- раллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения вы- полнения операций отдельными блоками АЛУ. а также парал- лельной работой устройств ввода-вывода информации и процес- сора. Закономерности организации вычислительного процесса в этих структурах достаточно хорошо изучены. Архитектура ОКМД предполагает создание структур вектор- ной или матричной обработки. Системы этою типа обычно строятся как однородные, т. е. процессорные элементы, входя- щие в систему, идентичны, и все они управляются одной и гой же последовательностью команд. Однако каждый процессор об- рабатывает свой поток данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи реше- ния систем линейных и нелинейных, алгебраических и диффе- ренциальных уравнений, задачи теории поля и др В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие реализуемым математическим зависимостям Как правило, эти связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними Узким местом подобных систем является необходимость измене- ния коммутации между процессорами, когда связь между ними отличается от матричной Кроме того, класс задач, допускающих широкий матричный параллелизм, весьма узок. Структуры ВС этого типа, по существу, являются структурами специализиро- ванных суперЭВМ.
140 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ Третий тип архитектуры — МКОД — предполагает гкхл рое- ние своеобразного процессорного конвейера, в котором резуль- таты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке Выгоды такою вида обработки понятны. Прототипом таких вычислений может служить схема любого произволе! веч- ного конвейера. В современных ЭВМ по этому принципу реали- зована схема совмещения операций, в которой параллельно ра - ботают различные функциональные блоки, и каждый из них де- лает свою часть в общем цикле обработки команды В ВС этого типа конвейеры должны образовывать группы процессоров Од- нако при переходе на системный уровень очень лрздно выявить подобный регулярный характер в универсальных вычислениях. Кроме тою, на практике нельзя обеспечить и «большую длину» такого конвейера, при которой достигается наивыс ший эффект. Вместе с тем конвейерная схема нашла применение в так назы - васмых скалярных процессорах суперЭВМ, в которых они при- меняются как специальные процессоры для поддержки вектор- ной обработки. Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры систе - мы работают по своим программам с собственным потоком ко- манд. В простейшем случае они могут быть автономны и не зави - симы. Такая схема использования ВС часто применяется на мно- гих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности центра. Большой интерес представляет возможность согласованной работы ЭВМ (процессоров), когда каждый элемент де 1ает часть обшей задачи. Общая теоретическая база такого вида работ практически отсутствует. Но можно привести примеры боль- шой эффективности этой модели вычислений. Другие подходы к классификации ВС Наличие большою разнообразия систем, образующих класс МКМД (M1MD), делает классификацию Флинна не полностью адекватной. Действительно и 4-процессорный SX-5 компании NEC, и 1000-процессорный Cray ТЗЕ попадают в клзсс MIMD. Это заставляет искать другие подходы к классификации. Классификация Джонсона Е. Джонсон предложил проводить классификацию MIMD-архитскгур на основе структуры памяли и реализации механизма взаимодействия и синхронизапии меж- ду процессорами.
2.3. Классы и архитектуры ВС и суперкомпьютеров 141 По структуре оперативной памяти существующие вычисли- тельные системы делятся на две большие группы: либо это сис- темы с общей памят ью. прямо адресуемой всеми процессорами, либо это системы с рас пределенной памятью каждая часть кото рой доступна только одному процессору. Одновременно с этим и для межпроцессорного взаимодействия существуют две альтер- нативы — через разделяемые переменные или с помощью меха- низма передачи сообщений. Исходя из таких предположений, можно получить четыре класса MIMD-архитектур. уточняющих систематику Флинна (табл. 2.7). Таблица 2.7. Классификация Джонсона для систем VIIMD по Флинну Обмен данными Память Общая Распределенная Общие 'данные GMSV - Gene a Memory Shared variables (Об- щая память разделяемые перемен' ,ые' Класс 1. «Системы с разделяемой тамятью» DMSt; - Distributed Memory, Shared vai>abies (Распределенная память разделяемые переменные) Класс 2. «1 ибридчая архитектура» Передача данных GMMP - General Memory Message propagation (Общая память - передача сообщений) DMMP - Distributed Memory, Message propagation) | ’аспределенная память - передача сообщений) Класс 3. «Архитектуры с передачей сообщений» Опираясь на такое деление. Джонсон вводит следующие на- именования для некоторых классов • вычислительные системы, использующие общую разделяе- мую память для межпроцессорного взаимодействия и син- хронизации, он называет системами с разделяемой памя- тью, например CRAY Y МР (по его классификации это класс 1); • системы, в которых память распределена по процессорам, а для взаимодействия и синхронизации используется меха низм передачи сообщений, называются архитектурами с передачей сообщений, например NCube (класс 3); • системы с распределенной памятью и синхронизацией че- рез разделяемые переменные, как в BBN Butterfly, называ- ются гибридными архитектурами (класс 2).
142 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ В качестве уточнения классификации автор отмечает вс лож- ность учитывать «ид связи между процессорами: общая шина, пе- реключатели, разнообразные сети и т. п. Классификация Дункана. Р. Дункан определяет тот набор тре- бований, на который может опираться искомая классификация. Из класса параллельных машин дол жны быть искд ючены те. в которых параллелизм заложен лишь на самом низком j ровне, включая: • конвейеризацию на этапе подготовки и выполнения ко- манды (instruction pipelining), т. е. частичное перекрытие таких этапов, как дешифрация команды, вычисление гщре- сов операндов, выборка операндов, выполнение команды и сохранение результата; • наличие в архитектуре нескольких функциональных уст- ройств. работающих независимо, в частности, возможность параллельного выполнения логических и арифметических операций; • наличие отдельных процессоров ввода/вывода, работающих независимо и параллельно с ос новными процессорами. Причины исключения перечисленных выше особенное! е й ав- тор объясняет следующим образом. Если рассматривать компью- теры, использующие только параллелизм низкого уровня, нарав- не со всеми остальными, то, во-первых, практически все сущест- вующие системы будут классифицированы как < параллельные» (что заведомо не будет позитивным фактором для классифика- ции), и, во-вторых, такие маш ины будут плохо вписываться в лю- бую модель или концепцию, отражающу ю пара з зелизм высокого уровня Классификация должна быть согласованной с классифика- цией Флинна, показавшей правильность выбора идеи потоков команд и данных. Классификация до. (жна описывать архитектуры которые од- нозначно не укладываются в систематику Флинн а, но тем не мс нес относятся к парад зольным архитектурам (например, вектор- но-конвейерные). Учитывая вышеизложенные требования. Дз нкан дает нефор- мальное определение парал зельной архитектуры, причем именно неформальность дала ему возможное гь включит ь в данный класс компьютеры, которые ранее не вписывались в систематику Флинна. Итак параллельная архитектура — это такой способ ор- ганизации вычислительной системы, при котором допускается,
2.3. Классы и архитектуры ВС и суперкомпьютеров 143 чтобы множество процессоров (простых или сложных) могло ра- ботать одновременно, взаимодействуя по мере надобности друг с другом. Следуя этому определению все разнообразие параллели ных архитектур Дункан систематизирует так. как это показано на рис. 2.6. Синхронные — Векторные — SIMD — Систолические I— Матричные ‘-- С ассоциативной памятью СС распределенной памятью С общей памятью Майины, использующие принципы MIMD --- MIMD'SIMD — Dadaflow — Reduction — Wavefront Рис 2.6. Классификация Дункана По существу систематика очень простая процессоры систе- мы работают либо синхронно, либо независимо друг от друга, либо в архитектуру системы заложена та или иная модификация идеи MIMD. На следующем уровне происходит детализация в рамках каждого из этих трех классов. Дадим небольшое поясне- ние лишь к тем из них, которые на сегодняшний день не столь широко известны. Систолические архитектуры (их чаще называют систоличе- скими массивами) представляют собой множество процессоров, объединенных регулярным образом (например, система WARP). Обращение к памяти может осуществляться только через опре- деленные процессоры на границе массива. Выборка операндов из памяти и передача данных по массиву осуществляется в од- ном и том же темпе. Направление передачи данных между про- цессорами фиксировано. Каждый процессор за интервал време- ни выполняет небольшую инвариантную последовательность действий. Гибридные MiMD/S1MD архитектуры, вычислительные сис- темы dataflow, reduction и wavefront осуществляют паратлельную обработку информации на основе асинхронного управления, как и MIMD-системы. Но они выделены в отдельную группу, по-
144 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ скольку все имеют ряд специфических особенностей, которыми нс обладают системы, традиционно относящиеся к M1MD. M1MD/SIMD — типично гибридная архитектура. Она предпо- лагает, что в MIMD-системе можно выделить группу процессо- ров, представляющую собой подсистему, работающую в режиме SIMD (например, PASM, Non-Von). Такие системы отличаются относительной гибкостью, поскольку допускают реконфигурацию в соответст вии с особенностями решаемой прикладной задачи. Остальные три вида архитектур используют нетрадиционные модели вычислений. /)сГа/7ои'-машины используют модель, в ко- торой команда может выполняться сразу же, как только вычис- лены необходимые операнды. Таким образом, последователь- ность выполнения команд определяется зависимостью по дан- ным, которая может быть выражена, например, в форме графа. Модель вычислений, применяемая в reduction-мат инах, иная и состоит в следующем: команда становится доступной для вы- полнения тогда и только тогда, когда результат се работы требу- ется другой, доступный для выполнения команде в качестве опе- ранда. Архитектура wavefront array объединяет в себе идею систоли- ческой обработки данных и модель вычислений, используемую в г/аго/7ои'-машинах. В данной архитектуре процессоры объеди- няются в модули, и связи, по которым процессоры могут взаи- модействовать друг с другом, фиксируются Однако, в противо- положность ритмичной работе систолических массивов, данная архитектура использует асинхронный механизм связи с подтвер- ждением (handshaking), из-за чего «фронт волны» вычислений может менять свою форму по мере прохождения по всему мно- жеству процессоров. Классификация Скилликорна. Д Скилликорн разработал под- ход, ориентированный как на описание свойств многопроцес- сорных систем, так и некоторых нетрадиционных архитектур, в частности dataflow и гег/дс//оп-машины Предлагается рассмагривать архитектуру любого компьютера как абстрактную структуру, состоящую из четырех компонент: • процессор команд (IP — Instruction Processor) — функцио- нальное устройство, работающее как интерпретат ор команд; в системе, вообще говоря, может отсутствовать; • процессор данных (DP — Data Processor) — функциональное устройство, работающее как преобразователь данных, в со- ответствии с арифметическими операциями;
2.3. Классы и архитектуры ВС и суперкомпьютеров 145 • иерархия памяти (IM — Instructor Memory, DM — Data Memory) — запоминающее устройство, в котором хранятся данные и команды, пересылаемые между процессорами; • переключатель — абстрактное устройство, обеспечивающее связь между процессорами и памятью. Функции процессора команд во многом схожи с функциями устройств управления последовательных машин и, согласно Д. Скилликорну, сводя гея к следующим: • на основе своего состояния и полученной от DP инфг р мации 1Р определяет адрес команды, которая будет выпол- няться следующей; • осушес гвляет доступ к IM для выборки команды; • получает и декодирует выбранную команду; • сообщает DP команду, которую надо выполнить, • определяет адреса операндов и посылает их в DP; • получает от DP информацию о результате выполнения команды Функции процессора данных делают ei о во многом похожим на арифметическое устройство традиционных процессоров: • DP получает от 1Р команду, которую надо выполнить; • получает от IP адреса операндов; • выбирает операнды из DM; • выполняет команду: • запоминает результат в DM; • возвращает в IP информацию о состоянии после выполне- ния команды В терминах таким образом определенных основных частей компьютера структуру традиционной фон-неймановской архи- тектуры можно представить в следующем виде (рис 2.7). Это один из самых простых видов архитект уры, не содержа- щих переключателей. Для описания параллельных вычислитель- ных систем автор зафиксировал четыре типа переключателей, без какой-либо явной связи с типом устройств, которые они со- единяют • 1—1 переключатель такого тина связывает пару функ- циональных устройств; • п п — переключатель связывает /е устройство из одного множества уст ройств с i м уст ройством из другого множе ства, т. е. фиксирует попарную свя и>;
146 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ Рис. 2.7. Представление фон-нсймановской архитектуры по Скилликорну • 1— п — переключатель соединяет одно выделенное устрой- ство со всеми функциональными устройст вами из некото- рого набора; • п к п — каждое функциональное устройство одною множе- с гва может бы гь связано с любым ус гройствсм дру гого множества, и наоборот. Примеров подобных переключателей можно привести очень много. Так, все матричные процессоры имеют переключатель типа 1— п для связи единственного процессора команд со всеми процессорами данных. В компьют ерах семейства Connection Machine каждый процессор данных имеет свою локальною на- мять, следовательно, связь будет описываться как п—п. В го же время каждый процессор команд может связаться с любым дру 1 им процессором, поэтому данная связь будет описана как «хи. Классификация Д. Скилликорна состоит из двух уровней. На первом уровне она проводится на основе восьми характерно! ик: • количества процессоров команд (IP); • числа «поминающих устройств (модулей памяти) команд (IM); • типа переключателя между IP и IM • количества процессоров данных (DP); • числа запоминающих устройств (модулей памяти) данных (DM); • типа переключателя между DP и DM; • типа переключателя между IP и DP, • типа переключателя между DP и DP Используя введенные характеристики и предполагая, что рассмотрение количественных характеристик можно ограничить только гремя возможными вариантами значений: 0 1 и п рт е. больше одного), можно получить 28 кшссов архитектур.
2.3. Классы и архитектуры ВС и суперкомпьютеров 147 В классах 1—5 находятся компьютеры типа dataflow и reduction, не имеющие процессоров команд в обычном понима- нии этого слова Класс 6 — это классическая фон-неймановская последовательная машина. Все разновидности матричных про- цессоров содержатся в классах 7—10. Классы 11 и 12 отвечают компьютерам типа MISD классификации Флинна и на настоя- щий момент, по-видимому, не заполнены. Классы с 13-го по 28-й занимают всевозможные варианты мультипроцессоров причем в 13—20 классах находятся машины с достаточно привычной ар- хитектурой, в то время, как архитектура классов 21—28 пока вы- глядит экзотично. На втором уровне классификации Д. Скилликорн уточняет На втором уровне классификации Д. Скилликорн уточняет описание, сделанное на первом уровне, добавляя возможность конвейерной обработки в процессорах команд и данных. Классификация Шора. Классификация Дж. Шора, появив- шаяся в начале 1970-х гг., интересна тем, что представляет собой попытку выделения типичных способов компоновки вычисли- тельных систем на основе фиксированного числа базисных бло- ков — устройства управления, арифметико-логического устрой- ства, памяти команд и памяти данных. Дополнительно предпо- лагается, что выборка из памяти данных может осуществляться словами, т. е. выбираются все разряды одного слова, и/или би- товым слоем — по одному разряду из одной и той же позиции каждого слова (иногда эти два способа называют горизонталь- ной и вертикальной выборками, соответственно). Конечно же, при анализе данной классификации надо делать скидку на время ее появления, так как предусмотреть невероятное разнообразие параллельных систем настоящего времени было в принципе не- возможно. И гак. согласно классификации Шора все компьюте- ры разбиваются на шесть классов, которые так и называются: машина типа /, // и т. д. Машина типа I — это вычислительная система, которая со- держит устройство управления, арифметико-логическое устрой- ство, память команд и память данных с пословной выборкой (рис. 2.8, о). Считывание данных осуществляется выборкой всех разрядов некоторого слова для их параллельной обработки в арифметико-логическом устройстве Состав АЛУ специально не оговаривается, что допускает наличие нескольких функцио нальных устройств, быть может, конвейерною типа По этим соображениям в данный класс попадают как классические по- следовательные машины (IBM 701, PDP-11. VAX 11/780), так и
148 Глава 2. Архитектура и структура средств В1 a б Рис. 2.8. Машины типов I (в) и II (б) по классификации Шора конвейерные скалярные (CDC 7600) и векторно-конвейерные (CRAY-1) Если в машине типа / осуществлять выборку не целыми сло- вами, а по одному разряду из всей совокупности слов, то полу- чим машину типа II (рис. 2 8, б) Слова в памяти данных но-прежнему располагаются горизонтально, но доступ к ним осуществляется иначе. Если в машине I происходит последова- тельная обработка слов при параллельной обработке разрядов, то в машине II — последовательная обработка битовых слоев при параллельной обработке множества слов. Структура машины II лежит в основе ассоциативных компь- ютеров (например, центральный процессор машины STARAN), причем фактически такие компьютеры имеют не одно арифме- тико-логическое устройство, а множество сравнительно простых устройств поразрядной обработки. Другим примером служит матричная система ICL DAP, которая может одновременно об- рабатывать по одному разряду из 4096 слов. Если объединить принципы построения машин 1 и II, то по- лучим машину типа III (рис 2 9, а). Эта машина имеет два ариф- метико-логических устройства — горизонтальное и вертикаль- ное и модифицированную памя ть данных, которая обеспечивает доступ как к словам, так и к битовым слоям. Впервые идею по- строения таких систем в 1960 г выдвинул У. Шуман, называв- ший их ортогональными (если память представлять как матрицу слов, то доступ к данным осуществляется в направлении, «орто- гональном» традиционному — не по словам (с грокам), а по би товым слоям (столбцам)). Если в машине I увеличить число пар «арифметико-логиче- ское устройство — память данных» (иногда эту пару называют процессорным элементом}, то получим машину типа /Iх (рис 2.9, б).
2.3. Классы и архитектуры ВС и суперко мпьютеров 149 a б Рис. 2.9. Машины типов III (а) и IV (б) по классификации Шора Единственное устройство управления выдает команду за коман- дой сразу всем процессорным элементам. С одной стороны, отсутствие соединений между процессорными элементами дела- ет дальнейшее наращивание их числа относительно простым, но с другой — сильно ограничивает применимость машин этого класса. Если ввести непосредственные линейные связи между сосед- ними процессорными элементами машины IV, например в виде матричной конфшурации. то получим схему машины типа V (рис. 2.10, а). Любой процессорный элемент теперь может обра- щаться к данным как в собственной памяти, так и в памяти не- посредственных соседей. Заметим, что все машины с I по Vпридерживаются концепции разделения памяти данных и арифметико-логических устройств, предполагая наличие шины данных или какого-либо коммути- рующего элемента между ними. Машина типа VI (рис. 2 10, б), названная матрицей с функциональной памятью (или памятью со встроенной логикой), представляет собой другой подход, преду- сматривающий распределение логики процессора по всему запо- а б Рис. 2.10. Машины типов V (а) и VI (б) по классификации Шора
150 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ минающему устройству. Примерами могут служг.гь как простые ассоциативные запоминающие устройства, так и сложные ассо- циативные процессоры. Примеры некоторых архитектур вычислительных систем Рассмотрим далее примеры конкретных архитектур а именно: • симметричную многопроцессорную: • асимметричную многопроцессорную (мультипроцессорную!; • массивно-параллельную, • гибридную с неоднородным доступом к памяти. • параллельную с векторными процессорами; • кластерную Авторы предлагают читателю самостоятельно отнести ука- занные типы систем к тем или иным классам из вышерассмот- ренных классификаций. Симметричная мультипроцессорная обработка Symmetric MultiProcessing (SMP). SMP — архитектура суперкомпьютера, в которой группа процессоров работает с обшей оперативной па- мятью (рис. 2.11). Память является способом передачи сообщений между про- цессорами, при этом все вычислительные у стройства при обра- щении к ней имеют равные права и одну и ту же адресацию для всех ячеек памяти. Работой управляет единственная копия операционной сист е- мы. Для ускорения обработки каждый процессор может также иметь собст венную кэш-память. Задания между процессами рас- пределяются непосрсдс гвенно при выполнении прикладного Рис. 2.11. Симметричная мультипртцесторняя архитектура
2.3. Классы и архитектуры ВС и суперкомпьютеров 151 процесса. Нагрузка между процессорами динамически выравни- вается, а обмен данными между ними происходит с большой скоростью. Достоинство этого подхода состоит в том, что каж- дый процессор видит всю решаемую задачу в целом Но по- скольку для взаимодействия используется лишь одна шина, то возникают повышенные требования к ее пропускной способно- сти. Соединение посредством шины применяется при неболь- шом (4—8) числе процессоров. В подобных системах возникает проблема организации коге- рентности многоуровневой иерархической памяти Когерентность кэшей означает, что все процессоры получаю г одинаковые значения одних и тех же переменных в любой мо- мент времени. Действи гельно, поскольку кэш-память принадле- жит отдельному компьютеру, а нс всей многопроцессорной сис- теме в целом, данные, попадающие в кэш одного компьютера, могут быть недоступны другому. Чтобы избежать этого, следует провести синхронизацию информации, храняшейся в кэш-памя- ти процессоров. Возможность увеличения числа процессоров в SMP ограни- чена из -за использования обшей памяти. Более того, по той же причине все процессоры должны располагаться в одном корпу- се. Между тем. преимуществом SMP является то, что она может работать с прикладными программами, разработанными для од- нопроцессорных систем. Кроме этого SMP использует обычные операционные системы, например, операционную систему OS/2, сетевую операционную систему Windows NT. Корпорация Data General создала для SMP специальную версию операционной системы UNIX Асимметричная мультипроцессорная обработка Asymmetric Multiprocessing (ASMP) — архитектура суперкомпьютера, в кото- рой каждый процессор имеет свою оперативную память. В ASMP используются три схемы (рис. 2.12). В любом случае процессоры взаимодействуют между собой, передавая друг другу сообщения, т е. как бы образуя скоростную локальную сеть. Пе- редача сообщений может осуществляться через общую шину (рис. 2.12, а, см. также МРР-архитектуру) либо благодаря меж- процессорным связям. В последнем случае процессоры связаны либо непосредственно (рис. 2.12, б), либо через друг друга (рис 2 12, в) Непосредственные связи используются при неболь- шом числе процессоров.
152 Глава 2 Архитектура и структура средств ВТ в Рис. 2.12. Схемы асимметричной многопроцессорной архитектуры Каждый процессор имеет свою, расположенную рядом опе- ративную память. Благодаря этому, если это необходимо, про- цессоры могут располагаться в различных, но рядом установ- ленных корпусах Группа устройств в одном корпусе именуется кластером Пользователь, обращаясь к кластеру, может работать сразу с группой процессоров. Такое объединение увеличивает скорость обработки данных и расширяет используемую опера- тивную память. Резко возрастает также отказоустойчивость, ибо кластеры осуществляют резервное дублирование данных. Соз- данная таким образом система называется кластерной. В этой системе, в соответствии с ее структурой, может функциониро- вать несколько копий операционной системы и несколько ко- пий прикладной программы, которые работают с одной и гои же базой данных (БД), решая одновременно разные задачи. МРР-архитектура (massive parallel processing) — массивно-па- раллельная архитектура (см. рис. 2.12, а) В этом случае система строится из отдельных модулей, каждый из которых содержит: • процессор; • локальный банк оперативной памяти (СП); • два коммуникационных процессора (маршрутизатора, руте- ря — router): один — для передачи команд, другой — для передачи данных (или сетевой адаптер); • жесткие диски и/или другие устройства ввода/вывода.
2.3. Классы и архитектуры ВС и суперкомпьютеров 153 По своей сути, такие модули представляют собой полнофунк- циональные компьютеры. Доступ к банку ОП из данного модуля имеют только процессоры из этого же модуля Модули соединя- ются специальными коммуникационными каналами. Пользова- тель может определить логический номер процессора, к которо- му он подключен, и организовать обмен сообщениями с другими процессорами. Гибридная архитектура (NUMA). Организация когерентности многоуровневой иерархической памяти. Главная особенность гиб- ридной архитектуры NUMA {nonuniform memory access) — неод- нородный доступ к памяти. Гибридная архитектура воплощает в себе удобства систем с общей памятью и относительную дешевизну систем с раздель- ной памятью Суть этой архитектуры — в методе организации памяти, а именно: память является физически распределенной по различным частям системы, но логически разделяемой, так что пользователь видит единое адресное пространство. Система состоит из однородных базовых модулей (плат), состоящих из небольшого числа процессоров, и блока памяти. Модули обье- динены с помощью высокоскоростного коммутатора Поддержи- вается единое адресное пространство, аппаратно поддерживается доступ к удаленной памяти, т. е. к памяти других модулей. При этом доступ к локальной памяти осуществляется в несколько раз быстрее, чем к удаленной. По существу архитектура Nil МА яв- ляется МРР (массивно-параллельной) архитектурой, где в каче- стве отдельных вычислительных элементов берутся SMP-узлы. Пример структурной схемы компьютера с гибридной сетью (рис 2 13): четыре процессора связываются между собой с помо- рие. 2.13. Гибридная архитектора
154 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ шью кроссбара в рамках одного SMP-узла. Узлы связаны сетью типа «бабочка» (Butterfly). Известны также гибридные структуры с коммутатором (рис. 2.14). Здесь каждый процессор работает со своей памятью, но модули устройств памяти связаны дру1 с дру1 ом с помощью коммутатора (рис. 2.14, а). Коммутаторы, именуемые также узла- ми. могут также включаться между группами процессоров (ПР) и модулей памяти (П). Здесь сообщения между процессорами и памятью передаются через несколько узлов (рис. 2.14, б). Рис. 2.14. Гибридная архитектура с коммутатором (а): многокаскадная коммутация (б) PVP-архитектура. PVP (Parallel Vector Process) — параллель- ная архитектура с векторными процессорами. Основным призна ком PVP-систем является наличие векторно-конвейерных процес- соров, в которых предусмотрены команды одно! ипной обработ ки векторов независимых данных, эффективно выполняющиеся на конвейерных функциональных устройствах. Как правило, не- сколько таких процессоров (1 — 16) работают одновременно с об- шей памятью (аналогично SMP) в рамках многопроцессорных конфигураций. Несколько таких узлов могут быть объединены с помощью коммутатора (аналогично МРР) Поскольку передача данных в векторном формате осуществляется намного быстрее, чем в скалярном (максимапьная скорость может составлять 64 Гбайт/с, что на два порядка быстрее, чем в скалярных маши- нах), то проблема взаимодействия между потоками данных при распараллеливании становится несущественной. И то, что плохо распараллеливается на скалярных машинах, хорошо распаралле- ливается на векторных Таким образом, системы PVP-архитекгу-
2.3. Классы и архитектуры ВС и суперкомпьютеров 155 ры могут являться машинами общего назначения (general purpose systems). Однако, поскольку векторные процессоры весьма доро- ги, эти машины не являются общедоступными. Кластерная архитектура. Кластер представляет собой два или более компьютеров (часто называемых узлами), которые объединяются с помощью сетевых технологий на базе шинной архитектуры или коммутатора и предоставляются пользователю в качестве единого информационно-вычислительною ресурса. В качестве узлов кластера могут выступать серверы, рабочие станции или обычные персональные компьютеры. Преимущест- во кластеризации для повышения работоспособности становится очевидным в случае сбоя какого-либо узла; при этом другой узел кластера может взять на себя нагрузку неисправного узла, и пользователи не заметят прерывания в доступе. Возможности масштабируемости кластеров позволяют многократно увеличи- вать производительность приложений для большего числа поль- зователей технологий (Fa^t/Gigabit Ethernet, Myrinet) на базе шинной архитектуры или коммутатора. Такие суперкомпьютер- ныс системы являются самыми дешевыми, поскольку собирают- ся на базе стандартных комплектующих элементов («off the shelf»), процессоров, коммутаторов, дисководов и внешних устройств. Кластеризация может быть осуществлена на разных уровнях компьютерной системы, включая аппаратное обеспечение, опе- рационные системы, программы-утилиты, системы управления и приложения. Чем больше уровней системы объединены кла- стерной технологией, тем выше надежность, масштабируемость и управляемость кластера Типы кластеров: Тип 1 Машина строится целиком из стандартных деталей, которые продают многие продавцы компьютерных компонент (низкие цены, простое обслуживание, аппаратные компоненты доступны из различных источников). Тип // Система включает эксклюзивные или не широко рас- пространенные детали. Этим можно достичь очень хорошей производительности, однако при более высокой стоимости. Как уже указывалось ранее, кластеры могут существовать в различных конфигурациях. Наиболее употребчяемыми типами кластеров являются: • системы высокой надежности; • системы для высокопроизводительных вычислений; • многопоточные системы.
156 Глава 2 Архитектура и структура средств ВТ Отметим, что границы ме жду этими типами кластеров до не- которой степени размыты, и часто существующий кластер м< ,жет иметь такие свойства или функции, которые выходят за рамки перечисленных типов. Более того, при конфи! урировании боль- шого кластера, используемого как система общего назначения, приходится выделять блоки, выполняющие все перечисленные функции. Связь процессоров в кластерной системе. Архи- тектура кластерной системы (способ соединения процессоров друг с другом) определяет ее производительность в бо шшеи сте- пени, чем тип используемых в ней процессоров Крит ическим па- раметром. влияющим на величину производительности такой системы, является расстояние между процессорами. Так, соеди- нив вместе 10 персональных компьютеров, можно получить сис- тему для проведения высокопроизводительных вычислений. Про- блема, однако, будет состоя гь в нахождении наиболее эффектив- ною способа соединения стандартных средств друг с другом, поскольку при увеличении производительности каждого процес- сора в 10 раз производительность системы в целом в 10 раз не уве- личится. Рассмотрим пример построения симметричной 16-процес- сорной системы, в которой все процессоры были бы равноправ- ны. Наиболее естественным представляется соединение в виде плоской решетки. 1де внешние концы используются для подсо- единения внешних устройств (рис. 2 15k Компьютер/процессор Tonorc-ия связи се_ка 4 > 4 Рис. 2.15 Схема соединения процессоров в виде плоской решетки
2.3. Классы и архитектуры ВС и суперкомпьютеров 157 При таком типе соединения максимальное расстояние между процессорами окажется равным 6 (количество связей между процессорами, отделяющих самый ближний процессор от само- го дальнего). Теория же показывает, что если в системе макси- мальное расстояние между процессорами больше 4, то такая система не может работать эффективно Поэтому, при соедине- нии 16 процессоров друг с другом плоская схема является неэф- фективной Для получения более компактной конфигурации не- обходимо решить задачу о нахождении фигуры, имеющей мак- симальный объем при минимальной площади поверхности. В трехмерном пространстве таким свойством обладает шар Но поскольку необходимо построит ь узловую систему, то вместо шара приходится использовать куб (если число процессоров рав- но 8, рис 2.16. а) или гиперкуб, если число процессоров боль- ше 8. Размерность гиперкуба будет определяться в зависимости от числа процессоров, которые необходимо соединить. Так, для соединения 16 процессоров потребуется четырехмерный гипер- куб (рис. 2.16, б). Для его построения следует взять обычный трехмерный куб, сдвинуть в еще одном направлении и. соединив вершины, получить гиперкуб размером 4. Рис 2.16. Топологии связи: а — трехмерный куб; б — четырехмерный гиперкуб Архитектура гиперкуба является второй по эффективности, но самой наглядной. Используются и другие топологии сетей связи: трехмерный тор, «кольцо», «звезда» и другие (рис. 2.17). Эффективной считается архитектура с топологией «толстою дерева» (fat-tree). Процессоры локализованы в лист ьях дерева, в то время как внутренние узлы дерева скомпонованы во внутрен- нюю сеть (рис. 2.18). Поддеревья могут общаться между собой, нс затрагивая более высоких уровней сети.
158 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ Рис. 2.17. Архитектура кольца с полной связью по хордам (Chordal Ring) Рис 2.18. Кластерная архитектура «Fat-tree»’ а — вид «сбоку»; б — вид «сверху» Поскольку способ соединения процессоров друг с другом больше влияет на производительность кластера, чем тип исполь- зуемых в ней процессоров, то может оказаться более рентабель- ным создать систему из большего числа дешевых компьютеров, чем из меньшего числа дорогих. В кластерах, как правило, ис- пользуются операционные системы, стандартные для рабочих станций, чаше всего, свободно распространяемые — Linux, FreeBSD, вместе со специальными средствами поддержки парал- лельного программирования и балансировки нагрузки При ра- боте с кластерами так же, как и с МРР-системами, используют так называемую Massive Passing Programming Paradigm — пара- дигму программирования с передачей данных (чаще всего — MPI). Дешевизна подобных систем оборачивается большими на-
2.4. Компьютерные сети и телекоммуникационные технологии... 159 клддными расходами на взаимодействие параллельных процес- сов между собой, что сильно сужает потенциальный класс ре- шаемых задач. 2.4. Компьютерные сети и телекоммуникационные технологии: основные понятия, элементы и структуры Основные этапы развития взаимодействия ЭВМ—ЭВМ Первые системы совместной эксплуатации информационных и вычислительных ресурсов (системы коллективного пользования) появляются в 1960—1970-е гг. и относятся к вычислительным системам с разделением времени Основные этапы развития сис- тем доступа к информационным ресурсам представлены на рис. 2.19 и включают следующие схемы. Системы терминал—хост. Взаимодействие терминала (конеч- ный пользователь, источник запросов и заданий) и хоста (цен- тральная ЭВМ, mainframe, держатель всех информационных и вычислительных ресурсов) — рис. 2 19, а, б. Такие решения были осуществлены, например, фирмами IBM — SNA (System Network Architecture) и Digital (Digital's network architecture). Доступ может осуществляться как в локальном, так и в удаленном режиме, во вто- ром случае, как правило, некоторая совокупность пользователей (дисплейный класс) размещается в так называемом абонентском пункте — комплексе, снабженном контроллером (устройством управления), принтером, концентратором и обеспечивающим па- раллельную работу пользователей с удаленным хостом Связь ме- жду хостом и абонентским пунктом в этом случае осуществлялась с помощью модемов по телефонным каналам Сети ЭВМ. На следующем этапе (рис. 2 19. в) формируются сети передачи данных (из существующих общих и специальных цифровых каналов), позволяющие осуществлять как более тес- ное взаимодействие терминал — хост, так и обмен хост — хост для реализации распределенных баз данных и децентрализации процессов обработки информации. Появление и массовое распространение персональных компь- ютеров выводят на первый план (для массового пользователя) проблему связи ПК ПК (рис 2.19 г) для быстрого резервирова- ния и копирования информации (в том числе с использованием
160 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ Xoct Терминалы ПК Файл-сервер ПК д Internet Рис. 2.19. Варианты коллективного использования информационно-вычисли- тельных ресурсов: а — локальный хост; б — удаленный хост; в — глобальная сеть; г — коммуника- ции ПК—ПК; д — локальная сеть; е — Internet модемов) и локальные сети (рис. 2.19, д). Локальные сети (Local area networks — LAN) появились в процессе революции ПК и поддерживают высокоскоростные, отказоустойчивые системы передачи данных, которые охватывают отдельное здание (группу зданий) или относительно небольшие географические области. Они предоставляют связанным пользователям распределенный доступ к устройствам и приложениям и позволяют обмениваться файлами или связываться через электронную почту. В дальней- шем локальные сети потеряли самост оятельное значение вслед- ствие интеграции с глобальными в двухуровневые сети, строящие- ся по единому принципу в рамках Internet (рис 2.19, е) Глобаль- ные се ги (Wide area networks — WAN) охватывают более широкие географические области, часто используя общие средства связи (типа телефонных компаний), чтобы связать множество локаль- ных сетей. Системы клиент — сервер. В последующем перечисленные конфигурации не претерпели существенных изменений, однако
2.4. Компьютерные сети и телекоммуникационные технологии... 1Ы понятия хост и терминал из чисго аппаратурных трансформиро- вались в аппаратурно-программные и даже сугубо программные (например, эмуляторы терминала и эмуляторы хоста на однотип- ных ПК). Кроме того, в 80-е г. в обиход входит понятие интел- лектуального терминала (smart terminal) — сателлитной маши- ны, которая берет на себя часть функций по обработ ке информа- ции пользователя (например, синтаксический анализ запроса или программы). Таким образом, по мерс развития представлений о распреде- ленных вычислительных процессах и процессах обработки дан- ных складывается концепция архитектуры «клиент — сервер» — обобщенное представление о взаимодействии двух компонент информационной технологии (техническою и/или программного обеспечения) в вычисли тельных системах и сетях, среди которых логически или физически могу:’ быть выделены • активная сторона (источник запросов, клиент); • пассивная сторона (сервер, обслуживание запросов источ- ник ответов). Взаимодействие клиент — сервер в сети осуществляется в со- ответствии с определенным стандартом, или протоколом — сово- купностью соглашений об установлснии/прскращснии связи и обмене информацией. Существуют различные типы сетей, различаемые в соответ- ствии с характеристиками, такими, как. • тополо1ия — геометрическая конфигурация комг ыо ерной системы. Наиболее распространенные топологи и — «шина», «звезда» и «кольцо»; • станларты/протоколы — определение общих наборов пра вил и электросигналов, которые определяют, как компью- теры сети устанавливают связь и передают данные; • архитектура: нтпримср. могут различаться одноранговые и клиент-серверные сет и В дополнение к компьютерам, ино> да называемым узлами, в состав сети входят: • уст ройства на каждом из связанных компьютеров, которые дают возможность ему связаться с сетью, обычно называе- мые сетевыми интерфейсными картами (платами). • разтичные виды сетевых аппаратных средств включая уст- ройства. осуществляющие коммутацию — концентраторы коммутаторы, маршрути шторы;
162 Глава 2. Архитектура и cmpj ктура средств ВТ • среда связи, обычно провода или кабели, хотя беспровод- ная связь .между сетевыми компьютерами все более распро- страняется. Базовые сетевые топологии Проиллюстрируем (на примере локальных сетей) основные принципы комплексирования сетевого оборудования (или топо- логии сетей). При создании сети в зависимости от задач, которые она должна будет выполнять, может быть реализована одна из трех базовых топологий: «звезда», «кольцо» и «общая шина» — рис. 2.20, табл. 2.8. Рис 2.20. Базовые сетевые топологии: а — «звезда»: 6 — «колыю». е — шинная топология; г — логическое кольцо
2.4. Компьютерные сети и телекоммуникационные технологии... 163 Таблица 2.8. Основные характеристики сетей различных топологий Характеристики Топология •Звезда" •Кольцо» «Шина- Стоимость расширения Незначительная Средняя Средняя Присоединение абонентов Пассивное Активное Пассивное Защита от отказов Незначительная Незначительная Высокая Размеры системы Любые Любые Ограничен» Защищенность от прослушивания Хорошая Хорошая Незначительная Стоимость подключения Незначительная Незначительная Высокая Поведение системы при высоких нагрузках Хорошее Удовлетворительное Плохое Возможность работы в реальном режиме времени Очень хорошая Хооошая Плохая Разве дха хабеля Хорошая Удовлетворительная Хорошая Обслуживание Очень хорошее Среднее Среднее Концепция топологии сети в виде звезды заимствована из об- ласти больших ЭВМ, в которой головная (хост) машина получа- ет и обрабатывает все данные с периферийных устройств (тер- миналов или рабочих станций пользователя), являясь единствен- ным активным узлом обработки данных (рис. 2.20, а). Информация между любыми двумя пользователями в этом случае проходит через центральный узел вычислительной сети. Пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Коллизий (столкновений) данных не возникает. Кабельное соединение несложно, так как каждая рабочая станция связана с узлом. Затраты на прокладку кабелей высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре сети. При расширении вычислительных сетей не могут быть использованы ранее выполненные кабельные свя^и — к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный ка- бель из цент ра сети. Топология в виде звезды является наиболее быстродействую- щей из всех топологий вычислительных сетей, поскольку переда-
164 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ ча данных между рабочими станциями проходит через централь- ный узел (при его хорошей производительности) по выделенным линиям, используемым только этими рабочими станциями. Кро- ме того, частота запросов передачи информации от одной стан- ции к другой невысока по сравнению с наблюдаемой при других 1опологиях Производительность вычислительной сети в первую очередь зависит от мощности центрального файлового сервера. В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети. Центральный узел управления — файловый сервер — должен поддерживать механизм защипы против несанкционированного доступа к информации. При кольцевой топологии сети рабочие станции связаны одна с другой по кругу, т. е. рабочая станция 1 с рабочей станцией 2, рабочая станция 3 с рабочей станцией 4 и т. д Последняя рабо- чая станция связана с первой (рис. 2.20, б). Коммуникационная связь замыкается в кольцо, данные передаются от одного компь- ютера к другому как бы по эстафете. Если компьютер получит данные, предназначенные для другого компьютера, он передаст их следующему по кольцу. Если данные предназначены для по лучившего их компьютера, они дальше не передаются. Прокладка кабелей от одной рабочей станции до другой мо жст быть довольно сложной и дорогостоящей, особенно если географически рабочие станции расположены не вполне по кольцу (например, в линию). Пересылка сообщений является очень эффективной, так как большинство сообщений можно отправлять по кабельной систе - ме одно за другим. Достаточно просто можно выполнить цирку- лярный (кольцевой) запрос на все станции. Продолжительность передачи информации увеличивается пропорционально количе- ству рабочих станций, входящих в вычислительную сеть. Основная проблема кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая станция должна участвовать в пересылке ин формации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них ра- бота в сечи прекращается. Неисправности в кабельных соединениях легко локализуют- ся. Подключение новой рабочей станции требует краткосрочно- го выключения сети, так как во время установки кольцо дол жно быть разомкнуто Ограничения на протяженность вычислитель- ной сети не существует, так как оно, в конечном счете, опрсле-
2.4. Компьютерные сети и телекоммуникационные технологии... 165 ляется исключительно расстоянием между двумя рабочи ми стан- циями. Топология «общая шина» предполагает использование одно- го кабеля, к которому подключаются все компьютеры сети (рис. 2.20, в). В данном случае кабель используется совместно всеми станциями по очереди. Принимаются специальные меры для тою, чтобы при работе с общим кабелем компьютеры нс мешали друг другу передавать и принимат ь данные. Надежность здесь выше, так как выход из стоя отдельных компьютеров не нарушает работоспособность сети в целом. По- иск неисправностей в кабеле затруднен. Кроме того, так как ис- пользуется только один кабель, в случае повреждения нар) шает- ся работа всей сети. Рабочие станции в любое время, без прерывания работы всей вычислительной сети, могут быть подключены к ней или отключены. Функционирование вычислительной сети нс зависит от состояния отдельной рабочей станции. Рабочие станции присоединяются к шине посредством уст- ройств ТАР (от англ. Te-minal Access Point — точка подключения терминала). ТАР представляет собой специальный тип подсо- единения к коаксиальному кабелю. Зонд игольчатой форм ы вне дряется черс 5 наружную оболочку внешнего проводника в слой диэлектрика, присоединяясь к внутреннему проводнику. В ЛЕС с прямой (немодулируемой) передачей информации все гда может существовать только одна станция, передающая ин- формацию. Для предотвращения коллизий в большинстве случа- ев применяется временной метод разделения, согласно которому для каждой подключенной рабочей станции в определенные мо- менты времени предоставляется исключительное право на ис- пользование канала передачи данных. Поэтому требования к про- пускной способности вычислительной сети при повышенной на- грузке снижаются, например при вводе новых рабочих станций. В ЛВС с модулированной широкополосной передачей информа - ции различные рабочие станции получают по мере надобности, частоту, на которой эти рабочие станции могут отправлять и п з- лучать информацию Пересылаемые данные модулируются на соответствующих несущих частотах, т. е. между средой передачи информации и рабочими станциями находятся соответственно модемы. Техника широкополосных сообщений позволяет одновре- менно транспортировать в коммуникационной среде довольно
166 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ большой объем информации. Для дальнейшего развития дис- кретной транспортировки данных нс имеет значения тот факт, какая первоначальная информация подана в модем (аналоговая или цифровая), так как она все равно в дальнейшем будет пре- образована. Комбинированные топологические решения. Наряду с перечис- ленными базовыми, на практике применяется ряд комбиниро- ванных топологий. Логическая кольцевая сеть, которая физически мон- тируется как соединение звездных топологий, относится к таким типам (рис. 2.20. г). Отдельные «звезды» включаются с помощью специальных коммутаторов (англ. Hub — концентратор), кото- рые так и называют «хаб». Управление отдельной рабочей стан- цией в логической кольцевой сети происходит так же, как и в обычной кольцевой сети. Каждой рабочей станции присваивает- ся соответствующий ей адрес, по которому передается управле- ние (от старшего к младшему и от самого младшего к самому старшему). Разрыв соединения происходит только для нижерас- положенного (ближайшего) узла вычислительной сети, так что лишь в редких случаях может нарушаться работа всей сети. Древовидная структура —является другим комбини- рованным решением (рис. 2.21). Она строи гея в виде комбинаций вышеперечисленных топологий вычислительных сетей. Основа- ние дерева вычислительной сети располагается в точке (корень), Рис. 2.21. Сеть с древовидной структурой
2.4. Компьютерные сети и телекоммуникационные технологии... 167 в которой собираются коммуникационные линии информации (ветви дерева). Вычислительные сети с древовидной структурой применяют- ся там, где невозможно непосредственное применение базовых селевых структур в чистом виде. Для подключения большого чис- ла рабочих станций применяют сетевые усилители и/ил и комму- таторы (активные или пассивные концентраторы). Организация межсетевого взаимодействия. В глобальных се- тях связь между ЛВС осуществляется посредством мостов. Мосты представляют собой программно-аппаратные ком- плексы, которые соединяют ЛВС между собой, а также ЛВС и удаленные рабочие станции (PC), позволяя им взаимодейство- вать друг с другом для расширения возможностей сбора и обме- на информацией. Мост обычно определяется как соединение между двумя се- тями. которые используют одинаковый протокол взаимодейст- вия, одинаковый тип среды передачи и одинаковую структуру адресации. И звестна следующая типизация мостов: • внутренний/внешний. • выделенный/совмещенный; • локальный/удаленный. Внутренний мост располагается на файловом сервере. Внешние мосты и их НО устанавливаются в рабочей станции, которая не загружена функциями файлового сервера. Поэтому внешний мост может передавать данные более эффективно, чем внутренний. Выделенный мост — это ПК, который используется только как мост, и не может функционироваз ь как рабочая станция Совмещенный — может функционировать и как мост, и как рабочая станция одновременно. Преимущество: ограничиваются издержки на покупку дополнительного компьютера. Недостаток: ограничение возможностей рабочей станции, совмещенной с мостом (Если программа зависает и вызывает остановку ПК, функционирующего как мост, программа моста также останав- ливает операции, что прерывает разделение данных между сетя- ми, а также прерывает сеансы работы машин, которые связаны через мост с файловым сервером ) Локальный мост перелает данные между сетями, которые расположены в пределах ограничений кабеля по расстоянию
168 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ Эталонная модель внутри- и межсетевого взаимодействия (OSI Reference Model) Рассмотрим далее совокупность протоколов взаимодействия в сетях. Модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection reference model — OSI) описывает, каким обра- зом информация от приложения в одном компьютере перемеща- ется через сетевую среду к приложению в дру> ом компьютере. Модель соединения открытых систем — концептуальная модель, составленная из семи уровней, каждый из которых специфици- рует определенную группу функций сети. Модель была разрабо- тана Международной организацией стандартизации (Interna- tional Organisation for Standardisation — ISO) в 1984 г. и теперь считается базовой архитектурной моделью межмашинной связи. Модель взаимодействия открытых систем (ВОС) делит задачи, связанные с перемещением информации между сетевыми ком- пьютерами, на семь меньших, более управляемых групп задач. Задача или группа задач помещается на один из семи уровней соединения открытых систем Каждый уровень является разумно автономным, так, чтобы задачи, назначенные на каждый уровень, могли быть осуществлены независимо. В данной модели обмен информацией может быть представлен в виде стека (табл. 2.9) Это даст возможность изменять процессы и конструкции, разме- щенные на одном из уровней, не затрагивая другие. Таблица 2 >' Семиуровневая модель (стек) протоко юв межсетевого обмена OSI Номер Наименование уровня Содержание 7 Уровень приложений Предоставление услуг на уровне конечного пользователя почта, теледоступ и пр. । 6 Уровень представления данных Интерпретация и сжатие д анных 5 Уровень сессии Аутентификация и проверка полномочий 4 Транспорте ж уровень Обеспечен,-'' корректной сквозной пересылки данных 3 Сетевой уровень Маршрутизация и ведение учета 2 Канальный уровень Передача и прием пакетов, определение аппаратных адресов 1 Физический уровень Собственно кабель ил' i физически** носитель Семь уровней модели могут быть разделены на две катего- рии — верхние и нижние Верхние уровни имеют дело с приклад-
2.4. Компьютерные сети и телекоммуникационные технологии... 169 ными проблемами и полностью осуществляются только в про- граммном обеспечении Самый высокий уровень (приложений) наиболее близок к конечному пользователю. Нижние уровни моделируют проблемы транспортировки данных Физический уровень и уровень передачи данных реали- зуются в аппаратных средствах и программном обеспечении. Са- мый нижний, физический уровень, наиболее близок к физической сетевой среде (кабели, например) и ответственен за перемеще- ние информации относительно среды. Необходимые соглашения для связи одного уровня с выше- и нижерасположенными называют протоколом Протокол передачи данных. Для правильной и. следователь- но, полной и безошибочной передачи данных необходимо при- держиваться согласованных и установленных правил, оговорен- ных в протоколе передачи данных, который предусматривает следующую информацию. Синхронизация. Под синхронизацией понимают механизм распознавания начала блока данных и его конца Инициализация. Под инициализацией понимают установле- ние соединения между взаимодействующими партнерами. Блокирование. Под блокированием понимают разбиение пе- редаваемой информации на блоки данных строго определенной максимальной длины (включая опознавательные знаки начала блока и его конца). Адресация. Адресация обеспечивает идентификацию различ- ного используемого оборудования данных, которое обменивает- ся друг с другом информацией во время взаимодействия. Обнаружение ошибок. Под обнаружением ошибок понимают установку битов четности и, следовательно, вычисление кон- трольных битов Нумерация блоков. Текущая нумерация блоков позволяет установить ошибочно передаваемую или потерявшуюся инфор- мацию. Управление потоком данных. Управление потоком данных служит для распределения и синхронизации информационных потоков. Так, например, если не хватает места в буфере устрой- ства данных или данные недостаточно быстро обрабатываются в периферийных устройствах (например, принтерах), сообщения и/или запросы накапливаются. Методы восстановления. После прерывания процесса пере- дачи данных используют методы восстановления, чтобы вер
170 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ нуться к определенному положению для повторной передачи информации. Разрешение доступа. Распределение, контроль и управление ограничениями доступа к данным вменяются в обязанность пункта разрешения доступа (например, «только передача» или «только прием»). Рассмотрим, далее, вкратце уровни взаимодействия в ВОС. Уровень 1, физический уровень модели — определяет характери- стики физической сети передачи данных, которая используется для межсетевого обмена Это такие параметры, как напряжение в сети, сила тока, число контактов на разъемах, электрические, ме- ханические, ф) нкпиональные и процедурные параметры для фи- зической связи в системах. Физичес кая связь и неразрывная с ней эксплуатационная готовность являются основной функцией 1-го уровня. В качестве среды передачи данных используют трехжиль- ный медный провод (экранированная витая пара), коаксиальный кабель, оптоволоконный проводник и радиорелейную линию. Физический уровень осуществляет как соединения с физиче- ским каналом, так и расторжение, управление каналом, а также определяет скорость передачи данных, топологию сети, механи- ческие и электрические характеристики, требуемые для подклю- чения, поддержания соединения и отключения физической цепи. Здесь определяются правила передачи каждого бита через физический канал. Канал может быть параллельным (передавать несколько бит сразу) или последовательным. Уровень 2, канальный — представляет собой комплекс проце- дур и методов управления каналом передачи данных, организо- ванный на основе физического соединения. Канальный уровень формирует из данных, передаваемых 1-м уровнем, так называе- мые «кадры», последовательности пакетов. Каждый пакет содер- жит адреса источника и места назначения, а также средства обна- ружения ошибок На этом уровне осуществляются управление доступом к передающей среде, используемой несколькими ЭВМ, синхронизация, обнаружение и исправление ошибок. К канальному уровню отнесены протоколы, определяющие соединение, — протоколы взаимодействия между драйверами устройств и устройствами, с одной стороны, а с другой стороны, между операционной системой и драйверами устройств Уровень 3, сетевой — устанавливает связь в вычислител ьной сети между двумя абонентами. Соединение происходит благола- ря ф> нкциям маршрутизации, которые требуют наличия сетево-
2.4. Компьютерные сети и телекоммуникационные технологии... 171 го адреса в пакете. Сетевой уровень должен также обеспечивать обработку ошибок, мультиплексирован не, управление потоками данных. Основная задача сетевого уровня — маршрутизация данных (передача данных между сетями). Специальные устройства — маршрутизаторы (Router) определяют, для какой сети предна- значено то или другое сообщение, и направляют эту посылку в заданную сеть. Для определения абонента внутри сети использу- ется адрес узла (Node Address). Для определения пути передачи данных между сетями на маршрутизаторах строятся таблицы маршрутов (Routing, Tables), содержащие последовательность пе- редачи данных через маршрутизаторы. Каждый маршрут содер- жит адрес конечной сети, адрес следующего маршрутизатора и стоимость передачи данных по этому маршруту. При оценке стоимости могут учитываться количество промежуточных мар- шрутизаторов, время, необходимое на передачу данных, просто денежная стоимость передачи данных по линии связи. Для по- строения таблиц маршрутов наиболее часто используют либо метод векторов, либо статический метод. При выборе опти- мальною маршрута применяют динамические или статические методы. К сетевому уровню относятся протоколы, которые отвечают за отправку и получение данных, где определяются отправитель и получатель и необходимая информация для доставки пакета по сети. Уровень 4, транспортный — поддерживает непрерывную пе- редачу данных между двумя взаимодействующими apyi с другом удаленными пользовательскими процессами. Качество транс- портировки, безошибочность передачи, независимость вычисли- тельных сетей, сервис транспортировки из конца в конец, мини- мизация затрат и адресация связи гарантируют непрерывную и безошибочную передачу данных. Транспортный протокол связывает нижние уровни (физиче- ский, канальный, сетевой) с верхними уровнями, которые реали- зуются программными средствами. Этот уровень как бы разделя- ет средства формирования данных в сети от средств их передачи. Здесь осуществляется разделение информации по определенной длине и уточняется адрес назначения. Транспортный уровень по- зволяет мультиплексировать передаваемые сообщения или со- единения. Мультиплексирование сообщений позволяет переда- вать сообщения одновременно по нескольким линиям связи, а
172 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ мультиплексирование соединений — передавать в одной посылке несколько сообщений для различных соединений. Уровень 5, сеансовый (уровень сессии) — на данном уровне осу- ществляется управление сеансами (сессиями) связи между двумя взаимодействующими прикладными пользовательскими процес- сами (пользователями). Определяется начало и окончание сеанса связи’ нормальное или аварийное; определяется время, длитель- ность и режим сеанса связи, точки синхронизации для промежу- точного контроля и восстановления при передаче данных, вос- станавливается соединение после ошибок во время сеанса связи без потери данных. На этом уровне происходит преобразование данных из кал- ров, используемых для передачи данных в экранный формат или формат для печатающих устройств оконечной системы Уровень 6, представления данных (представительский, уровень представления информации, уровень обмена данными с при- кладными программами) — управляет представлением данных в необходимой для программы пользователя форме, осуществляет генерацию и интерпретацию взаимодействия процессов, кодиро- ванис/декодирование данных, в том числе компрессию и деком- прессию данных (преобразование данных из промежуточного формата сессии в форма! данных приложения). На рабочих станциях могут использоваться различные опера- ционные системы DOS, UNIX. OS/2. Каждая из них имеет свою файловую систему, свои форматы хранения и обработки данных. Задачей данного уровня является преобразование данных при пе- редаче информации в формат, который используется в информа- ционной системе. При приеме данных данный уровень представ- ления данных выполняет обратное преобразование Таким обра- зом, появляется возможность организовать обмен данными между станциями, на которых используются различные операционные системы. Уровень 7, прикладной (уровень прикладных программ или приложений) — определяет протоколы обмена данными этих прикладных программ — в его ведении находятся прикладные сетевые программы, обслуживающие файлы, а также выполня- ются вычислительные, информационно-поисковые работы, ло- । ические преобразования информации, передача почтовы к сооб- щений и т. п. Одна из задач этого уровня — обеспечить удобный интерфейс пользователя.
2.4. Компьютерные сети и телекоммуникационные технологии... 173 Таким образом, мы видим, что уровень с меньшим номером предоставляет услуги смежному с ним верхнему уровню и поль- зуется для этого услугами смежного с ним нижнего уровня. Са- мый верхний (7-й) уровень потребляет услуги, самый нижний (1 -й) только предоставляет их. Кроме того, на разных уровнях обмен происходит в различ- ных единицах информации: биты, кадры, фреймы, пакеты, сеан- совые сообщения, пользовательские сообщения. Уровень может «ни- чего не знать» о содержании сообщения, но он должен «знать», что дальше делать с этим сообщением. Уровень приложений пе- редаст сообщение на следующий уровень и т. д. через все уровни, пока физический уровень нс передаст его в кабель. Каждый уро- вень по-своему обрабатывает, например, сообщение электрон- ной почты, но «не знает» о фактическом содержании этого сооб- щения. Каждый уровень выполняет собственное формирование па- кета, добавляя заголовок и концевые блоки к сообщению, посту- пившему с более высокого уровня Это приводит к появлению шести наборов заголовков и концевых блоков к тому моменту, когда сообщение готово к передаче по сети. По мере того, как данные передаются с верхнего уровня на нижний, протокол каж- дого уровня добавляет собственный заголовок, включающий не- обходимую служебную информацию. Все заголовки и концевые блоки затем передаются физическому уровню, который может добавить свою порцию служебной информации для передачи по физической сети. Одноранговые и клиент-серверные сети В одноранговой сетевой архитектуре (pccr-to-peer) каждый компьютер (рабочая станция) имеет эквивалентные возможности и обязанности. Нет разделения функций, и компьютеры просто соединяются друг с другом в рабочей группе, чтобы совместно использовать файлы, принтеры и доступ к Internet. Это является обычным для рабочих групп, включающих 10 или менее компью тсров, делая это обычным во многих системах малою офиса, где каждый ПК действует как независимая рабочая станция, которая сохраняет данные на собственном НЖМД, но может совместно использовать данные со всех других ПК на сети.
1/4 Глава 2. Архитектура и структура средств ВТ Программное обеспечение для одноранговых сетей включено в современные операционные системы настольных ПК типа Windows и MAC OS (Макинтош), без необходимости приобрете- ния специального сетевого программного обеспечения. Клиент-серверная сетевая архитектура стала популярной в конце 1980-х и в начале 1990-х гг., так как многие приложения были перенесены от хост-компьютеров и универсальных ЭВМ к сетям ПК Компьютер (процесс), управляющий тем или иным ресурсом, является сервером этого ресурса, а компьютер, поль- зующийся им, — клиентом. Различные классы таких систем отображены на рис. 2.22. Если бы мы «продолжили» диаграмму данного рисунка налево, то там должен был бы находиться вариант «терминал — хост», где клиентская сторона не выполняет никаких интеллектуальных функций, а направо — сервер без функций обработки данных (например, почтовый сервер, который только переадресовывает сообщения) Разработка приложений для распределенной вычислительной среды требовала, чтобы они фактически были разделены на две части: клиент (передняя сторона) и сервер (задняя сторона). Се- тевая архитектура, на которой они были осуществлены, отразила Рис. 2.22. Реализация концепции клиент — сервер в вычислительной среде а — распределенное отображение данных; б — удаленное отображение данных (эмуляция терминала); в — распределенное приложение (серверы приложений): г — доступ к удаленной базе данных (серверы баз данных); д — доступ к распре- деленной базе данных
2.4. Компьютерные сети и телекоммуникационные технил . > 75 эту клиент-серверную модель, где ПК пользователя (клиент) дей- ствует как машина-источник запросов, а более мощная маши- на-сервер. с которой осуществляется связь через локальную ил. глобальную сеть, действует как система обслуживания запросов. Свойственная им масштабируемость делает клиент-сервер- ные сети подходящими как для больших, так и среднего размера предприятий, с серверами, располагающимися либо на высоко- производительных ПК, либо на универсальных ЭВМ при необ- ходимости. Клиент-серверные сети требуют установки специаль- ной сетевой операционной системы (Network Operating System — NOS) — программное дополнение к обычному системному про- граммному обеспечению. Контрольные вопросы 1. Назовите основные классы и подклассы вычислительных машин и дай- те их сравнительную характеристику. 2. Когда и на основании чего фон Нейман предложил новые принципы создания компьютеоов? 3. Что такое процессор и АЛУ? 4. Объясните сущность принципов, предложенных фон Нейманом. Ка- кие функции возложены на ЦУ? 5 Что такое регистры? Назовите некоторые важные регистры и опишите их функции. 6. Перечислите основные типы архитектуры ЭВМ. 7. Охарактеризуйте одиночный поток команд — одиночный поток дан- ных (ОКОД). 8. Охарактеризуйте одиночный поток команд — множественный поток данных (ОКМД). 9. Охарактеризуйте множественный поток команд — одиночный поток данных (МКОД) 10. Охарактеризуйте множественный поток команд — множественный поток данных (МКМД). 11 На какие классы подразделяются многопроцессорные паоаплельные ВС’ 12. Что такое кластеры и какими преимуществами они обладают? 13. Что такое вычислительные системы и каковы их разновидности? 14. Охарактеризуйте принципы функционирования машин типа wavefront и reduction. 15. Дайте общую характеристику и определите область использования суперЭВМ и мэйнфреймов.
Глава 3 ПРОЦЕССОРЫ. ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ Процессор и оперативная память образуют центральное уст- ройство (ЦУ) ЭВМ. Процессором является функционально пол- ная совокупность устройств, которая регулирует, управляет и контролирует соответствующий рабочий процесс (в ЭВМ — про- цесс обработки данных). С развитием микроэлектронной техно- логии и увеличением степени интеграции элементов размешен- ный в одной электронной схеме (кристалле — чипе) «процессор» стал далее называться «микропроцессором» (МП). 3.1. Структура и архитектура процессоров В 1945 г. в отчете по ЭВМ EDVAC Дж. фон Нейман сформу- лировал основные принципы построения ЭВМ. По прошествии более полувека большинство компьютеров так и имеют «фон-неймановскую архитектору» В большинстве машин реали- зованы принципы фон Неймана в следующем виде: • оперативная память (ОП) организована как сово- купность машинных слов (МС) фиксированной длины или раз- рядности (имеется в виду количество двоичных единиц или бит, содержащихся в каждом МС). Например, ранние ПЭВМ имели разрядность 8, затем появились 16-разряд- ные, а затем — 32- и 64-разрядные машины. В свое время существовали также 45-разрядные (М-20, М-220), 35-раз- рядные (Минск-22. Минск-32) и др. машины; • ОП образует единое адресное пространство, адреса МС возрастают от младших к старшим; • в ОП размещаются как данные так и программы, причем в области данных одно слово, как правило, соответствует од- ному числу, а в области программы — одной команде (ма-
3.1. Структура и архитектура процессиро' /77 шинной инструкции — минимальному и неделимому эле- менту программы); • команды выполняются в естественной последовательности (по возрастанию адресов в ОП), пока не встретится коман- да управления (условного/безусловного перехода, ил и ветв- лен ия — branch), в результате которой естественная после- довательность нарушится; • ЦП может произвольно обращаться к любым адресам в ОП для выборки и/или записи в МС чисел или команд. Абстрактное центральное устройство Перечислим основные понятия и рассмотрим структуру и функции абстрактного центрального устройства ЭВМ (рис. 3.1). арифметико-ло! ическое устройство ( АЛУ) (arithm< tic and logic unit — AU J) которою предназначено для обработки целых чисел и битовых строк. Устоойство управления 0”У) Сумматор Регистр команды (РК) Регистры адреса (РА1 РА2,...) Регистр адреса команды «рак. СчАК) Ре'истры числа (РЧ1. РЧ2. ..) _______Регистр результата_________ Индексные регистра (ИР1, ИР2 ..) Регистровая память Базисные регистры (БР1 БР2. ) л* Л' । Команда Адресность коп ИР БР А1 А? АЗ 11осго~ммы л. -<2 Старший адрес Число-1 Данные Главная память Число-2 °азрядносп Рис. 3.1. Структура простейшего нейтрального устройства ЭВ'1
178 Глава 3. Процессоры. Оперативная память Команда, инструкция (instruction) — описание операции, ко- торую нужно выполнить. Каждая команда характеризуется фор- матом, который определяет ее структуру. 1 ипичная команд? со- держит: • код операции (КОП), характеризующий тип выполняемого действия; • адресную часть (АЧ), которая в общем случае включает. — номера (адреса) индексною (ИР) и базисного (БР) реги- стров; — адреса операндов — Al, А2 и т. д. Цикл процессора — период времени, за который осушествля- ется выполнение команды исходной программы в машинном виде: состоит из нескольких тактов. Такт работы процессора — промежуток времени между со- седними импульсами (tick of the internal clock) генераторе так- товых импульсов, частота которых есть тактовая частота про- цессора. Такт процессора (такт синхронизации) — квант времени, в течение которого осуществляется элементарная операция — выборка, сравнение, пересылка данных. Выполнение короткой команды — арифметика с ФТ тфикси- рованной запятой — ФЗ), логические операции, обычно занима- ет пять тактов: • выборка команды: • расшифровка кола онеоапии (декодирование): • генерация адреса и выборка данных из памяти; • выполнение операции; • запись результата в па мять. Процедура, соответствующая такту, реализуется определен- ной логической цепью (схемой) процессора, обычно именуемой микропрогра ммой. Регистры — устройства, предназначенные для временного хранения данных ограниченного размера (регистровое запоми- нающее устройство, РЗУ). Важной характеристикой рыисгра яв- ляется высокая скорость приема и выдачи данных. Регистр со- стоит из ра «рядов, в которые можно быстро вписывать. запоми- нать и считывать слово, команду, двоич ное число и т. д. Обычно регистр имсел ту же ра«рядность, что и машинное слово. Ре- 1истр, накапливающий данные, именуют аккумулятором Регистр, обладающий способностью перемещать содержимое своих разрядов, называют сдвиговым В этих регистрах за о тин такт хранимое слово поразрядно сдвигаете! на одну позицию.
3.1. Структура и архитектура процессоров 179 Регистры общего назначения — РОН, регистры сверх- оперативной памяти или регистровый файл — РФ, (General Pur- pose Registers) — общее название для регистров, которые времен- но содержат данные, передаваемые или принимаемые из памяти. Регистр команды (РК, Instruction Register — IR) служит для размещения текущей команды, которая находится в нем в течение текущего цикла процессора. Регистр (РАК), счетчик (СчАК) адреса команды (program counter — PC) — регистр, содержащий адрес текущей команды. Регистр адреса (числа) — ра(Ч) — содержит адрес од- ного из операндов выполняемой команды (регистров может быть несколько). Регистр числа (РЧ) — содержит операнд выполняемой команды, рч также несколько. Регистр результата (РР) — предназначается для хра- нения результата выполнения команды. Сумматор — регистр, осуществляющий операции сложе- ния (логического и арифметического двоичного) чисел или би- товых строк, представленных в прямом или обратном коде (ино- гда РЧ и РР включают в состав сумматора). Существуют и другие регистры, не отмеченные на схеме, на- пример, р ег и с тр состояния — Status Register (SR).Ти- пичным содержанием SR является информация о результатах за- вершения команды (ноль, переполнение, деление на ноль, пере- нос и пр.). УУ использует информацию из SR для исполнения условных переходов (например, «в случае переполнения перейти по адресу 4170»). Ниже более подробно будут рассмотрены реги- стры процессора 18086. Цикл выполнения короткой команды может выглядеть сле- дующим образом. 1. В соответствии с содержимым СчАК (адрес очередной ко- манды) УУ извлекает из ОП очередную команду и помещает ее в РК. Некоторые команды УУ обрабатывает самостоятельно, без привлечения АЛУ (например, по команде «перейти по адре- су 2478» величина 2478 сразу заносится в СчАК, и процессор пе- реходит к выполнению следующей команды. 2 Осуществляется расшифровка (декодирование) команды. 3. Адреса Al, А2 и пр. помещаются в регистры адреса. 4 Если в команде указаны ИР или бр. го их содержимое ис- пользуется для модификации РА — фактически выбираются чис -
180 Глава 3. Процессоры. Оперативная память ла или команды, смешенные в ту или иную сторону по отноше- нию к адресу, указанному в команде. 5. По значениям ра осуществляется чтение чисел (строк) и помещение их в РЧ. 6 Выполнение операции и помещение результата в РР. 7. Запись результата по одному из адресов (если необходимо). 8. Увеличение содержимого СчАК на единицу (переход к сле- дующей команде). Очевидно, что за счет увеличения числа регистров возможно распараллеливание, перекрытие операций Например, при считы- вании команды СчАК можно автоматически увеличить на 1, под- готовив выборку следующей команды. После расшифровки теку- щей команды РК освобождается и в него может бы гь прочитана следующая команда. При выполнении операции возможна рас- шифровка следующей команды и т. д. Все это является предпо- сылкой построения так называемых конвейерных струк- тур (pipeline) Однако все это хорошо только при последователь- ном (естественном) порядке выполнения команд Появление переходов (особенно по не определенному заранее условию) на- рушает эту картину. Поэтому современные процессоры пытаются предсказывать переходы в npoi рамме (branch prediction). Системы команд Основные команды ЭВМ классифицируются вкратце следую- щим образом (подробнее см. далее, описание команд для i8086) — по функциям (выполняемым операциям), направлению прие- ма-передачи информации адресности Основные признаки клас- сификации и типы команд помещены в табл. 3 1. Очевидна связь таких параметров ЦУ, как длина адресного пространства, адресность, разрядность Увеличение разрядности позволяет увеличить адресность команды и длину адреса (т. е объем памяти, доступной данной команде). Увеличение адресно- сти, в свою очередь, приводи'1’ к повышению быстродействия об- работки (за счет снижения числа требуемых команд) В трсхадресной машине, например, сложение двух чисел тре- бует одной команды (извлечь число по А1 число по А2, сложить и записать результат по АЗ). В двухадресной машине необходи мы две команды (первая — извлечь число по А1 и поместить в РЧ (или сумматор), вторая — извлечь число по А1, сложить с
3.1. Структура и архитектура процессоров 181 Таблица 3.1. Классы команд Тип команд Выполняемые действия (или другие признаки) Команды пересылки Пересылка данных между двумя регистрами или между регистром и ячейкой памяти. В некоторых микропроцессорах реализуется пересылка между двумя ячейками па- мяти, а также групповая пересылка содержимого нескольких регистров в память или их загрузка из памя и Команды ввода и вывода Реализуют пересылку данных из регистра процессора во внешнее устройство или прием данных из внешнего устройства в регистр Команды обра- ботки данных (01 - первый операнд, 02 - вирой) Короткие операции (один такт) п Логические Логическое сложение (для каждого бита 01 и о; осуществляется операция или) Логическое умножение (для каждого бита О1 и 02 осуществляется операция и) Инверсия (в о1 ви единицы заменяются на нули, и наоборот) Сравнение логическое (если 01 = 02, то некий флаг или регис о устанавливается в«1». иначе-в «0») Арифмети- ческие Сложение операндов Вычитание (сложение в обрат юм коде) Сравнение арифметическое (если 01 > 02 или 01 = 02, или Э1 < 02, то некий флаг или регистр устанавливается в «1». иначе в«0») Команды сдвига Осуществляют арифметические, логические и циклические сдвиги адресуемых операн- дов на один или несколько разрядов Длинные операции (несколько тактов) Сложение/вычитание с фиксированной точкой Умножение/деление с фиксированной точкой Операции управления Безусловный переход (ветвление, branch) Загружает в СчАК новое содержимое, являющееся здре сом следующей выполняемой команды Вызов под программы Производится путем безусловной передачи управления, с сохранением адреса возврата управления Условный переход (conditional branch) Производит за.рузку в PC нового содержимого, если вы полняются определенные уоювия иомацды организации программных циклов Условный переход в зависимости пт значения содержимо- го заданного регистра, который используется как счетчик и1КЛ0В Команды прерывания Переход к одной из программ обслуживания исключений и прерываний
182 Глава 3. Процессоры. Оперативная память Продолжение табл. 3.1 Тип команд Выполняемые действия [или другие признаки) Команды изменения признаков Запись-чтение содержимого регистра состояния, в кото- ром хранятся признаки, а также изменение значений от- дельных признаков Команды управления г роцессором Команды останова, отсутствия операции и ряд команд, оп- ределяющих режим работы процессора или его отделоных блоков Тип выборки (и пересылок данных Регистр-регистр 01 и о. размещают! я в регистрах АРУ Память-регистр (регистр-память) Один из операндов размещается в ОП Память-память 01 и 02 размещены в ОП Способ адресации i Прямая Операнд выбирается из ячейки памяти адрес которой со- держится в команде Регистровая Операнд выбирается из регистра, номер (имя) которого указано в команде Косвенно-регистровая Операнд выбирается из ячейки памяти, адрес которой со- держится в регистре указанном в команде Косвенно-регистровая со смещением Операнд выбирается из ячейки памя’и. адрес которой яв- ляется суммой содержимого, указанного в команде реги- стра и заданного в команде смещения (смещение может быть положительным или отрицательным чис юм) Косвенно-регистровая с индексированием и смещением Операнд выбирается из ячейки памяти, адрес которой яв- ляется суммой содержимого указанного в команде регист- ра, индексного регистра и заданного в команде смещения Иногда имеются специальные индексные регистры, ино- гда в качестве индексного используется регистр, номер или имя которого указывается в команде. Частным случа- ем этого способа является индексная адресация когда ад- рес образуется суммированием специа зьного индексного регистра и заданного в команде смещения Относительная Операнд выбирается из ячейки памяти, адрес которой яв- ляется суммой текущего содержимого Счак и заданного в команде смещения (числа со знаком) Во многих про- цессорах этот способ адресации используется не для ад- ресации операнда, а для формирования адреса к которо- му переходит программа яри ветвлении Приэпмсфор мированны i *ахим образом адрес загружаете в Счак, обеспечивая выборку требуемой следующей команды । Непосредственная Операнд непосредственно содержится в пос гулившей ко- манде размещаясь с ледом за кодом операции (КОП)
3.1. Структура и архитектура процессоров 1S3 Окончание табл. 3.1 Тип команд •*1 Выполняемые действия (или другие признаки) Адресность Одноадресные | коп м А1 в зависимости от модификации коман- де может обозначать либо адрес ячейки (регистра) в которой хранится одно из чи- сел участвующих в операции либоадр°с ячейки (регистра), куда сседуег поместить результат Двухадресные | КОП А1 А2 А1 - это обычно адрес ячейки (регистра] где хранится 1-е из чисел, участвующих в операции, и куда после завершения опера-' ции должен быть записан результат; А2 - обычно адрес ячейки (регистра), гдехра- ни-ся второе учаевчюшее вопеоаг и г число Трехадресные [ КОП А1 А2 АЗ А. и аз - адреса ячеек (регистров', где расположены, соответственно 1 -е и 2-е числа, учас'вующит е операции. ai - ад- рес ячейки (регистра) куд а следует помес- тить результат выполнения операции Безадресны0 | КОП Данные Содержит только код операции, а информа- ция для нее должна быть заранее помещена в определенные регистры машины или со- держаться в адресной части Другие1 ризнаки Операции с п гавеющей запятой (ПЗ или пла вам цли точкой (ПТ) Арифметические операции над числами, представленны- ми в виде «мантисса- порядок» Десятинная арифметика Реализация команд, обрабатывающие тетрады бит и вь полняющих соответствующие арифметг*ческн° операции Оимчояьная обработка Команды обработки байт памяти как символов ASCII (Срав- нение, соогировка и пр.I Обработка чисел двойной длины O6pai ска машинных слов длины, например. 64 «ли 128 {256) байт Команды SIMD-ряси к ренин («Single 'nstrudion-Mul ipte Data» «Одна коман да - Миоже тоо тинных») Иплпьзуютгя для обработки изображений звуковых сиг налов и в других приложения’' Для выпояненн0 этих опе- раций в состав г роцессооог введены блоке оеа-изуошие слответствующие команды
184 Глава 3. Процессоры. Оперативная память содержимым РЧ, и результат записать по А2). Легко видеть, что одноадресная машина потребует три команды. Поэтому неуди- вительно, что основная тенденция в развитии ЦУ ЭВМ сос гоит в увеличении ра $рядности. Наибольшее распространение по (учили двухадресные систе- мы команд. Классы процессоров В зависимости от набора и порядка выполнения команд про- цессоры подразделяются на четыре класса, отражающих также хронологию развития ЭВМ. CISC (complex instruction set computer) — классическая архи- тект ура процессоров, которая начала свое развит ие в 1 °4С -х гг. с появлением первых компьютеров и в которой ЦП использует микропрограммы для выполнения большою набора разнофор- мат ны к команд с использованием многочисленных способов ад- ресации. что требует сложных электронных цепей для декол про вания и исполнения. В течение дол1 их лет произво,тители ком- пьютеров разрабатывали и воплощали в изделиях все более сложные и 1 юлные системы команд Типичным примером CISC-процессоров являются микро- процессоры семейства Pentium. Они выполняют более 200 ко- манд разной степени сложности, которые имеют размер от 1 до 15 байт, и обеспечивают более 10 различных способов адреса ции Такое mhoi ообразие выпо. шясмых команд и способов адре саиии позво шет программисту реати ювать наиболее эффект ив- ные алгоритмы решения различных задач. Олнако при этом су- щественно усложняется структура микоопроцсссора, особенно его устройства управления, что приводит к увеличению размеров и стоимости кристалла, снижению производитель!юсги. В то же время анализ работы процессоров показал, что в тече- ние примерно 80 % времени выполняется лишь 20 % общего на бора команд. Поэтому был, поставлена задача оптимизации вы полнения небольшого по числу, но часто используемых команд. В 1974 г John Cocke (IBM Research) решил испробовать пол ход. который мог бы существенно уменьшить количество ма- шинных команд в ПП В середине 70-х это привело многих прс- и пюдителей компьютеров к пересмотру своих позиции ихи раз- работке ЦП с весьма oi раниченным напором команд.
3.1. Структура и архитектура процессоров 185 RISC (Redused Instuction Set Computer) — архитектура отлича- ется использованием ограниченного набора команд фиксиро- ванного формата. Первый процессор RISC был создан корпора- цией IBM в 1979 г. и имел шифр IBM 801. Современные RISC-процессоры обычно реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта. Также значительно сокращается число используемых способов адресации. Обычно в RISC-процессорах все команды обработки данных выполняются только с pci петровой или непосредствен- ной адресацией. При этом для сокращения количества обраще- ний к памяти RISC-процессоры имеют увеличенный объем внутреннего РЗУ — от 32 до нескольких сотен регистров, тогда как в CISC-процессорах число регистров общего назначения обычно составляет 8 — 16. В процессоре RISC используется более 100 регистров. В ре- зультате процессор на 20—30 % реже обращается к оперативной памяти, что также повышает скорость обработки данных. Упро- стилась топология процессора, выполняемого в виде одной ин- тегральной схемы, сократились сроки ее разработки, она стала дешевле. Обращение к памяти в RISC-процессорах используется толь- ко в операциях загрузки данных в РЗУ или пересылки результа- тов из РЗУ в память. При этом используется небольшое число наиболее простых способов адресации: косвенно-регистровая, индексная и некоторые другие. В результате существенно упро- щается структура микропроцессора, сокращаются его размеры и стоимость, значительно повышается производительность Начи- ная с процессора Pentium корпорация Intel начала внедрять эле- менты RISC-технологий в свои изделия. Указанные достоинства RISC-архитектуры привели к тому, что во многих современных CISC-процессорах используется RISC-ядро. выполняющее обработку данных. При этом посту- пающие сложные и разноформатные команды предварительно преобразуются в последовательность простых RISC-операций, быстро выполняемых этим процессорным ядром. Таким образом работают, например, современные модели микропроцессоров Pentium и К7 которые по внешним показателям относятся к CISC-процессорам. Использование RISC-архитектуры является характерной чертой многих современных микропроцессоров В то время, как в процессоре CISC для выполнения одной ко манды необходимо в большинстве случаев десять и более тактов,
186 Глава 3. Процессоры. Оперативная память то процессоры RISC близки к тому, чтобы выполнять по одной команде в каждом такте. Следует также иметь в виду, что благода- ря своей простоте процессоры RISC не патентуются. Это также способствует их быстрой разработке и широкому производству. Процессор MISC (MISC processor) — работает с минималь- ным набором длинных команд. Увеличение разрядности процессоров привело к идее укладки нескольких команд в одно слово (связку, bound) размером 128 бит. Оперируя с одним словом, процессор получил возможность обра- батывать сразу несколько команд. Это позволило использовать возросшую производительность компьютера и его возможность об- рабатывать одновременно несколько потоков данных. Процессор MISC, как и процессор RISC, характеризуется небольшим набором чаще всего встречающихся команд. Вместе с этим, принцип команд VLIW обеспечивает выполнение груп- пы команд за один цикл работы процессора Порядок выполне- ния команд распределяется таким образом, чтобы в максималь- ной степени загрузить маршруты, по которым проходят потоки данных Таким образом, архитектура MISC объединила вместе суперскалярную (многопоточную) и VLIW концепции Компо- ненты процессора просты и работают с высокими скоростями. VLIW (Very Large Instruction Word) — архитектура появилась относительно недавно — в 1990-х гг. Ее особенностью является использование очень длинных команд (до 128 бит и более), от- дельные поля которых содержат коды, обеспечивающие выпол- нение различных операций. Специальный компилятор планирования перед выполнением прикладной программы проводит се анализ, и по множеств) вет- вей последовательности операций определяет группу команд, которые могут выполняться параллельно. Каждая такая группа образует одну сверхдлинную команду. Это позволяет решать две важные задачи. Во-первых, в течение одного такта выполнять группу коротких («обычных») команд И. во-вторых, упростить структуру процессора. Этим технология VLIW отличается от су- перскалярности (здесь отбор групп одновременно выполняемых команд происходит непосредственно в ходе выполнения при- кладной программы, а не заранее, из-за чего усложняется струк- тура процессора и замедляется скорость его работы). Данная архитектура реализована в некоторых типах совре- менных микропроцессоров (РА8500 компании Hewlett-Packard. Itanium — совместная разработка Intel и Hewlett-Packard, неко-
3.1. Структура и архитектура процессоров 187 торые типы DSP — цифровых процессоров сигналов) и является весьма перспективной для создания нового поколения сверхвы- сокопроизводительных процессоров. Первые микропроцессоры Логическая структура микропроцессора, т. е. конфигурация составляющих микропроцессор логических схем и связей между ними, определяется функциональным назначением. Олни и те же функции можно выполнить в микропроцессорах со структу- рой, отличающейся набором, количеством и порядком срабаты- вания логических блоков. Логические блоки типового микро- процессора с развитой архитектурой показаны на рис. 3.2, а. Рассмотрим основные характеристики первых микропроцес- соров, ассоциированных с первыми ПК (см рис. 2.3). МП Intel 8080 был представлен 1 апреля 1974 г. Благодаря ис- пользованию технологии л-МОП с проектными нормами 6 мкм, на кристалле было ра (мешено 6 тыс. транзисторов. Тактовая час- тота процессора была доведена до 2 МГн. а длительность цикла команд составила 2 мкс. Объем памяти, адресуемой процессо- ром, — 64 Кбайт. За счет использования 40-выводного корпуса удалось разделить шину адреса (ША) и шину данных (ШД). об- щее число микросхем, требовавшихся для построения системы в минимальной конфигурации, сократилось до 6 (рис. 3.2, б). В блок РОН (РФ) были введены указатель стека, активно ис- пользуемый при обработке прерываний, а также два программно недоступных регистра для внутренних пересылок. Блок РОН был реализован на микросхемах статической памяти. Исключе- ние аккумулятора из РФ и введение его в состав .АЛУ упростило схему управления внутренней шиной. Новое в архитектуре МП — использование многоуровневой системы прерываний по вектору. Такое техническое решение позволило довести общее число источников прерываний до 256 В i8080 появился механизм прямого доступа в память (ПДП) (как ранее в универсальных ЭВМ IBM System 360 и др.). ПДП открыл возможность для применения в микроЭВМ таких слож- ных устройств, как накопители на магнитных дисках и лентах, дисплеи на ЭЛТ, которые превратили микроЭВМ в полноцен- ную вычислительную систему
188 Глава 3. Процессоры Оперативная память Шинд адрося (16 бит^у Шина данных (в <Упраялонмо (13 линий) --------1 I------- Адрес <16 бнт) Данные (6 бит) 8 бит Управление (S линий|\ Регистр команды |H|||N|Z|V|C| Состояние ] | Управгение шиной процессора |А{86иг)|В(8бйй] Аккумуляторы Пгхпамииык СЧОТЧИК 16 биг АЛУ Указатель ст-жа | 16 би- Индексный ре'ис'р Рис 3.2. Общая логическая структура микропроцессора (я); микропроцессор Intel 8080 (6); микропроцессор Z80 фирмы Zilog (в), микро ipoueccop МС68Р0 Фирмы Motorola (а). I — управляющая часть; II — операционная часть: ЬУПК — блок управления последовательностью команд БУВОп — блок управления вы- полнением операций; БУФКА — Сток управления формированием колов адре- сов; БУВП — блок управления виртуальной памятью; БЗН — блок защиты памя- ти; БУПРПр — блок управления прерыванием работы процессора. БУВР — 6" ж упрлвления вводом/выводом; РгСОЗУ (РЗУ) — регистровое сверхоперативное за- поминающее устройство; АЛБ — арифметико-логи1 еский блок; ЬПА — блок до- полнительной арифметики; ЬС — б юк синхронизации
5.2. Структура и архитектура процессоров 189 Процессор Z80 — детище фирмы Zilog. помимо расширенной системы команд, одного номинала питания и .способности ис- полнять программы, написанные для i8080, 'имел ряд архитек- турных особенностей (рис. 3.2, в). Регистровая архитектура определяется (Наличием достаточно большого регистрового файла внутри МП'. Команды получают возможность обратиться к операндам, расположенным в одной из двух запоминающих сред, оперативной йдмяги или регистрах. К любому регистру можно обратиться непосредственно, по- скольку регистры представлены в виде массива запоминающих элементов — регистрового файла. Типичным является выполне- ние арифметических операций только в регистре, при этом ко- манда содержит два операнда (оба операнда в регистре или один операнд в регист ре, а второй в оперативной памяти). Микропроцессор МС6800 Motorola также имел ряд существен- ных особенностей (рис. 3.2, г). Прежде всего, кристалл МС6800 требовал для работы одного номинала питания, а система ко- манд оказалась весьма прозрачной для программиста. МП со- держал два аккумулятора, и результат операции АЛУ мог быть помещен в любой из них. Но самым ценным качеством структу- ры МС 6800 было автоматическое сохранение в стеке содержи- мого всех регистров процессора при обработке прерываний (Z80 требовалось для этого несколько команд push). Процедура вое становления РОН из стека тоже выполнялась аппаратно. Технологии повышения производительности процессоров Конвейерная обработка команд (pipelining). Суперскаляризацня. Рассмотрим процесс выполнения процессором команды для ко- ротких (арифмет ических с фиксированной запятой или логиче- ских) операций. Как об этом говорилось выше, обработка ко- манды, или цикл процессора, может быль разделена на несколь- ко основных этапов, которые можно назвать микрокомандами. которых известно пять основных типов. Каждая операция требует для своего выполнения времени, равного такту генератора процессора (tick of the internal dock). Отметим, что к длинным операциям (плавающая точка) это не имеет отношения — там другая арифметика. Очевидно, что при
190 Глава 3 Процессоры Оперативная память тактовой частоте в 100 МГц быстродействие сос гавит 20 миллио- нов операций в секунду. Все этапы команды задействуются только один раз и в_с гда в одном и том же порядке — одна за другой. Это. в частности, оз начает, что если схема первой микрокоманды выполнила свою работу и передала результаты второй, то для выполнения теку- щей команды она больше не понадобится, и, следовательно. мо- жет приступить к выполнению следующей команды. Конвейеризация осуществляет многопоточную параллельна ю обработку команд, пак что в каждый момент одна из команд считывается, друтая декодируется и т. д., и всего в обработке од- новременно находится пять команд. Таким образом, на выходе конвейера на каждом такте процессора появляется результат об- работки одной команды (одна команда в один такт). Первая ин- струкция может считаться выполненной, когда завершат работу все пять микрокоманд. Такая технология обработки команд носит название кон- вейерной (pipeline) обработки Каждая часть устройства называется ступенью (стадией) конвейера, а общее число ступенен — длиной линии конвейера С ростом числа линий конвейера и увеличением числа сту- пеней на линии (табл. 3.2) увеличивается пропускная способ- ное гь процессора при неизменной тактоьои частоте Ппоцессо- ры с несколькими линиями конвейера получили название супер- скаляоных. Pentium — первый суперскалярный процессор Intel. Здесь две линии, что позволяет ему при одинаковых частотах быть вдвое производительней i8<iW6, выполняя сразу две инст- рукции за такт. Таблица 5.2 Характеристики конвейеров процессоров Intel Процессор 180486 Pentium Pentium Pro Pentium MMX Pentium 11 Pentium III Pentii-m ID Число линий 1 2 3 2 3 3 3 Длина линии 5 5 14 6 14 2D 3 (HyperPipeline) Во многих вычислительных системах наряду с конвейером команд, используются конвейеры данных. Сочетание »тих двух конвейеров дает возможность достичь очень высокой произво- ди гепьнпсти на определенный классах задач особенно если ис- пить зуется несколько различных конвейерных процессоров, способных работать одновременно и независимо друг от друга
3.1. Структура и архитектура процессоров 191 Матричные и векторные процессоры. В отличие от скалярных и даже сунерскалярных процессоров данные устройства манипу- лируют массивами данных и предназначены для обработки изо- бражений, матриц и массивов данных. Частным случаем вектор- ного процессора является процессор изображений, который служит для обработки сигналов, поступающих от датчиков-фор- мирователей изображения. Матричный процессор имеет архитектуру, рассчитан- ную на обработку числовых массивов, например матриц. Архи- тектура процессора включает в себя матрицу процессорных эле- ментов, например 64 х 64, работающих одновременно. Постпро- цессор предназначен для реализации некоторых специальных функций, например, управления базой данных. Векторный процессор обеспечивает параллельное вы- полнение операции над массивами данных, векторами. Он ха- рактеризуется специальной архитектурой, построенной на груп- пе параллельно работающих процессорных элементов. Векторная обработка увеличивает производительность про- цессора за счет того, что обработка целого набора данных (векто- ра) производится одной командой. Векторные компьютеры мани - пулируют массивами исходных данных подобно тому, как скаляр- ные машины обраба гывают отдельные элементы таких массивов. В этом случае каждый элемент вектора надо рассматривать как отдельный элемент потока данных. При работе в векторном ре- жиме векторные процессоры обрабатывают данные практически параллельно, что делает их в несколько раз более быстрыми, чем при работе в скалярном режиме. Максимальная скорость переда- ча данных в векторном формате может составлять 64 Гбайт/с. что на два порядка быстрее, чем в скалярных машинах. SIМD -процессы (команды). Г. Флинном (см. табл. 2.6) предложена классификация ЭВМ и вычислительных систем, ос- нованная на совместном рассмотрении потоков команд и чан- ных. В процессорах таких известных производителей как Intel и AMD все более полно используются некоторые из этих архи- тектурных наработок. В процессоре Pentium MMX были применены элементы S1M D-команд для обработки мультимедийных данных (видеоко- дирование, масштабирование, экстраполяция). Процессор со- держал восемь 64-битовых регис гров. позволявших за один такт обрабатывать 8-байтовые строки. При этом достигалось общее
192 Глава 3. Процессоры. Оперативная память повышение производительности на 10—20 %, а в программах об рабогки мультимедиа — до 60 %. В процессорах Pentium II, III введено 50—70 новых команд, названных Streaming SIMD Extensions (SSF). Процессор содер- жит 128-битовые регистры, позволяющие осуществлять за один такт до четырех операций с плавающей точкой. Команды SSF. позволяли оперировать с восемью 128-битными регистрами хммо... хмм7, в которых хранились по четыре веще- ственных числа одинарной точности. При этом вес SSE-операции проводились одновременно над четверками чисел, в результате чего специально оптимизированные программы, в кот эры к пре и (водилось большое количество од> ютипных вычислений, полу- чали существенный рост производительности. В дальнейшем было введено еще 76 SIMD команд и модер- низировано 68 имеющихся команд, чт о получило название SSE2 (Pentium IV Northwood). Здесь 128-битовые регистры обеспечь вали обработку чисел как с ПТ, так и с ФТ. SSE2 оперирует с теми же самыми регис грами и обратно со вместим с SSE процессора Pentium III (рис. 3.3) Расширение набора команд вызвано тем. что теперь операции со 128-битовы- ми регистрами могут выполняться не только как с четверками вещественных чисел двойной гочност и. но и как с парами веще- ственных чисел двойной точности, с шестнадцатью однобайто выми целыми и пр (рис. 3.3, б). SSE2 представляет собой сим- биоз ММХ и SSE и позволяет работать с любыми типами дан- ных, вмещающимися в 128-битные ршистрн. Рис. 3-3- Ф1>пмяты данных SSE (а) и SSE 1 (б)
3.1. Структура и архитектура процессоров 193 Однако использование нового набора команд требует специ - альной оптимизации программ. AMD также рсали тует SSE2 в процессоре Hammer. Процессор Pentium IV Prescott содержит еще на 13 SSE-команд больше (SSE3). Динамическое исполнение (Dynamic execution technology) — тех- нология обработки данных в процессоре, обеспечивающая более эффективную работ)' процессора за счет манипулирования дан- ными, а не простого исполнения списка инстру кций. Динамиче- ское исполнение представляет собой комбинацию трех техноло- гий обработки данных: • множественное предсказание ветвлений; • анализ потока данных; • спекулятивное (по предположению) исполнение. Впервые реализовано в процессоре Pentium Pro. Дкнамиче ское исполнение позволяет процессору предсказывать порядок инструкций. Множественное предсказание ветвлений. С боль- шой точностью (более 90 %) процессор предсказывает, в какой об - [асти памяти можно найти следующие инструкции. Этс оказыва- ется возможным, поскольку в процессе исполнения инструкции процессор просмагривает программу на несколько шагов вперед. Хотя втв (Branch Target Buf Тез* — буфер предсказания пе- реходов) и не может правильно предсказать абсолют но все пере ходы, но бо. ъшинство предсказаний оказываются точными. Это обеспечивает значительное повышение производительности На пример, программный цикл, состоящий из пересылки, сравне ния, сложения и перехода в 80486 DX выполняется за шесть так- тов синхронизации, а в Pentium — за два (команды Пересы тки и сложения, а также сравнения и перехода сочетаются и предска зывается перехо. t). Анализ потока данных. Процессор анализирует и со ставляет график исполнения инструкций в от имальной после- довательное! и, независимо от порядка и> спедования в тексте программы, просматривая декодированные инструкции и опре- деляя, готовы ли они к непосредственном^ исполнению ил и за- висят от результата дру! их ин< т рукций. Далее процессор опреце ляст оп гимальную последовательность выполнения и исполняет инструкции наиболее эффективным образом. Спекулятивное выполнение. Повышает скорость вы полнения путем просмотра npoi раммы вперед и выполнения тех инструкций, которые могут сказаться необходимыми: процессор
194 Глава 3. Процеа. оры. Оперативная память выполняет инструкции (до пяти инструкций одновременно) по мере их поступления в оптимизированной последовательности (спекулятивно) Поскольку выполнение инструкций происходит на основе предсказания ветвлений, результаты сохраняются как предположительные («спекулятивные»). На конечном этапе по- рядок инструкций восстанавливается и переводится в обычное машинное состояние. Процессоры уровня IA 64 (примером IA-64 — 64-разрядных процессоров — является Intel Itanium, см. табл. 3.4) имеют мощ- ные вычислительные ресурсы, включая 128 регистров целых чи- сел, 128 регистров действительных чисел, 64 предикационных ре- гистра, а также ряд специальных регистров. На рис. 3.4 и 3.5 представлены иллюстрации к возможностям архитектуры IA-64: • предикация (predication) — одновременное исполнение двух ветвей программы вместо предсказания переходов (выпол- нения наиболее вероятного); Компилятор может подготовить параллельную обработку, переставив команды и сочетая инструкции 4 и 7,5 и 8, 6 и 9 для одновременного выполнения Команда 1 Команда 2 Команда 3 (переход) ~| 128-битовые «связки» команд Команда 4 (Р1) Команда 7 (Р2) Команда 5 (Р1) Команда 8 Команда 6 Команда 9 JP2) (Р1) (Р2) Рис. 3.4. Предикация или одновременное предварительное выполнение всех ветвей оператора условного перехода
3.1. Структура и архитектура процессоров 195 Рис. 3.5. Опережающее считывание данных в регистр из памяти (speculative loading) • опережающее чтение данных (speculative loading}, т. е. загрузка данных в регистры с опережением, до гою, k.ik определи- лось реальное ветвление программы (переход управления). Эти возможности осуществляются комбинированно — при компиляции и выполнении программы. Предикация — центральный метол танирования парал- лельной обработки. Компилятор транслирует операторы исход ного ко ра, содержащие вел вленме (условный перехп- ), в совокуп- ность блоков машинных команд., идущих друг за другом. Обыч- ный процессор, в зависимости от исхода условия, испо нчет один из этих базовых блоков, пропуская все дру) ие. Более разви- тые процессоры пытаются прогнозиоовать исход операции пере- хода и заранее (спекулятивно, по предположению) выполняют один из блоков! теряя время при ошибке прогнозирования. Базовые блоки обычно маты (2—1 коман цы). и ветвление встречается в среднем через каждые шесть операторов языка прогпаммировапия. Поэтому выигрыш оказывается небольшим.
196 Глава 3. Процессоры. Оперативная память Когда компилятор обнаруживает оператор ветвления в ис- ходной программе, он анализирует все возможные вел ви (блоки) и помечает их мелками или предикатами (predicate). После этого он определяет, какие из них могул был ь выполнены параллельно (из соседних, независимых, ветвей) Затем компилятор группирует машинные коды в 128-биго- вые связки (bundles), по три команда! в каждой. В описания связок (template) заносится информация о том, какие команды могул исполняться параллельно (независимо) Например, если компи- лятор находит 16 команд, которые не имеют взаимной связи, он укладывает их в 6 независимых связок (по три в первых пяти и одна в 6-й) и помечает их в описании. В процессе выполнения программы ЦП просматривает опи- сания связок, выбирает команды, которые взаимно независимы и распределяет их на параллельную обработку. Если ЦП обнару- живает оператор вел вления, он не пытается предсказать переход, а начинает выполнять все возможные ветви npoi раммы. Таким образом могут быть обработаны все ветви программы, но без записи полученного результата. В определенный момент процессор наконец «узнает» о реальном исходе условного опера- тора, записывает в память результат «правильной вел ви» и отме- няет остальные резульгаты. Опережающее чтение (по предположению) разделяет загрузку данных в регистры и их реальное использование, избе- гая ситуации, когда процессору' приходится ожидать прихода данных, члобы начать их обработку. Прежде всего, компилятор анализирует программу, опреде- ляя команды, которые требуют приема данных из оперативной памяли. Там, где это возможно, он вставляет команды опере- жающего чтения и парную команду контроля опережающего чтения (speculative check). В то же время компиля гор переставая ет команды таким обраюм, чтобы ЦП мог их обрабатывать па- раллельно. В процессе работы ЦП встречает команду опережающего чтения и пытается выбрать данные из памяти. Может оказаться, что они еще нс готовы (результат работы блока команд, который еще нс выполнился). Обычный процессор в этой ситуации выда- ет сообщение об ошибке, однако сислема откладывает «сигнал тревоги» до момента прихода процесса в точку «команда провер- ки опережающего чтения». Если к этому моменту все предшест- вующие подпроцессы завершены и данные считаны, то обработ-
3.1. Структура и архитектура процессоров 197 ка продолжается, в противном случае вырабатывается си1нал прерывания. Технология Hyper-Threading (НТ). Здесь реализуется разделе- ние времени на аппаратном у ровне, разбивая физический про- цессор на два логических процессора, каждый из которых ис- пользует ресурсы чипа — ядро, кэш-па.мять, шины, исполни- тельное устройство (рис. 3.6). Ядро процессора выполняет два процесса одновременно. Арифметико-логические устпо* ство Рис. 3.6. Технология Hyper 1 hreading (НТ) Специалисты Intel оценивают повышение эффективности в 30 % НТ-процессоров при использовании многопрограммных ОС и обычных прикладных программ. Технология 3DNow! — устраняет растущую ра шицу в произво- дительности процессора и графического акселератора и ликвиди рует узкое ми го в начале графического конвейера. Эти во змож- ност и впервые были реализованы в процессорах AMD К(>-2 (май 1998 г.), и Intel Pentium III Katmai (первая поцовина 1999 г.). Обргботкг в графическом конвейере можно рассмотреть как состоящую из четырех стадий (рис. 3.7): • физическое моделирование — ЦП выпотняет ин генсивньв вычисления с ПТ. со здавая модели объектов ре? тьного мира: • 1 еометрическое моделирование — ЦП преобразует матема- тические представления объектов в трехмерные пре тстав- ления, используя 3D-геометрию; • триангуляция — центральный процессор начинает процесс создания перспективы, требуемой дтч трехмерного пред ставления, и графический акселератор заканчивает его;
198 Глава J. Процессоры. Оперативная память Физическое моделирование Интенсивные вычисления с плавающей точкой Интенсивные вычисления с плавающей точкой Триангуляция Генерация образов пикселей Интенсивные Интенсивные вычисления с фикси- вычисления рованной и плавающей с фиксированной точками точкой Процессор 3DNow’ Графический акселератор Рис 3,7. Технология 3DNow' • растровая графика — графический акселератор применяет реалистические структуры к машинно-генерируемым объ- ектам, производя вычисления цвета, тени и положения для пикселей изображения. 3.2. Процессоры Intel Этапы развития МП, соответствующие достижения, их ос- новные архитектурные и иные характеристики естественно рас- смотреть на основе МП фирмы Intel (INTegrated ELectronics). Имеется также ряд фирм — AMD (Advanced Micro Devices), Cyrix, Texas Instalments и др., которые своими изделиями более или менее успешно конкурируют с корпорацией Intel. Основные параметры МП следующие (габл. 3.3): • тактовая частота; • степень интеграции микросхемы (сколько транзисторов со- держится в чипе); • внутренняя разрядность данных (количество бит, которые МП может обрабатывать одновременно); • внешняя разрядность данных (количество одновременно передаваемых бит в процессе обмена данными ЦП с други- ми элементами); • адресуемая память (зависит от числа адресных бит). В табл. 3.3 кратко охарактеризованы основные ранние этапы развития процессоров Intel и их аналогов (подробнее см., напр., 115, 16|). Здесь же мы далее перейдем к рассмотрению процессо- ров Pentium (габл. 3.4).
Таблица 3.3. Характеристики ранних процессоров Intel. Cyrix, AMD Тип процессора Поколение Год выпуска Разряд- ность шины данных Разряд- ность шины адреса Первичная кэш-память, Кбайт Тактовая частота шины, МГц Команды Данные 8088 1 1973 8 20 Нет 4,77-8 3086 1 1978 16 20 Нет 4,77-8 80286 2 1982 16 24 Нет 6-20 B0386DX 3 1985 32 32 Нет 16-33 80386SX 3 1988 16 32 8 16-33 83486DX 4 1989 32 32 8 25-50 83486SX 4 1989 32 32 8 25-50 804863X2 4 1992 32 32 8 25-40 80486DX4 5 1994 32 32 3 8 25-40 Cyrix 6x86 Media GX MX, МГ 6 1997- 1993 16-32-64 16-32-64 16- 64 75 AMD Кб Кб 2 K-fi III 6 1997-1999 <6-64 16-64 32 32 100
Тактовая частота процессора, МГц Количество транзисто- ров МЛН Размеп минимальной структуры мкм 4,77-8 4,77-8 0,029 3,0 6-20 0,130 1,5 16-33 0,27 1,0 16- 33 0.27 I.0 25-50 1,2 1,0 -0.8 25-50 1.1 0,8 ю-чо 75-120 187-233-300-333 3,5 0,35-0 25-0 22-0 18 166- 233- А5П 550 88 L 0,35-0,25 3.2. Процессоры Int°l 199
200 Глава 3. Процессоры. Оперативная память Таблица 3.4. Процессоры Pentium и \thlon Тип про- цессора Год вы- пуска Рабочее ко- довое найме нование Число транзисто- ров, млн Размер 1латы, мм2 Кэш1_2 (на пла*е) Размер мини- мальной струк туры, мкм Тактовая час- тота МО Pentium 1993 Р5 3,1 1.80 60,66 1994 Р54 3,2 1.50 75/90/100/120 1995 Р54 3,3 0,35 120/133 I996 Р54 3,3 035 150/166/200 Pentium PRO 1995 Р6 5,5 0,50 150 1995 Р6 5,5 С,35 16С, '180/200 1997 Р6 5,5 0,35 200 1997 Р55 4,5 0,28 1 50/200/233 1998 Р55 4,5 С.25 266 Dertium II 1997 Klamath 7,5 0.28 233/266'ЗОО 1998 Deschutes 4,5 0.25 333/350'400 Pentium II Celeron 1998 Covington 7.5 G.25 266 300 1998 Mendoc no 19.0 0,25 300,333 1999 Mendouno 19,0 1,25 366 до 500 2000 Mendocino 19,0 0,25 532 Pentium III 1999 Katmai 9,5 512Кбай 0,25 451/500'55.1 1999 Coppermine 28,1 256 Кбайт С 18 533 733 1999- 2000 Haram 30,0 2 Мбайт 13 018 800 М1 цдо 1 ГГц I- более 2000 Coppe'mine 28.1 256 Кбайт 0.18 От 850 МГц до1 ГГц 2001 TualaHn 44П 256 Кбайт 0,13 1,2-1 ЛПц Pentium IV 2000 Willamette А9 0 217 256 Кбайт С 18 4 2,0 ГГц 2П02 Northwood 55 0 146 512 Кбайт 0,13 2,0-3 ,4 ГГц 2004 Prescott 125,0 112 1 Мбайт 0,С9 2,81 ‘ц и более AMD Athlon 1999 2000 22.0 102 512Кбай. 8 Мьяит 0,25 500 -f 56 ,’50 2000 Thunderbird 370 120 512 Кбайт 018 ?50 1 ГГц 2000 Duron (мо- бильные ПК) 64 128 Кбайт 0 <8 'а.а-. млжмм*' » 600-/ОС
3.2. Процессоры Intel 201 Окончание табл J < Тип про- цессора Год вы- пуска Рабочее ко- довое наиме- нование Число транзисто- ров, млн Размер платы- 2 мм Кэш L2 (на плате) Размер мини= мальной струк- туры, мкм Тактовая час- тота МГц AMI* Athlon 2000 2002 ealoi uno (Athlon ХР] 37,5 128 0,18 1,33-1,53 ГГЦ 2000 Morgan 25,18 106 64 Кбайт 2002 Thorough bread I28 256 Кбайт 0.13. 2003 Athlon 64 106 512 Кбайт ГТ ЧЧ«Л .V !! ! 0,13-009 2 2 ГГц и более Pentium — пятое поколение МП (22 марта 1993 г.) Pentium представляет собой суперскалярный г ipoueccop с 32-би- товой адресной шиной и 64-битовой шиной данных, изготовленный по субмикронной технологии с комплиментарной МОП-с грукгурой и состоящий из 3,1 млн транзисторов (на площади в 16,25 см ) (рис. 3.8). Процессор включает следующие блоки. Ядро (Core). Основное исполнительное jстройпвп Про изводительность МП при тактовой частоте 61' МГц составляет около 112 млн команд в секунду (.MIPS). Пятикратное повыше- Блок выборки и декодировав 1л команд Кэш кпмэчд Ядго Прел жазатэль перехода! (ветвлений) Аоифметг ю-логическое устройство (целых чисел1 Исполнительное устройство Шича G4 бит Интерфейс Первичная кэш память Блог огепаиий с плавающей по точкой 32 бит Каи данных шины (L1 — "“рвый уровен1-1 Рис.3-8- Общий вил nooueccopa Pentium
202 I лава 3. Процессоры. Оперативная память ние (по сравнению с 80486 DX) достигалось благодаря двум кон- вейерам, позволяющим выполнить одновременно несколько ко- манд. Это два параллельных 5-ступенчатых конвейера обработки целых чисел, которые позволяют читать, интерпретировать, ис- полнять две команды одновременно. Команды над целыми числами могут выполняться за один такт синхронизации. Эти конвейеры неодинаковы: U-конвейер выполняет любую команду системы команд семейства 86: V-koh вейер выполняет только «простые» команды, т. е. команды, кото- рые полностью встроены в схемы МП и не требуют микропро граммного управления (microcode) при выполнении. Для постоянной загрузки этих конвейеров из кэш-памяти требуется широкая полоса пропускания. Естественно, для отме- ченного случая совмещенный буфер команд и данных не подхо- дит. Pentium имеет разделенный буфер команд и данных — двух- входовые (атрибут RISC процессоров). Обмен данными через кэш данных выполняется совершенно независимо от процессор- ного ядра, а буфер команд связан с ним через высокоскорост- ную 256-разрядную внутреннюю шину. Каждый из кэш-памятей имеет емкость 8 Кбайт, и они допускают одновременную адреса- цию. Поэтому программа в одном такте синхронизации может извлечь 32 байта (256 : 8 = 32) команд и произвести два обраще- ния к данным (32 х 2 = 64). Предсказатель переходов (Branch Predictor) Пытает- ся угадать направление ветвления программы и заранее загрузить информацию в блоки предвыборки и декодирования команд. Буфер адреса переходов (Branch Target Buffer ВТВ) обеспечивает динамическое предсказание переходов. Он улуч- шает выполнение команд путем запоминания состоявшихся пе- реходов (256 последних переходов) и с опережением выполняет наиболее вероятный переход при выборке команды ветвления Если предсказание верно, то эффективность увеличивается, а если нет, го конвейер приходится сбрасывать полностью. Со- гласно данным Intel, вероятность правильного предсказания пе- реходов в процессорах Pentium составляет 75—90 %. Блок плавающей точки (Floating Point Unit) Выполня- ет обработку чисел с плавающей точкой. Обработка графической информации, мультимедиа-приложений и интенсивное исполь- зование ПК для решения вычислительных задач требуют высо- кой производительности при выполнении операций с плаваю- щей точкой. Аппаратная реализация (вместо микропрограммной)
3.2. Процессоры Intel 203 основных арифметических операций (+, х и /) выполняется авто- номными высокопроизводительными блоками, и 8-ступенчатый конвейер позволяет выдавать результаты через каждый такт. Кэш - память 1-го уровня (Level 1 cache) Процессор имеет два банка памяти по 8 Кбайт, 1-й — для команд, 2-й — для данных, которые обладают большим быстродействием, чем более емкая внешняя кэш-память (L2 cache). Интерфейс шины (Bus Interface). Передает в ЦП поток команд и данных, а также передает данные из ЦП В процессоре Pentium введен режим управления системой SMM (System Management Mode) Этот режим дает возможность реализовывать системные функции очень высокого уровня вклю- чая управление питанием или защиту, прозрачные для ОС и вы- полняющихся приложений. Переход на тактовую частоту 60 МГц и выше быт значитель- ным достижением, и были соответственным обоазом решены проб темы охлаждения (поверхность процессора при этом нагре- вается до 85 °C). Начав в 1993 i. с отметки в 60 МГц и быстро ми- новав промежх точные барьеры (66, 75, 100- 133 и L66 МГц), в 1996 г. Intel довела тактовую частоту Pentium до 200 МГи и выше. Развитие Pentium Pentium Pro (1 ноября 1995 г.). Pentium Pro (шестое поколе- ние МП) имеет три конвейера, каждый из которых включает 14 ступеней Для постоянной загрузки имеется высокоэффектив- ный четырехвходовый к эш команд и высококачественная систе- ма предсказания ветвлений на 512 входов. Дополнительно для повышения производительности была применена буферная па мять (кэш) второго уровня емкостью 256 Кбайт, расположенная в отдепьном чипе и смон тированная в корпусе ЦП В резу тьт: т е стала возможной эффективная разгрузка пяти исполнительных устройств: два блока целочисленной арифметики: блок затрузки; блок записи; FPU (Floating-Point Unit — устройство арифмети- ческих операций с плавающей точкой). Pentium Р55 (Pentium MMX), 8января 1997г. Pentium MMX — версия Pentium с дополнительными возможное тями. Технология ММХ должна была добавигь/расширигь мультимедийные воз- можности компьютеров Реализована методика SIMD (ОКМЛ), ориентипованная на алгоритмы и типы данных, характерные для
204 Глава 3. Процессоры. Оперативная память программного обеспечения мультимедиа. Физически данные мультимедиа упаковываются в одно 64-разрядное слово и над ним производится некое общее действие. ММХ объявлен в январе 1997 г., тактовая частота 166 и 200 МГц, в июне i ого же года появилась версия 233 МГц. Тех- нологический процесс 0,35 мкм, 4,5 млн транзисторов. Pentium II (7мая 1997). Процессор предел авляет собой моди- фикацию Pentium Pro с поддержкой возможностей ММХ. Была изменена конструкция корпуса — кремниевую пластину с кон- тактами заменили на карт ридж, увеличена частота шины и так- товая частота, расширены ММХ команды. Первые модели (233—300 МГц) производились по технологии 0,35 мкм, следую шие — по 0.25 мкм. Модели с частотой 333 МГи выпушены в январе 1998 г. и содержали 7,5 млн транзисторов. В апреле гою же года появились версии 350 и 400 МГц. а в августе — 450 МГц. Вес Р2 имеют кэш второго уровня объемом 512 Кбайт. Есть так- же модель для ноутбуков — Pentium 11 РЕ, и для рабочих стан- ций — Pentium II Хеоп 450 МГц. Celeron (15 апреля 1998). Celeron — упрощенный вариант Р2 для дешевых компьютеров. Основные отличия этих процессоров в объеме кэша второго уровня частоты шины. Первые, выпу- шенные в апреле и июне 1998 г. Celeron на 26г и 300 МГц не имели кэша вообще при частоте шины 66 МГц и выполнены в конструктиве Slot 1. Следущие модели имеют 128 Кбайт кэша и выпускаются как для Slot 1, так и для Socket 370 tPPGAt, в их названии присутствует буква Л (например, Celeron 333 \). Такте вая частота 266—533 МГ ц. Все эти процессоры выполнены по 0,25 мкм технологии и имеют от 7.5 до 19 млн транзисторов. Pentium III (26 февраля 1999). РЗ — один из сг мых мощных и производительных процессоров Intel, но в своей конструкции он мало чем отличается от Р2, увеличена частота и добавлено око то 70 новых команд Первые модели объявлены в феврале 1999 г., тактовые частоты — 44), 500. 550 и 600 МГц Частота системной шины 100 МГн. 512 Кбайт кэша второго уровня, технологгче ский процесс 0 25 мкм, 9,5 млн транзисторов В октябре 1999 г. также выпущена версия тля мобильных компьютеров, выпотлен- ная по 0,18 мкм технологии с частотами 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700 и 733 МГц. Для рабочих станций и серверов существует РЗ Хеоп. опиент ированныи на системную логику GX с объемом кэша второго уровня 512 Кбайт, 1 или 2 Мбайт.
3.2. Процессоры Intel 205 Pentium IV (Willamette, 2000; Northwood, 2002). Семейства Pentium II, Pentium HI и Celeron имеют одинаковое строение ядра, отличаясь в основном размером и организацией кэша вто- рого уровня и наличием набора команд SSF, появившегося в Pentium III (см. рис. 3.3). Досгшнув частоты в 1 ГГц. Intel столкнулась с проблемами в дальнейшем нарашивании частоты своих i троцессоров Pentium III на 1.13 ГГц даже пришлось отзывать в связи с его не- стабильностью. Датьнейшее повышение частот ы сущест вуюших процессоров приводило все к меньшему рост} их производитель- ности. Проблема в том, что латентности (задержки!, возникаю- щие при обращении к тем или иным узлам процессора в Р6 уже слишком велики. Таким образом появился Pentium IV — в его основе лежит архитектура, названная Intel NetBurst architecture Этим названием Intel хотела подчеркнуть, что основная цель но- вого процессора - ускорить выполнение задач потоковой обра- ботки данных, напрямую связанных с развивающимися internet- и мультимедиа-технологиями. Архитект ура NetBurst имее г в своей основе несколько инно- ваций, в комплексе позволяющих добиться конечной цели — обеспечить запас быстродействия и будущую наращиваемост ь тдя процессоров семейст ва Pentium IV. В число основных техно- логий входя г • Hyper Pipelined Technology — конвейер Pentium IV включа- ет 20 стадий; • Advanced Dynamic Execution — улучшенное предсказание переходов и исполнение команд с изменением порядка их следования (out of order execution); • Trace Cache — для кэширования деко тированных команд в Pentium IV используется специальный кэш; • Rapid Execute Engine — ALL процессора Pentium IV рабо- тает на частоте вдвое бо шшей, чем сам процессор; • SSE2 — расширенный набор команд для обработки пото- ковых данных; • 400 МГц System Bus - новая системная шина. Pentium IV Prescott (февраль 2004). В начале февраля 2004 г. Intel анонсиоовала четыре новых процессора Pentium IV (2,8; 3,0; 3.2 и 3.4 ГГц), основанных на ядр< Prescott, которое включа- ет ряд нововведений. Вместе с выпуском четырех новых процес- соров Intel пре ютявила нпоцессор Pentium IV 3 4 ЕЕ (Extreme Edition), основанный на ядре Northwood и имеюший 2 Мбайт
206 Гла а J. Процессоры. Оперативная память кэш-памяти третьего уровня, а также упрощенную версию Pentium IV 2.8 А. основанную на ядре Prescott с ограниченной частотой шины (533 МГи). Prescott выполнен по технологии 90 нм, что позволило уменьшить площадь кристалла, причем число транзисторов было увеличено более чем в 2 раза. В то время как ядро Northwood имеет площадь 145 мм" и на нем размешено 55 млн тран зисторов (рис. 3.9, б), ядро Prescott имеет площадь 122 мм2 и содержит 125 млн транзисторов (рис. 3.9, в). a б в Рис 3.9 Процессоры Pentium IV: а — Willamette, 0,18 мкм; б — Northwood, 0,1.3 мкм; в — Prescott. 0,09 мкм Перечислим некоторые отличительные особенности про- цессора. Новые SSE-команды. Intel представила в Prescott новую технологию SSE3, которая включает 13 новых потоковых команд, которые увеличат производительность некоторых операций как только программы начнут их использовать. SSE3 является не просто расширением SSE2. так как добавляет новые команды, но и позволяет облегчить и автоматизировать процесс оптимизации готовых приложений средствами компилятора. Другими слова- ми, разработчику программного обеспечения не надо будет пере- писывать код программы, необходимо будет только перекомпи- лировать ее. Увеличенный объем кэш-памяти. Одним из важ- нейших, с точки зрения производительности, дополнений мож- но считать увеличенный до 1 Мбайт кэш второго уровня. Объем кэш-памяти первого уровня также был увеличен до 16 Кбайт. Улучшенная предвыборка данных. Ядро Prescott имеет улучшенный механизм предвыборки данных.
3.3. Процессоры других производите гей 207 Улучшенный Hyperthreading. В новую версию вклю- чено множество новых особенностей, способных оптимизиро- вать многопоточное выполнение различных операций. Единст- венный недостаток новой версии заключается в необходимости перекомпиляции программного обеспечения и обновления опе- рационной системы. Увеличенная длина конвейера. Для увеличения рабо- чей частоты будущих процессоров ядро Prescott имеет увеличен- ную с 20 до 31 ступени длину конвейера. Увеличение длины конвейера нега гивно сказывается на производительности в слу- чае неправильного предсказания ветвлений. Для компенсации увеличения длины конвейера была улучшена технология прег- сказания ветвлений. 3.3. Процессоры других производителей Длительное время компания Intel занимала комфортабельное положение в качест ве основного производителя процессоров для ПК. Начиная с выпуска серии процессоров 486 (1989 г.) компа- ния Сyrix вместе с «сотоварищем», также давним производите- лем клонов Intel, компанией Advanced Micro Devices (AMD), представляли наиболее серьезную угрозу доминированию Intel AMD работала в сфере персональных компьютеров на протяже- нии всей истории отрасли Компания поддерживала производст- во каждого поколения процессоров ПЭВМ, начиная с 8088, при- меняемых в первых ПК IBM-PC, ло современного процессора седьмого поколения AMD Athlon. В начале 1990-х гг AMD и Cyi tx выпускали собст венные вер- сии 486DX. но из их продуктов наиболее извес гны ююны 486 DX. первый — копия 486DX2 66 (представленный Intel в 1992 г.1 и второй повышающий ло 80 МГ и внутреннюю скорое гь. В ос- нове 4s6DX2-80 была сист емная шина на 40 М Г ц, и, в отличие оз чипов Intel DX2, которые работали на напряжении 5 В, он ис- пользовал 3 В AMD и Cyrix позже предложили версии своих 40 Ml ц 80486 процессоров с тройным коэффициентом умноже ния частоты (множителем), которые работали при 120 MI ц AMD и Cyrix предложили функцию управления мощностью, начиная с процессоров с двойным множите гем. которую Intel в и гоге ис- пользовала в своем DX4. запушс ином несколько лет спустя.
208 Глава 3. Процессоры. Оперативная память Хотя Intel прекратила выпускать 486 после DX4 100. AMD и Cyrix продолжали его развитие. В 1995 г. AMD предложила че- тырехкратный множитель 5x86, 33 MI ц 486DX. который работал с внутренней частотой 133 МГц. AMD продвигала на рынке этот чип как сопоставимый с новым Intel Pentium/75, и поэтому ком- пания назвала его 5x86-75. Но это был процессор 486DX во всех отношениях, включая к тому же кэш первою уровня ‘встроен- ный в процессор) па 16 Кбайт, который Intel применяла начиная с DX4. Cyrix продолжала работать со своим собственным 5x86, названным Mlsc, но этот чип сильно отличался от чипа компа- нии AMD. Фактически, Mlsc предложил характеристики, по- добные Pentium, несмотря на го, что он был разработан для ис- пользования в системных платах для i80486. Работая на часто- тах 100 и 120 МГц, чип включал 64-битовую внутреннюю шину, шестис галийный конвейер (против пятисталийного у DX.41 и технологию предсказания переходов. Важно помнит ь, однако, что Cyrix 5x86 появился после тою, как Intel внедрила Pentium, так что эти особенности были более полезны в модернизации 486 го, чем для применения в новых системах. В середине 19^9 1. произошли важные события на рынках высоких информационных технологий. В августе Cyrix нако- нец-то покинула рынок процессоров для настольных ПК. когда National Semiconductor продала права на ее процессоры 80x86 основанному в Тайване производителю чипов VIA Technologies. Высоко интегрированная номенклатура продукт ов MediaGX ос- талась за National Semiconductor, чтобы быть частью нового се мейства Geode решений «компьютер-на-чипе» — компании, раз - вивающейся на рынке клиентских устройств Другим важным фактом был запуск компанией AMD нового процессора Athlon (раннее кодовое на шание < К7») и захват тех- нологического превосходства нал Intel, которая была вынуждена объявить о задержке выпуска ее 0.18-микронного Pentium III «(’nppermine». Процессоры Cyrix Cyrix 6x86. Обнародованный в октябре 1995 г., 6х8п был пер вым совместимым с Pentium процессором, позволявшим проник- нуть на рынок и добиться сотрудничест ва с IBM M'croe'ei tn 'nics
3.3. Процессоры других производителей 209 Division. Распространение 6x86 первоначально было медленным, поскольку Cyrix установила слишком высокие цены, ошибочно думая, что, так как эффективность процессора была сопоставима с Intel, его цена могла быть такой же. Как только Cyrix пересмот- рела свои позиции, чип стал оказывать значит ельчое влияние в доле соответствующего сектора рынка как высокоэффективная альтернатива серии Pentium. Начиная с 6x86 процессоры Cyrix были способны к уровню производительности, эквивалентному чипу Pentium, но при бо- лее низкой частоте. Для опенки производительности использует- ся Processor Performance Rating — Р-рейтинг (обозначение Р100+, например, символизирует производительность,, эквива- лентною Pentium с частотой 100 МГц). Процессоры Cyrix (как и AMD), традиционно работают на более низких частотах, чем численное значение их Р-реитинга без заме moi о снижения про- изводительност и. Например. Р13.3+ (P-рейтинг равен 133) рабо- тает на частоте 110 МГц, в то время как Р150ч и Р1Ь6ь работают на 120 и 133 МГц соответственно. Превосходство 6x86 вытекало из усовершенствований архи- тектуры чипа, которая позволила 6x86 получать доступ к внут- реннему кэшу и peiистцам в одном цикле частоты (Pentium обычно задействует два или больше циклов для досту! ia к кэшу) Кроме того, первичный кэш 6x86-го был объеди нен. вместо тою. чтобы включить две отдельные секции — 8 Кбайт для команд и данных Эта объединенная модель была в состоянии хранить ко- манды и данные в любом соотношении, обе» печивая «вероят- ность попадания» кэша в пределах 90 %. ЦП содержит 3,5 млн транзисторов, первоначально изготовленных по технологи и пяти О,‘'-микронных слоев. Интерфейс — Socket 7. Напряжение пита ния ядра — 3,3 В. Характеристики 6x86 были подобны Pentium — суперскаляр ная архитектура, 80-биговый блок плавающей точки, 16 Кбайт кэш первою уровня и System Management Mode (SMM). Однако он имеет множество важных отличий. Во первых, и г> суперконвейер, i. е. семь, вмест о пяти, ст я (чтение команды, две стадии расшифровки, две сыдии вычисле- ния адреса, выполнение, запись результата — рис. 3.10). Другие новые характеристики — удаление зависимости дан ных. предсказание переходов, выполнение команд вне естест- венного порядка (возможное гь более быстрых команд выходить
Адрес команды чтк Управление очередью ЧТК РК1 Команды Данные X Адрес X Данные У Конвейеры Дачные Кэш команд 256 байт Общий кэш 16 Кбайт Линейный адрес X РК2 ВА1 ВА2 ВЫЛ ЗАП РК2 ВА1 ВА2 ВЫЛ ЗАП Линейный адрес У Процессор плавающей точки Очередь плавающей точки Коды плавающей точки Блок плавающей точки Блок фиксированной точки Физический адрес X Блок управления памятью Физический адрес Y Рис. 3.10. Схема функционирования процессора Cyrix 6x86: чтение команды; РК1 — расшифровка команды, стадия 1; РК2 —сталия 2; ВА1 — вычисление адреса, стадия ВА2 сталия 2; ВЫП — выполнение; ЗАП - запись результата I i i i а § 1,
3.3. Пр< цессоры других произеодитем й 211 из очереди конвейера, не нарушая процесс выполнения про- граммы). Процессор 6x86 обращается с кодом команд без преоб разования, я го полностью оптимизирует набор команд 80х8С- CISC. Это используется как для 16-, так и для 32-би гового кода. Pentium также делает это, но здесь происходи преобразование CISC-команд в RISC (или микрокомандам) прежде, чем они входят в конвейеры. Однако процессоры 6x86 сталкивались с множеством про блем, особенно перегревом, низкой производительностью при работе с плавающей запятой и несовмести мостью с Windows NT Это неблагоприятно воздействовало на успех процессора, поэто- му конкуренция с Pentium оказалась недолгой и закончилась с запуском Intel Pentium MMX. Cyrix MediaGX. Введение процессора MediaGX в феврале 1997 г. определило первую новую архитектуру PC в десятилетии и определило новый сегмент рынка — дешевый «Основной П К». Рост этого рынка был бурным, и технология процессора Cyrix и новшество уровня системы были ключевым элементом. Чем больше процессов, которые обрабатываются в цен- тральном процессоре ПК непосредственно, тем выше общая проишодитечьность системы. В традиционных компьютерных разработках центра шный процессор обрабатывает данные на частоте в мегагерцы, в то время как шина, которая перемещает данные в (и от) других компонентов, работает только на поло- винной (или даже меньшей) скорости. Это означает, чго движе- ние данных к (и от) центрального процессора занимает больше времени. Cyrix устранила это узкое место введением технологии MediaGX (рис. 3.11). Архитектура MediaGX объединяет в блок процессора графи- ческие и звуковые функции, интерфейс PC I и диспетчер памяти, таким образом устраняя потенциальные конфликты в системе и проблемы конфигурации конечного пользователя. Она состоит из двух чипов — процессора MediaGX и сопроцессора MediaG X Сх5510. Пооцессор использует особое гнездо, требующее |пеци- апьно разработанной материнской платы MediaGX хЗб совмес гимый процессор, который непосреп- сгвенно соединяет на шине PCI и память 1 DO DRAM по выде лепной 64 битовой шине данных. Техника сжат ия исполытием тя на шипе данных, устраняет потребност ь в кэше второго уровня. Есть объединенный (16 Кбайт) кэш первого уровня на централь-
212 Глава 3. Процессоры. Оперативная память Рис. 3.11 Архитектура Cyrix MediaGX ном процессоре — того же объема, что и на стандартном чипе Pentium. Графика обрабатывается специальным конвейером непо- средственно в центральном процессоре, и контроллер монитора находится также на главном процессоре. Нет никакой видеопа- мяти, буфера кадров, сохраняемых в главной памяти (традици- онная Unified Memory Architecture — UMA), вместо этого ис- пользуется собственная Cyrix Display Compression Technology (DCT). Операции с данными VGA выполняются аппаратными средствами ЭВМ но регистры VGA управляются программами Cyrix — Virtual System Architecture (VSA). Сопутствующий чип MediaGX Cx5510 содержит аудиокон- троллер и также использует программы VSA. чтобы эмулировать возможности стандартных звуковых карт. Этот чип соединяет процессор MediaGX через шину PCI с шиной ISA. а также с IDE и портами ввода-вывода, т. е. выполняет традиционные функ- ции чипсета. Cyrix Ьх86МХ. Ответом Cyrix на технологию Intel MMX был 6х86МХ. запушенный в середине 1997 г., незадолго до того, как фирма была приобретена компанией National Semiconductor. Компания осталась верной формату Socket 7 для своего нового чипа, это поддерживало на необходимом уровне затраты произ- водителей системы и в конечном счете пот ребителей, продлевая жизнь существующего чипа и системных плат. Архитектура нового чипа оставалась по существу той же, что и у его предшественника, с дополнением команд ММХ. некото-
3.3. Процессоры других производителей 213 рыми улучшениями к Floating Point Unit, большим (64 Кбайт ) универсальным кэшем первого уровня и расширенным блоком управления памятью. Cyrix МП. Процессор МП — развитие 6х86МХ. работающий на более высоких частотах К легу 1998 г. 0.25-микронные про- цессоры МП-300 и МП-333 производились на новых производст- венных мощностях компании National Semiconductor в ш г Мэн, нацеленных на развитие технологии 0,22-мкм, продвигаясь к своей конечной цели —0,18 мкм в 1999 г. Процессоры AMD AMD Кб. Длительное время AMD (Advanced Micro Der ices), подобно Cyrix, производила центральные rp< щессоры 286. 386 и 486. которые были основаны на разработках Intel. К5 был пер- вым независимо созданным х86 процессором, на который AMD возлагала большие надежды. Однако, покупка компанией AMD основанного в Ка шфор- нии конкурента (NextGcn) весной 1996 г., кажется, создала воз- можность лучше нодгот овиться к своей следующей атаке на Intel. Кб начал жизнь как Nx686, будучи переименованным по- сле приобретения NextGen. Серия MMX-совместимых процес соров Кб была запущена в середине 1997 г., за несколько недель до Cyrix 6х86МХ, и сразу была одобрена пользователями. Изготовленный по 5-слойной технологии 0,35 мкм. Кб был почти на 20 % меньше, чем Pentium Pro и при этом содержал на 3,3 млн транзисторов больше (8,8 против 5,5 млн) Богьшин ство этих дополнительных транзисторов находилось в кэше пер- вого уровня на 64 Кбайт (32 Кбайт — кэш команд и 32 Кбайт — кэш данных). Это равносильно чет ырем Pentium Pro или двум Pentium MMX и Pentium II. ЦП Кб поддерживал технологию MMX Intel, вкл ючая 57 но- вых х86 команд, разработанны к для развития мул< т имедийного программного обеспечения. Как и Pentium Pro. Кб был многим обязан классическим технологиям RISC. Используя супсрска- лярную микроархитектуру AMD RISC86, чип декодировал каж- дую х8б-инструкцию в ряд Ro-iee простых команд, которые мог- ли быть обработаны, используя типичные принципы RISC, такие, как выполнение команд вне естественного порядка пере-
214 Глава 3. Процессоры. Оперативная память именование регистров, предсказание переходов, спекулятивное исполнение, опережающая выборка данных. ЦП Кб начинал с версий 166, 200 и 233 МГц. Уровень ею производительности был очень схож с Pentium Pro соответствую- щих частот с его максимальным кэшем второго уровня на 512 Кбайт. Общая черта с чипом Cyrix MX — работа с плавающей запятой — была областью относительной слабости (но в несколь ко меньшей степени) по сравнению с Pentium Pro или Pentium II AMD Кб-2. Процессоры AMD К6-2 с 9,3 млн транзисторов производились по 0,25-микронной технологии AMD. Процессор был упакован в 100 МГц Super 7 — совместимую, 321-контакт- ную керамическую плату (ceramic pin grid array package — CPGA). K6-2 включает инновационную эффективную микроархитек- туру RISC86, большой (64 Кбайт) к эш первого уровня (двухпор- товый кэш данных на 32 Кбайт, кэш команд на 32 Кбайт с до- полнительным предрасшифровывающим кэшем на 20 Кбайт), а также улучшенный модуль работы с плавающей запятой. Эф- фективная производительность при его запуске в середине 1998 г. была оценена в 300 МГц, к началу 1999 г. самым быстрым из до- ступных процессоров была версия 450 МГц. Трехмерные возможности К6-2 представляли другое важное достижение. Они были воплощены в AMD технолшии 3DNow!, как новый набор из 21 команды, который дополнял стандартные команды ММХ, уже включенные в архитектуру Кб, что ускоряло обработку трехмерных приложений. AMD К6-Ш В феврале 1999 г. AMD объявила о начале вы- пуска партии 400 МГц AMD К6-Ш процессора, под кодовым названием «Sharptooth» и опробовала версию на 450 МГо. Клю чевой особенностью этого нового процессора была инновацион - ная разработка — трехуровневый кэш. Традиционно процессоры ПК использовали два уровня кэша: • кэш первого уровня (L1), который обычно помещался в кристалле; • кэш второго уровня (L2), который мог располагаться либо вне ПП. на материнской плате или слоте, либо непосредст- венно на чипе ЦП Общее эмпирическое правило при проектировании подсис- темы кэша — чем больше и быстрее кэш, тем выше производи- тельность (ядро центрального процессора может быстрее полу- чить доступ к инструкциям и данным).
3.1. Процессоры других производителей 215 Признавая выгоды большою и быстрою кэша е удовлетворе- нии потребностей приложений, все более требовательных к про- изводительности ПК, «трехуровневый кэш» компании AMD вво- дил архитектурные новшества кэша, разработанные для увеличе- ния производительности ПК на основе платформы Super 7: • внутренний Ь2-кэш (256 Кбайт), работающий на полной скорости процессора AMD-K6-III и дополняющий кэш 1 1 (64 Кбайт), который был стандартен для всего семейства процессоров AMD-Кб; • многопортовый внутренний кэш, позволяющий одновре- менное 64 битовое чтение и запись как кэшу L1, так и L2; • первичная процессорная шина (100 МГц), обеспечивающая соединение с резидентной кэш-памятью на системной пла- те, расширяемой от 512 до 2048 Кбайт. Проект многопортового внутреннего кэша процессора AMD-K6-1I1 позволил как кэшу LI (М Кбайт), так и кэшу L2 (256 Кбайт) выполнять одновременное 61-битовое чтение и за- пись операций за один такт процессора. В дополнение к Этому многопортовому проекту кэша ялоо процессора AMD-K6-11I было в состоянии получи гь доступ к кэшам L1 и L2 одновремен- но, что увеличивает общую пропускную способность це г 'pa т ь- ною процессора. AMD Athlon. Выпуск процессора Al Шоп летом 1999 1. был наиболее удачным ходом AMD. Это позволило им горцигься тем, что они произвели первый процессор седьмого поколения (у него бы по достаточно много радикальных архитектурных от личий от Pentium II/III и К6-1П, чтобы заслужить название про- цессора следующего поколения), и это означало также, что они вырвали технологическое лидерство у Intel. Древнегреческое слово Athlon означает «1 рофей» или «игры». Athlon — пропессор, с помощью которого AMD надеялась уве- личить реальное конкурентоспособное присутствие в корпора- тивном секторе, помимо ее традиционно]о преимущества на по- требительском рынке и рынке трехмерных игр Ядро размещает- ся на кристалле в 102 мм2 и содержит приблизительно 22 млн транзисторов. Основные элементы ядра Athlon (рис. 3.12): • многократные декодеры. Три полных декодера пе- реводят х86-команлы в макоооперапии (Ma^roOPs) с фик- сированной длиной для более высокой пропускной способ- ное ги команд и увеличения мощности обработки. Вместо
216 Глава 3. Процессоры. Оперативная память | FPU Stack/Map Rename | 3 | Планировщик плав ., 32 лин. Интерфейс мины 1£ | Планировщик фикс., 18 линий J IEU0 AGUO 1EU1 AGU2 родь чтения-’ЗРпиги Системным интерфейс Кэш данных, 64 Кбайт -Г^Регистрсвый файл (88-entry) । FMUL Г ММХ FADD ММХ 3DNow> 3DNowl J FSTORE L2 SRAMs Рис. 3.12. Структура процессора AMD Athlon того чтобы выполнять х86-команды с длиной 1 — 15 байтов, процессор Athlon выполняет макрооперации фиксирован ной длины; • блок контроля команд. Как только макрооперация расшифрована, за цикл до трех макроопсрапий посылаются блоку управления инструкциями (1CU1. Это буфер перена- правления макроопераций с 72 входами (ROB1, который управляет выполнением каждой макрооперации в целом, осуществляет переименование регистра для операндов, управляет любыми условиями исключения и действиями команды. ICU посылает макрооперацию планировщику ис- полнения; • конвейеры исполнения. Athlon содержит 18 разряд- ный планировщик макроопераций и 36 разрядный плани- ровщик операций мультимедиа и ПТ. Эти планировщики распределяют макрооперации по девяти независимым кон- вейерам — три для вычислений с ФТ. гри для вычисления адресов и три для выполнения команд ММХ. 3DNow' и операций ПТ для х87; • суперскалярный блок плавающей точки FPU. Предыдущие ЦП AMD были недостаточно производитель-
3.3. Процессоры других производителей 217 ними при работе с ПТ по сравнению с Intel. К этому недос- татку более чем ответственно отнеслись в Athlon, который характеризуется суперскалярной архитектурой, включаю- щей три конвейера выполнения команд с ПТ вне естест вен ного порядка — fmul (перемножение с ПТ), fadd (сложе- ние с ПТ), и FSTORE (запись с ПТ) — см рис. 3.21. «Супер- скалярность» означает способность ЦП выполнять более чем одну команду за такт процессора. Athlon же может вы- полнять одну операцию над 32-битовым числом с ПТ за такт процессора, что лает производительность в 2,4 Гфлопс при частоте в 600 МГц; • прогнозирование переходов. Процессор Athlon предлагает сложную динамическую логику прогнозирова- ния ветвления, чтобы минимизировать или устранить за- держки из-за команд перехода, широко распространенные в программном обеспечении х86; • системная шина. Системная шина Athlon — первая системная шина на 200 МГн для х86-платформ. Основанная на протоколе Digital Alpha EV6. первичная шина (FSB) — потенциально расширяемая до 400 МГц и более и, в отли- чие от разделяемой шины SMP (Symmetric Multi-Processing) проекта Pentium 111, использует архитектуру «точка—точ- ка», чтобы обеспечить широкую полосу пропускания для одно- и многопроцессорных х86-платформ; • архитектура кэша. Архитектура кэша Athlon сущест- венно превосходит обычные центральные процессоры шес- того поколения и включает полноценный кэш первого уров- ня 128 Кбайт (в 4 раза больший, чем у Pentium Ill) и быстро- действующий 64-битовый контроллер вторичного кэша 2-го уровня, поддерживающий от 512 Кбайт до 8 Мбайт, • расширенный 3DNow!. В ответ на Streaming SIMD Extensions (Intel Pentium III) реализация 3DNow! (рис. 3.7) в Athlon была модернизирована добавлением 24 новых ко- манд к исходной 21 инструкции 3DNow! 19 команд, что- бы улучшить целочисленные математические вычисления ММХ и передачу данных в Internet-приложениях, и 5 ко- манд DSP расширения для обычных модемов, модемов ADSL, систем Dolby Digital и MP3 Atlon использует разъем Slot А компании AMD, который яв- ляется механически совместимым с системными платами с разъ- емом Slot 1, но использует другой электрический интерфейс, под-
218 Глава 3. Процессоры. Оперативная память разумевая, что центральные процессоры Athlon не будут работать с обычной Slot 1 системной платой. Slot А разработан, чтобы электрически соединяться с системной шиной на 200 МГп осно- ванной на шинном протоколе Alpha Е V6, предоставляя, таким об- разом, существенное преимущество в производительности перед инфраструктурой Slot 1. Так же как обеспечение ее собственного оптимизированного чипсет-решения (чипсет AMD-750) компа- ния работает над тем, чтобы вынуждать сторонних поставщиков чипов способствовать поставке ее собственных Athlon-оптимизи- рованных решений. Athlon был первоначально доступен в диапазонах скорости 500. 550 и 600 МГц и немного по шнее — 650 МГн (все изготовле- ны по технологии 0,25 мкм). К концу 1999 i. AMD еще более по- высил частоту — его ядро К75 (750 МГц) является первым про- цессором, построенным с использованием алюминиевой 6-слой - ной технологии 0,18 мкм компании AMD Утверждение о гом, что это был самый быстрый х86 -совмес- тимый ЦП тысячелетия, спорно, поскольку Intel быстро ответи- ла объявлением 800 МГц Pentium III. 01нако AMD вскоре вер- нула лидерство 2000 г. выпуском версий на 800 и 850 МГц и даже преуспела в опережении Intel в преодолении барьера 1 ГГц буквально на несколько недель. Diunderbird. В середине 2000 г. была выпущена улучшенная версия Athlon с кодовым названием < Thunderbird». Технология 0,18 мкм, кэш-память 2-го уровня (L2) размером в 256 Кбайт расположена на плате процессора и работает на полной частоте процессора (первые процессоры Athlon имели кэш L2, работавшую на меньших частотах, например при часто- те в 1 ГГП, память L2 работала на 330 МГц). Интерфейсы — 462-кон гактный Socket А и slot А Частоты от 0.75 до I ГГц Размещение 256 Кбайт памяти на кристалте приве ло к увеличению его размера до 120 мм2 (102 мм2 для ядра). Однако, он меньше исходного (0.25 micron) К7 Athlon, который занимает 184 мм2. Добавление 256 Кбайт к L2 кэшу ня кристалтс весьма увеличивает число транзисторов ЦП fhunderbi d вклю- чает 37 млн транзисторов, т е. 15 млн лоб <видись для размеще- ния кэша L2. Осенью 20<~>0 г. был выпущен чипсет AMD760 (см далее), обеспечивающий поддержку для памяти DDR SDRAM PC 1600 (200 МГц FSB) и РС2100 (266 МГц FSB) Другие особенноеги — AGP 4 х, 4 порта USB. адресация памяти 8 Гбайт на 4 DIMM и
3.3. Процессоры других производителей 219 поддержка АТА-100 С этого момента процессоры Athlon выпус- кались только для разъемов Socket А. Последние из процессоров Athlon/Thunderbird были выпущены летом 2001 г., достигнув частоты 1,4 ГГц. После этого выпускалась серия Athlon ХР («ХР» — «extra performance», сверхпроизводительность), бази- рующаяся на новом ядре «Palomino». Duron. В середине 2000 г. был выпущен процессор Duron, пред- назначенный для дома и офиса. Название происходит от латинско- го «durare» — «вечный», «длительный». Кэш-память L1 (128 Кбайт) и L2 (61 Кбайт) размещаются на плате. Первичная системная шина работает на частоте 200 МГц. Поддерживается улучшенная техно- логия 3DNow! Технология 0,18 мкм, частоты 600. 650 и 700 МГц. Интерфейс — 462-контактный разъем Sockel А Palomino. Процессор выполнен по технологии 0.18 мкм с ис- пользованием медных проводников на плате (вместо алюминия), содержит 37,5 млн транзисторов на кристалле в 128 мм2. Достиг- нуто понижение на 20 % энергопотребления сравнительно с Thunderbird. Введен ряд новшеств, в совокупности именуемых AMD как «QuantiSpeed Architecture»: • введение дополнительного буфера — Processor's Transition Lookaside Buffer (TLB). Это дополнительная кэш-память, расположенная между L1 и L2. В частности. TLB содержит данные, которые используются для перевода виртуальных адресов в физические; • поддержка SSF-технологии Intel. В Palomino добавлены еще 52 новые команды SIMD. по отношению к ранее имевшим - ся. Удвоено количество исходных 21 SIMD-команд, реа- лизующих «3DNow!», и получена технология «Enhanced 3DNow!» («3L)Now' Professional»); • использование технологии упаковки OPGA (organic PGA) для замещения CPGA (ceramic PGA), которая использова - лась ранее Применение пластмасс вместо керамики техно- логичнее, платы оказываются легче и обладают лучшими тепловыми свойствами. Кроме того, можно плотнее разме- щать навесные элементы, что уменьшает наводки и поме- хи OPGA размешаются на уже известном разъеме Socket А Morgan. Morgan представляет модификацию процессоров AMD. первоначально представлял ядро Palomino с удаленны- ми 3/4 кэша L2 (64 Кбайт вместо 256 Кбайт). Размер кристалла - 106 мм2, число транзисторов — 25,18 млн Напряжение питания было изменено от 1,6 до 1,75 В
220 Глава 3. Процессоры. Оперативная память Thoroughbred. Летом 2002 г. AMD начала поставлять первый процессор с технологией 0,13 мкм и медными проводниками. Площадь кристалла — 80 мм2 (у его предшественников — 128 мм2). Питание — 1,65 В, размеры кэша на кристалле - 128 Кбайт для L1 и 256 Кбайт для L2, разъем — Socket А. Экви- валентная производительность Athlon ХР — 2400+ или 2600+. Hammer. Процессор, первоначально имевший кодовое имя «Sledgehammer», а в дальнейшем «Hammer», был выпущен в се- редине 2000 г. и представлял собой расширение возможностей х86, включая элементы архитектур IA-64 — 64-битовый режим (64-битовое адресное пространство и 64-битовое пространство данных). Возможности: • полная поддержка 32- и 64-битовых приложений; • меньшее энергопотребление и более высокие частоты; • потенциальная возможность соединения нескольких про- цессоров х86-64 на одном кристалле; • более низкая стоимость. В процессоре Hammer используется улучшенная конвейери- зация, предполагающая 12-стадийный конвейер вычис тения с ФТ и 17-стадийный конвейер для ПТ. Это связано с необходи- мостью упаковки-распаковки данных и команд при их передаче и декодировании. Одним из главных новшеств процессора Hammer является 61-разрядная архитектура х86-64 ISA. Примером гак называемых IA-64 (64-разрядных процессоров) является Intel Itanium. Однако между 64 разрядными архитектурами процессоров Itanium и Hammer мало общего. Itanium — процессор, несовместимый с системой команд х86, тогда как Hammer, напротив, таковым яв- ляется, поэтому в названии его архи гекгуры включено обозначе- ние х86-64. Используемая в процессорах Hammer 64-битовая адресация является полност ью совместимой с архитектурой х86-32. т. е на таком процессоре можно использовать 32-разрядные приложе- ния — просто при этом возможности процессора задействуются не в полной мере. Для реализации возможности работы как с 32-битовыми, так и с 64-битовыми приложениями процессор поддерживает два ре- жима работы: Long Mode и Legacy Mode В режиме Long Mode используется 64-битовый режим работы, причем здесь также предусмотрено два режима — 64-битовый и Compability mode (совместимый); 64-битовый режим работы — это, собственно,
3.3. Проце> соры дру. их производителей 221 истинный 64-битовый режим, задействующий все дополнитель- ные регистры процессора и 64-бит овые расширенные регистры. В режиме Compability mode дополнительные регистры не задействуются, а в регистрах общего назначения используется только 32- битовая часть. В режиме Legacy Mode используется 32-разрядная операционная система, т. е. 32-разрялная адреса- ция. Кроме того, не задействуются дополнительные регистры, а в регистрах общего назначения используются гсиько первые 32 бита. Athlon 64. Осенью 2003 г. вышли две модели процессора AMD — Athlon 64 для массового рынка и Athlon 64 FX-.51 для мультимедийных и профессиональных приложений (архитекту- ра К8). В системе обозначений AMD Athlon 64 имеет эквива лентную частоту 3200-1- при физической частоте 2 ГГц (FX-51 чуть выше — 2,2 ГГц). Важ1 юс архитектурное новшество — интеграция системного контроллера памяти (System Memory Controller Hub — MCH) не- посрецс гвенно в процессор (рис. 3.13). Эю значит, что систем ная плата (точнее, чипсет) не должна больше содержать отель- ный чип контроллера Nortbbridge Кроме того, исчезает нсобхо димость в первичной системной шине (FSB) вместе со всеми вносимыми сю задержками. Вместо этого КЯ использует HyperTransport (системная шина пропускной способностью до 6,4 Гбайт/с) для соединения с контроллерами Soutnbridge, AGP, Рис 3.13. Ядро Athlon о4
222 Глава 3. Процессоры. Оперативная память или другими ЦП. Это позволяет памяти работать с полной час- тотой процессора, снижает задержки (латентность) и повышает эффективность памяти. Процессор приспособ. 1ен как для 32-, так и для 64 -битовых приложений. Поддерживаются системы ОЗУ типов РС3200, РС2700, РС2100 или РС1600 DDR SDRAM Установлены наи- большие по размерам для данного момента модули кэш-памяти на процессоре: 64 Кбайт L1 — кэш команд; 64 Кбайт L1 — кэш данных. Общая кэш-память может достигать 1152 Кбайт. В то время как Athlon 64 использует 64-битовый одноканаль- ный контроллер памяти, FX-51 включает 128-битовый двухка- нальный контроллер памя ги на чипе. Первоначально размер кэша 2-го уровня — 512 Кбайт, как и для Alhlon ХР. Затем он был увеличен до 1 Мбайта, в связи с чем здесь число транзисторов достигло 106 млн по сравнению с 54 млн для Athlon ХР. Процессор выпускается по технологи 0,13 мкм, разработан- ной в филиале AMD (Дрезден, Германия). Система команд AMD64, х86 64 — расширение AMD для команд Intel х86 — не- совместима с Intel IA-64 архитектурой, например поддерживае- мой в серверных процессорах Itanium. Однако AMD поддержи- вает полную совместимость с 32-битовыми процессорами ПЭВМ, выпускаемыми как Intel, так и AMD. В то же время, когда AMD объявила Athlon 64, фирма Microsoft заявила о выпуске бета-версии Windows ХГ 64 Bit Edition для 64-битовых процессоров, которая может работать ес- тественно как на процессорах AMD Athlon 64 (ПЭВМ), так и AMD Opteron (рабочие станции). Хотя здесь и поддерживаются все существующие 32 битовые приложения. 32-битовые драйве- ры устройств должны быть обновлены и пере транслированы. 3.4. Технологии центральных процессоров для мобильных ПК В середине 1995 г. был выпущен процессор Intel для ПК-но- утбуков с частотой 75 МГц Он помещался в специальном тон- копленочном картридже (Таре Carrier Package — TCP), предна- значенном для уменьшения распространения тепла в пределах корпуса ПК В процессор был также встроен модуль снижения
3.4. Технологии центральных процессоров для мобильных НК 223 напряжения (Voltage Reduction Technology), что позволило про- цессору использовать промышленный стандарт питания в 3,3 В. в то время как его внутреннее ядро (на 2,9 В) потребляло мень- шую мощность. Скорость постепенно увеличивалась, пока не достигла 150 МГц летом 1996 г. В январе 1997 г. первые мобильные процессоры Pentium с MMX-технологией показали частоту в 150 и 166 МГц. Процессо- ры выпускались по технологии 0,35 мкм с штырьками крепле- ния, рассчитанными на 3,3 В для совместимости с другими ком- понентами, в то время как ядро работало при 2,8 В. Более низкое основное напряжение давало возможность системам работать в пределах эффективных тепловых диапазонов — максимальное потребление мощности составляло 17 Вт. В начале 1998 г. ЦП ММХ достигли час готы 266 МГц. В сентябре 1997 г. вышли два высокоэффективных мобиль- ных ЦП Pentium ММХ, которые расходовали на 50 % меньше мощности, чем процессоры предыдущих поколений Новые ЦП «Tillamook» на 200 и 233 МГц были первыми изделиями, изготов- ленными при использовании расширенной технологии 0,25 мкм. Несколько недель спустя Intel объявила мобильный процес- сор Pentium ММХ (120 МГц) для мини-ноутбука — важной но- вой категории мобильных ПК, которые обладали небольшими массой и размерами и предоставляли полностью функциональ- ные возможности ПК-ноутбука. Изготовленный по технологии 0,35 мкм, новый процессор работал на частоте 120 МГц, внут- реннем напряжении 2,2 В и потреблял 4,2 Вт. Tillamook. В 1997 г. Intel объявила процессор мобильных ПК «Tillamook» (по названию небольшого города в шт. Орегон). Но- вые процессоры первоначально развивали частоту 200 МГц, а за- тем. в начале 1998 г. — 233—266 МГц (рис. 3.14). Tillamook был одним из первых процессоров, которые были построены на мобильном модуле, разработанном Intel (ММО). Модуль содержит процессор, 512 Кбайт вторичного кэша, регу- лятор напряжения (зашита процессора от более высоких напря жений), тактовый генератор (часы) и новый чипсет 430ТХ PCI Northbridge. Модуль включался в системную плату единственным разъемом в 280 штырьков, подобных картриджу SEC Pentium II. Чип процессора изготовлен по техноло! ии 0.25 мкм. напря- жение внутреннего питания — 1,8 В Регулятор напряжения был необходим, чтобы защитить чип от шин памяти и PCI, которые
224 Глава 3. Процессоры. Оперативная память Рис. 3.14. Архитектура мобильного процессора 1 illamook потребляли 3,3 В. Мобильные ЦП на 200 и 233 МГц выделяли 3,4 и 3,9 Вт тепловой мощности соответственно. Отрицательной стороной этого решения были разме- ры — 101,6 х 63,5 х 8 мм (или 10 мм высоты с соединителем), мо- дуль был слишком велик, чтобы вписаться в ультратонкие кор- пусы ноутбуков. Мобильный ЦП Pentium II. В апреле 1998 г. был выпушен мо- бильный процессор Deschutes семейства Pentium II Новый про- цессор и его мобильный компаньон — чипсет 440 ВХ — имели первоначально быстродействие 233 и 266 МГц и размешались в модуле (ММО) или инновационном «мини-картридже», кото- рый содержал ядро процессора и вторичный кэш на 512 Кбайт. Мини-картридж был приблизительно в 4 раза легче, в 6 раз меньше и расходовал две трети мощности процессора Pentium II для настольных ПК в картридже SEC. Эти процессоры работали на внутреннем основном напряже- нии 1,7 В и были самыми низковольтными процессорами мо- бильного ПК Intel, представленными до того времени. Ядро процессора на 233 МГц производило 6.8 Вт тепловой мощности,
3.4. Технологии центральных процессоров для мобильных ПК 225 версия на 266 МГц — 7,8 Вт. С дополнением кэша второго уров- ня мобильный ЦП Pentium II (233 МГц) расходовал 7,5 Вт, в то время как версия 266 МГц — 8,6 Вт. В конце января 1999 г. Intel запустила в производство новое семейство мобильных Pentium II процессоров, рабочее название «Dixon». Ключевое отличие — размещение кэша уровня 2 на кри- сталле процессора, который работал теперь не на половинной, а на полной частоте ЦП. Хотя новые центральные процессоры, доступные со скоростями 333 и 366 МГц, имели 256 Кбайт кэша уровня 2, а не 512 Кбайт, как у предыдущего мобильного Pentium, полная эффективность кэша была повышена втрое благодаря бо- лее высокой скорости и близости к центральному процессору. Мобильные ЦП Pentium II (336 МГц) имели внутреннее на- пряжение 1.6 В и использовали на 15 % меньше мощности, чем мобильный ПП Pentium II, при той же самой частоте. К середи- не 1999 г. мобильный ЦП Pentium II достш скорости в 400 МГц, и часть этих процессоров была выпушена, впервые используя технологию 0,18 мкм. Cyrix MediaGXi. В конце 1998 г. процессор MediaGXi (рис. 3.15) способствовал тому, чтобы цены на ноутбуки преодо- лели барьер 1000 долл. Возможность развертывания процессора на небольшой системной плате также сделала его привлекатель- ным для использования в «мини-ноутбуках» с форматом мень- ше, чем А4 («Sub-A4»). Была предложена виртуальная системная архи- тектура (Virtual System Architecture — VSA), которая заменя- ла традиционные возможности расширения, осуществленные в Рис 3.15. Архитектура Cyrix MediaGXi (ср. с рис 2.4, г - традиционная архитектура)
226 Глава 1. Процессоры. Оперативная память дополнительных картах. VSA была дополнена новыми технолэ гиями, которые управляли мультимедиа и системными функ- циями процессора MediaGX - XpressRAM XpressGRAPHtCS и XpressALDIO: • XpressRAM дает возможность процессору избежать залер- жек данных при передаче между внешним кэшем и г гавной памятью. Размещение контроллера памяти на чипе устра- няет потребность во внешнем кэше, поскольку перемеще- ние данных осуществляется непосредственно к SDRAM и назад на ПП; • XpressGRAPHICS устраняет потребность в графической карте. В традиционном ПК графика обрабатывается далеко от главного центрального процессора и передается по мед- ленной шине PC I. Однако если графический контроллер и акселератор поместить на ЦП. обработка графики проис- ходит на полной скорости процессора: • XpressAUDIO берет на себя функции звуковой платы. Со вместимая со стандартными промышленными звуковыми платами, схема воспроизводит весь звук непосреост венно от ЦП, таким образом избегая конфликтов совместимости, которые часто происходили между аудио и другими компо нентами. Мобильный ЦП Celeron. Одновременно с запуском Dixon Inte1 также ввела свой первый мобильный ЦП Celeron со скорое гями 266 и 300 МГц. Технически эти центральные процессоры сли- чались от Dixon тем, что имели на плате к эш ра шером 128. а не 256 Кбайт. К осени 1999 г. мобильный ЦП Celeron работал на скорости 466 МГн. что было основано на расширенной микроархитектуре Intel Р6 и наличии объединенного 128 Кбайт L 2-кэша дпя вер- сий 4б6 и 433 МГц. В 2001 г. Pentium III «lualatin» (технология 0,13 мкм) стал ключевым в линейке мобильных ЦП Intel. К этому времени вы- пуска 1ись самые разнообразные типы ноутбуков — от полнораз- мерных моделей с экраном 15" до сверхлегких переносные уст- ройств толщиной не более 20 мм с весом от 800 до 12 DO г Раз личные изготовители называют такие изделия но разному — «Sliml ine». <Thin and Light». < Mini-notebooks» и -Sub-noteoooks». Весной 2002 г. появляются мобильные ЦП Celeron, которые использовали напряжение между 1 15 и 1,7 В в ракообразных по скорости образцах - до 12 ГГц тля патартных версий на-
3.4. Технологии центральных процессоров для мобильных ПК 227 пряжения и 677 и 670 МГц для низкого и крайне низкого напря- жения, соответственно. Мобильные центральные процессоры AMD Кб. Мобильный процессор К6-2, как и его прототип для настольных ПК. с тех- нологией 3DNow! опередил Intel, появившись на рынщ. задолго до того, как Pentium III предложил подобную возможность обра- ботки 3-D используя «Новые команды Katmai». Мобильный ЦП AMD Кб-2 получил подобным образом преимущество в секторе ноутбуков и главные разработчики ноутбуков, включая Compaq и Toshiba, приступили к производству систем, основанных на мобильных Кб в начале 1999 г. Мобильные процессоры AMD выпускались с разъемами Socket 7 и Super 7 в керамических платах с 321 штырьками или пакетах BGA для меньших типоразмеров и со скоростями 266. 300 и 333 МГц. Мобильный ЦП Кб-2 испольювал внутреннее питание в 1.8 В и рассеивал менее чем 8 Вт теп тобой мошност и при выполнении типичных приложений. Семейство мобильных ЦП К6-2 было позже дополнено про- цессорами более высокой производите шности — AMD Кб-2 Р. К осени 1999 г. диапазон мобильных ЦП AMD Kfi-2-Р был рас- ширен. чтобы включить версию на 475 М1ц (в то время самая высокая част ота Ц П для ноутбуков). В середине 1999 г. был выпушен мобильный ЦП K6-III-P. основанный на расширенной микроархит ектуре шестого поколе- ния AMD и уникальной трехуровневой кэш-памяти Он включал кэш уровня 1 (64 Кбайт), рабп тающий на полной скорости про- цессора, внутреннюю память уровня 2 на 256 Кбайт, работаю- щую на полной частоте вторичной системной ш 1ны, первичн} ю системную шину на 100 МГц. кэш З-го уровня на 1 Мбай г Про - цессор AMD-Кб III-Р содержал 21.3 млн транзисторов, исполь- зовал основное напряжении 2,2 В и был изютовлен по техноло- гии AMD 0.25 мкм с пятью слоями металлических проводников. Первоначальная скорость в 380 МГц была увеличена до 450 МГц к осени 1^99 г. Весной 2000 г. были выпушены мобильные семейства ЦП AMD-Кб 1Щ и AMD -K6-2+ со скоростями до 500 М1ц по тех- нологии 0,18 мкм. В начате следующего года компания достиг- ла другого существенного рубежа с объявлением первых про цессоров седьмого поколения — мобильных ЦП Duron на 600 и 7п0 МГн.
228 Глава 3. Процессоры. Оперативная память Мобильный ЦП Pentium III. В октябре 1999 г. был выпущен Pentium III (технология 0,18 мкм) со скоростями 400 , 450 и 500 МГц и системной шиной на 100 МГц. Процессоры демон- стрировали повышение производительности на 100 % по срав- нению с самыми быстрыми предшествующими мобильными ЦП Intel. В середине 2001 г. выходит процессор Pentium III-M, осно- ванный на новом ядре Pentium Ilf (0,13 мкм), известном как «Tualatin». К весне 2002 г. выпускался широкий диапазон ЦП Pentium III-М Спектр основных напряжений питания был меж- ду 1,1 и 1,4 В при частоте до 1,2 ГГц для стандартных уровней напряжения и частотах 866 и 766 МГц для низкого и крайне низкого уровня напряжения, соответственно. SpeedStep. В 2000 г. Intel вводит новую технологию мобиль- ною процессора, которая, как ожидалось, «закроет промежуток производительности» между мобильными ПК и их исторически более мощными настольными аналогами. Это — мобильный процессор двойного режима (кодовое имя «Geyserville»), кото- рый позволяет мобильному ПК работать на более высокой час- тоте, когда он подключен к сети внешнего питания, и автомати- чески переключаться к более низкому энергопотреблению и час- тоте при переходе на батареи. Технология была впоследствии представлена мобильными процессорами Pentium III на 600 и 650 MI ц в начале 2000 г. под названием «SpeedStep». Технология SpeedStep предлагает пользователям мобильных ПК два режима: максимальной производительности (Maximum Performance) и оптимизации батарей (Battery Optimised). Систе- ма автоматически выбирает, какой режим выполнять в зависи- мости от того, работает ли компьютер на ба гареях или подклю- чен к внешнему питанию В режиме оптимизации батарей про- цессор работает на частоте 500 МГц и напряжении 1,35 В. понижая энергопотребление центрального процессора и сохра- няя заряд аккумулятора. Когда пользователь включает внешнее питание, ноутбук автоматически переходит к режиму макси- мальной производительности, увеличивая напряжение до 1,6 В, а частоту процессора - до максимума. Этот переход занимает нс более 0,002 с и незаметен для пользователя, даже если это про- исходит при выполнении интенсивных приложений (просмотр фильма или видеоигра). Пользователи также имеют во зможность выбрать максимальный режим даже при выполнении на батаре-
3.4. Технологии центральных процессоров для мобильных ПК 22° ях, для этого достаточно «щелкн5ть-> по значку внизу экрана без перезагрузки системы. Crusoe. В начале 2000 г. разработчик микросхем Transmeta Corporation обнародовал семейство х86-совместимых процессо- ров «Crusoe», рассчитанных на рынок мобильных ЦП и разоабо- танных с целью максимизации сроков службы аккумуляторов мобильных 5 етройств. Технология, лежащая в основе процессора Crusoe, базируется на программировании — сбережение энерю- потребления путем замены большого количества транзисторов программным обеспечением (рис. 3.1b). BIOS Машина VLIW Программы модификации кодов Приложения Рис. 3.16. Архитектура процессора Crusoe Аппаратная компонента — центральный i роцессор с очень длинными командами (VLIW). способный к вы- полнению до четырех операций в каждом такте, обрабатывая регистры длиной в 128 бит. Внутренняя система команд VL IW не имеет ничего общего с командами 80x86 и разработана для быстрою выполнения при малой мощности, используя обыч- ную CMOS-технологию. Окружающий уровень программною называют программным обеспечением моцификации кодов iCodc Morphing software — СМ), потому что здесь осуществляет- ся динамический перевод команд 80x86 в команды VLIW Уро вень модификации кодов вкпочает множество расширенных особенностей, которые обеспечивают хорошую производитель- ное гь на обшесистемном j ровне. Программное обеспечение модификации кодов переводит сразу блоки команд 80x86, записывая результат в кэш перевода. Затем выполняется оптимизированный перевод на полной ско- рости. Этот подход к выполнению кода 80x86 устраняет мил- лионы транзисторов, заменяя их программным обеспечением. Процессор Crusoe содержит нс более '/4 от числа логических гран (исторэв. требуемых для дос гижения подобной производи-
230 Глава 3. Процессоры. Оперативная память тельности только аппаратными средствами, и имеет следующие преимущества: • аппаратный компонент значительно меньше, быстрее и энергетически эффективнее, чем обычные чипы; • аппаратные средства полностью отделены от команд 80x86, давая возможность использовать в проектах наиболее со- временные и лучшие тенденции в аппаратном проектиро- вании, не загружая программное обеспечение проблемами совместимости; • программное обеспечение СМ может развиваться отдельно от аппаратных средств, и обновление программной части микропроцессора может быть выполнено независимо от аппаратных версий чипа. Мобильный ЦП Duron. Базируемый на ядре Spitfire, мобиль- ный ЦП Duron имел особенности, аналогичные его немобиль- ному аналогу, — «дважды ускоренную» системную шину на 100 МГц (эффективная производительность 200 МГц), Ll-кэш на 128 Кбайт и Ь2-кэш на 64 Кбайт на чипе. Ядро чипа работает при 1,4 В (по сравнению с 1,6 В настольной версии). Централь- ный процессор был первоначально выпущен со скоростями 600 и 700 МГц. Когда в середине 2001 г. Intel объявила выпуск Pentium II) с ядром Tualatin (0,13 мкм), который предназначался для мобиль- ного сектора, ответ AMD состоял в выпуске процессорных ядер (0,13 мкм) Morgan и Palomino. Они различаются размерами Ь2-кэша — 64 и 256 Кбайт, соответственно. Ядро Morgan исполь- зуется в обычных ноутбуках под фирменным знаком Duron, в то время как ядро Palomino — в более дорогих высокоэффективных ноутбуках под новым брэндом Athlon 4 К весне 2002 г. мобиль- ный ЦП Duron выпускался с различными частотами до 1.2 ГГц. Самый быстрый ЦП Athlon 4 достигал быстродействия 1600+. Power/Vow/Технология AMD PowerNow! является версией тех- нологии Intel SpeedStep. Предпосылка простая — некоторые при- ложения требуют меньшей мощности, чем другие. Редактирова- ние текста, например, потребляет относительно немного тактов процессора, тогда как просмотр DVD, редактирование фото или выполнение других мультимедийных приложений требуют, чтобы был установлен высокий уровень производительности. Технология AMD PowerNow! управляет уровнем производи- тельности процессора автоматически, динамически регулируя частоту и напряжение питания несколько раз в секунду, соответ
3.4. Технологии центральных процессоров для мобильных ПК 231 ственно выполняемой задаче. Мобильный ЦП Athlon 4 преду- сматривает 32 уровня скороети/напряжения между 500 МГц (1,2 В) и максимальной скоростью процессора. Реально из них используется от четырех до восьми уровней переключения. Мобильный ЦП Pentium IV. ЦП Intel Pentium IV-M с частотой до 1,7 ГГц появился на рынке весной 2002 г. В среднем он по- требляет 2 Вт мощности, что достшаегся понижением напряже- ния ниже 1 В всякий раз, когда это возможно, и переключение на максимум (1,3 В) только тогда, когда необходима пиковая производительность Используется также динамическое управле- ние мощностью (Deeper Sleep Alert State), которое обеспечивает дальнейшее сбережение энергии в течение периодов бездеятель- ности (они могут быть столь же краткими, как миллисекунды между нажатиями на клавиши). Centrino. Фирменный знак для мобильных процессоров Intel следующего поколения был объявлен в январе 2003 г. Centrino включает три компоненты, которые сосредоточиваются на уве- личении срока разряда батарей и интеграции беспроводной тех- нологии локальных сетей. • процессор Pentium-M; • семейство чипсет Intel 855; • адаптер беспроводной ЛВС Pro/Wireless. Процессор Intel Pentium-М — с рабочим названием «Banias» (по имени археологической достопримечательности на Ближнем Востоке) не то же самое, что более ранний Pentium IV М Фак- тически — это новый ЦП, который объединяет некоторые из лучших особенностей более ранних проектов, чтобы получить новую архитектуру, способную к высокой эффективности при пониженном потреблении мощности. Процессор поддерживает «четырежды ускоренную» первич- ную системную шину (TSB) на 400 МГц и команды S1MD и S1MD2. ЦП Pentium-М работает на ботее низких частотах, чем Pentium IV-M. первоначальные скорости составляли от 1,3 до 1,6 ГГц По утверждению Intel, Pentium-М на 1,6 ГГц предлагает эффективность, сопоставимую с Pentium IV М (2,4 ГГп) при меньшем на 50 % расходе энергии. В дополнение к новому ядру кэш уровня 1 был увеличен до 32 Кбайт (Pentium III М — 16 Кбайт), а кэш уровня 2 составляет 1 Мбайт. Однако, чтобы уменьшить потребление мощности при использовании батарейного питания, подключается только то
232 Глава 3. Процессоры. Оперативная па.мять количество кэша L1, которое фактически требуется (оценивается в среднем как '/32 полного размера кэша). Предназначенный для работы совместно с Pentium-M, чип- сет Intel 855 имеет более низкое основное напряжение по срав- нению с предыдущими поколениями контроллеров памяти и ис- пользует инновационные особенности дизайна, чтобы умень- шить потребление мощности интерфейса памяти в течение неактивных состояний системы Чипсет выпускается в двух вер- сиях — 855РМ и 855GM, последний включает интегрированную графику. Особенности чипсета 855: • системная шина на 400 МГц (100 МГцх4) обеспечивает пи- ковую пропускную способность в 3,2 Гбайт/с; • DDR-каналы памяти с пиковой пропускной способностью 2,1 Гбайт/с; • интерфейс AGP 4 х, позволяющий графическим конт- роллерам обращаться к главной памяти со скоростью 1 Гбайт/с. Кроме того, новый контроллер внешних устройств (Southbridge) ICH4 М поддерживает интерфейсы: Ultra А1А/100' 10/100Base-TX Ethernet: АС97 audio; PC Card; модем USB 2. Третий компонент Centrino — lntel-адаптер беспроводной ЛВС Pro/Wireless. Сначала была обеспечена поддержка только стандарта 802 11b, затем был разработан и поставлен двухполос- ный адаптер 802.1 lb/802.11а. В табл. 3.5 приводятся основные характеристики мобильных процессоров. Таблииа 3.5. Характеристики мобильных процессоров Pentium, AMD, Cyrix Тип процессора Кодовое наимено- вание Год вы пуска Кэш- К( L1 память, >айт L2 Тактовая частота системной шины, МГц Тактовая частота процес- сора, МГц Рассеи- ваемая мощ- ность, Вт Внут- оеннее напря- жение, В Размер мини- мальной структу- ры. мкм Pentium ММХ Tilamook 1997 1998 16 512 200 233 266 300 4,2 39 34 1,8 2,2 0.35 0,25 Pentium II Deshutes Dixnn 1998 1999 16 512 66 233 266 336 6,8 7.5 8.6 1,7 0,25 018
3.5. Организация оперативной памяти 233 Окончание табл. 3.5 Тип Кодовое Год вы- Кэш-память, Кбайт Тактовая частота Тактовая частота Рассеи- ваемая Внут- реннее Размер мини- мальном структу- ры. мкм процессора наимено вание пуска L1 L2 системной шины, МГц процес сора, МГц мощ- ность, Вт напря- жение В Celeron Р6 1999 2002 16 128 256 266 300 433 46b 677 670 1200 1.15 1.7 0,18 0.13 AMD Mobile Кб Кб-? К6-2-Р К6-1П-Р Кб-2-f K6-IIH 1999 2000 64 1024 +L3 (1024) 1-Ю 266 300 333 450 500 8,0 1.8 2,2 С,25 018 Pentium III Tualatin GeyseMlle 1999 2002 16 100 400 450 500 766 800 1200 1,35 1.4 1.1 С 18 Transmedia Corp Crusoe 2000 2002 450 700 1200^ 4,Г 1.0 AMD Duron Spitfire 2001 2002 128 64 256 100 200 500 /ПО 1200 1 4 С 13 Penti irn IV-M, Pentium-M Banias Cen*n io 2002 2003 32 1000 400 1300 1600 1700 2400 2,0 1.3 1,0 0 13 0,09 3.5. Организация оперативной памяти Запоминающие устройства (ЗУМ именуемые также устройст- вами памяти, предназначены для хранения данных. Основными характеристиками ЗУ являются; • емкость памя ги, измеряемая в битах либо байтах: • методы доступа к данным;
234 Глава 3. Процессоры. Оперативная память • быстродействие ( время обращения к устройству); • надежность работы, характеризуемая зависимостью от ок- ружающей среды и колебаний напряжения питания; • стоимость единицы памяти. Основные принципы построения ОЗУ Методы аппаратной реализации оперативной памяти В боль- шинстве случаев основная оперативная память — RAM (Random Access Memory, т. e. память с произвольным доступом). ПЭВМ строится на микросхемах динамического типа (DRAM Dynamic Random Access Memory), где в качестве запо- минающего элемента (ЗЭ) используется простейшая сборка, со- стоящая из транзистора и конденсатора Основными причинами широкого применения этой памяти является высокая плотность интеграции (увеличение числа ЗЭ на чип и сокращение числа чи- пов, необходимых для одного модуля), малое потребление энер- гии (тратится минимум энергии на хранение одного бита, умень- шается потребляемая системой мощность, снижается стоимость) и т. д. Но имеются и недостатки — каждый ЗЭ представляет, по сути дела, разряжающийся со временем конденсатор, поэтому, чтобы предотврати гь потерю хранящейся в конденсаторах инфор- мации, микросхема RAM постоянно должна регенерироваться. Имеется другой вид памяти, который лишен этого недостат- ка. Эта память называется статической (Static RAM — SRAM), где в качестве ЗЭ используется так называемый статиче- ский триггер, который может хранить данные, пока питание по- дается на схему. Это отличает ее от динамической оперативной памяти, которая должна регенерироваться с высокой частотой. SRAM изготовляется по технологии, подобной микпопропес- сорной - фотогравирование кремния. Каждый биг SRAM требу- ет от четырех до шести транзисторов, чем и объясняется то, по- чему SRAM занимает намного больше места по сравнению с DRAM, которая требует только один транзистор (плюс конден- сатор). Следовательно, если бы SRAM устанавливалась в качестве оперативной памяти, то это привело бы к увеличению быстро- действия ПК, однако при этом существенно изменилась бы его стоимость, поскольку стоимость микросхемы SRAM значитель- но выше стоимости DRAM
3.5. Организация оперативной памяти 235 Организация ОЗУ. В адресном ОЗУ каждый элемент памяти имеет адрес, соответствующий ею пространственному располо- жению в запоминающей среде. Поэтому, обращение к опреде- ленному элементу производится в соответствии с кодом его ад- реса. В ЗУ после приема кода осуществляется его дешифрация, после чего следует выборка из элемента конкретной группы би- тов или слов. В ассоциативном ОЗУ поиск данных происходит по конкрет- ному содержимому, независимо от его адреса. Такой поиск ин- формации идет с использованием определенных признаков, на- пример, ключевых слов, которые связаны с искомыми данными. Ассоциативные устройства, хотя и являются более сложными, обеспечивают более быстрый поиск и выбор хранимых данных. Необходимо отметить, что все распространенные операцион- ные системы, если для работы нужно больше памяти, чем физи - чески присутствует в компьютере, не прекращают работу, а сбрасывают неиспользуемое в данный момент содержимое памя- ти в дисковый файл (называемый свопом — swap) и затем по мере необходимости «перегоняют» данные между ОЗУ и свопом. Это гораздо медленнее, чем доступ системы к самой ОЗУ. По- этому от количества оперативной памяти напрямую зависит ско- рость системы. Адресация данных. Рассмотрим адресные ЗУ. Команды, ис- полняемые ЭВМ при выполнении программы, равно как и чи- словые и символьные операнды, хранятся в памяти компьютера. Память состоит из миллионов ячеек, в каждой из которых со- держится один бит информации (значения 0 или 1). Биты редко обрабатываются поодиночке, а, как правило, группами фиксиро- ванного размера. Для этого память организуется таким образом, что группы по п бит могут записываться и считываться за одну операцию. Группа п бит называется словом, а значение п — дли- ной слова. Схематически память компьютера можно представить в виде массива слов (рис. 3.17). Обычно длина машинного слова компьютеров составляет от 16 до 64 бит. Если дичина слова равна 32 битам, в одном слове может храниться 32-разрядное число в дополнительном коде или четыре символа ASC (I, занимающих 8 бит каждый. Восемь иду- щих подряд битов являются байтом. Для представления машин- ной команды требуется одно или несколько слов. Основная память соединяется с процессором посредством адресной шины и шины данных. Каждая шина состоит
236 Глава 3. Процессоры. Оперативная память />31 = 1 для отрицательных чисел a 8 разрядов 8 разрядов 8 разрядов 8 разрядов Символ Символ Символ Символ ASCII ASCII ASCII ASCII б Рис. 3.17. Размещение числовой (а) и символьной (б) информации в слове из совокупности электрических цепей (линий или бит). Ширина (разрядность) адресной шины определяет, сколько адресов мо- жет быть в ОЗУ (адресное пространство), а шины данных — сколько данных может быть передано за один цикл. Например, в 1985 г. процессор Intel 386 имел 32-разрядную адресную шину, что давало возможность поддерживать адресное пространство в 4 Гбайт. В процессоре Pentium (1993 г.) ширина шины данных была увеличена до 64 бит, что позволяет передавать 8 байт ин- формации одновременно. Для доступа к памяти с целью записи или чтения отдельных элементов информации, будь то слова или байты, необходимы имена или адреса, определяющие их расположение в памяти. В качестве адресов традиционно используются числа из диапазо- на от 0 до 2*-1 со значением к, достаточным для адресации всей памяти компьютера. Все 2* адресов составляют адресное про- странство компьютера. Следовательно, память состоит из 2* адре- суемых элементов. Например, использование 24-разрядных (как в процессоре 80286) адресов позволяет адресовать 22л (16 777 216) элементов памяти. Обычно это количество адресуемых элементов обозначается как 16 Мбайт (1 Мбайт = 2№ = 1 048 576 байт, адрес- ное пространство 8086 и 80186). Поскольку у процессоров 8038b. 80486 Pentium и их аналогов 32-разрядные адреса, им соответст - вует адресное пространство из 232 байт, или 4 Гбайт элементов. Байтовая адресация. Отдельные биты, как правило, не адре суются и чаще всего адреса назначаются байтам памяти. Именно так адресуется память большинства современных компьютеров. Память, в которой каждый байт имеет отдельный адрес, называ - ется памятью с байтовой адресацией. Последовательные байты
3.5. Организация оперативной памяти 237 имеют адреса О, I, 2 и т. д. Таким образом, при использовании слов длиной 32 бита последовательные слова имеют адреса 1, 4, 8, и каждое слово состоит из 4 байт. Прямой и обратный порядок байтов. Существует два способа адресации байтов в словах: • прямой порядок (рис. 3.18, а); • обратный порядок (рис. 3.18, б). Рис. 3.18. Способы адресации байтов в ОЗУ Обратным порядком байтов (big-endian) называется система адресации, при которой байты адресуются слева направо, так что самый старший байт слова (расположенный с левого края) имеет наименьший адрес. Прямым порядком байтов (little-endian) называется противо- положная система адресации, при которой байты адресуются справа налево, так что наименьший адрес имеет самый младший байт слова (расположенный с правою края). Слова «старший» и «младший» определяют вес бита, т. е. степень двойки, соответст- вующей данному бигу, когда слово представляет число. В ПЭВМ на основе 80x86 используется прямой порядок, а в ПЭВМ на ос- нове Motorola 68000 — обратный. В обеих этих системах адреса байтов 0, 4, 8 и т. д. применяются в качестве адресов последова тельных слов памяти в операциях чтения и записи слов. Наряду с порядком байтов в слове важно также определи гь порядок битов в байте. Наиболее естественный порядок битов для кодирования числовых данных (непосредственно соответст вующий их разрядам) — «слева направо»: />32, ..., Ь}, Ьо. Однако существуют компьютеры, для которых характерен обрат ный по- рядок битов
238 Глава 3. Проц& соры. Оперативная память Расположение слов в памяти. В случае 32-разрядных слов их естественные границы располагаются по адресам 0, 4, 8 и т. д. При этом считается, что слова выровнены по адресам в памяти. Если говорить в общем, слова считаются выровненными в памя- ти в том случае, если адрес начала каждого слова кратен количе- ству байтов в нем. По практическим причинам, связанным с ма- нипулированием двоично-кодированными адресами, количество байтов в слове обычно является степенью двойки Поэтому, если длина слова равна 16 бит (2 байтам), выровненные слова начи- наются по байтовым адресам 0, 2, 4, ..., а если она равна 64 бит (2\ т. е. 8 байтам), то выровненные слова начинаются по байто- вым адресам 0, 8, 16, ... . Не существует причины, по которой слова не могли бы на- чинаться с произвольных адресов. Такие слова называются не- выровненными. Как правило, слова выравниваются по адресам памяти, но иногда этот принцип нарушается. Обычно число занимает целое слово, поэтому для того 41 обы обратиться к нему, нужно указать адрес слова, по которому оно хранится. Точно так же доступ к отдельно хранящемуся в памяти символу осуществляется по адресу содержащего его байта. Во многих приложениях необходимо обрабатывать строки символов переменной длины. Для доступа к такой строке нужно указать адрес байта, в котором хранится ее первый символ. По- следовательные символы строки содержатся в последовательных байтах. Существует два способа определения длины строки Пер- вый из них заключается в использовании специального управ- ляющего символа, обозначающего конец строки и являющегося ее последним символом. Второй способ состоит в использовании отдельного слова памяти или регистра процессора, содержащего число, которое определяет длину строки в байтах. Каждая передача данных между процессором и памятью на- зывается циклом шины Количество бит, которое процессор может передать за один цикл шины, влияет на производитель- ность компьютера и определяет, какой тип памяти требуется. Для описания характеристик быстродействия оперативной памяти применяются так называемые циклы чтения/за писи (или временная схема пакета). Эти числа отно- сятся к количеству тактов процессора для каждого доступа при чтении в пакетном режиме. Дело в том. что при обращении к памяти на считывание или запись первою машинного слова рас- ходуется больше тактов, чем на обращение к трем последующим
3.5. Организация оперативной памяти 239 словам. Так, для асинхронной SRAM (обеспечивает быстродей- ствие от 12 до 20 нс при частоте шины ЦП от 50 до 66 МГц) чтение одного слова выполняется за 3 такта, запись — за 4 такт;, чтение нескольких слов определяется последовательностью 3-2-2-2 такта, (что означает, что чтение 1-го элемента данных за- нимает 3 такта ЦП, включая 2 такта ожидания, а чтение после дующих — по 2 временных такта), а запись — 4-3-3-3. Адресное пространство и методы его расширения Адресное пространство ЭВМ графически изображается пря- моугольником, одна из сторон которого представляет разряд- ность адресуемой ячейки (слова) процессора, а другая сторона — весь диапазон доступных адресов для этого же процессора. В ка - честве минимально адресуемой ячейки памяти может быть вы- брана восьмиразрядная ячейка (слово) памяти (байт). Диапазон доступных адресов микропроцессора определяется разрядностью шины адреса системной шины. При этом минимальный номер ячейки памяти (адрес) будет равен 0, а максимальный определя- ется из формулы М = 2я - 1. Для шестнадцатиразрядной шины это будет 65 535 (64 К). Ад- ресное пространство этой шины приведено на рис. 3.19 Пример соответствующего распределения памяти приводится на рис. 3.20. Номер слова (десятичный) Номер слова (двоичный) Рис- 3.19. Адресное пространство шестнадцатиразрядной шины адреса
240 Глава 3. Процессоры. Оперативная память 64К Порт ввода-вывода 1111111111111111 Неиспользуемое адресное пространство хххххххххххххххх 16К 0011111111111111 ОЗУ 001кхххххххххххх 8К 0010000000000000 Неиспользуемое адресное пространство ОООххххххххххххх 2К 0000011111111111 ПЗУ ОООООххххххххххх 0 0000000000000000 Рис. 3.20. Распределение памяти микропроцессора с шестнадцатиразрядной шиной адреса Микропроцессоры после включения питания и выполнения процедуры сброса всегда начинают выполнение программы с определенного адреса, чаще всего нулевого. Однако есть и ис- ключения. Например процессоры, на основе которых строятся универсальные компьютеры IBM PC или Macintosh, стартуют не с нулевого адреса. Программа должна храниться в памяти, кото- рая не стирается при выключении питания, т. е. в ПЗУ Способы расширения адресного пространства проиессора. Ра з- мер адресного пространства определяется разрядностью счетчика команд процессора и достаточно часто при развитии микропро- цессорной системы возможност и адресного пространства исчер- пываются. В таком случае приходится прибегать к расширению адресного пространства путем увеличения разрядности шины адреса. Страничный метод. В частности, для такого расшире- ния можно воспользоваться параллельным портом Внеш- ние выводы параллельною порта при этом трактуются как стар шие биты адресной шины. Такой метод расширения адресного просгранства называется страничным методом адреса- ции. Регистр данных параллельного порта при использовании его для расширения адресного пространства будет называться переключателем страниц. В этой схеме параллельный порт используется в качестве простейшего контроллера памяти микропроцессорного устрой-
3.5. Организация оперативной памяти 241 ства. При применении восьмиразрядного параллельною порча в микропроцессорной системе появились дополнительные восемь линий адреса. В результате адресное пространство микропроцес- сорной системы увеличилось до 16 Мбайт. Структура нового ад- ресного пространства i [риведена на рис. 3 21, а принцип фор ми- рования нового адреса с использованием переключателя стр< - ниц — на рис. 3.22. Адрес внутри Адрес внутри Полный страницы страницы адрес (шестнадца-егичг ый) (двоичный) FFFFFF FFFF Страница 255 1111111111111111 FF0000 0000 iFb) 0000000000000000 02FFFF FFFF Страница 2 1111111111111111 020000 0000 0000000000000000 01FFFF FFFF Страница 1 1111111111111111 010000 0000 0000000000000000 OOFFFF FFFF Страница 0 1111111111111111 000000 0000 0000000000000000 Рис 3.21. Структура страничногс адресного прострапства 7_____________________0 15______________________________о Перегпюч ггель страниц | Счетчик адреса команд 23 О ' формированный адрес ----------------► Рис. 3.22. Формирование адреса с использованием переключателя странии Метод с граничной адресации прост в реализации и при фор- мировании адреса физической памяти не приводит к дополни- тельным временным задержкам. но при использовании mhoi озг - дачного режима работы процессора лля каждой активной задачи выделяется целая страница в системной памяти микропроцессо- ра. При такой работе в системной памяти процессора можег о< - таться несколько неиспользуемых областей. Решить возникни ю проблему позволяет метод сегментной организации памяти Сегментный метод В данном случае организации па- мяти для расширения адресного пространства используется ба- зовый регистр, относитечьно которого производится адре- сация команд или данных в программе. Ра чрядность базового регис гря обычно выбирают равной разрядности СчАК.
242 Глава 3. Процессоры. Оперативная память Адресное пространство при использовании сегментного ме- тода адресации приведено на рис, 3.23. Для формирования фи- зического адреса используется параллельный двоичный сумма- тор. На входы этого сумматора подаются содержимое базового регистра и содержимое счетчика команд. Суммирование произ- водится со смещением содержимого базового регистра влево на несколько битов относительно СчАК (рис. 3.24). В результате максимальный размер сегмента определяется разрядностью про- граммного счетчика, а максимальная неиспользуемая область памяти — смещением базового регистра относительно про- граммного счетчика. Полный адрес FFFF Адрес внутри сегмента Неиспользуемое пространство 17031 17030 OF030 0F028 0F010 0F005 00000 8000 0000 0018 0000 F005 0000 Сегмент 2 Сегмент 1 Сегмент q Рис. 3.23. Пример адресного пространства с разделением на сегменты 15 о Рис 3.24. Модификация адресов при сегментной адресации
3.5. Организация оперативной памяти 243 Количество сегментов определяется количеством базовых ре- гистров. Сегменты могут перекрываться в адресном пространст- ве, и тем самым может’ регулироваться размер памяти, который отводится под каждый конкретный сегмент памяти В компью- терах семейства IBM PC имеются четыре базовых регистра, оп- ределяющих сегмент данных, сегмент программы, сегмент стека и дополнительный сегмент. Информацию в базовые регистры заносит операционная система при переключении задач. Иерархическая организация памяти Компромиссом между производительностью и объемами па- мяти является решение использовать иерархию запоминающих устройств, т. е. применять иерархическую модель па- мяти. Применение иерархических систем памяти оправдывает себя вследствие двух важных факторов — принципа локально- сти обращений и низкого (экономически выгодного) соотно- шения стоимость/производительность. Принцип локальности обращений состоит в том, что большинство программ обычно не выполняет обращений ко всем своим командам и данным рав- новероятно, а в каждый момент времени оказывает предпочте- ние некоторой части своего адресного пространства. Иерархия памяти обычно состоит из многих уровней, но в каждый момент времени взаимодействуют только два близлежа - ших уровня. Минимальная единица информации, которая может присутствовать либо отсутствовать в двухуровневой иерархии, называется блоком или строкой Размер блока обычно фик- сирован, а объем памяти кратен размеру блока. Успешное или неуспешное обращение к более высокому уровню называют соответственно попаданием (hit) или промахом (miss). Попадание — есть обращение к объекту в памяти, который найден на более высоком уровне, в то время как промах означает, что он не найден на этом уровне. Доля попаданий (hit rate) — доля обращений к дан- ным, найденным на более высоком уровне Доля промахов (miss rate) — это доля обращений к данным, которые не най цены на более высоком уровне.
244 Глава 3. Процессоры. Оперативная память Время обращения при попадании (hit time) есть время обращения к более высокому уровню иерархии, кото- рое включает в себя, в частности, и время, необходимое лля оп- ределения того, является ли обращение попаданием или прома- хом. Потери на промах (miss penalty) есть время для замещения блока в более высоком уровне на блок из более низ- кого уровня плюс время для пересылки этого блока в требуемое устройство (обычно в процессор). Потери на промах далее включают в себя две компоненты • время доступа (access time) — время обращения к первому слову блока при промахе; • время пересылки (transfer time) — дополнитель- ное время для пересылки оставшихся слов блока. Время доступа связано с задержкой памяти более низкого уровня, а время пересылки — с полосой пропускания канала между устройствами памяти двух смежных уровней. Кэш-память или с а с h е memory — компонента иерархи- ческой памяти — представляет собой буферное ЗУ, работающее со скоростью, обеспечивающей функционирование ЦП без ре- жимов ожидания (рис. 3.25). Обратная связь Рис. 3.25. Иерархия оперативной памяти Необходимость создания кэш памяти возникла потому, что появились процессоры с высоким быстродействием. Между тем для выполнения сложных прикладных процессов нужна большая память. Использование же большой сверхскоростной памяти экономически невыгодно. Поэтому между ОЗУ и процессором стали устанавливать меньшую по размерам высокоскоростную буферную память, или кэш память. В дальнейшем она была раз- делена на два уровня — встроенная в процессор (on -die) и внеш- няя (on-motherboard).
3.5. Организация оперативной памяти 245 Кэш 1-го уровня (Level 1 cache, или L 1). Кэш 1-го уровня, или первичный кэш, находится на плате центрального процессора и используется для временного хранения команл и данных, организованных в блоки по 32 байта. Первичный кэш — самая быстрая форма памяти Будучи встроенным в чип, он обеспечивает минимальную задержку интерфейса с АЛУ, од- нако ограничен в размере. Ll-кэш реализуется, используя прин- цип статической оперативной памяти (SRAM) и длительное вре- мя, в среднем имел размер 16 Кбайт. Процессор Р55 Pentium ММХ, выпущенный в начале 1997 г., содержал кэш 1-го уровня размером до 32 Кбайт. Процессоры AMD Кб и Cyrix М2, вышедшие в том же году, уже обеспечива- ли 64 Кбайт объема кэша 1-го уровня. Кэш 2-го уровня (Level 2 cache, или L2). Кэш 2-го уровня (вторичный кэш) использует ту же самую логику управ- ления, что и кэш 1-го уровня, и также относится к типу SRAM Кэш 2-го уровня обычно имеет два размера — 256 или 512 Кбайт, и помещается на системной плате в гнезде типа Card Edge Low Profile (CELP) или в модуле «кэш на-плате» («cache on a stick», COAST). Последний напоминает SIMM, но немного ко- роче и включает гнездо COAST, которое обычно расположено близко к процессору и напоминает слот РС1. В процессоре Pentium, однако, кэш 2-ю уровня помещался на чипе процессе ра непосредственно. Цель кэша 2-1 о уровня состоит в том, чтобы поставлять со- храненную информацию на процессор без какой-либо задержки (состояния ожидания). Для этой цели интерфейс шины процес- сора имеет специальный протокол передачи, названный группо- вым (или пакетным) режимом (burst mode). При этом обычно ис- пользуется синхронный тип памяти, управляемой тактовы м гене- ратором ЦП Цикл пакета состоит из четырех передач данных, где на адресную шину выводится адрес только первых 61 бит. Обычно кэш 2-го уровня — это синхронная пакетно-конвейер ная память (Pipelined Burst Static RAM PB. SRAM) [16]. В кэгч-память записывается часть команд и данных, содер- жащихся в оперативной памяти. При этом нередко используют- ся две кэш-памяти, одна из которых хранит команды, а другая — данные. Применение кэширования особенно эффективно, koi да до- ступ к данным осуществляется преимущественно в последова- тельном порядке. Тогда после первого запроса на чтение данных,
246 Глава 3. Процессоры. Оперативная память расположенных в медленной (кэшируемой) памя ги, можно зара- нее выполнить чтение следующих блоков данных в кэш-память для того, чтобы при следующем запросе на чтение данных почти мгновенно выдать их из кэш-памят и (упреждающее чтение}. Стратегии управления иерархической памятью При построении систем с иерархической памятью целью явля- ется получение максимальной производительности подсистемы па- мяти при ее минимальной стоимости. Эффективность той или ш юй системы кэш-памяти зависит от стратегии управления памя- тью. Стратегия управления памятью подразумевает ответ на такие вопросы: выбор метода отображения основной памяти в кэше; ал- горитм взаимодействия между медленной основной и быс_рой к тш-памятью; выбор страте] ии замещения информации в кэше. Существует три основных способа размещения блоков (строк) основной памяти в кэше: • кэш-память с прямым отображением (dii ect-map- ped cache); • частично ассоциативная (или множественно ассо- циативная. set-associal ive cache) кэш-память- • полностью accoi нативная кэш-память (fully asso ciative cache) Память с прямым отображением. В этом случае каждый блок основной памяти имеет только одно фиксирован- ное место, на котором он может появиться в кэш-памяти. Это наиболее простая организация кэш-памяти. Все блоки основной памяти, имеющие одинаковые младшие разряды в своем адресе, । юпадают в один блок кэш памяти. Пр i таком подходе справед- ливо соотношение: (Адрес блока кэш-памяти) = (Адрес блока основной памяти) mod (Число блоков в кэв-памяти). Полностью ассоциативная память. Здесь некото- рый баок основной памяти может раснола] аться на любом месте кэш-памяти. К^ш-память называется частично ассоциативной, если некоторый блок основной памяти может располагаться на ограниченном множестве мест.
3.5. Организация оперативной памяти 247 В современных процессорах, как правило, используется либо кэш-память с прямым отображением, либо двух- (четырех-) ка- нальная множественно ассоциативная кэш-память. Стратегия замещения информации в кэше опре- деляет блок, подлежащий замещению при возникновении про- маха. Простота при использовании кэша с прямым отображени- ем заключается в том, что аппаратные решения здесь наиболее простые: легко реализуется сама аппаратура, легко происходит замещение данных. При замещении просто нечего выбирать — на попадание проверяется только один блок, и только этот блок может быть замешен. При полностью или частично ассоциативной организации кэш-памяти имеются несколько блоков, из которых надо вы- брать кандидата в случае промаха. Как правило, для замещения блоков применяются две основные стратегии: • случайная (Random) — блоки-кандидаты выбираются случайно (чтобы иметь равномерное распределение). В не- которых системах используют псевдослучайный алгоритм замещения; • замещается тот блок, который не использовался дольше всех (LRU — Least-Recently Used). В этом случае, чтобы уменьшить вероятность удаления ин- формации, которая скоро может потребоваться, все обра- щения к блокам фиксируются. Достоинство случайного способа заключается в том, что его проще реализовать в аппаратуре. Когда количество блоков уве- личивается, алгоритм LRU становится все более дорогим и часто только приближенным. В табл. 3.6 показаны различия в долях промахов при использовании алгоритма замещения LRU и слу- чайного алгоритма. Таблица 3.6 Влияние стратегии замещения на долю промаха при разных размерах кэш- памяз и и ассоциативности Размер кзш-памяти. Кбайт Ассоциативность 2 канальная стратегия 4-канальная стратегия 8-канальняя стратегия IRU Random LRU Randorr LRU Random 16 5,18 5 69 4,67 5,29 4,39 496 64 1,88 2,01 1,54 1,66 1.39 1.53 256 1.15 1,17 ’,13 1,13 1,12 1,12
248 Глава 3. Процессоры. Оперативная память И? таблицы видно, чго при большом размере кэш-памяти стратегии замещения не имеет существенного различия в эф- фективности памяти. Алгоритмы обмена с кэш-памятью (свопинга) вклю- чают следующие разновидности: • алгоритм сквозной записи (Write TTrougn) или сквозного накопления (Store Through); • алгоритм простого свопинга (Simple Snapping) и. 1и обра г- ной записи (Write Back); • алгоритм свопинга с флагами (Flag Swapping) или обратной записи в конфлик гных ситуациях с флагами (CUX): • алгоритм регистрового свопинга с флагами (FRS1 Алгоритм сквозной записи — самый простой алго- ритм свопинга. Каждый i >аз при появлении запроса на запись нс некоторому адресу обновляется содержимое области по этому адресу как в быстрой, так и в основной памяти, даже если копия содержимого по этому адресу находится в быстром буфере. Та- кое пос гоянное обновление содержимого основной памяти, как и буфепа, при каждом запросе на запись позволяет постоянно поддерживать информацию, находящуюся в основной памяти в обновленном состоянии. 11оэтому, когда возникает запрос на запись ™ > адресу, стно сяшемуся к области, содержимое которой нс находится в дан- ный момент в быстром буфере, новая информация записывается просто на место блока, которое предполагается переслать в ос- новную память (без необходимости пересылки этого слова в ос новную память), так как в основной памяти уже находится его дост оверная копия. Данный алгоритм несложен для реализации и понимания, поэтому он был широко распространен в системах с кэш -памя - тью. Данный алгоритм также просто позволяет реализовать ко- герентность данных для мультипроцессорных систем с оаз- дельными кэшами и общей памятью. Алгоритм простого свопинга. Обращения к основ- ной памяти имеют место в тех случаях, когда в быстром буфере не обнаружив 1ется нужное слово. Эта схема свопинга повышает производительность системы памяти, так как в ней обращения к основной памяти не происходят при каждом запросе на запись, что имеет место при использовании алгоритма сквозной записи. Однако в связи с тем. что содержимое основной памяти не под держиваегся в постоянно обновленном состоянии, если необхе-
3.5. Организация оперативной памяти 249 димого слова в быстром буфере не обнаруживается, из буфера в основную память надо возвратить какое-либо устаревшее слово, чтобы освободить место для нового необходимого слова. Поз то- му из буфера в основную память сначала пересылается какое -то слово, место которою в буфере занимает нужное слово Таким образом, происходят две пересылки между быстрым буфером и основной памятью. Алгоритм свопинга с фл агами. Данный алгоритм яв- ляется улучшением алгоритма простого свопинга В алгоритме простого свопинга, когда в кэш-памяти не обнаруживается нуж- ное слово, происходи г два обращения к основной памяти — за- пись удаляемого значения из кэша и чтение нового значения в кэш. Если слово с того момента, как оно попало в буфер из ос- новной памяти, не подвергалось изменениям, т. е. по его адресу не производилась запись (оно использовалось только для чте- ния), то нет необходимости пересылать его обратно в основную память, потому что в ней и так имеется достоверная его копия это обстоятельство по зволяет в ряде случаев обойт ись без обра- щений к основной памяти. Если, однако, слово подвергалось из- менениям с тех пор, когда его копия была в последний раз запи- сана обратно в основную память, то приходится перемещать его в основную память. Отслеживать изменения слова можнэ. поме- тив слово (блок) дополнительным фла1 - битом. Изменяя зна- чение ф. iar-бита при изменении слова, можно сформ ировать ин- формацию о состоянии слова. Пересылать в основную г амягь необходимо лишь те слова, флаги которых оказываются в уста- новленном состоянии. Алгоритм регистрового свопинга с флагами. По- вышение эффективности алгоритма свопинга с флагами вс чиож- но за счет уменьшения эффективного времени цикла, что можно получить при введении регистра (регистров) временного хране- ния между кэш -памя гью и основной памял ью. Теперь, если чан- ные должны быть переданы из быстрого буфера в основную па- мять. они сначала пересылаются в ршистр (регистры! временно го хранения: новое слово сразу же пересылается в буфер из основной памяти, а уже потом слово, временно хранившееся в регистре (япдсывается в основную память Действия в ЦП начи- нают опять выполняться как ТОЛЬКО для ИТОГО возникает воз- можность Алгоритм обеспечивает совмещение операций записи в основную память с обычными операциями над буфером, что обеспечивает еще большее повышение производительности.
250 Глава 7. Процессоры. Оперативная память 3.6. Конкретные системы памяти Рассмотрим вкрат це основные типы сист ем памяти. Динамическая память Динамическая память (DRAM) в современных ПК использу- ется обычно в качестве оперативной памяти общего назначения, а также как памят ь для видеоадаптера (табл. 3.7). Таблица 3.7 Н< которые характеристики различных типов динамиче. кои памяти Характеристики L . __ РС100 °С133 DDR SDRAM SLDRAM Base Rai ibus Concurrent Гаг t js Dree! Rar bus Часкта, МГц 100 133 200/266 800 700 700 600 800 Мяксимап -.пая скорость, Гбайт/с 0,80 1,00 1,6/2,1 1,60 0,70 0,70 1,2'1,6 Ожидаемая CKonoc.it, 1 байт/с 0,50 0,60 0,9/1,2 - 0,40 0,50 1,1/i 5 1 Эффектна юсть. % 65 60 60 - 60 80 97 Число бит в слове 64 64 64 16 8/9 8/9 16H8 Микросхема памяти этого типа представляет собой прямо- угольный массив ячеек со вспомогательными логическими схема - ми, которые используют ся для чтения i ui и записи данных, а также включают цепи регенерации, которые поддерживают целостность данных. Массивы памят и организованы в строки (row) и столбиы (column) ячеек памяти, именуемые соответственно линиями с юч (wordlines) и линиями бит (hitlines). Ка* тая ячейка памии имеет уникальное размещение, задаваемое пересечением строки и столбца. Цепи, поддерживающие работу памяти, включают. • усилители, считывающие си« нал, обнаруженный в ячейке памяти; • схемы адресации для выбора строк и столбцов: • схемы выбора адреса строки (Row address select — ;RAS) и столбца (Column address select — /( AS), чтобы открывать и закрывать адреса строк и столбцов, а также начинать И за- канчивать операции ч гения и записи. • цепи записи и чгения информации;
3.6. Конкретные системы памяти 251 • внутренние счетчики или регистры, следящие за циклами регенерации данных; • схемы разрешения выхода (Output enable — ОЕ). Каждый бит такой памяти представляется в виде наличия (или отсутствия) заряда на конденсаторе, образованном в струк- гуре полупроводникового кристалла. Конденсат ор управляет транзистором. Если транзистор открыт и ток идет, это соответ- стует «1», если закрыт — «О». С течением времени конденсатор разряжается, и его заряд нужно периодически восстанавливать. Между периодами доступа к памяти посылается электрический ток, обновляющий заряд на конденсаторах для поддержания це- лостности данных (вот почему данный тип памяти называется динамическим ОЗУ). Этот процесс называется регенераци- ей памяти. Интервал регенерации измеряется в наносекундах (нс), и это число отражает «скорость» ОЗУ. Большинство ПК на основе процессоров Pentium используют скорость 60 или 70 нс. Процесс регенерации снижает скорость доступа к данным, по- этому доступ к DRAM обычно осуществляется через кэш-па- мять. Однако когда быстродействие процессоров превысило 20С МГц, кэширование перестало существенно влиять на прису- щую DRAM низкую скорость и возникла необходимость исполь- зования других техноло) ий ОЗУ . Цикл чтения включает следующие события (рис. 3.26, д я EDO DRAM): • выбор строки. Активизация цепи /RAS используется для связывания со строкой памяти и инициации цикла памяти. Это требуется при начале каждой операции с памятью Ак- тивное состояние /RAS задается низким у ровнем напряже- ния на линии, т. е. сигнал RAS соответствует переходу от высокого напряжения в цепи к низкому. Сигнал / RAS мо- жет также использоваться для запуска цикла регенерации; • выбор ст олбца. ( игна л /CAS используется для свя зывания со ст олбпом памяти и инициации операции записи-чтения. Активное состояние /CAS также задается низким напряже- нием на л чнии: • ра ^решение записи (Write enable /WE) Сигнал /WE задает тин операции; высокий уровень напряжения определяет операцию записи, низкий — чтения информации; • разрешение вывода (Output enable /ОЕ) Во время опера ций чтения из памяти этот сигнал предотвращает появле- ние данных прежде времени. Если уровень напряжения в
252 Глава 3. Процессоры. Оперативная память цепи — низкий, то данные передаются на выходные линии, как только возможно. При записи в память эта линия иг- норируется; • ввод/вывод данных. Выводы DQ (также именуемые вхо- до-выходными или I/Os) на чипе памяти пре ^назначены для ввода и вывода Во время операции записи высокое («1») или низкое («О») напряжение подается на DQ. При чтении данные считываются из выбранной ячейки и пере- даются на DQ, если доступ осуществлен и /ОЕ открыт. Все остальное время DQ находятся в закрытом состоянии (вы- сокое входное сопротивление) — они не пот ребляют элек- трический ток и не выдают сигналов. Рассмотрим модификации систем динамической оператив- ной памяти. FPM DRAM (Fast page mode DRAM) — представляет собой стандартный тип памяти, быстродействие которой составляет 6С или 70 нс. Система управления памятью в процессе считывания активирует адреса строк, столбцов, осуществляет проверку дан- ных и передачу информации в систему. Столбцы после этого де- акгивируют ся, что приводит к нежелательному состоянию ожи- дания процессора в некоторых сочетаниях операций с памят ью В наилучшем случае данный режим реализуе г временную схему пакета вида 5-3 -3-3. EDO RAM (RAM с расширенным выходом). Обращение на чтение осуществляется таким же образом, как и в FPM, за ис- ключением того, что высокий уровень 'CAS нс сбрасывает вы- ходные данные, а использование триггера позволяет сохранять данные то тех пор, пока уровень CAS снова не станет низким Тем самым не происходит сброса адреса столбцов перед началом следующей операции с памятью Упрошенная схема работы EDO пока зана на рис. 3.26 Выход- ная величина поддерживается последовательностью с гробиоую- щих импульсов до тех пор, пока она не будет считана CPEI. что особенно важно для быстрых процессоров наподобие Pentium; эта память обеспечивает лучшие параметры для серии быстрых последоват е тьных считываний, чем FPM RAM Тсорст ически бы- стродействие такой на 27 % выше, чем для FMP DRAM. Данный вид памяти является модификацией типовой FPM RAM с небольшими отличиями во временной последовательно- сти /CAS и выходных данных. Г DO DRAM обеспечивает бо1 ее частую выдачу выходных данных, чем стандартная DRAM Паи-
3.6. Конкретные системы памяти 253 Выбор строки Рис. 3.26. Временная диаграмма EDO DRAM большая скорость EDO RAM в циклах процессора — это 5-2-2-2 для пакета чтения из четырех величин (бай г/слово/двойное сло- во). Память выпускается в трех вариантах — 70. 60 и 50 нс. EDO RAM не может работать при частоте шины, превышающей 66 МГц. а этот предел уже достигнут. BEDO RAM (Burst extended data out DRAM — пакетная с рас ширенным выходом), как это видно из названия, читает данные в виде пакета, что означает, что после получения адреса каждая из следующих трех единив информации читается за один никл тай- мера, а ПРОЦЕССОР считывает данные в виде пакета 5-1-1-1. Быстродействие системы на 100 % превосходи г FPM и на 50 — EDO DRAM Обращение к BFDO на чтение имеет два отличия от доступа к EDO. Первое из них — это то, что в первом цикле CAS данные не попадают на выходы. Преимущество такого внутреннего кон - вейерного звена состоит в том, что во втором цикле время появ- ления данных после выдачи переднего фрон та CAS (л е. т( -AS) бу- дет меньше Друюе отличие состоит в том, что системы BFDO содержат внутренний счетчик адреса, т. е. они получают извне только первый из чел ырех последовательных адресов. Первый цикл CAS. загружающий внутреннее конвейерное звено не при- водит к задержке при получении первого элемен га данных. Основным недостатком Bl.DO RAM является также невоз- можность работы на частоте шины, превышающей 66 МГц. SDRAM (Synchronous DRAM — синхронная динамическая на- мяты. Э гот тип памяти использует т од факт, ч го большинство он ращений к памяти являются пос тецовательными, и сдроектиро ван так, чтобы передать все биты пакета данных как можно быст
254 Глава 3. Ироцеа оры. Оперативная память рее (когда начинается передача пакета, все последующие биты поступают с ингервалом 10 нс). SDRAM содержит в своем составе счетчик пакетов, который автоматически увеличивает адреса и обеспечивает быструю последовательную выборку. Контроллер памяти обеспечивает локализацию требуемого блока памяти с максимальной скоростью (рис. 3.27). Данная система памяти мо- жет превосходить по быстродействию EDO RAM на 18 %. Как видно из названия, этот тип памяти обеспечивает син- хронизацию всех входных и выходных сигналов с системным таймером. Наибольшая скорость SDRAM в циклах процессо- ра — это 5-111 для пакета чтения четырех единиц информации (байт/слово/двойное слово), что делает ее такой же быстродей- ствующей, как и BEDO RAM, однако самое большое достоинст- во SDRAM — го, что она легко поддерживает частоту шины до 100 МГц. SDRAM PCJ00. Для материнских плат, поддерживающих внешние частоты в 100 МГц и выше, необходима память (SDRAM), которая сможет нормально и без сбоев работать с та- кими частотами, обеспечивая оптимальную скорость. Такие мо-
3.6. Конкретные системы памяти 255 дули памяти должны иметь время доступа не более 8 нс, но са- мого быстродействия как такового недостаточно. Память, спо- собная устойчиво работать на внешних частотах 100 МГц и выше, должна удовлетворять специальному стандарту — PC ЮС (табл. 3.8). Таблица 3.8. Спецификации РС100 и РС133 Таоаметр, нс PC 100 PC 133 Минимально допустимое Наилучтьее Минимально допустимое Наилучшее Время доступа 10 8 75 6 1 Время удержания данных на выходе 3 27 Время установки 2 1.5 SDRAM PC 133 - память, соответствующая стандарту PC 133. Спецификация РС133 SDRAM DIMM разработана группой ком паний \ IA Technologies, IBM Microelectronics. Micron Semi- conductor Products, NEC, Samsung Semiconductor (Revision 0.4 от 7 июня 1999 г.). Было установлено, что память будет совмес- тима с более ранними технологиями, стой гь дешевле, хотя и не сможет работать на частотах выше 133 МГц. Память PC 133 — это лучшие образцы памяти стандарта PC ЮС, ускоренные до 133 МГц. Спецификация PC 133 почти ничем не отличается от PCЕ>0 (см. табл. 3.8). Пиковая пропускная способность PCI 33 SDRAM приблизительно равна 1 Гбайт/с и средняя пропускная способ- ность около 250 Мбайт/с, что соответствует пропускной способ ности AGP 4-х (1 Гбайт/с — пиковая и 200 Мбайт/с — средняя). Пиковая пропускная способность РС100 SDRAM приблизитель- но 800 Мбайт/с, что меньше, чем у порта AGP 4\. Таким обра зом, память PC 133 может использоваться в графических сганпи- ях и других аналогичных системах. Требования к конструктивному исполнению были заложены в спецификацию PC 100 с большим запасом, поэтому в их изме- нении не было необходимости. Практически аналогичные трс бования к памяти РС133 пргт шгаются и фирмой VIA Teckno logies в своей спецификации на РС133 Пиковая пропускная способность PC 133 SDRAM приблизи те дык) равна 1 Гбайт/с и средняя пропускная способность около 250 Мбайг/с, что соответствует пропускной способности AGP 4-х
256 Глава 3. Процессоры. Оперативная память (1 Гбайт/с — пиковая и 200 Мбайг/с — средняя!. Пиковая пропу- скная способность PC 100 SDRAM приблизительно 830 Мбайз/с, что меньше, чем у порта AGP 4-х. DDR SDR4M (SDRAM II). Это еще один тип конкурирующих технологий. Традиционно, по логике устройств с синхронизаци- ей, данные передаются по фронту импульса синхронизации (clock tick). Так как сигнал генератора импульсов изменяется ме- жду «I» и «0», данные могут передаваться как по переднему фронгу импульса (изменение с «Л на «1»), так и по заднему (с «1» на «0»), Следующим шагом в развитии Synchronous DRAM ISDRAM) может стать предложенная компанией Samsung DDR ^Double Data Rate) SDRAM или SDRAM II, в которой передача данных осуществляется по обоим фронтам тактовых импульсов, чем достигается удвоение скорости передачи при той же тактовой частоте То есть DDR позволяет выполнить две операции досту- па к данным и з двух разных модулей, находящихся в одном бан- ке памяти, за время одного обращения стандартной SDRAM благодаря более точной внутренней синхронизаи ии. Это — даль- нейшее развитие принципа параллельной обработ ки данных для увеличения скорости доступа к ним. Кроме того, DDR использует DLL (delay-locked loop — цикл с фиксированной задержкой) для выдачи сигнала DataStrobe, означающею доступность данных па выходных контактах Ис- пользуя один сигнат DataStrobe на каждые 16 выводов, контрол- лер может осуществлять доступ к данным более точно и синхро- низировать входящие данные, поступающие из разных модулей, находящихся в одном банке. DDR фактически увеличивает ско- рость доступа вдвое по сравнению с SDRAM, используя при этом ту же частоту. В случае с 64 битовой шиной — это два Я байтных пакета. 16 байт за такт. И пи в случае с шиной на 133 МГц — не 1064 а 2128 Мбайт/с. DDR-II SDRAM. К числу основных отличий технологии DDR-II от предыдущего варианта (DDR Г относится то. что в ней размер выборки данных увеличен вдвое — с 2 до 4 бит. а значит, во столько же раз возрастает и скорость передали дай- ны Например, при 100 МГц она состави’ 400 Мбайг/с. Кроме этого, р DDR II планируется использовать новую схему синхро низании, а также память DDR-II отличается от DDR 1 более низким напряжением питания — 1.8 вместо 2,5 В. Изменена
3.6. Конкретные системы памяти 257 схема компоновки как на уровне отдельных микросхем, так и на уровне модулей, в частности, модули DDR 11 DIMM будут иметь не 184 контакта, как DDR-1 DIMM, а 230. SLDRAM (Synchronous linked DRAM). Этот тип устройств раз- работан консорциумом крупнейших производителей модулей памяти — SLDRAM Consortium. Считается, что применение SLDRAM экономически выгодно при объеме ОЗУ не менее 256 Мбайт. Этот тип памяти включает основные прогрессивные технологии, заложенные вею предшественниках, — SDRAM и DDR RAM Повышение производительности достигается за счет распространения пакетного протокола передачи данных на сиг- налы управления (отчего и пошло название этого типа памяти - Linked SDRAM). В SLDRAM адреса, команды, а также сигналы управления передаются в пакетном режиме по однонаправлен- ной шине Command Link. Одновременно с ними по другой, двунаправленной шине Data Link, и тоже в пакетном режиме передаются данные, при- чем передача происходит на обоих фронтах тактовых импульсов, как и в случае с DDR SDRAM Величина всего пакета данных может равняться целой странице (строке памяти). Поскольку пропускная способность обеих шин (команд и данных) одинако- ва, можно переключаться на любую страницу памяти без потери производительности. ESDRAM (Enhanced SDRAM — улучшенная SDRAM) — бо лее быстрая версия SDRAM, сделанная в соответствии со стан- дартом JEDEC компанией Enhanced Memory Systems (EMS). С точки зрения времени доступа производительность ESDRXM в 2 раза выше по сравнению со стандартной SDRAM В боль- шинстве приложений ESDRAM, благодаря более быстрому вре- мени доступа к массиву SDRAM и наличию кэша, обеспечивает даже большую производительность, чем DDR SDRAM Сначала появилась EDRAM (с асинхронным интерфейсом), а затем с появлением SDRAM была разработана ESDRAM (с синхронным интерфейсом) Основные ее отличия от SDRAM • более быстрое время доступа (27 нс вместо стандартных 60 нс); • производительность, повышенная почти до уровня стати- ческого ОЗУ, по цене динамического; • кэш-память, связанная с каждым банком памяти; • скрытая регенерация;
258 Глава 3. Процессоры. Оперативная память • гибкое использование кэш-памяти для обеспечения макси- мальной производительности при различных типах обра- щений. Принцип работы ESDRAM состоит в том, что из динамиче- ской в кэш-память целиком переносится вся строка, в которой находится считываемая ячейка. После этого считывание произ- водится уже из кэш-памяти, а в основной памяти в это время можно выбирать нужную с гроку или производить регенерацию. Перенос почти не сказывается на быстродействии, поскольку длится один такт. Недостаток ESDRAM — усложнение контроллера: он должен учитывать возможность подготовки к чтению новой строки па- мяти. Кроме того, при произвольных адресах чтения кэш -памят ь используется крайне неэффективно, поскольку чтение строки памяти целиком происходит очень редко. Этого недостатка нет у другого типа памяти — CDRAM CDRAM (Cached DRAM — DRAM с кэш-памятью) Этот гип ОЗУ разработан в корпорации Mitsubishi и представляет собой улучшенный вариант I SDRAM. Изменения коснулись кэш-па- мяти — ее объема, принципа размещения данных средств тосту- па. Cached DRAM имеет ра сдельные адресные линии для стати- ческого кэша и динамического ядра памяти. Необходимость управлять разнородными типами памяти усложняет контроллер, однако эффективность к эш-памяти. размешенной «внутри» мик- росхемы. выше, чем при традиционной архитектуре ПК. так как перенос в кэш осуществляется блоками, в 8 раз большими, чем при вы даче «наружу» из микросхемы обычной DRAM В CDRAM объем одного блока данных, помещаемого в кэш, уменьшен до 128 битоь Это позволяет использовать кэш-память гораздо эффективнее, чем в ESDRAM. поскольку- в 16 килобит- ной кэш-памяти могут одновременно храниться данные из 128 различных участков памяти. Затирание первою помещенного в кэш участка памяти начнется лишь при обращении к 129-му. Поскольку перенос из DRAM в SRAM совмещен с выдачей дан- ных на шину, то частые, но короткие пересылки не снижают производительности всей микросхемы при перекачке больших объемов информации и уравнивают CDRAM с EDKAM. а при выборочном чтении преимущество остиртся за CDRAM Direct Rambus (DRDRAM). Обычная архи гектура DRAM дос- ти1 ае г свое1 о практического потолка при час готе ЦП в 300 МГн.
3.6. Конкретные системы памяти 239 Появление концепции Direct Rambus DRAM <1999 г.) дает дол- говременное решение этой проблемы. DRDRAM - высокоскоростная динамическая память с г ро- извольным доступом, разработанная Rambus Inc. Она обеспечи- вает высокую пропускную способность по сравнению с боль- шинством других DRAM. Direct Rambus [‘RAM представляет интегрированную на системном уровне технологию. Подсистема памяти Rrmbus состоит из следующих компо- нентов: • основного контроллера <RMC — Rambus Memory Cont- roller); • канала (RC — Rambus Channel); • разъема для модулей (RRC — Rambus RIMM Connector); • модуля памяти (RIMM — Rambus In-line Memory Module); • генератора дифференциальных импульсов (DRCG — D -ect Rambus Clock Generator); • микросхем памяти (RDRAM — Rambus DRAM). Рассмотрим основные компоненты данной системы (рис 3.28). Direct Rambus Controller — главная шина подсисте- мы памяти. Физически на одном чипе можно поместить до че- тырех контроллеров D'rect Rambus. Контроллер представляет со- бой интерфейс между' чипом логики и каналом Di reel Rambus. В его функции входит генерирование запросов, управление по- током данных и ряд других. Direct Rambus-контроллер состоит 2 канала (32 бит) — 3,2 Гбит.'с Рис. 3-28- Варианты пос-роения PDRAM Контроллер памяти БлоК|- памяти RPRAM 1 канал (16 бит) — 1 6 Гбит'с
260 Глава 3. Прощ ссоры Оперативная память из двух отдельных функциональных блоков: Rambus Application Specific Integrated Circuit Cell (RAC) и контроллера Rambus. Direct Rambus Channel создает электрическоесоедине- ние между Rambus-контроллером и чипами Direct RDRAM. Рабо- та канала основана на 30 сип 1алах, составляющих высокоскорост- ну ю шину. Эта шина работает на тактовой частоте 400 МГц и по- зволяет передавать данные на 800 МГц (данные передаются по обоим фронтам такта). Memory Expansion. Один канал Direct Rambus макси- мум может поддерживать 32 чипа Direct RDRAM. В материн- ской плате может использоваться до трех RIММ-модулей. Ис- пользуя устройства на 64. 128 и 256 Мбит, максимальная ем- кость памяти на канал достигает 256 Мбайт, 512 Мбайт и 1 Гбайт соответственно. Чтобы расширить канал сверх 32 устройств, могут использо- вагься два чипа повторителя. С одним повторителем канал мо- жет поддерживать 64 устройства на 6 RIMM-модулях, а с дву- мя — 128 устройств на 12 модулях. Direct Rambus DRAM. Чипы Direct Rambus DRAM со- ставляют часть подсистемы Rambus, запоминающую данные, это непосредственно носители информации. Все устройства в систе- ме электрически расположены на канале между кенп роллером и терминатором. Устройства Direct Rambus могут только от вечат! на запросы контроллера, который делает их шину подчиненной или отвечающей. VCM (Virtual Channel Memory) — разработанная NEC и Siemens Texi юлогия, позволяющая оптими тировать доступ к опе- ративной памяти нескольких процессов (запись данных цен- тратьным процессором, перенос содержимою оперативной па- мяти на жесткий диск, обращения графическою процессора и т. п ) таким образом, что переключение между процессами не приводи г к падению производительности В отличие от традици- онной схемы, котда все процессы делят одну и ту же шину вво ла-выаола. в технологии VCM каждый и з них использует «вирту- альную» шину. Организованное на уровне чипа взаимодействие «виртуальных» и реальной шины позволяет дос гичь прироста производительности системы ло 25 %. Схема VCM может быть реализована в рамках vжe существующей технологии. В современных системах доступ к памяти равных контролле- ров, установленных на шине PCI, обычно чередуется в трудно предсказуемом порядке. Поэтому микросхемы DRAM выцужде-
3.6. Конкретные системы памяти 261 ны работать с разными страницами Во зникает задержка, i ребуе- мач для предзаряда битовых линий накопителя и передачи ин- формации от ячеек памяти чере з усилители считывания к блоку ввода/вывода, что часто приводит к значительному замедлению работы всей системы. При разработке VC М основными целями являлись снижение длительности задержки, а также снижение энергопотребления модулей памяти. Добит ьсч выполнения этой задачи, невыполни- мой, если судить по опыту Direct RDRAM, где механизм управ- ления питанием является одним из основных источников задер- жек, удалось следующим образом. При работе обычной памяти Memory Master (любое активное системное устройство, которому по какой то причине понадо- бился доступ к системной памяти. — контроллеп PCI или AGP. кэш процессора L2. видеокарта, и т. п.) выдает запрос, обладаю- щий уникальными характеристиками, — адресом, размером б io- ка данных, и т. д. При наличии нескольких устройств, одновременно выпол- няющих запросы в разные области памят и (причем доступ в один момент времени может иметь только одно из них), о большой эффективности работы говорить не приходится (рис. 3.29, а) В соответствии с технологией VCM в VC SD RAM активное устройство (memory master) может сделать запрос, обладающий уникальными характеристиками — адресом, размером блока данны к к памя ги — посредством виртуальных каналов. Систем ный контроллер памяти ассоциирует каналы с процессами, что ускоряет работу системы, как если бы каждому процессу выде- лялся отдельный ресурс — дост уп к памят и. Каждый канал мо- жет выполни гк обмен данными с любой строкой люб.ч о банк,' памят и. По этой технологии при записи данные не сразу заносятся в память, а помещаются в буфер — виртуальный канал — и хра- нятся там до тех пор. пока память не будет готова их принять (она. например, может быть занята р< генерацией или обменом с другим устройством) (рис. 3.29. 6). Запись данных в VC SDRAM выполняет следующим обра- зом: вначале данные записываются в виртуальный канал, а по- том по мере освобождения контроллера DRAM происходит за- пись непосредственно в ячейки памяти SDRAM. Чтение данных осуществляется путем запроса дачных у вир- туального канала, который напрямую считывает содержимое
262 1лава в. Процессоры. Оперативная память б Рис 3.29. Организация доступа к обычной DRAM щ) и VCM (6) того блока ячеек SDRAM, который содержит необходимые дан- ные, и дополнительно выполняет упреждающее чтение Чтобы при о 'повременном обращении к памяти нескс ьких процессов не снизилась производительность, число каналов до- веяно до 16 по 1024 бита каждый (в модулях по 256 Мбайт] причем каждый канал может передавать до 2048 бит. Работает VC SDRAM при частоте до 143 МГц. Тип корпуса — стандарт- ный, совместимым по контактам и набор! команд с SDRAM. Active Link — разработка NEC. которая использует в DRAM архивацию (сжатие информации). Чтобы не загружать этой ра- ботой процессор, функции компрессит /текомцрессии данных возлагаютсч на микросхемы DRAM В ре тультате несколько рас- ширилось обрамление кристалла, но получен двойной выиг рыш — необходима меньшая по количеству' ячеек микросхема
3.6. Конкретные системы памяти 263 DRAM, а также доступ к информации происходит быстрее, чем обычно. По сведениям NEC, видеоданные сжимаются в чипе ActiveLink в 4 раза. IRAM(intellectual Random Access Memory). Главная идея тех- нологии 1RAM заключается в размещении процессора и DRAM в одном чипе. Это дает возможность считывания и записи дан- ных длинными словами (в пределах 128—16 384 бит), обеспечи- вая высокую пропускную способность памяти Раньше это было невозможно — все упиралось в неприемлемо большое число вы- водов микросхемы. Средняя скорость RAC/CAS равна прибли- зительно 10 -30 нс для модулей емкостью 64—256 Mbam IRAM. При этом снижается энергопотребление и уменьшается место, занимаемое микросхемами памяти. Магнитная оперативная память. Следует отметить, что пер- вые образцы ОЗУ бы пи построены на магнитных ферритовых сердечниках, которые пронизывали адресные и информацион- ные шины (провода). Емкость т аких ЗУ обычно i ic превосходила 64 Кбайт. В последующем, длительный период времени устрой- ства ОЗУ выполнялись на кремниевых полупроводниковых эде- ме! ггах. В 2000 г IBM и немецкая фирма по производству по ту про- водников Infineon Technologies AG объявили программу разра ботки MRAM (Magnetic Random Access Memory) Принцип орга- низации элементов памяти — магни гная среда, зак поденная м< - жду метадлическими пленками, образующими линии записи и чтения данных (рис. 3.30). Преимущества технологии — высокая емкость и скорость, низкая стоимость, возможность применения как в форме стати- ческой. так и динамической памяти, более низкое энергопо- требление. Запись «1» Запись «О» 'Липы Битовые линии машинных слов а Рис. 3.30. Принцип функционирования а запись данных б — считывание
264 Глава 3. Процессоры. Оперативная память Статическая память Статическая память (SRAM) обычно применяется в качестве кэш-памяги второго уровня (L2) для кэширования основного объема ОЗУ. Статическая память выполняется обычно на основе ТТЛ-, КМОП- или БиКМОП-микросхем и по способу доступа к данным может быть как асинхронной, так и синхронной. Асин- хронным называется доступ к данным, который можно осущест- влять в произвольный момент времени Асинхронная SRAM применялась на ма геринских платах для третьего- пятого поко- лений процессоров. Время доступа к ячейкам такой памят и со- ставляло от 15 нс (33 МГц) до 8 нс (66 МГц!. Синхронная память обеспечивает доступ к данным не в про- извольные моменты времени, а одновременно (синхронно) с так- товыми импульсами. В промежутках между ними гамять может готовить для доступа следующую порцию данных. В большинстве материнских плат пятого поколения используется разновидност t синхронной памяти — синхронно-конвейерная SRAM k Pipelined Burst SRAM), для которой типичное время одиночной операции чтения/записи составляет 3 такта, а групповая операция занима- ет 3-1-1-1 гакта при первом обращении и 1-1-1 -1 при последую- щих обращениях, ч го обеспечивает увеличение скорости доступа более чем на 25 %. SRAM в качест ве элемсн гарной ячейки использует так назы- ваемый статический триггер (схема которого состоит из не- скольких транзисторов). Статический тип памяти обладает более высоким быстродействием и используется, i .апример, для орга- низации кэш-памяти. Рассмотрим разновидност и ста гической памяти. Async SRAM (асинхронная стат ическая память) Это кэш-па- мять. которая используется в течение многих лет с тех пор. как появится первый 386-й компьютер с кэш-памятью второго уров- ня. Обращение к ней осуществляется бысл рее, чем к DRAM, и может, в зависимости от скорости процессора, использовать варианты с 20-, 15- или 10-нс доступом (чем меньше время об- ращения к данным, тем быстрее намять и гем короче может быть пакетный доступ к ней). Тем нс менее, как видно из назва- ния, эта память яв. 1яс гея нецос гаточно быстрой тля синхронного доступа, что означает, что при обращении процессора все-таки требуется ожидание, хотя и меньшее, чем при использовании DRAM.
3.6. Конкретные системы памяти 265 SyncBurst SRAM (Synchronous Burst Static RAM — синхронная пакетная статическая память). При частотах шины, не превы- шающих 66 МГц, синхронная пакетная SRAM является наибе лее быстрой из существующих видов памяти Причина этого в том, что, если процессор работает на i ie слишком большой час- тоте, синхронная пакетная SRAM может обеспечить полностью синхронную выдачу данных, что означает отсутствие задержки при пакетном чтении процессором 2-1-1 1, т. е. синхронная па- кетная SRAM выдает данные в пакетном цикле 2-1-1-1. Когда частота процессора становится больше 66 МГн, синхронная па- кетная SRAM не справляется с нагрузкой и выдает данные паке- тами по 3-2-2-2, что существенно медленнее, чем при использо- вании конвейерной пакетной SRAM. К недостаткам относится и то, что синхронная пакетная SRAM производится меньшим чис- лом компаний и поэтому стоит дороже. Синхронная пакетная SRAM имеет время адрес/данные от 8,5 до 12 нс. Существует несколько основных конструктивных особенно- стей синхронной пакетной SRAM, которые делают ее сущест- венно превосходящей асинхронную SRAM при использовании г качестве высокоскоростной кэш-памяти; • синхронизация с системным таймером. В простейшем смысле это означает, что все сигналы запускаются < >т фронта сигнала таймера. Получение сигналов по фронту тактового импульса таймера существенно упрощает созда- ние быстродействующей системы; • пакетная обработка. Синхронные пакетные SRAM обеспе- чивают высокое быстродействие при небольшом количест - ве логических схем, организующих циклическую работу па- мяти с последовательными адресами. Четырехадресная па- кет ная последовательность может быть перемежающейся для совместимости с Intel или линейной для PowetPC и ос- тальных систем. РВ SRAM (Pipelined Burst Static RAM — конвейерная пакет- ная статическая памяти). Конвейер — по распараллеливание операций SRAM с использованием входных г выходЛх регист ров. Заполнение регистров гр< бует дополни|.пьного начального цикла, но, будучи однажды заполненными, регистры об>спечи- вают быстрый переход к следующему адресу за то время, пока по текущему адресу считываются данные Благодаря этому такая память является наиболее быстрой кэш памятью для систем с пооизводигельностью шины ботее
266 Глава 3. Процессоры. Оперативная память 75 МГц РВ SRAM может работать при частоте шины до 133 МГц. Она, кроме того, работает не намного медленнее, чем синхронная пакетная SRAM при использовании в медленных системах: она выдаст данные все время пакетами по 3-1-1-1. Насколько высока производительность этой памяти, можно видеть по времени ад- рес/данные, которое составляет от 4,5 до 8 нс. 1-Т SRAM. Как уже отмечалось ранее, традиционные конст- рукции SRAM используют статический триггер для запоминания одного разряда (ячейки). Для реализации одной такой схемы на плате должно быть размещено от 4 до 6 транзисторов (4 -Т, 6-Т SRAM) Фирма Monolithic System Technology (MoSys) объявила с создании нового типа памяти, в которой каждый разряд реали- зован на одном транзисторе (1-Т SRAM). Фактически здесь при- меняется технология DRAM, поскольку приходится осуществ- лять периодическую регенерацию памяти. Однако интерфейс с памятью выполнен в стандарте SRAM, при этом циклы регене- рации скрыты от контроллера памяти. Схемы ГТ позволяют снизить размер кремниевого кристалла на 50—80 % по сравне- нию с аналогичными для традиционных SRAM, а потребление электроэнергии — на 75 %. Габл. 3.9 показывает возможности технологий SRAM при раз- личных значениях быстродействия шины Цифры в таблице — временные схемы доступа. Следует отметить, что при увеличении быстродействия шины наиболее экономически эффективной тех- нологией сначала становится асинхронная, затем сквозная син- хронная и, наконец, конвейерная синхронная SRAM. Однако в настоящее время все меньше поставщиков выпускают модели вы- сокоскоростных сквозных синхронных SRAM. В результате для систем, для которых производительность не особенно важна, на частотах от 50 до 66 М Г ц конструкторы используют конвейерную синхронную память, поскольку этот вид памяти выпускается многими производителями. Таблица 3. Ч. Сравнительные характеристик различных типов SRAM Быстродействие шины МГц Тип памяти L 33 50 60 66 7S й 100 125 । Асинхронная SRAM 2-1-1-1 3-2-2-2 3-2-2-2 3-2-2-2 3-2-2-2 3-2 2-2 3-2-2 2 3-2-2-2 ' Синхронная пакетная SRAM 2-1-1-1 2-1 1-1 2-1-1-1 2-1-1-1 3-2-2-2 3-2-2-2 3-2-2 2 3-2-2-2 Конвейерная пакетная SRAM 3-1-1-1 3-111 Л1'1-1 3-1-1 1 3-1 1-1 3-1-1-1 3-1-1-1
J. 6. Конкретные системы памяти 2Ь7 Реализация систем основной памяти Модули памяти характеризуются такими параметрами, как объем (16, 32, 64, 128, 256 или 512 Мбайт), число микросхем, паспортная частота (100 или 133 МГц), время доступа к данным (6 или 7 нс) и число контактов (72, 168 или 184). В 2001 г. начал- ся зыпуск модулей памяти на 1 Гбай г и опытных образцов моду- лей на 2 Гбайта. Микросхемы DRAM маркируются цифровым кодом, напри- мер, 4164 и 4464. В данном случае эти цифры означают, что эле- менты памяти 4164 и 4464 могут запоминать 64 Кбит i первые микросхемы DRAM). Почти одновременно в 1987 г. были изго- товлены два новых типа DRAM, которые были обозначены как И464 и 41256. Эти элементы были в состоянии запоминать вчет- веро ботьшее количество данных при увеличении их размера всего на 10 % (за счет появления дополнительных выводов мик- росхемы). В 1089 г. компания Siemens изготовила первый чип. емкость которою составила 1 Мбит, что превысило емкость чипа 41256 в 4 раза. Говоря об этом типе RAM. подразумевают микросхему с так называемым DIP-корпусом. при этом DIP обозначает Dual In-line Package (корпус с двухрядным расположением выводов». Этот термин относится к корпусам памяти, у которых выводы (Pins) расположены по бокам (напоминают жука) — рис. 3 31, а. Сам кристалл, на котором размещены ячейки памяти, сущест- венно меньше, чем корпус. Данная конструкция корпуса обу- словлена т экими требованиями, как удобст во печатного мон гажа и установки. микросхемы в панельки на системной i .лате, а так- же соблюдение температурного режима работы элементов. Важнейшими параметрами микросхем DRAM являются ем- кость и организация памяти. Элементы DRAM в виде отдельных микросхем обычно устанавливались на старых материнских пла- тах. В настоящее время эти микросхемы используют ся в качест ве составных элементов модулей памяти, таких, как SIP- ZIP- и S1 ММ-модули. Информация о микросхеме в ее обозначении состоит, как правило, из 1 юскольких полей. Первое попе еотержт г информа- цию о производите пе и типе отбраковки при изготовлении мик- росхемы, спедуюшее характеризует емкость, а дальнейшее — ма- териал. из которого изготовлен корпус, и время доступа.
268 Глава 3. Процессоры. Оперативная память г Рис. 3.31. Внешний вид корпуса чипа DIP (а); SIP-модули со временем доступа 70 нс (б); микросхемы памяти RIMM (в) и DIMM (г) Например, для микросхем фирмы Mostck первые две буквы МК являются обозначением фирмы, МКВ означает, что данная микросхема фирмы Mostek отбракована согласно военному стандарту (MIL STD 833), а МК1 — что микросхема прошла от- браковку в соответствии с промышленным диапазоном темпера- тур. Цифра 4 говорит о том, что микросхема является элементом DRAM. Следующая за ней цифра обозначает количество инфор- мационных разрядов: 1 — один разряд, 4 — четыре разряда. Группа цифр, следующая далее, обозначает количество инфор- мационных разрядов в килобитах (64 — 64 Кбит, 256 — 256 Кбит. 1000 — 1 Мбит). Далее буквой указывается гип корпу- са (например, Р — пластмассовый, хотя тип может быть и не указан) Через дефис указывается время доступа в наносекундах. Таким образом, по обозначению МКВ44256-70 можно легко оп- ределить. что это микросхема фирмы Mostek, прошедшая отбра- ковку согласно военному стандарту, имеет емкость 4-го разряда по 256 Кбит каждый и время доступа 70 нс. SIP модули. Микросхемы DRAM довольно легко и просто устанавливать в ПК, однако они занимают много места. С целью
3.6. Конкретные системы памяти 269 уменьшения размеров компонентов ПК. в том числе и этемен- тов оперативной памяти, был разработан ряд конст руктиьных решений, приведших к тому, что каждый элемент памяти боль- ше не устанавливался в отдельную панель, а совместимые эле- менты DRAM объединены в один модуль, выполненный на нс - большой печатной плате. Технология, реализующая такую конструкцию элементов па мяти, называется SMT (Surface Mounting Technology), дос ювно переводимая как технология поверхностного монтажа. Благодаря ей совместимые элементы DRAM были установлены на одной плате, что. в первую очередь, означало экономию места. В качестве реализации технологии SMT можно назвать так называемые SIP модули с однорядным расположением выводов (Single In-line Package — SIP). SIP-модули представляют собой небольшую плату с установленными на ней совместимыми чи- пами DRAM (см. рис. 3.31) Т акая плата имеет 30 выводов, раз- меры ее в длину около 8 см и в высоту около 1.7 см. SIP-модули устанавливаются в состзетствующие разъемы на системной плате Однако при установке и извлечении таких мо- дулей тонкие штырьки выводов часто обламываются, и контакт между штырьком и разъемом ненадежен. Это приве то к дальней- шему развитию модулей памяти и появлению SIMM-модулей. SIMM-модули. Когда речь идет о SIMM модуле, имеют в виду плату, которая по своим размерам примерно соответствует S IP-модулю Разница, прежде всего, состоит в конструкции кон- тактов. В огличие от SIP-моцуля выводы для SIMM модуля за- менены так называемыми контактами типа PAD (вилка). Эти контакты выполнены печатным способом и находятся на одном краю платы Именно этим краем SIMM модули устанавливают- ся в специальные слоты на системной плате (рис. 3.31, в) Благо- даря такой конструкции SIMM модулей существенно повышает- ся надежность электрического контакта в разъеме и механиче- ская прочность молсля в целом, тем более что все контакты изготовлены из высококачест венного материала и позолочены Отказы в работ е опера гивной памяти чаше всего происходят не из-за повреждения SIMM модулей, а. скорее, из за некачест- венной обработки контактов разъемов на системной плате. Кроме того, удобная конструкция SIMM модулей позволяет пользователям самостоятельно менять и добавтять элементы па мяти не опасаясь повредить выводы
270 Глава J. Процессоры • Оперативная память SIMM-модули являются стандартом в современных вычис- лительных системах. SIMM-модули, оснащенные DRAM 41256 сегодня применяются относительно редко. Чаще SIMM-модули оборудованы микросхемами памяти общей емкостью 8, 16 и 32 Мбит. В дальнейшем на рынке появились SIMM-модули, имеющие емкость 120 Мбит и более. В PC с CPL) 80386 и ранних моделях с CPU 80486 использо- вались 30-контактные SIMM-модули памяти (DRAM), и число слотов на системной плате колебалось от 4 до 8. В настоящее время найти в продаже подобные модули весьма не просто. В более поздних моделях PC с CPU 80486 и Pentium стали ис- пользоваться 72-контактные SIMM-модули памяти (FPM DRAM). DIMM-модули. В дальнейшем на многих системных платах появились слоты для 168-контактных модулей памяти DIMM (Dual In-line Memory Module). Модули DIMM обладают внут- ренней архитектурой, схожей с 72-контактными SIMM-модуля- ми, но благодаря более широкой шине обеспечивают повышен- ную производительность подсистемы «CPU-RAM» Для правильного позиционирования DIMM-модулей при ус- тановке в слоты на системной плате в их конструкции преду- смотрены два ключа: • первый ключ расположен между контактами 10 и 11 и слу- жит для определения типа памяти модуля (FPM DRAM или SDRAM); • второй ключ расположен между контактами 40 и 41 и слу- жит для определения напряжения питания модуля (5 или 3,3 В). DIMM-модули поддерживают, например, материнские пла- ты на Chipset 82430VX. 82440FX, 83450KX/GX, 82430ТХ. RIMM. С появлением Direct RDRAM (DRDRAM) в 1999 г. появляется модуль R1MM (рис. 3.32) (название — не акроним, а торювая марка Rambus Inc). Разъемы RIMM имеют типоразме- ры, подобные DIMM, и могут устанавливаться в пределах той же самой области системной платы, как и DIMM Они'имеют 184 штырька по сравнению с 168 для DIMM, но используют ту же спецификацию гнезда, как и стандарт DIMM на 100 МГц. BIOS ПК способен определить, какая оперативная память установле- на, так что SDRAM модули на 100 МГц должны работать в RIMM-совместимой системе. Существуют также компактные модели памяти SO-RIMM, аналогичные SO DIMM
3.6. Конкретные системы памяти 271 Рис 3.32. Состав электрических схем системы памяти Direct RDRAM Главные элементы к подсистеме памяти Rambus включаю-1’ основное устройство, которое содержит Rambus ASIC Cell (RAC) и контроллер памяти (Rambus Memory' Controller RMC). такто- вый генератор (Direct Rambus Clock Generator DRCG), разъемы RIMM, модули памяти RIMM и модули непрерывности RIMM. а также подсистему «последовательное устройство обнаружения присутствия» (Serial Presence Detect SPD ROM) ZIP RAM и другие типы элементов памяти. Наряду с описан ными выше тинами элементов памяти имеются еще и другие компоненты разных изготовителей, которые устанавливаются, как правило, в системы нестандартной конфигурации. В случае ZIPRAM речь идет об обычных микросхемах DRAM, имеющих Kcpnvc типа ZIP. Корпус элементов ZIPRAM (Zigzag In-line Package — ZIP) сконструирован таким образом. - то выводы мик- росхемы расположены в один ряд в шахмат ном порядке с одной стороны корпуса. Микросхемы ZIPRAM устанавливаются в спе- циальные панельки па системной плате. Преимущество конст- рукции этих элементов памяти заключается в более эффектив- ном использовании прос гранства внутри корпуса ПК по сравне- нию с обычными элементами DRAM В< гецствие этого ZIPRAM устанавливались в основном в ноу гбуки. Наряду с ZIPRAM имеются дрыне типы элементов памяти, которые отличаются от описанных выше типов, в первмю оче редь, своей конструкцией. По своему функционатьнпме назначе- нию они почти все аналогичны DRAM или SRAM Б гоки г мя- ти. или платы памяти, такие, как RAM-РАС или RAM Cartridges, редко устанавливают в качестве оперативной памяти. В основ- ном они используются для расширения памяти периферийных устройств (принтер, плоттер) или в ноутбуках.
272 Глава 3. Процессоры. Оперативная память 3.7. Набор микросхем системной платы (чипсет) Chipset, или «PCIset», — совокупность микросхем, разме- щенных на системной плате, которые организуют потоки ко- манд и данных в ПЭВМ, Сюда входят основная память, вторич- ная кэш-память и устройства, связанные с шинами ISA и PCI. Кроме того, чипсет контролирует потоки данных НЖМД и дру- гих устройств, соединенных с каналом IDE. Иногда в состав чипсет включают и сам микропроцессор. Чипсеты производят различные фирмы — SIS, VIA, ОРТ!, однако в течение многих лет популярными остаются чипсеты Intel Triton (табл. 3.10). Чипсеты Triton позволяют соединять и эффективно использовать такие устройства, как ЦП Pentium, устройства, связанные с каналами EIDE, ISA, а также поддержи- вают технологии памяти, такие как EDO и SDRAM Intel Triton 430FX. Представленный в начале 1995 г. Triton 82430FX (полное название) был первым набором микросхем Intel, удовлетворявшим спецификациям РС1 2.0 (что включает поддержку до 128 Мбайт для FDO-конфигураций памяти, для пакетного конвейерного кэша и синхронных технологий кэша). Он, однако, не поддерживал множество появляющихся техноло- гий типа SDRAM и USB и был заменен в 1996 г. (спустя гол по- сле его выпуска) парой наборов микросхем более высоких тех- нологий выполнения. Triton 430VX. Набор микросхем Triton 430VX удовлетворяет спецификациям PCI 2.1 и предназначен, чтобы поддерживать USB и конкурентные PC 1-стандарты. В ранней версии (430FX' обращение к шине (ISA или PCI) активного устройства, типа се- тевой платы или контроллера диска блокировало бы РС1-шину всякий раз при передаче данных для доступа к памяти. Это пре- рывает другие процессы и снижает эффективность, потому что одно устройство не сможет занимать полностью полосу пропус- кания шины РС1 (100 Мбайт/с). Набор микросхем 430VX может захватывать контроль PCI-шины у неактивного устройства, чтобы дать доступ другим процессам на основе разделения времени. Теоретически это должно увеличить скорость до 100 Мбайт/с, что на 15 % больше, чем для чипсета 430FX, и поддерживать интенсивные Рс1-зада- чи типа видеовоспроизведения.
3.7. Набор микросхем системной платы (чипсет) 273 Таблица 3. IV. Основные характеристики некоторых вариантов чипсет Intel 'Iriton Параметр Чипсет 1865РЕ S875P El 205 i845PE ,850F Процессор Pentium IV Pentium IV Pentium IV Pentium IV Celeron Pentium l\ Celeron Частота системной шины, МГц 800/53 1/400 800/533/400 533/400 533/400 533/400 Модули памяти 4 DIMMs 4 DIMMs 4 DIMMs 2 двухсторон- i их DDR DIMMs 4 RIMMs Тип памяти Dual-Channel DDR 400/333/ 266 SDRAM Dual-Channel DDR 400/333/ 266 SDRAM x72 или x64 DIMMs DDR SDRAM DDR 333, "266 PC1066 °080C-40 PC800-45 RDI AM FSB/Memory Configu atiors 800/400 800/333 533/333 533/266 409/333 400/266 800/400 800/333 533/333 533/266 533/266 400/200 533/333 533/266 400/266 533/PC1066 533'PC800-4V 40‘.'DC800-4C 4ПС/РС8О0-40 Максизаль iar ско- рость памяти Гбайт/с 6,4 6.4 4,2 2,7 4,2 Коррекция ошибок N/A ECC ECC N/A ECC/Nor-ECC Графи |₽ский интерфейс AGP 8* AGP8x AGP8x AGP4x AGP 4x Лоследочтел .ныи порт АТА 2 порта ATA 150 2 порта ATA 150 NA N/A N/A USB 8 портов Hi-Spend USB 2 0 8 портов Hi-Speed USB 2.0 6 портов Hi-Speed USB 2.0 6 портэг H -Speeu USB 2.0 4rn-~i USB 1 Triton 430НХ. Tnton 4г,НХ настроен на деловые приложения и рассчитан для работы с сетями, видеоконференц связью и ви леовоспроизведением фооматов MPFG. Поддерживает множест- венные сопроцессоры, был оптимизирован для 3?-ра 1рядных операций и работы с массивами памяти емкостью до 512 Мбайт, предусматривает контроль ошибок средствами кодов с исправле- нием ошибок, однако не поддерживает SDRAM. С 1.мое большое различие между наборами микросхем НХ и VX — упаковка. В го время как VX состоит из четырех одеть- ных чипов, набор НХ включает только два чипа, системный
2"4 Глава 3. Процессоры Оперативная память контроллер (SC) 82439 НХ, который управляет хост-шиной и PCI, и 82371 SB РПХЗ для шины ISA и всех портов. РПХЗ-чип управляет многими процессами, связанными с получением данных в/из ОП от других устройств в ПК. Это пре- дусматривает два канала EIDE, к каждому из которых могут быть подключены два диска. Поскольку диски IDE содержат схемы управления, встроенные в жесткий диск непосредственно, PIIX главным образом ответственен за передачу данных от дис- ков в оперативную память и обратно настолько быстро, насколь- ко возможно. Он также предусматривает два буферизированных последовательных порта (115, 200 бит/с), расширенный парал- лельный порт с исправлением ошибок, порт мыши PS/2 и кон- троллер клавиатуры. РПХ также поддерживает дополнительные подключения, наподобие USB и инфракрасного порта Triton 430ТХ. Рассмотрим вкратце структуру и характеристи- ки Triton 430ТХ который был оптимизирован для использова- ния с процессорами Pentium ММХ (рис. 3.33). Рис. 3.33. Архитектура Triton 430ТХ (Northbridge/Southbridge) Основой Triton 430ТХ являются две микросхемы высокой интеграции, которые были введены еще в предыдущей версии чипсета (Triton 430НХ), а именно: • системный контроллер 82139ТХ (МТХС); • контроллер периферии 82371 АВ PCI ISA IDE Xcelerator (PIIX4). Первый интегрирует функции основной и кэш-памяти второ- го уровня, управляет взаимодействием ЦП, кэш-памяти. основ- ной памяти и шиной PCI. Второй представляет собой много функциональное устройство РС(, которое реализует функции
J. Набор микросхем системной платы (чипсет; 275 моста между РС1 и ISA PCI и IDE, а также управляет потреб ie- нием электроэнергии (функции Enhanced power management), Пи скольку системный контроллер получил название 'Northbridge», периферийный — < Southbridge», данная архитектура известна как Northbridge/Southbridge 440GX. Выпушенный в одно время с процессором Pentium II Хеоп в середине 1998 г., чипсет 440GX является развитием более раннего варианта 440ВХ AGPset, который предусматривал уско- ренное взаимодействие с портом AGP (2-х графика), и предна- значен для использования в серверах и рабочих станциях на процессорах Хеоп. Чипсет поддерживает два типа разъемов для процессора — Slot 1 и Slot 2, слот расширения 2х AGP. подклю- чение 2-х ЦП и максимум 2 Гбайта памяти (рис. 3 34k Поддер- живается также работа вторичной шины процессора с полной частотой ЦП, что позволяет кэш-памяти 2-го уровня процессора Pentium II Хеоп работать на частоте ЦП. Процессоры Хеоп 800 Мбайт/с AGP 2-х графика 533 ’ Мбайт/с 440GX AC-Dsei Чипсет " 800 Мбайт/с S0RAM 1ОСМГц 2 Гбайт Рис. 3.34. Чипсет Intel Triton 440GX AMD 750. На рис. 3.35 приведена структура чипсета AMD 750, который имеет аналогичную архи гектуру и ориентирован на процессор Athlon. Набор микросхем состоит из двух устройств, системного koi ггроллера AMD 751 и контроллера периферийных устройст в AMD 756. Функции системного контроллера; • поддержка шинного интерфейса с процессором на частоте 200 МГц;
276 Глава 5. Процессоры. Оперативная память JTlpoueccop | | Athlon Системная шина Данные 64 бит + 8 бит контроль Частота 200 МГц Шина памяти Системный ....... : • ; :> контроллер Данные 64 бит Шина AGP Данные 64 бит +8 бит контроль Данные 32 бит SDRAM AGP Graphics Шина PCI Данные 32 бит * Контроллер периферии Шина ISA BIOS • । юо -16 bit data Ubp . UDMA/66 Рис. 3.35. Структура чипсета AMD 750 • поддержка шины PCI 2.2 с подключением до шести уст- ройств; • поддержка до 768 Мбайт ОП SDRAM DIMM; • совместимость со спецификациями AGP (1-х и 2-х графика). Функции периферийного контроллера: • поддержка устройств Plug-n-Play и стандартов управления питанием ACPI 1.0 и АРМ 1.2; • поддержка контроллера клавиатуры и мыши; • функции IDE контроллера с поддержкой возможностей Ultra DMA-33/66; • интегрированный контроллер шины ISA и мост ISA PCI, удовлетворяющий спецификациям РС-97; • контроллер USB и концентратор на четыре порта. Intel 820. В дальнейшем рассмотренный тип архитектуры ис- пользовался в чипсетах Intel Triton 440] X, EX ВХ, ZX, GX, 450 NX.
3.8. Система команд реального режима процессоров 180x86... 277 а затем был заменен (чипсеты 820, 815, 850 и лр.) на архитектуру «Accelerated hub», включающую три компонента (рис. 3.36): • контроллер памяти (Memory Controller Hub); • контроллер ввода-вывода (I/O Controller Hub); • постоянную память (ПЗУ — Firmware Hub). Рис. 3.36. Чипсет Intel 820 архитектуры Accelerated hub Контроллер памяти обеспечивает высокоскоростное взаимо- действие между ЦП, ОЗУ и AGP и позволяет управлять памятью размером до 1 Гбайт. При этом в системе могут использоваться как один, так и несколько процессоров. Контроллер ввода-выво- да поддерживает прямую связь между внешними устройствами и ОЗУ; кроме того, он выполняет функции контрол пера USB IDE и АС’97. Система ПЗУ содержит схемы BIOS и видеоВЮ8 а также в нее вмонтирован датчик случайных чисел (InteL RNG) В отличие от программных датчиков псевдослучайных чисел (ПСЧ), Intel RNG генерирует числа действительно случайные, при этом используется эффект теплового шума. 3 8. Система команд реального режима процессоров >80x86 Макроассемблер Все 32-разрялные процессоры Intel (и совместимые с ними) начиная с 80386- го могул выполня гь программы в нескольких ре- жимах. Режимы процессора предназначены для выполнения про
278 Гаава 3. Процессоры. Оперативная память грамм в различных средах; в разных режимах возможности МП неодинаковы, потому что команды выполняются по-разному. В зависимости от режима процессора изменяется схема управления памятью системы и задачами. Процессоры могут ра- ботать в трех режимах: • реальном; • защищенном; • виртуальном реальном режиме (реальном внутри защищен- ного) Реальный режим. В первом IBM PC использовался процессор 18086, который мог выполнять 16-разрядные команды, приме- няя 16 разрядные внутренние регистры, и адресовать 1 Мбайт (220 байт) памяти, занимая 20 разрядов для адреса. Все про граммное обеспечение IBM PC первоначально было предназна- чено для этого процессора и было разработано на основе 16-раз- рядной системы команд и модели памят и объемом 1 Мбайт. Например, ОС DOS, все программное обеспечение DOS, Windows от 1.x до 3.x и все приложения для Windows от 1.x до 3.x написаны в расчете на 16-разрядные команды Более поздние процессоры, например i80286, могли также выполнять те же са- мые 16-разрядные команды, что и исходный i8086, но намного быстрее. Другими словами, процессор i80286 был полностью со- вместим с первоначальным i8086 и мог выполнять все 16-разряд- ные программы точно так же, как i8086, но, конечно же, значи- тельно быстрее. Шестнадцатиразрядный режим, в котором вы- полнялись команды процессоров 18086 и i80286, был назван реальным режимом. Все программы, выполняющиеся в ре- альном режиме, должны использовать только 16-разрядные ко- манды, 20-разрядные адреса и поддерживать память емкостью до I Мбайт. Для программного обеспечения этого типа используется од- нозадачный режим, т. е. одновременно может выполняться толь- ко одна программа. Не предусмотрена защита для предотвраше - ния перезаписи ячеек памяти одной программы или даже опера- ционной системы из другой программы, что означает, что при выполнении нескольких программ вполне могут быть испорче- ны данные или кол одной из них, а это может привести систему к разрушению (или останову). Защищенный режим. Несмотря на то что процессор i80286, как и i8086, является 16-разрядным. он (в отличие от последне- го) может работать в новом — защищенном — режиме и имеет
3.8. Система команд реального режима процессоров i80x86... 279 встроенную поддержку многозадачных операционных систем, значительно ускоряющую и упрощающую процесс переключе- ния задач. Эта поддержка активно используется всеми мульт иза- дачиыми операционными системами и оболочками, разработан- ными для компьютера IBM PC. Адресная шина iS0286 была расширена от 20 до 24 разрядов, что привело к расширению адресного пространства от 1 до 16 Мбайт (2м байт). Новый метод адресации памяти позволяет изолировать адресные прост ране гва отдельных задач друг от дру- га. При этом прикладная программа, р тботаюшая в среде о: iepa- иионной системы, использующей защищенный режим, не может случайно или намеренно разрушить целостность самой операци- онной системы. В защищенном режиме программа может записывать данные только в те области памят и, которые выделены ей операционной сист емой. Это повышает надежность работы многозадачных и в частности, многопользовательских операционных систем. В то- сле гнем случае и ютирование адресных прост ранств задач, при- надлежащих отдельным пользователям, в хорошо спроектиро ванной многопользовательской операционной системе потно стью исключает такую ситуацию, когда после щпуска одним пользователем недостаточно отлаженной программы, приходит- ся перезапускать всю систему. Последующие модели процессоров фирмы Intel — i80386, i80486 и 180586 (Pentium) — были 32-разрядными. Помимо рас- ширения адресного пространства до величины в 4 Гбайт (2 2 байт), в них реализована концепция страничной вирт} аль- ной памяти, возможной только в защищенном режиме Механизм страничной виртуальной памяти позволяет раз- местить часть оперативной памяти на НЖМД При этом размер оперативной памя ги (виртуальной), предоставляемой програм- мам, ограничен размером свободного прос-ранст ва на диске. Механизм страничной виртуальной памяти может обеспе- чить прикладные программы относительно быстрой оператив- ной памятью, размер которой больше размера физической памя ти, установленной в компьютере. Перечислим кратко основные преимущества которые подучает программа, работящая в за- щищенном режиме процессора’ • возможность непосредственной адресации памяти за пре - делами первого мегабайта;
280 Глава 3. Процессоры. Оперативная память • для процессоров i80x86 реализован механизм страничной виртуальной памяти, позволяющий программам работать с памятью, размер которой может быть много больше физи- ческой оперативной памяти, установленной в компьютере: • аппаратная поддержка мультизадачное™ позволяет созда- вать на основе процессоров, работающих в защищенном . режиме, высокопроизводительные мультизадачные и мно- гопользовательские системы. Виртуальный реальный режим. Помимо страничной вирту- альной памяти в процессорах i80386 и более поздних реализован гак называемый режим виртуального процессора i8086 или про- сто виртуальный режим. Этот режим реализуется в рамках защи- щенного режима (процессор может переключиться в виртуаль- ный режим только из защищенного режима). В виртуальном ре- жиме процессор способен выполнять программы, составленные для процессора i8086, находясь в защищенном режиме и исполь- зуя аппаратные средства защищенного режима: мультизадач- ное™, изолирование адресных пространств отдельных задач друг от друга, страничная виртуальная память. Рассмотрим основные принципы функционирования про- цессоров i80x86 в реальном режиме. Реальный режим процессоров 180x86 Это режим генерирования адресов, используемый процессо- ром 8086. В этом режиме не может быть использована виртуаль- ная память. Можно адресовать лишь до 1 Мбайт (220 байт) опе- рат ивной памяти, так как у процессора 8086 20-разрядная шина адреса. Так как все регистры процессора 8086 являются 16-раз- рядными, для представления 20-разрядного физического адреса памяти используется содержимое нескольких 16-разрядных ре- гистров. Оперативную память при работе в этом режиме можно раз- бить на логические блоки по 64 Кбайт, называемые сегмен- тами, причем каждый сегмент может начинаться с адреса, крат- ного 16 байт. Таким образом, первый сегмент имеет начальный адрес 0, второй находится по адресу 16 (или 10 в шестнадцате- ричной системе) и т. д. Несколько близко расположенных сег- ментов могут перекрываться. Это удобно при организации со- вместного доступа к командам и данным ратными программами.
3.8. Система команд реального режима процессоров i80x86... 281 Доступ к каждой ячейке в памяти происходит путей указания значения регистра сегмента (см. далее), определяющею блок размером 64 Кбайт, и положения, или смещения, этогс адреса вну гри этого блока Содержимое каждого из этих регистров однозначно связано с местом в памяти соответствующего сегмента. Его адрес получает- ся приписыванием справа чет ырех двоичных нулей к значению сегмента, ч го соответс гвует умножению на 16 (или на 10 по осно- ванию 16). Полученное 20-битовое значение представляет собой адрес начала (или базовый адрес) сегмента в физической памят и. Для определения реального адреса команды или данных процес- сор добавляе г затем значение смещения к базовому адрес'-. Например, команда, подлежащая исполнению процессором в каждый данный момент времени, определяется из значений двух регистров — регистра CS, значение которою, будучи умно- жено на 16, дает адрес начала сегмента команд , и регистра ук тза теля команд ip (instruction Dc4nter), указывающего поло- жение соответствующей команды относительно начала сегмента команд (СчАК или PC I. В реальном режиме не предусматривается какой-либо меха- низм 1ашиты. гак что любая программа может обрат и ъся к про- извольному слову памяти в пределах 1 Мбайт, включая область экрана или область расположения операционной системы Выделим два основных недостатка схемы адресации памяти реального режима: • ограниченное адресное пространство (до 1 Мбай-а г еще примерно 64 Кбайта старшей области памяти дтя процес- соров 80286 и старше); • свободный доступ любых чро1 рамм к любым областям дан- ных, что представляет потенциальную опасность для цепи стности операционной системы. Описание форматов команд, данных, структуры памяти и процессора ниже производится с использованием ассемблерных представлений Оперативная память. Объем оперативной памяти 180x86 (здесь — 8086) — 220 байт < 1 Мбайт). Байты HVMepvjo гея начиная с 0, номер бай га называе гея ci о адресом Д цд ссылок на байты па- мяти используются 20 разрядные адреса; от 000001f до £TF?F1S (г шестнадцатеричной сис геме)
282 Г шва 3. Процессоры. Оперативная память Байт содержит 8 разрядов (битов), каждый из которых мо- жет принимать значение 1 или 0. Разряды нумеруются справа налево от 0 до 7: Байт — наименьшая адресуемая ячейка памяти. В 180x86 ис- пользуются и более крупные ячейки — слова и двойные слова. Слово — это два соседних байта, размер слова — 16 бит (они ну- меруются справа налево от 0 до 15). Адресом слова считается адрес его первого байта (с меньшим адресом); этот адрес может быть четным и нечетным. Двойное слово — это любые четыре соседних байта (два соседних слова), размер такой ячейки — 32 бита; адресом двойного слова считает- ся адрес его первого байта. Байты используются для хранения небольших целых чисел и символов, слова — для хранения целых чисел и адресов, двой- ные слова — для хранения «длинных» целых чисел и так назы- ваемых адресных пар (сегмент: смещение). Регистры. 11омимо ячеек оперативной памяти для хранения данных (кратковременного) могут использоваться регистры - ячейки памяти, входящие в состав процессора и доступные из машинной программы. Доступ к регистрам осуществляется зна- чительно быстрее, чем к ячейкам памяти, поэтому использова- ние регистров заметно уменьшает время выполнения программ. Все регистры имеют размер слова (16 битов), за каждым из них закреплено определенное имя (ах, sp и т. п ). По назначению и способу использования регистры можно разбить на следующие группы (расшифровка этих названий приводится в табл 3.11): • регистры общего назначения (ах, вх, сх, dx, bp, si, DT, SP); • сегментные регистры (CS, ds, SS, ES); • счетчик команд (ip); • регистр флагов (b lags). Регистры общего назначения можно использовать во всех арифметических и логических командах. В го же время каждый их них имеет определенную специализацию (некоторые команды «работают* только с определенными регистрами). Например, ко- манды умножения и деления требуют, чтобы один из операндов находился в регистре ах или в регистрах ах и DX (в зависимости от размера операнда), а команды управления циклом используют
3.8. Система команд реального режима процессоров i80x86.. 283 Таблица 3.11 Р< гисгры процессора 180x86 Аббревиатура Регистр Перевод А Accumulator Аккумулятор В Base База с Counter Счетчкп D Data Данные ВР Base pointer Указатель базы SI Source index Индекс нтлоячика DI Destination index Индекс । рием мкс SP Stack pointer Указатель стека CS Code segn ent Сегмент кома д DS Data segment Сегмент данных SS Stack segment Сегмент стека ES Extra segment Дополнит егоныс сегмент IP Instruction pointer Счетчик команд (СчАК) решстр сх в качестве счетчика цикла. Регистры вх и бр очень часто используются как базовые регистры a SI и DI — как ин дексные. Регистр si обычно указывает на вершину стека, аппа- ра гно поддерживаемого в 180x86. Регистры АХ, вх, сх и DX конструкгивно устроены так. что возможен независимый доступ к их старшей и младшей полови нам: можно сказать, что каждый из этих регистров согюит из двух бай говых регистров, обозначаемых ah, al, вн и т д. <н — high, старший; L — low, младший) — табл. 3 12. Таким образом, с каждым из эт их регистров можно работать как с е (иным целым, а можно работ я гь и с его «половинками». Например, можно записать слово в ах, а татем считать только часть слова из регистра ан или заменит ь только час ть в репЯгрс AL и т. д. Такое устройство pei истров позволяет использовать их для работы как с числами, так и с символами. Все остальные регистры i ie делятся на «полови нки», поэтому считать или тяписагь их содержимое (16 битов) можно только целиком
284 Глава 3. Процессоры. Оперативная память Таблица 3.12. Полурегистры |80х86 Регистр Аббревиатура Старший полурегистр Младший полурегистр Аккумулятор АХ АН AL База вх вн BL Счетчик сх сн CL Данные DX DH DL Разряды 15-0 15—8 7—0 Сегментные регистры CS, DS, SS и ES не могут быть операн- дами никаких команд, кроме команд пересылки и стековых ко- манд. Эти регистры используются только для сегментирования адресов. Счетчик команд IP всегда содержит адрес (смещение от на- чала программы) той команды, которая должна быть выполнена следующей (начало программы хранится в регистре CS). Содер- жимое регистра IP можно изменить только командами перехода. Флаги. Имеется особый регистр флагов. Флаг — это бит, принимающий значение «1» (флаг установлен), если выполнено некоторое условие, или «О» (флаг сброшен) в противном случае. В 180X86 используется 9 флагов, каждому из них присвоено оп- ределенное имя (zf, CF и т. д.). Все они собраны в регистре фла- гов (каждый флаг — это один из разрядов регистра, часть его разрядов не используется) — табл. 3.13. чески меняются при выполнении команд и фиксируют те или иные свойства их результата (например, равен ли он нулю). Другие флаги называются флагами состояний; они меняются из программы и оказывают влияние на дальнейшее поведение процессора (например, блокируют прерывания) — табл. 3.14.
3.8. Система команд реального режима процеа оров i80x86.. 2 85 Таблица 3.14 Содержание pei астра флагов Символ Расшифровка Содержание Комментарий Флаги условий CF Carry flag Флаг переноса Принимает значение 1, если при сложении целых чи 11 сел появилась единица переноса, не укладывающая- ся в разрядную сетку, или если rpv вычитании чисе1 без знака первое из них было moi ьше ьтирс о. Б ко- в мандах сдвига в СР заносится бит вышедв-ив за раз-1 рядную сетку CF фиксирует также особенности ко- манды умножения OF Overflow flag Флаг переполнения Устанавливается в 1. если при сложении или вычита- нии целых чисел со знаком получился результат, по м >дулю превосходящий допустимую величину (про- изошло переполнение мантиссы и она «залезла ь знаковый разряд) ZF Zero flag флаг нуля Устанавгивается в 1, если результат команды сказал- ся равным 0 SF Sign flag Флаг знака Устанавливается в 1, если в операции над числами со знаками получился отрицательный результат PF Parity flag Флаг четности DaBeH 1, если результат очередной команды содер- жи! четное количество двоичных единиц Учитывает- ся обычно тальке при опеоацизх ввода ВЫВОДЕ AF Auxiliary carry flag Флаг дополнитель- ного переноса Фиксирует особенности выполнения операций над цвоично-десятичными числами Флаги состояний DF TF 1ireclion flag Флаг направления Устанавливает направление присмотра строк в стро- ковых командах при DF - 0 стооки про, матоиваютая «вперед- (от начала к концу] пру DI = 1 - в оорат ном направлении Interrupt flag Фпаг прерываний При 1=0 процессор перестает реагипова ь на по- (гупающи0 к нему прерывания при И 1 блокиров- ка нпепываний снимает зт TF 1 rap flag Флаг грасьиоовки ,1-Ь —XJ !’«?= При TF 1 после выполнения каждой команды про- цессор делает прерывание (с номером 1), чем можно воспользоваться при отладке программы для ее трассировки
286 Глава 3. Процеа оры. Оперативная памят» Представление чисел Здесь рассматривается машинное представление целых чи- сел, строк и адресов. Представление двоично-деся гичных чисел, используемых достаточно редко, не рассматривается Что касает- ся вещественных чисел, то в i80x86 нет команд вещественной арифметики (операции над этими числами реализуются про- граммным путем или выполняются сопроцессором) и потому нет стандартного представления вещественных чисел. Кроме того, рассматриваются некоторые особенности выполнения арифме- тических операций. Шестнадцатеричные числа записываются с буквой h на кон- це, двоичные числа — с буквой Ь (так принято в MASM) Представление целых чисел. В общем случае под целое число можно отвести любое число байтов, однако система команд i80x86 поддерживает только числа размером в байт и слово и частично поддерживает числа размером в двойное слово Имен- но эти форматы и будут рассматрива гься В 180x86 делается различие между целыми числами без знака (неотрицательными) и числами со знаком. Это объясняется тем, что в ячейках одного и того же размера можно представить боль- ший диапазон чисел без знаков, чем чисел со знаком, и если из- вестно заранее, что некоторая числовая величина является неот- рицательной, то выгоднее рассматривать ее как величину без знака, чем как величину со знаком. Целые числа без знака. Эти числа могут быть пред- ставлены в виде байта, слова или двойного слова — в зависимо- сти от их размера В виде байта представляются целые от 0 до 255 (28 - 1), в виде слова - целые от 0 до 65 535 (216 - 1), в виде двойного слова — целые от 0 до 4 294 967 295 (232 - 1) Числа за- писываются в двоичной системе счисления, занимая все ра ’ряды ячейки. Например, число 130 записывается в виде байта 10000010b (82h). Числа размером в слово хранятся в памяти в «перевернутом» виде: • младшие (правые) 8 битов числа размещаются в первом байте слова; • старшие 8 битов — во втором байте (в шестнадцатеричной системе: две правые цифры — в первом байте, две левые
3.8. Система команд реального режима процессоров i80x86... 28^ цифры — во втором байт е) Например, число 130 (l>082h) в виде слова хранится в памяти так: О. [нако в регистрах числа хранятся в нормальном виде: АХ 00 82 АН AL Перевернутое представление используется и при хранении в памяти целых чисел размером в двойное слово: в первом его байте размещаются младшие 8 битов числа, во втором байте - предыдущие 8 битов и т. д. Например, число 12345b'/8h хра- нится в памяти так: 78 56 34 12 Другими словами, в первом слове двойного слова ра вмеща- ются младшие (правые) 16 битов числа, а во втором слове — старшие 16 битов, причем в каждом из этих двух слов в свою очередь исполь дуется «перевернутое» представление. Такое необычное представление чисел объясняется тем, что в первых моделях 180x86 за один такт можно было считать из па- мяти только один байт и что все арифметические операции над многозначными числами начинаются с лейст вий на т м тадшими цифрами, поэтому из памяти в первую очередь надо считывать младшие j (ифры, если сразу нельзя счит я гь все цифры. Учитывая это, в первых 180x86 стали размещать м падшие цифры числа пе- ред старшими цифрами, и ради обратной совместимости (преем- ственности) такое представление чисел сохранили в пос тедую - щих моделях 180x86. Конечно, < перевернутое» представление неудобно для лю- дей, однако ] :ри использовании я тыка аесемб юра это неудобство не чувствуется: в MASM вес числа записываются в нормальном непереверцутом виде. Целые числа со знаком. Эти числа также представляют- ся в виде байта, слова и двойного слова. В виде байта записыва юте я числа от -128 до 127, в-виде слова — числа от -32 768 по 32 767, а в виде двойного слова — числа от 2 1 17 483 648 но 2 147 483 647 При этом числа записываются в дополните пъч эм
288 Глава 3. Процессоры. Оперативная память неотрицательное число записывает ся так же, как и число без знака (т. е. в прямом коде), а отрица гельное число -х (х > 0) представляется как число без знака 28 - х (для байтов), 216 - х (для слов) или 232 - х (для двойных слов). Например, дополнительным кодом числа -6 является байт FAh (256 - 6), СЛОВО FFFAh ИЛИ ДВОЙНОе СЛОВО FFFFFFFAh, При этом байт ЮОСООООЬ (80h) трактуется как -128, а не как -428 (слово 8000h понимается как -32 678), поэтому левый биг до- полнительного кода всегда играет роль знакового: для неотрица- тельных чисел он равен «0», для отрицательных — «1». Числа со знаком размером в слово и двойное слово записы- ваются в памя ги в «перевернутом» виде (при этом знаковый бит оказывается в последнем байте ячейки). Но в MASM эти числа, как и беззнаковые, записываются в нормальной форме. Иногда число-байт необходимо расширить до слова, т. е. по- лучить такое же по величине число, но размером в слово. О ше- ствует два способа такого расширения — без знака и со знаком В любом случае исходное число-байт попадает во второй (со «переворачивания») байт слова, а вот первый байт заполняется по ра тому: при расширении бе з знака в него записываются ну- левые биты (12h превращается в 0012h), а при расширении со знаком в первый байт записываются нули, если число-байт было неотрицательным, и записывается восемь двоичных ецинии г противном случае (81h преобразуется в FF81h). Другими слова ми, при расширении со знаком в первом байте слова копируется знаковый разряд числа-байта Аналогично происходит расширение числа -слова до двойно- го слова. Арифметические операции В 180x86 имеются команды сложения и вычитаниа целых чи- сел ра шером в слово и байт. Специальных к 'манл для сложения и вычитания двойных слов нет. >ти операции реализуются через команды сложения и вычитания слов Сложение и вычитание беззнаковых чисел производится по модулю 28 лля байтов и 2 * для слов. 5го означает, что если в результате сложения появи- ттск единица переноса не вмещающаяся в разрх тщ ю сетку тс она отбрасывается. Например, при сложении байтов и 130
3.8. Система команд реального режима процессоров i80x86... 280 получается число 258 (100000010b). поэтому левая двоичная единица отбрасывается и остается число 2 (ЮЬ), которое являет- ся результатом сложения. Ошибка здесь не фиксируется, но флаг переноса CF устанав- ливается в «1» (если переноса не было, в CF заносится «0 ). Установить такое искажение суммы можно только i юследующим анализом флага CF. Искажение результата происходит и при вычитании из мень- шего числа большего И здесь не фиксируется ошибка, однако первому числу дается «заем единицы» (в случае байтов это числ о увеличивается на 256. для слов — на 216), после чего и произво- дится вычитание. Например, вычитание бай гов 2 г 3 сводится к вычитанию чисел 256 + 2 = 258 и 3, в результате чего получасася неправильная разность — 255 (а нс -1). Для того чтобы можно было обнаружить такую ситуацию, флаг переноса с F переключа- ется на «1» (если же «заема» не было, в CF записывается «0»). Сложение и вычитание целых чисел со знаком гроизводится по тем же алгоритмам, что и для чисел без знака (в этом одно из достоинств дополнительного коца1 — числа со знаком рассмат- риваются как соответствующие числа без знака, произво ди гея операция нал этими беззнаковыми числами, и полученный ре- зультат интерпретируется как число со знаком. Например, сю- жение байтовых чисел 1 и -2 происходит так: берутся их допол- нительные коды 1 и (256 - 2) - 254, вычисляется сумма этих ве- личин 1 +254 = 255 и она трактуется как число со знаком 1 (255 - 256 - 1). Если при таком сложении возникла единица переноса, то она, как обычно, отбрасывается, а флат CF получает значение «1». Однако в чанном случае это отсечение не представляет интереса — результат операции будет правильным, например: 3 + (-2) = 3 + 254(mod 256) = 25Дmod ?56) = 1. Зато здесь воз- можна иная неприятность: модуль суммы (ее мантисса) может г.ревюйли допустимую границу и «залезть» в знаковый разряд, испортив ею. Например, при сложении байтовых чисел 127 и 2 получается величина 129 (100001О01Ь\ представляющая дополнительный код числа -127 (256 - 129). Хотя результат здесь получился и неправильным, процессор не фиксирует ошибку, но зато заносит «1» в флаг переполнения OF (если «переполнения мантиссы» не было, в OF записывает
290 Глава 3. Процессоры. Оперативная память ся «О»). Анализируя затем этот флаг, можно «пойман» такую ошибку. Таким образом, сложение (вычитание) знаковых и чисел без знака производи!ся по одному и тому же алгоритму. При этом i80x86 «не знает», какие числа (со знаком или без) он складыва- ет; в любом случае он складывает их как числа без знака и в лю- бом случае формирует флаги се и ОГ. Как интерпретировать cj а- гаемые и сумму, на какой из этих флагов обращать вн имание — личное дело автора программы. Что касается умножения и деления знаковых и чисел без знака, то они выполняются по разным алгоритма^ разными машинными командами. Однако и у этих операций есть ряд особенностей При умножении байтов (слов) первый сомножи- тель обязан находиться в регистре Ах. (ах), результатом же ум- ножения является слово (двойное слово), которое заносится в регистр ах (регистры dx и АХ). Тем самым при умножении со- храняются все цифры произведения. При делении байтов (слов) первый операнд (целимое) должен быть словом (двойным сло- вом) и обязан находиться в регистре АХ (рет истцах dx и ах) Ре- зультатом деления являются две величины размером в баш (слово) — неполное частное (div) и остаток от деления (тюб); неполное частное записывается в регис тр al (АХ), а остаток — в регистр ан (ох). Представление символов и строк На символ отводится один бай г памят и. в который записы- вается кол символа — целое от 0 до 255. В i80x86 используется система колировки ASCII (American Standard Code foi Infor- mation Interchange). Она не содержит кодов русских букв поэто- му в нашей стране применяется некоторый вариант этой систе- мы с русскими буквами (обычно это альтернативная кодировка ГОСТа). Некоторые особенности этих систем кодировки • код «пробела» меньше кода любой буквы, цифры и вообш? любого графически представимого символа: • коды цифр упорядочены по величине цифр и не содержат пропусков, т. е. из неравенства код(«0") < код(С) < код|«9") следует, что С - цифра;
3.8. Система команд реального режима npt цессоров i8Ox86... 291 • коды прописных латинских букв упорядочены согласно ал- фавиту и не содержат пропусков; аналогично со с прочными латинскими буквами; • (в альтернативной кодировке ГОСТа) коды русских букв (как прописных, так и строчных) упорядочены со1ласно алфави гу, но между ними есть коды других символов Строка (последовательность символов) размещается в сосед- них байтах памяти (в неперевернутом виде): код первого симво- ла строки записывается в первом байте, код второго символа — во втором байте и т. п. Адресом строки считает ся адрес ее перво- го байта В i80x86 строкой считается также и последовательность слов (обычно это последовательность целых чисел). Элементы таких строк располагаются в последовательных ячейках памяти, но каждый элемент представлен в «перевернутом* виде. Представление адресов Адрес — это порядковый номер ячейки памяти, т. е. неотри- цательное целое число, поэтому в общем слу час адреса представ- ляются так же, как и числа без знака. Однакс в i80x86 есть ряд особенностей в представлении адресов. Г1ело в том, что в 180x86 термином «адрес» moi ут обозначать- ся разные понятия: • 16-битовое смещение (offset) — адрес ячейки, отсчитанный от начала сегмента (области) памяти, которому принадле- жит эта ячейка. В этом случае под адрес отводится слово памяти, причем адрес записывается в «перевернутом» виде (как и числа-слова вообще); • 20 битовый абсолютный адрес некоторой ячейки памяти. В силу ряда причин в i80x86 такой адрес задается не как 20-битовое число, а как пара «сегмент смещение», где «сег- мент» (segment) — это первые 16 битов начального адреса сегмента памчл и, которому принадлежит ячейка, а «: моще- ние» (offset) — 16 битовый адрес этой ячейки, отсчитанный от начала данного сегмента памяти 1 величина 16 х cei - мент + смещение дает абсолютный адрес ячейки). Такая пара записывается в виде двойного с. юва, причем (как и для чисел) в «перевернутом» виде: в первом слове ра >мещается
292 Глава 3. Процессоры. Оперативная память смещение, а во втором — сегмент, причем каждое из этих слов в свою очередь представлено в «перевернутом» виде. Например, пара 12 34h:5678h будет записана так: Директивы определения данных Для того чтобы в программе на MASM зарезервировать ячей- ки памяти под константы и переменные, необходимо воспользо- ваться директивами определения данных — с названиями db (описывает данные размером в байт), DW (размером в слово) и DD (размером в двойное слово). Директивы, или команды ассемблеру, — это предложения программы, которыми ее автор сообщает какую-то информацию ассемблеру или просит что-то сделать дополнительно, помимо перевода символьных команд на машинный язык. В простейшем случае в директиве DB, DW или dd описывается одна константа, которой дается имя для последующих ссылок на нее. По этой директиве ассемблер формирует машинное пред- ставление константы (в частности, если надо, «переворачивает» ее) и записывает в очередную ячейку памяти. Адрес этой ячейки становится значением имени: все вхождения имени в программу ассемблер будет заменять на этот адрес. Имена, указанные в директивах db, dw и dd, называются именами переменных (в отличие от меток — имен команд). В MASM числа записываются в нормальном (непереверну- том) виде в системах счисления с основанием 10, 16, 8 или 2. Десятичные числа записываются как обычно, за шестнадцате- ричным числом ставится буква h (если число начинается с «цифры» А, В, ., F, то вначале обязателен 0), за восьмеричным числом — буква q или о, за двоичным числом буква Ь. Примеры: A db 162 ; описать константу байт 162 и дать ей имя А в ов 0A2h ; такая же константа, но с именем в С PW -1 ; константа-стово -1 с именем с D DW OFFFFh ; такая же константа-слово, но с именем D Е DD -1 ; -1 как двойное слово
3.8. Система команд реального режима процессоров i80x86... 293 Константы-символы описываются в директиве db двояко: указывается либо код символа (целое от 0 до 255), либо сам сим- вол в кавычках (одинарных или двойных); в последнем случае ассемблер сам заменит символ на его код. Например, следующие директивы эквивалентны (2А - код «звездочки» в ASCII). CH DB 02Ah СН DB '*' СИ DB "*" Констант ы-адреса, как правило, задаются именами. Так. ио директиве ADR DW СН будет отведено слово памяти, которому дается имя adr и в кото - рос запишется адрес (смещение), соответствующий имени СН. Если такое же имя описать в директиве DD, то ассемблер автома- тически добавит к смещению имени его сегмент и запишет сме- шение в первую половину двойного слова, а сегмент — во вто рую половину. По любой из директив ив, DW и 0D можно описать перемен- ную, т. е. отвести ячейку, не дав ей начального значения. В этом случае в правой части директивы указывается вопросительный знак F И ? ; отвести слово и дать ему имя F. ничего в этот байт не записывать. В одной директиве можно описат ь сразу нескол ько констант и/или переменных одного и того же размера, для чего их надо перечислит ь чере з запятую. Oi )И ра решаются в соседних ячей- ках памя ги Пример: G DB 200, -5, 10h, ?, 'F' Имя, указанное в директиве, считается именующим первую из констант. Для ссылок на остальные в MASM используются выражения вида <имя> + <целое>; например, для доступа к байгу с числом 5 надо указать выражение G н 1, для доступа к байту с 10h — выражение G з 2 и т. д.
294 Глава 3. Процессоры. Оперативная память Если в директиве DB перечислены только символы, например: Я DB ' а ' , ' + , 'Ь', .огда эту директиву можно записать короче, заключив все эти символы в одни кавычки: S DB 1 а+Ь' ГЛ наконец, если в директиве описывается несколько одина- ковых констант (переменных), то можно воспользоваться конст- ,> сцией повторения k Dl’P(a,b,.. , с) , которая эквивалента повторенной к раз последовательности а, Ь, .... с. Например, директивы VI DB 0, 0, 0,0.0 V2 DW 'а',1,2,1,2,1,2,1,2, можно записать более коротко таким образом: VI DB 5 DUP(O) V2 DW 9 DU?'?), 'а*. 4 DUP(1,2). Представление команд Модификация адресов CmpvKmyna команд Исполнительные адреса. Машинные ко- манды i80x86 занимают от 1 до 6 байтов Код операции (КОП) занимает один или два первых байта команды. В i80x86 доста- точно много различных операций, поэтому для них не хватает 256 различных КОП. которые можно представить в одном байте. 11оэтому некоторые операции объединяются в группу и им дает- ся один и тот же КОП, во втором же байте команды этот КОП уточняется. Кроме того, во втором байте указываются типы и способ адресации операндов. Остальные байты команды указы- вают на операнды. Команды могут иметь от 0 до трех операндов, у большинства команд — один или два операнда. Размер операндов — байт или слово (редко — двойное слово) Операнд может быть указан в са- мой команде (это так называемый непосредственный операнд), либо может находиться в одном из регистров 180x86 и roi па в ко- манде указывается этот регистр, либо может находиться в ячейке памяти и тогда в команде тем или иным способом указывается
3.8. Система команд реального режима процессоров i80x86... 295 адрес этой ячейки. Некоторые команды требуют, чтобы операнд находился в фиксированном месте I например, в регистре АХ ). то - гда операнд явно не указывается в команде. Не зультаз выполне- ния команды помещается в регисз р или ячейку памяти, из кото рого (которой), как правило, берется первый операнд Например, большинс гво команд с двумя операндами реа 1изуюг действие opl := opl - ор2, где opl — регистр или ячейка; а ор2 — непосредственный one - ранд, pei истр или ячейка. Адрес операнда разрешено модифицировать по одному или двум реестрам. В первом случае в качестве регистра-модифика- тора разрешено использовать регистр вх, ер, SI или DI (и ника- кой иной). Во втором случае один из модификаторов обязан быть регистром вх или вр, а другой — регистром si иди di; од- новременная модификация по вх и ВР или SI и DI недопустима. Регистры вх и вр обычно используются для хранения б"<ы (или битового, начального адреса) некоторого Кастка памяти (например, массива) и потому называются базовыми г и - стр а ми, а регистры S1 и di часто содержа! индексы Алеман -в массива и потому' называются индексными регистрами. Однако такое «распределение ролей» неосязательно, и, на- пример, в si может находиться база массива, а в вх — индекс элемента массива. В MASM адреса в командах записываются в виде одной из следующих конструкций: А, А ГМ] ИЛИ A (Ml’ [М2], где А — адрес; м — регистр вх. вр, si или di; Ml - ретстр вх или T;!D. а М2 — регистр SI или Г1. Во втором и грезьем варианте А может отсутсзвовадь. в этом случае считается, что А - о. При выполнении команды процессор прежде всего вычисля ет так называемый исполнительный (эффективный) адрес — как сумму ирис’, заданного в команде, и текущих значений указан- ных регистров-модификаторов, поичем все эти величины рас- сматриваются как неотрицательные, и суммирование ведется по модулю 216 ([ г ] означав!' содержимое регистра г): А : Аисп - А А[М : Аисп = Аз [MJ (mod 216) А[М1][М2]: Аисп = А+[М1]+[М2] (mod 216) .
296 Глава .3. Процессоры. Оперативная память Полученный таким образом 16-разрядный адрес определяет так называемое смещение — адрес, отсчитанный от начала неко- торого сегмента (области) памяти Перед обращением к памяти процессор еще добавляет к смешению начальный адрес этого сегмента (он хранится в некотором сегментном регистре), в ре- зультате чего получается окончательный 20-разрядный адрес, по которому и происходит реальное обращение к памяти. Форматы команд. В 180x86 форматы машинных команд достаточно разнообразны. Для примера приведем лишь основ- ные форматы команд с двумя операндами (см. также табл. 3.1). Формат «регистр—регистр» (2 байта): коп ! W 11 regl reg2 7 2 1 1 0 76 53 20 Команды этого формата описывают обычно действие regl = regl - reg2 или reg2 := reg2 - regl. Поле КОП первого бай- та указывает на операцию (-), которую надо выполнить. Бит w определяет размер операндов, а бит d указывает, в ка- кой из регистров записывается результат: - слова — байты regl := regl - reg2 reg2 reg2 - regl Во втором байте два левых бита фиксированы (для данного формата), а трехбитовые поля regl и reg2 указывают на регист- ры, участвующие в операции, согласно следующим правилам: reg w = 1 w = 0 ООО AX AL 001 CX CL 010 DX DL oil BX BL 100 SP AH 101 BP CH no SI DH 111 BI BH — .. .
3.8. Сш тема команд реального режима процессоров i80x86... 297 Формат «регистр — память» (2-4 байта): коп W mod mem Адрес (0-2 байта) Эти команды описывают операции reg := reg - mem или mem : = mem - reg. Бит w первого байта определяет размер опе- рандов (см. ранее), а бит d указывает, куда записывается резуль- тат: в регистр (d = 1) или в ячейку памяти (d = 0). Трехбитовое поле reg второго байта указывает операнд-регистр (см. выше), двухбитовое поле mod определяет, сколько байт в команде зани- мает операнд-адрес (00 — 0 байтов, 01 — 1 байт, 10 — 2 байта), а трехбитовое поле mem указывает способ модификации этого ад- реса. В следующей таблице указаны правила вычисления испол- нительного адреса в зависимости от значений полей mod и mem (а8 — адрес размером в байт, а!6 — адрес размером в слово): mem\mod 00 01 10 000 [BX]+[SI] [BX] + [SI]+a8 [BX]+[SI]+al6 001 (BXJ + [DI ] [BX]+[DI]+a8 [BX1+[DI]+a!6 010 [BP] + (SI] [BP)+[Sl)+a8 [BE]+[SI]+al6 Oil [BP]+(CI] [BP]H(DI]+a8 (BP)+[DI]+al6 100 [ST] [SI]+a8 [SI]+al6 101 [DI] [DI]+a8 [DI]+a!6 110 al6 [BP]+a8 (BP]+al6 111 [BX] [BX]+a8 [BX]+al6 Замечания. Если в команде не задан адрес, то он считается нулевым. Если адрес задан в виде байта (а8), то он автоматически расширяется со знаком до слова (а!6). Случай nod = ОС и mem = 110 указывает на отсутствие регистров-модификаторов, при этом адрес должен иметь размер слова (адресное выражение [ВР] ассемблер транслирует в mod = 01 и mem = 110 при а8 = О). Случай mod =11 соответствует формату «регистр- регистр». Формат «регистр —непосредственный операнд» (3—4 байта): I КОП L±J _w -J±j КОП* reg Непосред. операнд (1-2 б.) | Команды этого формата описывают операции reg : = reg - - immed (immed — непосредственный операнд). Бит w указы-
298 Главы 3 Процессоры. Оперативная память вает на размер операндов, а поле reg — на регистр-операнд (см. ранее). Поле коп в первом байте определяет лишь класс опера- ции (например, класс сложения), уточняет же операцию поле КОП' из второго байта. Непосредственный операнд может зани- мать I или 2 байта в зависимости от значения бита w, при этом операнд-слово записывается в команде в «перевернутом» виде. Ради экономии памяти в i80x86 предусмотрен случай, когда в операции нал словами непосредственный операнд может быть задан байтом (на этот случай указывает «1» в бите s при w = 1), и тогда перед выполнением операции байт автоматически рас- ширяется (со знаком) до слова. Формат «память —непосредственный операнд» (3—6 байтов): Команды этого формата описывают операции типа mem : = mem - immed. Смысл всех полей — тот же, что и в предыдущих форматах. Помимо рассмотренных в i80x86 используются и другие фор маты команды с двумя операндами; так, предусмотрен специаль- ный формат для команд, один из операндов которых фиксиро- ван (обычно это регистр ах). Имеют свои форматы и команды с другим числом операндов. Запись команд в MASM Из сказанного ясно, что одна и та же операция в зависимо- сти от типов операндов записывается в виде различных машин- ных команд — например, в i80x86 имеется 28 команд пересылки байтов и слов В то же время в MASM все эти «родственные» ко- манды записываются единообразно: например, все команды пе- ресылки имеют одну и ту же символьную форму записи: MOV opl,op2 (ор!:=ор2) Анализируя типы операндов, ассемблер сам выбирает подхо- дящую машинную команду.
3.8. Система команд реального режима процессоров i8vx86. 299 В общем случае команды записываются в MASM следующим образом: МЕТКА: МНЕМОКОД ОПЕРАНДЫ /КОММЕНТАРИЙ Метка с двоеточием, а также точка с запятой и комментарий могут отсутствовать. Метка играет роль имени команды, ее мож- но использовать в командах перехода на данную команду. Ком- ментарий не влияет на смысл команды, а лишь поясняет ее Операнды, если есть, перечисляются через запятую. Основные правила записи операндов следующие. Регистры указываются своими именами, например: MOV АХ,SI /Оба операнда — регистры. Непосредственные операнды задаются константными выра жениями (их значениями являются константы-числа}, например: MOV ВН,5 5 — непосредственный операнд MOV DI,SIZE X SIZE X (число байтов, занимаемых переменной X) — непосредственный операнд Адреса описываются адресными выражениями (например, именами переменных), которые могут быть модифицированы по одному или двум регистрам; например. в следующих командах первые операнды задают адреса: MOV Х,АН MOV Х[ВХ][DI],5 MOV [BX],CL. При записи команд в символьной гЬопме необходимо внима- тельно следить за правильным указанием типа (размера) операн лов. чтобы не было ошибок. Тип обычно определяется по внеш- нему виду одного из них, например: MOV АН,5 MOV АХ,5 MOV [ВХ],300 Пересылка байта, так как АН — байтовый регистр Пересылка слова, так как АХ — 16-битовый регистр-операнд (5 может быть байтом и словом, по нему нельзя определить размер пересылаемой величины) Пересылка слова, так как число 300 не может быть байтом
300 Глава 3. Процессоры. Оперативная память Если по внешнему виду можно однозначно определить тип обоих операндов, тогда эти типы должны совпадать, иначе ас- семблер зафиксирует ошибку. Примеры: MOV DS,AX Оба операнда имеют размер слова MOV СХ,ВН Ошибка: регистры СХ и ЕН имеют разные размеры MOV DL,300 Ошибка: DL байтовый регистр, а число 300 не может быть байтом Возможны ситуации, когда по внешнему виду операндов нельзя определить тип ни одного из них, как, например, в ко- манде MOV |ВХ],5. Здесь число 5 может быть и байтом, и словом, а адрес из ре- гистра вх может указывать и на байт памяти, и на слово. В по- добных ситуациях ассемблер фиксирует ошибку. Чтобы избежать ее, надо уточнить тип одного из операндов с помощью операто- ра с названием Р TR MOV BYTE PTR [ВХ],5 Пересылка байта MOV WORD PTR [ВХ],5 Пересылка слова Операторы — это разновидность выражений языка MASM. аналогичные функциям. Оператор PTR необходим и в том случае, когда надо изме- нить тип. предписанный имени при его описании. Если, напри мер, х описано как имя переменной размером в слово X DW 999, и если надо записать в байтовый регистр ан значение только первого байта этого слова, тогда нельзя воспользоваться коман- дой вида MOV АР,Х, так как ее операнды имеют разный размер. Эту команду следует записать несколько иначе: MOV АН,BYTE PTR X. Здесь конструкция BYTE PTR х означает адрес х. но уже рас- сматриваемый не как адрес слова, а как адрес байта. (Напомним,
3.8. Система команд реального режима процессоров 180x88... 301 что с одного и того же адреса может начинаться байт, слово и двойное слово; оператор PTR уточняет, ячейку какого размера мы имеем в виду.) И еще одно замечание. Если в символьной команде, опери- рующей со словами, указан непосредственный операнд разме- ром в байт, как, например, в команде MOV АХ,8Oh, то возникает некоторая неоднозначность: что будет записано в регистр АХ — число 00806 (+128) или 0FF80h (-128)? В подоб- ных ситуациях ассемблер формирует машинную команду, где операнд-байт расширен до слова, причем расширение происхо- дит со знаком, если операнд был записан как отрицательное число, и без знака — в остальных случаях. Например: MOV АХ,-128 ; => MOV AX,OFF80h (А:=-128) MOV АХ,128 ; => MOV АХ,0080h (А:=+128) MOV АХ,80b ; => MOV АХ.0080b (А:=+128). Сегментирование Сегменты памяти. Сегментные регистры. Первые модели 180x86 имели оперативную память объемом 216 байтов (64 Кбайт) и потому использовали 16-битовые адреса В последующих мо- делях память была увеличена до 220 байт (1 Мбайт = 1000 Кбайт), для чего уже необходимы 20-битовые адреса. Однако в этих i80x86 ради преемственности были сохранены 16-битовые адре- са: именно такие адреса хранятся в регистрах и указываются в командах, именно такие адреса получаются в результате моди- фикации по базовым и индексным регистрам. Как же удается 16-битовыми адресами ссылаться на 1 Мб памяти и большие объемы? Эта проблема решается с помощью сегментирования адресов (неявного базирования адресов!. В 180x86 вводится понятие «сег- мент памяти». Так называется любой участок памяти размером до 64 Кбайт и с начальным адресом, кратным 16 Абсолютный (20 -битовый) адрес А любой ячейки памяти можно представит ь как сумму 20-битового начального адреса (базы) в сегмента, ко- торому принадлежит ячейка, и 16 битовою смешения D — адре- са этой ячейки, отсчитанного от начала сегмента: А = в + D.
3'32 Глаьа 3. Процессоры Оперативная память [ .,однозначность выбора сегмента не играет существенной роли, главное — чтобы сумма В и D давала нужный адрес.) Ад- рес в заносится в некоторый регистр S, а в команде, где должен быть указан адрес А, вместо него записывается пара из регистра S и смещения р (в MASM такая пара, называемая адресной парой, или указателем, записывается как S:d). Процессор же устроен так, что при выполнении команды он прежде всего по паре s: D вычисляет абсолютный адрес А как сумму содержи- мого регистра s и смещения р и только затем обращается к па- мяти по адресу А. Заменяя в командах абсолютные адреса на ад- ресные пары, удается адресовать всю память 16-битовыми адре- сами (смещениями). В качестве регистра S разрешается использовать не любой регистр, а только один из четырех регистров, называемых сег- ментными: CS, PS, SS и ES. В связи с этим одновременно можно работать с четырьмя сегментами памяти: начало одного из них загружается в регистр CS, и все ссылки на ячейки этого сегмента указываются в виде пар CS: Р, начало другого заносится в DS и все ссылки на его ячейки задаются в виде пар PS:P и ". д. Если одновременно надо работать с большим числом сегментов, тогда следует своевременно сохранять содержимое сегментных регист- ров и записывать в них начальные адреса пятого, шестого и т. д. сегментов. Отметим, чго используемые сегменты могут быть расположе- ны в памяти произвольным образом: они могул не пересекал ься, а могут пересекаться и даже совпадать Какие сегменты памяти использовать, в каких сегментных регистрах хранить их началь- ные адреса — все это — дело автора программы. Как и все регистры i80x86, сегментные регистры имеют раз- мер слова. Поэтому возникает проблема — как удается размес- тить в них 20-битовые начальные адреса сегментов памяти9 Ре- шение следующее — поскольку все эти адреса кратны 16 (см. ранее), то в них младшие 4 бита (последняя шестнадцатеричная цифра) всегда нулевые, а потому эти биты можно не хранить явно, а лишь подразумевать. Именно так и происходит — в сег- ментном регистре всегда хранятся только первые 16 битов (пер- вые четыре шестнадцатеричные цифры) начального адреса сег- мента (эта величина называется номером сегмента или просто сегментом). При вычислении же абсолютного адреса АаГс по паре S: D процессор сначала приписывает справа к содержимому регистра s четыре нулевых бита (другими словами, умножает
3.S. Система команд реальна с режима процесанпе Ъг> 303 на 16) и лишь затем прибавляет смешение о, причем суммиро- вание ведется по модулю 220: Аа6с = 16х [S]+D (mod 22с). Если, например, в регистре cs хранится величина 1234b. то- гда адресная пара 1234h:507h определяет абсолютный адрес равный 16 х1234h + 507h =12340h + 507h = 12847h. Сегментные регистры no умолчанию. Согласно описанной схеме сегментирования адресов, замену абсолютных адресов на адресные пары надо производить вс всех командах, имеющих операнд-адрес. Однако был разработан способ, дозволяющий избежать выписывания таких пар в большинстве команд Суть его в том, что устанавливается по умолчанию, какой сегментный регистр на какой именно сегмент памяти будет указывать, и что в командах задается только смешение — не указанный явно сег- ментный регистр автоматически восстанавливается согласно этой договоренности. И только при необходимости нарушить эту договоренность надо полностью указывать адресную пару. Список умолчаний приводится в табл. 3.15. Таблица 3.15. Сегментные регистры по умолчанию Регистр Умолчания Комментарий CS Указывает на начало области памяти, в ко- торой размещены команды программы (эта область называется сегментом ко- манд или. сегментом кодов), и потому при ссылках на ячейки этой области регистр CS можно не указывать явно, он подразу- мевается по умолчанию Абсолютный адрес очередной команды, подлежащей выполнению, всегда задается парой cs: ip: в счетчике команд 1₽ все- гда находится смещение этой команды от- носительно адреса из регистра cs DS Указывает на сегмент данных (область па- мяти с константами, переменными и дру гими величинами программы; - - - - Бо всех ссылках на этот сегмен регистр I DS можно явно нс указывать так как он подразумевается по умолчанию SS Указывает на стек - область памяти дос- туп к которой осуществляется по принцит «последним записан - первым считан" Все ссылки на стек, в которы" яяно не ук? зан сегмен-ный оегистр. по умолчанию | сегментируются по регистру SS ES Считается свободным, он не привязан ни к какому сегменту памяти к его можно ис- пользовать по своему усмотоению _ Чаще всего он применяется для доступа к денным, которые не поместили"; или со нэтелгно не были размещены в сегменте 1 ванных -J
304 Глава 3. Процессоры. Оперативная память С учетом такого распределения ролей сегментных регистров машинные программы обычно строятся так: все команды про- граммы размещаются в одном сегменте памяти, начало которого заносится в регистр CS, а все данные размещаются в другом сег- менте, начало которого заносится в регистр DS; если нужен стек, то под него отводится третий сегмент памяти, начало которого записывается в регистр SS. После этого практически во всех ко- мандах можно указывать не полные адресные пары, а лишь сме- щения, так как сегментные регистры в этих парах будут восста- навливаться автоматически. Здесь, правда, возникает такой вопрос — как по смешению определить, на какой именно сегмент памяти оно указывает? В общих чертах ответ такой — ссылки на сегмент команд могут содержаться только в командах перехода, а ссылки практически во всех других командах (кроме строковых и стековых) — это ссылки на сегмент данных. Например, в команде пересылки MOV АХ,X, имя х воспринимается как ссылка на данное, а потому авто- матически восстанавливается до адресной пары DS: X. В ко- манде же безусловного перехода по адресу, находящемуся в регистре вх, JMP вх. абсолютный адрес перехода определяется парой CS: [вх]. Если в ссылке на какую-то ячейку памяти не указан явно сегментный регистр, то этот регистр берется по умолчанию. Явно же сегментные регистры надо указывать, только если по каким-то причинам регисгр по умолчанию не подходит. Если, например, в команде пересылки нам надо сослаться на стек (скажем, надо записать в регистр АН байт стека, помеченный именем х), тогда уже будет недостаточно предположения о том, что по умолчанию операнд команды MOV будет сегментирован ься по рсгис гру ds, и потому следует явно указать иной pei истр — в данном случае регистр SS, так как именно он указывает на стек: MOV AH,SS:X. Однако такие случаи встречаются редко и потому в коман- дах, как правило, указывается только смещение
3.8. Система команд реального режима процессоров i80x8('... 305 Отметим, что в MASM сегментный регистр записывается в самой команде непосредственно перед смещением (именем пе- ременной, меткой и т. п.), однако на уровне машинною языка ситуация несколько иная. Предусмотрено четыре специаль- ные однобайтовые команды, именуемые префиксами замены сегмента (обозначаемые как CS:, DS:, SS: и ES:). Они ставятся перед командой, операнд-адрес которой должен быть просегментирован по регистру, отличному от регистра, подразу- меваемого по умолчанию. Например, приведенная ранее симво- лическая команда пересылки — это на самом деле две машин- ные команды: SS: MOV АН,Х. Сегментирование, базирование и индексирование адресов. По- скольку сегментирование адресов — это разновидность моди- фикации адресов, то в 180x86 адрес, указываемый в команде, в общем случае модифицируе гея по трем регистрам — сегментно му, базовому и индексному. В целом модификация адреса про- изводится в два этапа. Сначала учитываются только базовый и индексный регистры (если они, конечно, указаны в команде), причем вычисление здесь происходит в области 16-битовых ад- ресов; полученный в результате 16-битовый адрес называется исполнительным (эффективным) адресом Если в команде не предусмотрено обращение к памяти (например, она загружает адрес в регистр), то на этом модификация адреса заканчивается и используется именно исполнительный адрес (он загружается в регистр). Если же нужен доступ к памяти, тогда на втором этапе исполнительный адрес рассматривается как смещение и к нему прибавляется (умноженное на 16) содержимое сегментно- го регистра, указанного явно или взятого по умолчанию, в ре зультате чего получается абсолютный (физический) 20-битовый адрес, по которому реально и происходит обращение к памяти (см. рис. 3.24). Отметим, что сегментный регистр учитывается только в «по- следний момент», непосредственно перед обращением к памяти, а до этого работа ведется только с 16-битовыми адресами. Если учесть к тому же, что сегментные регистры, как правило, не ука- зываются в командах, то можно считать, что i80x86 работает с 16-биговыми адресами.
306 Глава 3. Процессоры. Оперативная память Как уже сказано, если в ссылке на ячейку памяти не указан сегментный регистр, то он определяется по умолчанию. Это де- лается по следующим правилам: • в командах перехода адрес перехода сегментируется по ре- гистру CS и только по нему, так как абсолютный адрес ко- манды, которая должна быть выполнена следующей, всегда определяется парой CS:IP (попытка изменить в таких ко- мандах сегментный регистр будет безуспешной). Сегменти- рование по регистру CS касается именно адреса перехода, а не адреса той ячейки, где он может находиться. Например, в команде безусловного перехода по адресу, находящемуся в ячейке х: JMP X, имя х сегментируется по регистру DS, а вот адрес перехода, взятый из ячейки х, уже сегмент.ируется по регистру CS; • адреса во всех других командах, кроме строковых (STOS, movs, scas и cmps), по умолчанию сегментируются: по регистру DS, если среди указанных регистров-моди- фикаторов нет регистра вр; — по регистру ss, если один из модификаторов — ре- гистр ВР. Таким образом, адреса вида а, а[вх], A[SI], A[Di], А[ВХ] [SI] и А[вх] [01] сегментируются по регистру DS, а адреса a[bpj , А[ВР] [si] ha[bp][di] — по регистру ss, т. е. адреса трех последних видов используются для доступа к ячейкам стека; • в строковых командах stos, movs, scas и cmps, имеющих два операнда-адреса, на которые указывают индексные ре- гистры SI и DI, один из операндов (на который указывает si) сегментируется по регистру DS, а другой (на него ука- зывает DI) — по регистру ES. Про-раммные сегменты. Директива ASSUMF. Рассмотрим, как сегментирование проявляется в программах на MASM. Для того чтобы указать, что некоторая группа операторов програм- мы образует единый сегмент памяти, они оформляются как программный сегмент: перед ними ставится директива segment, после них — директива ends, причем в начале обеих этих ди- ректив должно быть указано одно и то же имя, играющее роль имени сегмента. Программа же в целом представляет собой по-
3.3,. Си- .мслы команд реального режима процессоров Ш&хЗб.., 307 следовательнос'.ь таких программных сегментов, в конце кото- рой указывается директива конца программы END, например. dti segment; программный сегмент с именем LT1 A DB О В DW ’ D"1 ENDS DT2 SEGMENT; программный сегмент DT2 С DB ’hello' DT2 ENDS Г CODE SEGMENT; программный сегмент ССЭЕ ASSUME CS:CCDE, D3:DT1, ES:DT2 BEG: MOV AX,DT2 MOV DS,AX MOV BH,C CODE ENDS end BEG; конец текста программы. Предложения программного сегмента ассемблер размещает в одном сегменте памяти (в совокупности они не должны зани- мать более 64 Кбайт) начиная с ближайшего свобо ihoi o адреса, кратного 16. Номер (первые 16 битов начального адреса) ^того сегмента становится значением имени сегмента. В MASM это имя относится к константным выражениям, а не адресным, г связи с чем в команде MOV AX,Drp2, второй операнд является непосредственным, поэтому в регистр АХ будет записано начало (номер) сегмента dt2, а не содержи- мое начальной ячейки этого сегмента. Имена же переменных Га, в. С) и метки (BEG) относятся к адресным выражениям, и им ставится в соответствие адрес их ячейки относительно «своего» сегмента • имени а соответствует адрес 0; • имени в — адрес 1; • имени С — адрес 0. а метке вг * - адрес 0. Все ссылки на предложения одного программного сегмента ассемблер сегментирует по умолчанию по одному и тому же сег- ментному регистру, по какому именно — устанавливается спе-
308 Глава 3. Процессоры. Оперативная память циальной директивой assume. В приведенном примере эта ди ректива определяет, что все ссылки на сегмент CODE должны, если явно не указан сегментный регистр, сегментироваться по регистру CS, все ссылки на DT1 — по регистру DS, а все ссылки на DT2 — по регистру ES. Встретив в тексте программы ссылку на какое-либо имя (на- пример, на имя с в команде MOV АХ, С), ассемблер определяет, в каком именно программном сегменте оно описано (здесь — в DT2), затем по информации из директивы ASSUME «узнает», ка кой сегментный регистр поставлен в соответствие этому сегмен- ту (в данном случае — это ES). и далее образует адресную пар}' из данного регистра и смешения имени (здесь — ES:0), которую и записывает в формируемую машинную команду. При этом ас- семблер учитывает используемое в i80x86 соглашение о сегмент- ных pei истрах по умолчанию — если в адресной паре, построен- ной им самим или явно заданной в программе, сегментный ре- гистр совпадает с регистром по умолчанию, то в машинную команду заносится лишь смещение. Если, скажем, встретится команда MOV сх,в, тогда по имени в ассемблер построит пару DS:1, но если опе- ранд-адрес команды MOV по умолчанию сегментируется по реги- стру DS, то записывать этот регистр в машинную команду из- лишне. и ассемблер записывает в нее только смещение 1 Таким образом, директива ASSUME избавляет программистов от необходимости выписывать полные адресные пары не только тогда, когда используются сегментные регистры по умолчанию (как в случае с именем в), но тогда, когда в машинной команде нужно было бы явно указать сегментный регистр (как в случае с именем с). В MASM сегментный регистр в ссылке на имя требу ется указывать лишь тогда, когда имя должно по каким-либо причинам сегментироваться по регистру, отличному от того, что поставлен в соответствие всему сегменту, в котором это имя описано. Однако все это справедливо только при соблюдении следую- щих условий: • директива ASSUME должна быть указана перед первой ко- мандой программы. В противном случае ассемблер, про- ема гриваюший текст программы сверх}' вниз, не будет
3.8. Система команд реального режима процессоров 180x86... 309 знать, как сегментировать имена из команд, расположен- ных до этой директивы, и потому зафиксирует ошибку; • в директиве assume следует каждому сегменту ставить в со- ответствие сегментный регистр: если ассемблеру встретится ссылка на имя из сегмента, которому не соответствует ника- кой сегментный регистр, то он зафиксирует ошибку. Прав- да, в обоих случаях можно избежать ошибки, но для этого в ссылках необходимо явно указывать сегментный регистр. Начальная загрузка сегментных регистров. Директива assume сообщает ассемблеру о том, по каким регистрам он должен сег- ментировать имена, из каких сегментов, и гарантирует, что в этих регистрах будут находиться начальные адреса этих cei мен- тов. Однако загрузку этих адресов в pci истры сама директива не осуществляет. Сделать такую загрузку — обязанность самой программы, с загрузки сегментных регистров и должно начинаться выполне- ние программы. Делается это так. Поскольку в i80x86 нет команды пересылки непосредствен- ного операнда в сегментный регистр (а имя, т. е начало, сегмен- та — это непосредственный операнд), то такую загрузку прихо- дится делать через какой-го другой, несегментный, регистр (на- пример, ах): MOV AX,DT1 ; АХ := начало сегмента DT1 MOV DS,AX ; DS := АХ. Аналогично загружается регистр ES. Загружать регистр cs в начале программы не надо: он, как и счетчик команд тр, загружается операционной системой перед тем, как начинается выполнение программы (иначе нельзя было бы начать ее выполнение) Что же касается регистра SS, ис- пользуемого для работы со стеком, то он может быть загружен так же, как и регистры ds и ES, однако в MASM предусмотрена возможность загрузки этого регистра еше до выполнения про- граммы. Ссылки вперед. Встречая в символьной команде ссылку на- зад — имя, которое описано в тексте программы до этой коман ды, — ассемблер уже имеет необходимую информацию об имени и потому может правильно оттранслировать эту команду. Но если в команде встретится ссылка вперед, или имя, которое не было описано до команды и которое, вероятно, будет описано
310 Глава 3. Процессоры Оперативная память позже, то ассемблер в большинстве случаев не сможет правиль- но оттранслировать такую команду. Например, не «зная», в ка- ком программном сегменте будет описано это имя, ассемблер не может установить, по какому именно сегментному регистру надо сегментировать имя, и потому не может определить, надо или же пет размещать перед соответствующей машинной командой пре- фикс замены сегмента и, если надо, то какой именно. В подобной ситуации ассемблер действует следующим образом: • если в команде встретилась ссылка вперед, то он делает некоторое предположение относительно этого имени и уже на основе этого предположения формирует машинную команду; • если затем (когда встретится описание имени) окажется, что данное предположение было неверным, тогда ассемблер пытается исправить сформированную ранее машинную ко- манду. Однако это не всегда удается: если правильная ма- шинная команда должна занимать больше места, чем ма- шинная команда, построенная на основе предположения (например, перед командой надо на самом деле вставить префикс замены сегмента), тогда ассемблер фиксирует ошибку (как правило, это ошибка номер 6: Phase error between passes). Какие же предположения делает ассемблер, встречая ссылку вперед? Во всех командах, кроме команд перехода, ассемблер пред- полагает, что имя будет описано в сегменте данных и потому сегментируется по регистру DS. Это следует учитывать при со- ставлении программы если в команде встречается ссылка вперед на имя, которое описано в сегменте, на начало которого указы- вает сегментный регистр, отличный от DS, то перед таким име- нем автор программы должен написать соответствующий пре- фикс. Пример: CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE X DW ? BEG: MOV AX,X ;здесь вместо CS:X можно записать просто х MOV CS: Y, АХ ; здесь обязательно надо записать CS: Y У DW ? CODE ENDS.
3.8. Система команд реального режима процессоров i80x86... 311 Команды перехода (ветвления программы) В систему команд i80x86 входит обычный для ЭВМ набор команд перехода — безусловные и условные переходы, переходы с возвратами и др. Однако в 180x86 эти команды имеют некото- рые особенности, которые здесь и рассматриваются. Абсолютный адрес команды, которая должна быть выполне- на следующей, определяется парой CS:IP, поэтому выполнение перехода означает изменение этих регистров, обоих или только одного (IP): • если изменяется только счетчик команд ip, то такой пере- ход называется внутрисегментным, или ближним (управление остается в том же сегменте команд): • если меняются оба регистра CS и ip, то это межсегмент- ный или дальний переход (начинают выполняться команды из другого сегмента команд). По способу изменения счетчика команд переходы делятся на абсолютные и относительные: • если в команде перехода указан адрес (смещение) той ко- манды, которой надо передать управление, то это абсолют- ный переход', • если в команде указана величина (сдвиг), которую надо до- бавить к текущему значению регистра 1Р, чтобы получился адрес перехода, и тогда это будет относительный переход, при этом сдвиг может быть положительным и отрицатель- ным, так что возможен переход вперед и назад. По величине сдвига относительные переходы делятся на ко- роткие (сдвиг задается байтом) и длинные (сдвиг-слово). Абсолют ные переходы делятся на прямые и косвенные: • при прямом переходе адрес перехода задается в самой ко- манде; • при косвенном — в команде указывается регистр (ячейка памяти), в котором (которой) находится адрес Перехода. Безусловные переходы. В MASM все команды безусловного перехода обозначаются одинаково: ДМР ор, но в зависимости от типа операнда ассемблер формирует разные машинные команды.
312 Глава 3. Процессоры. Оперативная память Внутрисегментный относительный короткий переход. JHP 18 (IP: -I Pt i.8) . Здесь i8 обозначает непосредственный операнд размером в 1 байт, который интерпретируется как знаковое целое от -128 до 127. Команда прибавляе г это число к геку щему значению ре- гистра IP, получая в нем адрес (смещение) той команды, кото- рая должна быть выполнена следующей. Регистр CS при этом не меняется. Необходимо учи гыват ь следующую особенность регистра IР. Выполнение любой команды начинается с того, что в IP зано- сится адрес следующей за 11ей команды, и только затем выпол- няется собственно команда. Для команды относительного пеое хода это означает, что операнд i8 прибавляется не к адресу этой команды, а к адресу команды, следующей за ней, поэтому, к примеру, команда jmp 0 — это переход на следующую команд) программы. При написании машинной программы сдвиги для относи тельных переходов приходится вычислять вручную, однако MASM избавляет от этого неприятного занятия: в MASM в ко- мандах относительного перехода всегда укатывается метка той команды, на которую надо передать управление, и ассемблер сам вычисляет сдвиг, который он и записывает в машинную комаи ду. Отсю (а следует, что в MASM команда перехода по метке ы\ принимается не как абсолютный переход, а как относительный. По короткому переход)' можно передать управление только на ближайшие команды программы, отстоящие от команды, с ie- дуюшей за командой перехода, до 128 байтов назад или до 12? байтов вперед. Внутрисегментный относительный длинный переход используется для пепехода на более дальние команды. JMF 1J 6 (IP:=IP+il6) . Здесь ±16 обозначает непосредственный операнд размером в слово, который рассматривается как знаковое целое от -32 768 до 32 767. Это г переход аналогичен корот ком) п зрехоцу. Отмстим, что, встретив команду перехо та с меткой, которой была помечена одна из предыдущих (по тексту) команд програм- мы. ассемблер вычисляет разность между адресом этой метки и
3.8. Система команд реального режима процессоров i80x86... 313 адресом команды перехода и по этому сдвигу определяет, какую машинную команду относительного перехода (короткую или длинную) надо сформировать. Но если метка еще не встретилась в тексте программы, т. е. происходит переход вперед, toi да ас- семблер, не зная еще адреса метки, не может определить, какую именно машинную команду относительного перехода формиро вать, поэтому он на всякий случай выбирает команду длинного перехода. Однако эта машинная команда занимает 3 байта, тогда как команда короткого перехода — 2 байта, и если автор про- граммы на MASM стремится к экономии памяти и знает зара- нее, что переход вперед будет на близкую метку, то он должен сообщить об этом ассемблеру, чтобы тот сформировал команду коротко! о перехода. Такое указание делается с помощью опера- тора short: JMP SHORT L. Для переходов назад оператор short не нужен — «зная» ад- рес метки ассемблер сам определит вид команды относительно- го перехода. Внутрисегментный абсолютный косвенный переход. JMP г16 (1Р:-[г]) ИЛИ JMP пбб (1Р:-[т161) Здесь г] 6 обозначает любой 16-битовый регистр общего на- значения, a ml 6 — адрес слова памяти. В этом регистре (слове памяти) должен находиться адрес, по которому i будет троизве- ден переход. Например, по команде jmp вх осуществляется пе- реход по адресу, находящемуся в регистре DV Межсегментный абсолютный прямой переход. JMP s<=g:ois (CS := seg, IP := ofs). Здесь seg — начало (первые 16 битов начального адреса) не- которого сегмента памяти, a ofs — смешение р »том сегменте. Пзра seg:ofs определяет абсолютный адре<. по которому депа- ется переход. В MASM эта пара всегза задается конструкцией FAP P7R сметка?", котопая указывает, что надо сделать переход
314 Глава 3. Процессоры. Оперативная память по указанной метке, причем эта метка — «дальняя», из другого сегмента. От метим, ч го ассемблер сам определяет, какой это сег- мент, и сам подставляет в машинную команду ею начало, т е. seg. Межсегментный абсолютный косвенный переход. JMP m32 (CS := Гт32 т 2], ]Р := [т32]). Здесь под m3 2 понимается адрес двойного слова памяти, г котором находится пара seg:ofs, задающая абсолютный адрес, по которому данная команда должна выполнить переход. На- помним, что в i80x86 величины размером в двойное с лово хра- нятся в «перевернутом» виде, поэтому смещение ofs находится в первом слове двойного слова т32, а смешение seg — во вто- ром слове (по адресу т32->2). Команды межсегментного перехода используются тогда, ко- I да команды программы размещены не в одном сегменте памяти, а в нескольких (например, если команд так много, что в совокуп- ности они занимают более 64 Кбайт, т. е. больше максимального размера сегмента памяти). При переходе из одною такого cei- мента в другой необходимо менять не только счетчик команд IP, но и содержимое регистра CS, загружая в последний начальный адрес второго сегмента. Такое одновременное изменение обоих этих регистров и делают команды межсег ментного перехода. Проблемы команд перехода. При записи в MASM ко- манд перехода следует учитывать, что они могут восприниматься неоднозначно. Вопрос — как воспринимать команду лмр а : • как переход по метке д; • как переход по адресу, хранящемуся в ячейке с именем д? Кроме того, какой это переход — внутрисегментный иль межсегментный? О гвет зависит от того, как описано имя А, и от того, когда описано имя А — до или после команды перехода. Пусть А описано до команды перехода (ссылка назад\. Если именем д помечена некоторая команда текущего ссгмсг т а ко- манд (т. е. д — метка), тогца ассембпер формирует машинную команду внутрисегментного относительного перехода Если же А — имя переменной, тогда ассемблер формирует машинную команду косвенного перехода — внутрисегментного, если д опи- сано в директиве ow, или межсегментного, ес ли А описано в ди- рективе ''D
3.8. Система команд реального режима процессоров i80x86... 315 В случае же. если имя А описано после команды перехода {ссылка вперед), ассемблер всегда формирует машинную команду внутрисегментного относительно! о длинного перехода С учетом этого имя А обязагельно должно метить команду из текущего сегмента команд, иначе будет зафиксирована ошибка. Если та- кая трактовка ссылки вперед не удовлетворяет авгора програм мы, тогда он обязан с помощью оператора short или ftr уточ- нить тип име! ш а: jmp short а ; внутрисегментный короткий переход по мет ке jmp word PTR А ; внутрисегментный косвенный переход JMP DWORD PT Е А; межсегментный косвенный переход От метим, что переход по метке А из другого cei мента команд всегда должен указываться с помощью far ptr (независимо иг того, описана метка а до или после команды перехода): jmp far ptr А ; межсегментный переход по метке. Условные переходы Практически во всех командах условного перехода проверяется значение того или иного флага (например, флага нуля ZF) и, если он имеет определенное значение, выпол- няется переход по адресу, ука занному в команде. Значение флага должно быть установлено предыдущей командой, например ко- мандой сравнения CMP ор1,ор2, которая вычисляет разность opl - op2. однако результат никуда не записывает, а только меняет флаги, на которые будет реаги- ровать команда условного перехода. В MASM команды условного перехода имеют следующую форму: Jxx op, где хх — одна или несколько букв, в сокращением виде отра- жающих проверяемое условие (обычно в предположении, что пепел этой командой находится команда сравнения). Примеры некоторых мнемоник. JE - переход «по равно» (jump if equ Ч: JL — переход «по меньше» (jump if less): JNL переход «по не меньше» (jump if not less)
316 Глава 3. Процессоры. Оперативная память Особенностью всех машинных команд, условного перехода является то, что они реализуют внутрисегментный относитель- ный короткий переход, т. е. добавляют к счетчику команд IP свой операнд, рассматриваемый как число со знаком от -128 до 127. В MASM этот операнд все1да должен записываться как мет- ка, которую ассемблер за менит на соответствующий сдвиг. Такая особенное гь команд условного перехода вызывает не- удобство при переходах на «дальние» команды. Например, ести надо сдела гь переход при д < Р на команду, помеченную меткой L и расположенную далеко от команды перехода, то приходится использовать команду длинного безусловного перехо та: MOV АХ,А смр ах, в ; сравнение Айв JNL м ; не меньше —> м (обход команды jmp) jmp L ; меньше —> L (длинный переход) М: ... Команды управления циклом В iSOxSb ес гь несколько команд, упрощающих программиро- вание циклов с заранее извест! гым числом повторений. Приме- нение этих команд требует, чтобы к началу цикла в регистр СУ. было занесено число шагов цикла. Сами команды размещаются в конце никла, они уменьшают значение сх на 1 и, если сх еще не равно 0, передают управление на начало цикла. Например, найти S — сумму элементов массива х из 10 чисел-слов можно так: MOV АХ,0 MOV SI,О MOV СХ,I о ; начальное значение суммы (накапливается в ах) ; начальное значение индексного регистра ; число повторений цикла L: ADJ AX,X[SII ADD SI,2 AX:=AXHX(i] SI:=SI+2 bOOL L ; CX:=CX-1; if "XoO t nen goto L MOV S,AX ; S:=AX. Помимо команды LOOP есть еще две «циклические» коман- ды — LOOPZ и loopnz (они имеют синонимичг ые названия loope и loopnj ). которые, кроме регистра сх проверяют еше и ф"аг нуля zf| например, команда loop:, «выходит» из никла.
3.8. Система команд реального режима процессоров 180x86... 317 если сх = О или ZF = 1. Эту команду можно, например, ис- пользовать при поиске в массиве первого нулевого элемента, где должно быть предусмотрено два условия выхода из цикла: либо будет найден нулевой элемент (ZF = 1, если перед LOOPZ поста- вить команду сравнения очередного элемента с С), либо будет исчерпан весь массив (сх = 0). Отметим, что все эти «циклические» команды реализуют ко- роткий относительный переход, как и команды условного пере- хода, поэтому их можно использовать только для циклов с не- большим числом команд. В MASM есть еще две команды перехода — call (переход с возвратом) и RET (возврат из подпрограммы). Строковые операции В 180x86 под строкой понимается последовательность сосед - них байтов или слов. В связи с этим все строковые команды имеют две разновидности: • для работы со строками из байтов (в мнемонику операций входит буква в); • для работы со строками из слов (в мнемонику входит w). Имеются следующие операции над строками: • пересылка элементов строк (в память, из памяти, па- мять-память); • сравнение двух строк; • просмотр строки с целью поиска элемента, равного задан- ному. Каждая из этих операций выполняется только над одним элементом с троки, однако одновременно происходит автомати- ческая настройка на следующий или предыдущий элемент стро- ки. Предусмотрены команды повторения (rep и др.), которые заставляют следующую за ними строковую команду многократно повторяться (до 216 раз), в связи с чем такая пара команд позво ляет обработать всю строку, причем намного быстрее, чем за- программированный цикл. Кроме того, строки можно просматривать вперед (от их на- чала к концу) и назад. Направление просмотра зависит от флага направления DF, значение которого можно менять с помощью команд STD (DF := 1) и CLD (DF := 0) При DF = 0 все после-
318 Глава 3. Процессоры. Оперативная память дующие строковые команды программы просматривают строки вперед, а при df = 1 — назад. В строковых командах операнды явно не указываются, а подразумеваются. Если команда работает с одной строкой, то ад- рес очередно! о, обрабатываемого сейчас элемента строки задает- ся парой регистров DS и si или парой ES и di, а если команда работает с двумя строками, то адрес элемента одной из них оп- ределяется парой DS:SI, а адрес элемента другой — парой ES:D1. После выполнения операции значение регистра SI и/или di увеличивается (при DF = 0) или уменьшается (при df = 1) на 1 (для байтовых строк) или на 2 (для строк из слов). Начальная установка всех этих регистров, а также флага DF должна быть выполнена до начала операции над строкой. Если сегментный регистр DS уже имеет нужное значение, тогда загру- зить регистр S1 можно с помошыб команды LEA SI,<начальный/конечный адрес строки>. Если же надо загрузить сразу оба регистра DS и si, тогда можно воспользоваться командой LDS SI,m32, которая в регистр si заносит первое слово, а в регистр DS — второе слово из двойного слова, имеющего адрес т32 (таким об- разом, по адресу m3 2+2 должен храниться сегмент, а по адресу m3 2 — смещение начального или конечного элемента строки). Начальную загрузку регистров ES и DI обычно осуществляют од- ной командой: LES DI,m32, которая действует аналогично команде LDS. Перечислим вкратце строковые команты 180x86 • команда загрузки элемента строки в аккумулятор (LODSB или LODSW) пересылает в регистр AL или ах очередной эле- мент строки, на который указывает пара DS:Si, после чего увеличивает (при DF = 0) или уменьшает (при df = 1) ре- гистр si на 1 или 2; • запись аккумулятора в строку (STOSB или STOSw); содержи- мое регистра al или ах заносится в тот элемент строки, на который указывает пара ES:DI, после чего изменяет ре- гистр DT на 1 или 2;
3.8. Система команд реального режима процессоров i80x86... 319 • пересылка строк (movsb или movsw); элемент первой стро- ки, определяемый парой DS:SI, заносится в элемент вто- рой строки, определяемый парой es : di, после чего одно- временно меняет peiистры si и di; • сравнение строк (cmpsb или CMPSW); сравниваются очеред ные элементы строк, указываемые парами DS:Si и ES:DI, и результат сравнения (равно, меньше и i. пл фиксирует в флагах, после чего ?1еняется содержание регистров SI и DI; • сканирование строки (SCASB или SCASVf — сравнивается элемент строки, адрес которого задается парой ES:Di, со значением регистра AL или ах и результат сравнения фиксирует в флагах, после чего меняется содержимое ре- гистра Г1-. Перед jтобой строковой командой можно поставить одну из двух команд, называемых «префиксами повторе ния«, которая за- ставит многократно повториться эту строковую команду Число повторений (обычно это длина строки) должно быть указано в регистре сх. Префикс повторения repz (синонимы — REPE, REP) сначала заносит 1 в флаг нуля ZF, пос де чего, постоянно уменьшая сх на 1, заставляет повторяться следующую за ним строковую ко- манд} до тех п эр, пока в сх не окажется «О» или пока флаг zf не изменит свое значение на «О». Другой префикс повторения repnz (синоним — REPNE) дей- ствуег аналогично, но только вначале устанавливает флаг ZF в «О», а при изменении его на «I» прекрашает повторение строко- вой команды. Пример. Пусть надо переписать 10 000 байтов начиная с ад реса А в другое место памяти начиная с адреса в. Бели оба эти имени относя гея к сегмент у данных, на начало которого ука зы- вает регистр DS, готда эту' пересылку' можно сделать так: CLD MGV СХ, ЮС 0 MCV АХ,D3 MOV ES,AX LFA SI,А LEA DI, В REP MOVSB ; DF: 0 (просмотр строки вперед) ; сх — число повторений ; ES:=DS ; es :Si — «откуда» ; DS : D] — «куда» ; пересылка сх байтов,
320 Глава 3. Процессоры. Оперативная память Стек. Подпрограммы Стек. В i80x86 имеются специальные команды работы со стеком, т. е областью памяти, доступ к элементам которой осу- ществляется по принципу «последним записан — первым счи- тан» (рис. 3.37) Но для того чтобы можно было воспользоваться этими командами, необходимо соблюдение ряда условий. Во многих случаях npoi рамме требуется временно запомнить информацию, а затем считывать ее в обратном порядке. Эта проблема в ПК решена посредством реализации стека LIFO («последний пришел — первый ушел»), называемого также сте- ком включения/извлечения (stack — кипа, например бумаг). Наиболее важное использование стека связано с проце- дурами. Стек обычно рассчитан на косвенную адресацию через регистр SP — указатель стека. При включении элементов в стек производится автоматический декремент указателя стека, а при извлечении — инкремент, т. е. стек всегда «растет» в сторону меньших адресов памяти. Адрес последнего включенного в стек элемента называется вершиной стека (10S) Под стек можно отвести область в любом месте памяти. Раз- мер ее может быть любым, но не должен превосходить 64 Кбайт, а ее начальный адрес должен быть кратным 16 Другими слова- ми, эта область должна быть сегментом памяти; он называется сегментом стека. Начало этого сегмента (первые 16 битов на- чального адреса) должно обязательно храниться в сегментном регистре SS. Хранимые в стеке элементы мшут иметь любой размер, од- нако следует учитывать, чго в i80x86 имеются команды записи в стек и чтения из него только слов. Поэтому для записи байта в
3.8. Система команд реального режима процессоров i80x86... 321 стек его надо предварительно расширить до слова, а запись или чтение двойных слов осуществляются парой команд. В -80x86 принято заполнять стек снизу вверх, от больших ад- ресов к меньшим: первый элемент записывается в конец облас- ти, отведенной под стек, второй элемент — в предыдущую ячей- ку области и т. д. Считывается всегда элемент, записанный в стек последним. В связи с этим нижняя граница стека всегда фиксирована, а верхняя — меняется. Слово памяти, в котором находится элемент стека, записанный последним, называется вершиной стека. Адрес вершины, отсчитанный от начала сег- мента стека, обязан находиться в указателе стека — регистре SP. Таким обраюм, абсолютный адрес вершины стека определяется парой SS:SP. Значение «0» в регистре SP свидетельствует о том, что стек полностью заполнен (его вершина «дошла» до начала области стека) Поэтому для кон гроля за переполнением стека надо пе- ред новой записью в стек проверять условие SP = 0 (i80x86 это- го не делает). Для пустого стека значение SP должно равняться размеру стека, т. е. пара SS:SP должна указывать на байт, сле- дующий за последним байтом области стека. Контроль за чтени- ем из пустого стека, если надо, обязана делать сама npoi рамма. Начальная установка регистров SS и SP может быть произве- дена в самой программе, однако в MASM предусмотрена воз- можность автоматической загрузки этих регистров. Если в дирек- тиве segment, начинающей описание сегмента стека, указать па- раметр stack, тогда ассемблер (точнее, загрузчик) перед тем, как передать управление на первую команду машинной программы, загрузит в регистры SS и SP нужные значения. Например, если в программе сегмен т стека описан следующим образом: ST SEGMENT STACK db 256 DUP(?); размер стека — 256 байтов ST ENDS, и если под этот сегмент была выделена область памяти, начиная с абсолютного адреса 1234 0b, тогда к началу выполнения про граммы в регистре ss окажется величина 123 4h, а в регистре SP — величина 100b (=256). Отметим, что эти значения соответствуют пустому' стеку. Основные стековые команды. При соблюдении указанных требований в программе можно использовать команды, предна-
322 Глава 3. Процессоры. Оперативная память знаменные для работы со стеком Основными из них являются следующие. Запись слова в стек: PUSH op Здесь op обозначает любой 16-битовый регистр (в том числе и сегментный) или адрес слова памяти. По этой команде значе- ние регистра SP уменьшается на 2 (вычитание происходит по модулю 216), после чего указанное операндом слово записывает- ся в стек по адресу SS: SP. Чтение слова из стека: POP op Слово, считанное из вершины стека, присваивается операнду ор (регистру, в том числе сегментному, но не CS, или слову па- мяти), после чего значение SP увеличивается на 2. Переход с возвратом: CALL ор Эта команда записывает адрес следующей за ней команды в стек и за гем делает переход по адресу, определяемому операндом ор. Она используется для переходов на подпрограммы с запоми- нанием в стеке адреса возврата. Имеются следующие разновид- ности этой команды (они аналогичны вариантам команды безус- ловного перехода jmp): • внутрисегментный относительный длинный переход (ор — непосредст венный операнд размером в сло- во, а в MASM — это метка из текущего сегмента команд или имя близкой процедуры (см. ниже)); в этом случае в стек заносится только текущее значение счетчика команд IP, т. е. смещение следующей команды; • внутрисегментный абсолютный косвенный переход (ор — адрес слова памяти, в которой находится ад- рес (смещение) той команды, на которую и будет сделан переход); и здесь в стек записывается только смещение ад- реса возврата, • межсегментный абсолютный прямой переход (ор — непосредственный операнд вида SEG:CFS, а в MASM — это ear РТР <метка> или имя дальней процеду-
3.8. Система команд реального режима процессоров 180x86... 323 ры); здесь в стек заносятся текущие значения регистров CS и IP (первым в стек записывается содержимое CS), т. е. аб- солютный адрес возврата, после чего меняются регистры cs и ip; • межсегментный абсолютный косвенный пере- ход (ор — адрес двойного слова, в котором находится пара seg:ofs, задающая абсолютный адрес перехода); и здесь в стеке спасается содержимое регистров CS и ip. Переход (возврат) по адресу из стека: RET ор Из стека считывается адрес и по нему производится переход. Если указан операнд (а это должно быть неотрицательное чис- ло), то после чтения адреса стек еще очищается на это число байтов (к SP добавляется это число). Команда используется для возврата из подпрограммы по адресу, записанному в стек по ко- манде CALL при вызове подпрограммы, и одновременной очист- ки стека от параметров, которые основная программа занесла в стек перед обращением к подпрограмме. Команда ret имеет две разновидности (хотя в MASM они записываются и одинаково): • в одном случае из стека считывается только одно слово смешение адреса возврата; • во втором — из стека считывается пара seg:of s, указываю- щая абсолютный адрес возврата. Как ассемблер определяет, какой из этих двух случаев имеет место, объяснено ниже. В i80x86 стек в основном используется для организации под- программ и прерываний. Однако даже если программе не нужен стек, она все равно должна отвести под него место. Дело в том, что стеком будет неявно пользоваться операционная система при обработке прерываний, которые возникают (например, при на- жатии клавиш на клавиатуре) в то время, когда выполняется про- грамма. Для нужд ОС рекомендуется выделять в стеке 64 байта. Прерывания, подпрограммы, процедуры Прерывания. Иншда необходимо выполнить одну7 из набора специальных процедур, если в системе или в программе возни- кают определенные условия, например, нажата клавиша на юта-
324 Глава 3. Процессоры Оперативная память виатуре. Действие, стимулирующее выполнение одной из таких процедур, называется прерыванием, поскольку основной про- цесс при этом приостанавливается на время выполнения этой процедуры. Существует два общих класса прерываний — внутренние и внешние. Первые инициируются состоянием ЦП или ко- мандой, а вторые — сигналом, подаваемым от других компонен- тов системы. Типичные внутренние прерывания: деление на нуль, переполнение и т. п., а типичные внешние — запрос на обслуживание со стороны какого-либо устройства ввода/вывода. Переход к процедуре прерывания осуществляется из любой программы, а после выполнения процедуры прерывания обяза- тельно происходит возврат в прерванную программу. Перед об- ращением к процедуре прерывания должно быть сохранено со- стояние всех регистров и флагов, используемых процедурой пре- рывания, а после окончания прерывания эти регистры должны быть восстановлены. Прерывание вынуждает процессор прекратить выполнение одной последовательност и команд и начать выполнение другой, при этом адрес очередной команды, которая должна была бы выполняться (содержимое регистра ip), если бы не было преры- вания, запоминается Адрес команды, которая должна выпол- няться после возникновения прерывания, выбирается из табли- цы, хранящейся в начальной области памяти. Эта таблица назы- вается таблицей векторов прерываний. В таблице записано 256 адресов. Когда устройство вызывает прерывание процессора, оно сообщает ему, какой адрес из таблицы следует использовать для перехода к новой последова гельности команд. Аппаратное прерывание. Типичным примером устрой- ства, требующего прерывания, является клавиатура. После нажа тия клавиши на клавиатуре в систему прерываний передается сиг- нал, приводящий к прерыванию работы процессора. Очевидно, что процессор прекращает текущую работу и, используя адрес, переданный из системы прерываний, начинает выполнение спе- циальной программы взаимодействия с клавиатурой Программа вводи г с клавиатуры код, соответствующий нажатой клавише, и заносит его в область сохранения, расположенную в памяти. За- тем программа взаимодействия с клавиатурой возвращает управ- ление программе, которая выполнялась до прерывания. Программные прерывания. Прерывания могут также иметь место при выполнении специальной команды — пре-
3.8. Система команд реального режима процессоров 180x86. . 325 рвать, используя адрес X. (Число х указывает один из адресов в таблице векторов прерываний.) При выполнении ко манды «прервать» процессор определяет и запоминает адрес ко- манды, которая должна была бы выполняться следующей, а за- тем переходит к выполнению программы, начинающейся с адре- са х, извлеченного из таблицы векторов прерываний. Такая последовательность действий называется программным прерыванием. Подпрограммы. Типичная схема организации подпрограмм, обычно используемая трансляторами с языков высокого уровня для реализации процедур и функций (в частности, рекурсив- ных), следующая. При обращении к подпрограмме в стек заносятся параметры для нее и адрес возврата, после чего делается переход на ее на- чало: PUSH paraml PUSH paramk CALL subr запись 1-го параметра в стек запись последнего (&-го) параметра в стек ; переход с возвратом на подпрограмму. Если необходимо вычислить параметр или его размер отли- чен от слова, тогда для записи параметра в стек необходимо не- сколько команд. Первыми командами подпрораммы обычно являются сле- дующие: push вр ; сохранить в стеке старое значение ВР MOV sp,bp ; установить РР на вершину стека SUB SP,m ; отвести в стеке место (т байтов) под локальные величины подпрограммы. Поясним эти «входные* команды. В подпрограмме для обра- щения к ячейкам стека, занятым параметрами, используется (как базовый) регистр ВР: если в ВР занести адрес вершины сте - ка, то для дос гула к этим ячейкам следует использовать адрес- ные выражения вида i[BP] или. что то же самое, [BP+i] (От- метим, что применять здесь регистры-модификаторы вх, S3 и DI нельзя, так как формируемые по ним исполнительные адреса будут сегментироваться по умолчанию по регистру DS, а в дан ном случае нужно сегментирование по ss.) Однако данная под- программа может быть вызвана из другой, также использующей
326 Глава 3. Процессоры. Оперативная память регистр ВР, поэтому прежде, чем установить ВР на «вершину стека», надо спасти в стеке старое значение этого регистра, что и делает первая из «входных» команд. Вторая же команда устанавливает ЕР на «вершину стека». Если предположить, что каждый параметр и адрес возврата за- нимают по слову памяти, тогда доступ к первому параметру обеспечивается адресным выражением [ВР+4], ко второму — выражением |ВР+6) и т. д. Подпрограмме может потребоваться место для ее локальных величин. Такое место обычно отводится в стеке (а для рекурсив- ных подпрограмм только в стеке) «над» ячейкой, занимаемой старым значением ВР. Если под эти величины нужно т байтов, то такой «захват» места можно реализова гь простым уменьшени- ем значения регистра sp на т, что и делает 3-я «входная» коман- да. Доступ к локальным величинам обеспечивается адресными выражениями вида [вр-i]. Если подпрограмме не нужно место под локальные величины, тогда третью из «входных» команд следует опустить. Выход из подпрограммы реализуется следующими командами: MOV sp, ВР ; очистить стек от локальных величин POP вр ; восстановить старое значение ВР RET 2хк ; возврат из подпрограммы и очистка стека от параметров (предполагается, что они занимают 2хА байтов). Первая из этих «выходных» команд заносит в регистр SP ад- рес той ячейки стека, где хранится «старое» значение регистра ВР, т. е. происходит очистка стека от локальных величин (если их не было, то данную команду следует опустить). Вторая ко- манда восстанавливает в вр это старое значение, одновременно удаляя его из стека. В этот момент состояние стека будет таким же, как и перед входом в подпрограмму Третья команда считы- вает из стека адрес возврата (в результате чего SP «опускается» на 2 байта), затем добавляет к SP число, которое должно рав- няться числу байтов, занимаемых всеми параметрами подпро- 1раммы, и затем осуществляет переход по адресу возврата. В этот момен г состояние стека будет таким же, каким оно было перед обращением к подпрограмме. Процедуры в ассемблере. При составлении и вызове подпро- грамм необходимо следить за тем, чтобы команды CALL и RErr действовали согласованно — были одновременно близкими или
3.8. Система команд реального режима процессоров 180x86... 32‘ дальними. В MASM эга проблема снимается, если подпрограмму описать как процедуру. Процедуры имеют следующий вид: имя процедуры РВОС (NEAR или FAP] имя_процедуры ENDP Хотя в директиве PROC после имени процедуры не ставится двоеточие, это имя относится к меткам и его можно указывать в командах перехода, в частности в команде call. когда надо вы- звать процедуру. Э го же имя должно быть повторено в директиве endp, заканчивающей описание процедуры. Предложения между этими двумя директивами образуют тело процедуры (подпрограм- му). Имя процедуры является фактически меткой первой из ко- манд тела, поэтому данную команду не надо специально метит ь. Если в директиве PROC указан параметр NEAR или он вообще не указан, то такая процедура считается «близкой» и обращаться к ней можно только из toj о сегмента команд, где она описана. Дело в том. чго ассемблер будет заменять все команды call, где указано имя данной процедуры, на машинные команды близко- го перехода с возвратом, а все команды ret внутри процедуры — на близкие возвраты. Если же в директиве proc указан параметр far, то это «даль- няя» процедура' все обращения к ней и все команды ret внутри нее рассматриваются ассемблером как дальние переходы. Обра - щаться к этой процедуре можно из любых сегментов команд. Таким образом, достаточно лишь указать тип процедуры (б. [какая она или дальняя), всю же остальную работу возьмет на себя ассемблер — переходы на нее и возвраты из нее будут авто- матически согласованы с этим типом. В этом главное (и единст- венное) достоинство описания подпршрамм в виде процедур. (Отметим, чго метки и имена, описанные в процедуре, не лока лизуются в ней.) Например, вычисление ах : sign (ах) можно описать в виде процедуры следующим образом: SING prop far ; дальняя процедура СМГ АХ,О ТЕ SGN1 ; АХ—О — перейти К SGN1 Nov ах, ; ах: =1 iai и не изменились» JG SGN1 АХ>0 — перейти К SGN1 MOV АХ,-1 ; АХ:- 1
328 Глава 3. Процессоры. Оперативная память SGN1: RET SIGN ENDP ; дальний возврат Возможный пример обращения к этой процедуре: ;CX:=SIGN(VAR) MOV АХ,VAR CALL SIGN; дальний вызов MOV CX,AX. Контрольные вопросы I Что такое система команд’ Что такое команда? Что описывает команда? 2. Какого рода информацию может содержать адресная часть команды? 3 При (едите примеры команд одно-, двух-, грехадресных. 4 Каким образом процессор при выполнении программы осуществляет выбор очередной команды? 5. Опишите основной цикл процесса обработки команд. 6 Чем отличаются функции СчАК и РК? 7. Что такое индексирование и базирование? 8 Что такое регистровая память? 9 Какие типы процессоров вам известны? 10 Что такое суперскаляризация? 11. В чем заключается технология конвейерной обработки? 12. Охарактеризуйте технологию динамического исполнения. 13. Что такое 3D Now? 14. Перечислите основные этапы развития процессоров Intel, AMD, Cyrix. 15. Что входит в состав чипсет? 16. Что такое архитектура Northbridge/Southbridge? 17 Охарактеризуйте стратегии управления иераохической памятью. 18. Назовите две основные разновидности памяти компьютера. 19. Перечислите основные компоненты вну гренней памяти. 20. Что представляет собой ОЗУ? Каково его назначение? 21. В чем различие между статической и динамической памятью? 22- В чем суть принципа однородности памяти? Какие возможности он от- коывает? 23. В чем заключается принцип адресности? 24. Что такое «прямой» и «обратный» пооядок байтов?
Глава 4 ИНТЕРФЕЙСЫ Связь устройств автоматизированных систем друг с другом осуществляется с помощью средств сопряжения, которые назы- ваются интерфейсами. Интерфейс представляет собой совокуп- ность коммутаторов, линий, сигналов, электронных схем и алго- ритмов (протоколов), предназначенную для осуществления об- мена информацией между устройствами. С точки зрения обобщенной структуры СВТ, коммуникационные среды (см. рис. 2.2) состоят из вычислительных устройств и коммутато- ре в, обеспечивающих соединения между ними. 4.1 . Коммутаторы. Классификация интерфейсов Известны как простые, так и составные коммутаторы. В силу ряда физических ограничений простые коммутаторы могут со- единять лишь малое число устройств, однако обеспечивают при этом минимальную задержку при установлении соединения. Со- ставные коммутаторы, обычно строящиеся из простых в виде многокаскадных схем с помощью линий «точка—точка», преодо- левают ограничение на малое количество соединений, однако увеличивают задержки. Простые коммутаторы Известно два основных типа простых коммутаторов: • с временным разделением. • с пространственным ра шслением Простые коммутаторы с временным разделением называются также шинами или шинными структурами (см. рис. 2 4, в, г).
330 Глава 4. Интерфейсы Обычно шина является пассивным элементом, управление пере- дачами осуществляется передающими и принимающими уст- ройствами. Достоинства — простота управления и высокое бы- стродействие. Недостатки — небольшое количество входов и выходов. Шины, объединяющие устройства, из которых состоит вы- числительная система, являются критическим ресурсом, отказ которого может привести к отказу всей системы. Кроме того, в каждый момент времени шина используется для передачи толь- ко одним устройством, что становится узким местом при увели- чении количества подключенных устройств. Пропускная способ- ность шины ограничивается ее шириной (количеством линий передачи данных) и тактовой частотой. Устройства, подключенные к шине, делятся на две основные катш ории: • активные (bus masters) — устройства, способные управлять работой шины, т. е. инициировать запись/чтение и т. д., • пассивные (bus slaves) — соответственно, устройства, кото- рые мшут только отвечать на запросы. Процесс передачи выглядит следующим образом. Передаю- щее (активное) устройство вначале получает доступ к шине, за- тем пытается установить контакт с устройством-адресатом и определить его способность к приему данных. Принимающее устройство распознает свой адрес на шине и отвечает на запрос передающего. Далее передающее устройство сообщает, какие действия именно должно произвести принимающее устройство в ходе взаимодействия. После этого происходит передача данных. Так как шина является общим ресурсом, за доступ к которо- му соревнуются подключенные к ней устройства, то необходимы методы управления предоставлением доступа устройств к шине. Возможно использование центрального устройства для управле- ния доступом к шине, однако это уменьшает масштабируемость и гибкость системы. Для разрешения конфликтов, возникающих при одновре- менном запросе устройств на доступ к шине, используются раз- личные приемы (алгоритмы арбитража) — табл. 4 1. Возможность масштабируемости шинных структур ограни- чивается временем, затрачиваемым на арбитраж, и количеством устройств, подключенных к шине. При этом, чем больше под- ключенных устройств, тем больше время, затрачиваемое на ар-
4.1. Коммутаторы. Классификация интерфейсов 331 Таблица 4.1. Характеристики алгоритмов арбитража Метод Содержание Назначение каж- дому устройству уникального при- оритета Статические при- оритеты • Каждое устройство в системе получает уникальный приоритет, при одновременном запросе нескольких устройс’в на передачу доступ к шине предоставляется устройству с наивысшим при оритетом. На практике часто используется соединение уст- ройств в цепь, при котором приоритет устройства определяет ся местом его подключения к шине. Для контроля доступа к шине используется отдельный блок управления Динамические при- оритеты Так же, как и в предыдущем алгоритме, устройства полутакт уникальные приоритеты однако в отличие от него эти приори- теты динамически изменяются, предоставляя устройствам бо- лее или менее равные шансы получения дотуда к шине Наи более часто применяются следующие способы изменения при- оритетов: наивысший приоритет предоставляется устройству, наиболее долго не использовавшему шину; циклическая смена приоритетов. Контооль доступа к шине осуществляет устройст- во, получившее доступ к шине в поедыдушем цикле арбитража Использование очереди запросов FIFO Создается очередь запросов «первый пришел - первый ушел», однако сохраняется । проблема арбитража между почти одновременными запросами, а также возникает необходимость поддержания очереди запросов достаточной длины Преимуществом данного алгоритма является возможность достижения максимальной поопускной способности шины Выделение фик- сированных ин- тервалов време- ни каждому уст- ройству Каждое устройство по порядку получает одинаковый временной интервал для осуще- ствления передачи. Если устройство не имеет данных для передачи, то интервал тем не менее не предоставляется следующему устройству битраж. Время арбитража ограничивает и пропускную способ- ность шины. Несмотря на то, что большинство интерфейсов, рассматри- ваемых ниже, относятся именно к шинному типу коммутаторов, остановимся вкратце и на ряде других. Простые коммутаторы с пространственным разделением позволяют одновременно соединять любой вход с любым одним выходом (ординарные) или несколькими выходами (неординар- ные). Такие коммутаторы представляют собой совокупность мультиплексоров, количество которых соответствует количеству выходов коммутатора, при этом каждый вход коммутатора дол- жен быть заведен на все мультиплексоры. Структура этих ком- мутаторов показана на рис. 4 1. Достоинства — возможность од- новременного контакта со всеми устройствами; минимальная
332 Глава 4. Интерфейсы Рис. 4.1. Простой коммутатор с пространственным разделением задержка. Недостатки — высокая сложность (порядка п х т, где п — количество входов, т — количество выходов), трудно- сти обеспечения надежности. Составные коммутаторы Простые коммутаторы имеют ограничения на число входов и выходов, а также могут требовать большого количества оборудо- вания при увеличении этого числа (в случае пространственных коммутаторов). Поэтому для построения коммутаторов с боль- шим количеством входов и выходов используют совокупность простых коммутаторов, объединенных с помощью линий «точ- ка-точка». Составные коммутаторы имеют задержку, пропорциональ- ную количеству простых коммутаторов, через которые проходит сигнал от входа до выхода, т. е числу каскадов. Однако объем оборудования составного коммутатора меньше, чем простого с тем же количеством входов и выходов. Чаше всего составные коммутаторы строятся из прямоуголь- ных коммутаторов 2 х 2 с двумя входами и выходами Они имеют
4.1. Коммутаторы. Классификация интерфейсов 333 два состояния: прямое пропускание входов на соответствующие выходы и перекрест ное пропускание. Коммутатор 2>.2 состоит из собственно блока коммутации данных и блока управ тения. Блок управления в зависимости от поступающих на hci о управ- ляющих сигналов определяет, какой тип соединена я следует осу- ществить в блоке коммутации: прямой или перекрестный. При этом если оба входа хотят соединиться с одним выходом, то ком- мутагор разрешает конфликт и связывает с данным выходом только один вход, а запрос на соединение со стороны второго блокируется или отвергается. Коммутатор Клоза (рис. 4.2). Коммутат ор Клоза может быть построен в качестве альтернативы для прямоу!ольного коммута- тора с (т х d) входами и (т х d) выходами. Он формируется из трех каскадов коммутаторов: т коммутаторов (dx d} во входном каскаде, т коммутаторов (d х d) в выходном и d промежуточных коммутаторов (т х т). Соединения внутри коммутатора устроены следующим об- ра юм' • j й выход z го коммутатора входного каскада соединен с i м входом /-го промежуточного к< >ммутатора; • /-й вход А.-го коммутатора выходного каскада соетинен с k-м выходом / । о промежуточного коммутатора Данный тип составных коммщаторов позволяет соединять любой вход с любым выходом, однако при установленных со единениях добавление нового соединения может потребовать разрыва и переустановления всех соединений. Матричный коммутатор состоит из множества оди- наковых коммутирующих элементов (рис. 4.3). На два входа ка-
334 Глава 4. Интерфейсы в х о Д ы Коммутирующий элемент Выходы Рис 4.3. Матричный коммутатор ждого из них подаются блоки данных, которые в зависимости от адресов назначения, необходимо передать на один из выходов элемента. Число коммуникационных элементов как минимум равно произведению числа входов на число выходов коммутато- ра. Поэтому матричные коммутаторы применяются в интеграль- ной коммутации, число входов/выходов в которых невелико. Классификация интерфейсов В соответствии с функциональным назначением интерфейсы можно поделить на следующие основные классы: • системные интерфейсы ЭВМ: • интерфейсы периферийного оборудования (общие и спе- циализированные); • программно-управляемых модульных систем и приборов; • интерфейсы сетей передачи данных и др. Мы предполагаем здесь рассмотреть внутренние интерфейсы (шины); внешние интерфейсы (порты); интерфейсы процессоров', а
4.1. Коммутаторы. Классификация интерфейсов 335 также сетевые интерфейсы; интерфейсы мониторов рассмот рены далее (см. гл. 5). Различные микросхемы и устройства, образующие компью- тер, должны быть соединены дру] с другом таким образом, что- бы они имели возможность обмениваться данными к были целе- направленно (системно) управляемыми. Эта проблема решается путем применения унифицированных шин. Используется набор проводников (на системной плате это печатные проводники), к которым подключены ра шемы — гнезда (socket) или слоты (slot). В слоты расширения могут вставляться платы аматеров (кон- троллеров) отдельных устройств и, что особенно важно, новых устройств. Таким образом, любой компонент, вставленный в слот, может взаимодействовать с каждым подключенным к шине компонентом ЭВМ Шина представляет собой набор проводников (линий), со- единяющих различные компоненты компьютера для подвода к ним питания и обмена данными. В минимальной комплектации шина имеет три типа линий: • управления; • адреса; • данных. Обычно системы включают два типа шин: • системная шина, соединяющая процессор с ОЗУ и кэш-па- мятью 2-го уровня; • множество шин ввода-вывода, связывающие процессор с различными периферийными устройствами. Последние со- единяются с системной шиной мостом, который встроен в набор микросхем (chipset), обеспечивающий с’д нкциониро- вание процессора (рис. 4.4) Системная шина при архитектуре DIB (Dual independent hus) физически разделена на две: • первичная шина (FSB. Frontside bust, связывающая про- цессор с ОЗУ и ОЗУ с периферийными устройствами; • вторичная шина (BSB, Backside bus) для связи с кэш-па- мятью Использование двойной независимом шины повышает про нзводительность за счет возможности для процессора параллель- но обращаться к различным уровням памяти. Обычно термины «FSB» и «системная шина»- используют как синонимы. Следует отметить, что терминоло!ия, используемая в различ ных источниках для описания интерфейсов, не является вполне
336 Глава 4. Интерфейсы Вторичная шина ЦП Мост Backside bus Системная шина Вторичная кэш- память (L2) Опера- тивная память Первичная шина Frontside bus (FSB) — Шины ввода- вывода Перифе- рийные устройства Рис. 4.4. Системные интерфейсы и интерфейсы ввода вывода однозначной и ясной. Системная шина часто упоминается как «главная шина», «шина процессора» или «локальная шина». Для шин ввода-вывода используются термины «шина расширения», «внешняя шина», «хост-шина» и опять же — «локальная шина» 4.2 Внутренние интерфейсы Интерфейсы, характеристики которых приводятся в табл. 4.2, относятся к внутренним Таблица 4.2. Основные характеристики внутренних интерфейсов Стандарт Типичное применение, особенности Пиковая пропускная способность Примечания ISA Звуковые карты, модемы От 2 до 8.33 Мбайт/с Практически не используется на чинаяс 1999i FISA Сети, адаптеры SCSI 33 Мбайт/с Пракп-чески не используется, за- мешается PCI pci Графические карты, адап- теры SCSI, звуковые каоты новых поколений 133 Мбайт/с (32-битовая шина с частотой 33 МГц) Стандарт для периферийных уст- ройств PCI X Увеличенная скорость 1 Гбайт/с (64-битовая шина с частотой 133 МГц) Расширение РО гоедложенное IBM HP, Compaq Увеличена ско- рость и количество устройств PCI Express П «ледовательный интерфейс До 16 Гбайт/с Разработка «интерфейса 3-го по- коления» (Third generation Input/Output - 3GI0) может заме нить AGP. Последовательная шина
4.2. Внутренние интерфейсы 337 Окончание табл. 4.2 Стандарт Типичное применение, особенности Пиковая пропускная способность Примечания AGP Графические карты 528 Мбайт/с 2-x-mode (2-х графические карты) Стандарт для intet-PC начиная с Pentium II сосуществует с PCI AGPDRO ЗО-графика ВС • Мбайт/с (4-x-mode) Поддерживает видеокарты, тре- бующие мощность до 100 Вт (AGP-до 25 Вт) Шина ISA ISA BUS (Industry Standard Architecture) — стандартные шины IBM XT (8 бит) и Al (lb биг). Шина XT характеризуется следующим образом (рис. 4 5, а): • 8-битовая шина данных; • 20-битовая шина адреса, что позволяет адресоваться к 2м бит (1 Мбайт) памяти; • три канала прямого доступа к памяти (DMA); a б е Рис 4.S, Разъемы шин ISA (о), FISA (б) и MC A (в)
338 Глава 4. Импи рфейсы • 1 актовая частота 8 Ml и; • пропускная способность 4 Мбайт/с; • 62-контакт ный разъем. Шина Х7 поддерживает цен грализованный метод арбитража, для чего в ней имеются общие линии запроса и ответа. Для. обеспечения арбитража всем устройствам присваивается фикси рованный уровень приоритета. В настоящее время XT практиче- ски не применяется. Шина АТ.Ъ компьютерах IBM PC/AT шину расширили до 16 бит данных и 24 бит адреса. В таком виде она существует и поныне как самая распространенная шина для периферийных адаптеров. Параметры шины АГ: 6-битовая шина данных; • 24-битовая шина адреса, что позволяет адресовать 16 Мбайт памяти; • 8 каналов прямого доступа (DMA); • тактовая частота 8— 16 МГ ц. Максимальная скорость передачи данных составляет 8 Мбайг/с (8 МГн х16 бит - 28 Мбит/с. 128 Мбит/с / 2 (передача данных требует ог 2 до 8 тактов) = 64 Мбит/с = 8 Мбайт/с). Для шины ISA выпускаются два типа плат расширения — 16- и 8-разрядные. Шина ISA то сих пор используется (в компьюте- рах на i286. 1386 и в части i486, а также в более современных, где она комбинируется с шиной PCI). Шина EISA (Extended Industry Standard Architecture) Шина EISA (рис. 4 5, б) явилась «асимметричным ответом') производителей клонов PC на попытку IBM поставить рынок под свой контроль 1 ivtcm выпуска MCA (см. ниже). В сентябре 1988 г. производители компьютеров — Compaq, Wyse, AST Research, Tandy, He-wlei t-Packard, Zenith, Olivetti, NEC и Epson — предста- вили совместный проект 32 разрядного расширения шины ISA с полной обратной совместимостью. Основные характеристики этой шины: • 32-разрядная передача данных, • максима шная пропускная способность 33 Мбайт'с; • 32-разрядчая адресация памяти (позволяет адресовать до 4 Гбайт): • поддержка многих активных устройств (bus master):
4.2. Внутренние интерфейсы 339 • возможность задания уровня двухуровневого (edge-trig- gered) прерывания (что позволяло нескольким устройствам использовать одно прерывание, как и в сл)чае многоуров- невого (level-triggered) прерывания); • автонастройка плат расширения. Главное преимущество по сравнению с MCA — совмести- мость с ISA и соответственно возможность использования мно- гочисленных плат адаптеров, разработанных для ISA Из других особенностей шины укажем сохранение прежней площади сис- темной платы и установку на ней до 15 разъемных соединителей расширения системы Шина EISA продолжает успешно использоваться в персо- нальных компьютерах, однако во многих случаях заменяется на локальные шины РС1 и VLB Шина MCA MCA — микроканолъноя архитектура (MicroChannel Archi- tecture) — была введена в пику конкурентам фирмой IBM для своих компьютеров PS/2 начиная с модели 50 (рис. 4.5, в). Эта шина не обладала обратной совместимостью с ISA/E1SA и дру- гими адаптерами, но содержала ряд передовых для своею време- ни решений. • 8/16/32-разрядную передачу цанных; • пропускную способность 20 Мбайт/с при частоте шины 10 МГц; • поддержку нескольких активных устройств. Работу коорди- нирует устройство, называемое арбитром шины (САСР Central Arbitration Control Point). При распре целении функ- ций управления шиной арбитр исходит из уровня приорите- та, которым обладает то или иное устройство или операция Если устройству необходим контроль над шиной, оно сооб- щает об этом арбитру. При первой возможности (после обработ- ки запросов с более высокими приоритетами) арбитр перелает ему управление шиной. Вне системы приоритетов обслуживают- ся только немаскируемые прерывания (NM1 — non-maskable interrupts), при возникновении которых управление немедленно перелается процессору При всей прогрессивности архитектуры (относительно ISA) шина MCA не пользуется популярностью из-за узости круга
340 Глава 4. Интерфейсы производителей MCA-усгройств и несовместимости их с массо- выми ISA-системами. Оцнако MCA еще находит применение в мощных файл-серверах, где требуется обеспечение высокона- дежного производительного ввода-вывода. MCA против EISA. Сразу же после выхода шины EISA нача- лась «шинная война», причем это была война не столько междз архитектурами (они обе ушли в прошлое), сколько за контроль IBM над рынком персональных компьютеров. Эту войну корпо- рация проиграла, хотя архитектура MCA по заложенным техни ческим решениям и перспективам развития выглядела предпоч- тительнее. Сравнительная характеристика двух шин приводится в габл. 4.3. Таблица 4.3. Характеристики шин EISA и MCA Параметр MCA FSA Пропускная способность, Мбайт/с 20 33 Способ передачи данных Асинхронный Синхронный Размер карты (длина х ширина), мм 292,1 х 88,2 333,5x 127,0 Поскольку поверхность карты EISA в 1.65 раза больше, а адаптер EISA мог дот реблять более чем в 2 раза больше мощно- сти, чем адаптер MCA, выпускать периферию поп EISA оказа- лось проще и дешевле. Кроме того, в «шинной войне», как и вез де, присутствует «рука Intel». В стремлении освободить рынок для новых процес- соров i80386 и i80486, Intel выпускала EISA-чипсеты, не поддер- живающие процессор i80286, в то время как шина MCA пре- красно работала и на компьютерах с i80286 Таким образом, пер- спективная разработка IBM так и осталась перспективной разработкой, но и шина EISA не получила широкою распро- странения — к тому времени, когда потребности компью-'-ероБ среднего уровня перерос щ возможности шины ISA, разработчи- ки переш. 1И, минуя EISA, к локальны м шинам. Локальные шины VLB и PCI Попытки улучшить системные шины за счет создания шин MCA и EISA имели ограниченный успех и кардинальным обра зом не решали проб темы. Все описанные ранее шины имеют об-
4.2. Внутренние интерфейсы 341 щий недостаток — сравнительно низкую пропускную способ- ность, поскольку они разрабатывались в расчете на медленные процессоры В дальнейшем быстродействие процессора возрас- тало, а характеристики шин улучшались в основном экстенсив- но, за счет добавления новых линий. Препятствием для повыше- ния частоты шины являлось огромное количество выпущенных плат, которые не могли работать на больших скоростях обмена (MCA это касается в меньшей степени, но в силу вышеизложен- ных причин эта архитектура не играла заметной роли на рынке). В то же время в начале 90-х гг. в мире персональных компьюте- ров произошли изменения, потребовавшие резкого увеличения скорости обмена с устройствами: • создание процессоров Intel 80486. работающих на частотах до 66 МГц; • увеличение емкости жестких дисков и создание более бы- стрых контроллеров; • активное продвижение на рынок графических интерфейсов пользователя привели к созданию новых графических адаптеров, поддерживающих более высокое разрешение и большее количество цветов (VGA и SVGA). Очевидным выходом из создавшегося положения является следующий — осуществлять часть операций обмена данными, требующих высоких скоростей, не через шину ввода/вывола а через шину процессора, примерно так же, как подключается внешний кэш. При этом шина работает с частотой, соответст- вующей тактовой частоте процессора. Передачей данных управ- ляет не центральный процессор, а плата расширения (мост), ко- торый высвобождает микропроцессор для выполнения других работ. Локальная шина обслуживает наиболее быстрые устройст- ва: память, дисплей, дисковые накопители, при этом обслужива- ние сравнительно медленных устройств — мышь, модем, прин- тер и др — производится системной шиной типа ISA (FISA). Такая конструкция получила название локальной шины (Local Bus) — рис. 4.6. Локальная шина не заменяла собой прежние стандарты, а пополняла их. Основными шинами по-прежнему оставались ISA или EISA, но к ним добавлялись один или несколько разъемов (слотов) локальной шины Первоначально эти разъемы исполь- зовались почти исключительно для установки видеоадаптеров, при этом к 1992 г. было разработано несколько несовместимых между собой вариантов локальных шин, исключительные права
342 Глава 4. Интерфейсы Частота PCI Рис. 4.6. Локальные шины на которые принадлежали фирмам-изготовителям. Отсутствие стандарта сдерживало распространение локальных шин, поэтому ассоциация VESA (Video Electronic Standard Association), пред- ставляющая более 100 компаний, предложила в августе 1992 г. свою спецификацию локальной шины. Локальная шина VESA (VL bus, VLB). Исторически появилась первой и была создана специально для лучшего микропроцессо- ра того времени 480DX/2. В зависимости от используемого цен- трального процессора тактовая частота шины может составлять от 20 до 66 МГц. Стандарт шины VL 1.0 поддерживает 32-разрядный тракт данных, но его могут использовать и 16-разрядные устройства. Стандарт 2.0 рассчитан на 64-битовую шину в соответствии с новыми процессорами. Спецификация 1.0 О1раничена частотой 40 МГц, а 2.0 — 50 МГц. В спецификации 2.0 шина поддержи- вает до 10 устройств, 1.0 — только три. Устойчивая скорость пе- редачи составляет до 106 Мбайг/с (для 64-разрядной шины - до 260 Мбайт/с). Шина VLB явилась шагом вперед по сравнению с ISA как по производительности, так и по дизайну. Одним из преимуществ шины являлось то, что она позволяла создавать карт ы, работаю- щие с существующими чипсетами и не содержащие большого количества схем дорогостоящей управляющей логики. В резуль- таге VL-карты получались дешевле аналогичных EISA-карт Не- смотря на недостатки, VL-bus была несомненным лидером на рынке, так как позволяла устранить узкое место сразу в двух подсистемах — видеоподсистеме и подсистеме обмена с жест ким диском Однако лидерство было недолгим, поскольку корпора- ция Intel разработала свою новинку — шину PCI.
4.2. Внутренние интерфеш ы 343 Шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus). Pa зработка шины PCI началась весной 1991 г. как внутренний нроекг кор- порации Intel Специалисты компании поставили перед собой цель разработать недорогое решение, котовое бы позволило пол- ностью реализовать возможности нового поколения процессоров 486/Pentium/P6. Особенно подчеркивалось, что разработка про- води дась «с нуля», а не была попыткой установки «заплат» на существующие решения. В результате шина PCI появилась в июне 1992 г. (R1.0). Разработчики Intel отказались от использо- вания шины процессора и ввели еще одну «антресольную > (mezzanine) шину. При разработке шины в ее архитектуру были заложены передовые технические решения, позволяющие повы- сить пропускную способность (рис. 4.7). Основные возможности шины следующие: • синхронный 32- или 64-разрядный обмен да, 1ными (64-раз- рядная шина в настоящее время используется только в Alpha системах и серверах на базе процессоров Intel Хеоп). При этом дтя уменьшения числа контактов (и стоимости) используется мультиплексирование, т. е. адрес и данные пе- редаются но одним и тем же линиям: • частота работы шины 33 или 66 МГц (в версии 2.1) позволяет обеспечить широкий диапазон пропускных способностей (с использованием пакетного режима) — 132 Мбайт/с Рис. 4.7. Компьютерная архитектура с использованием PCI
344 Глава 4. Инт рфеисы (32-бит/33 МГп); 264 Мбайт/с (32-бит/66 MI ц); 264 Мбайг/с (64-бит/ЗЗ МГц); 528 Мбайт/с (64-бт/66 МГц) При этом для работы шины i ia частоте 66 МГн необходимо, чтобы все периферийные устройства работали на этой частоте; • полная поддержка многих активных устройств (например, несколько контроллеров жестких дисков могут одновре- менно работать на шине); • спецификация шины позволяет комбинироват ь до восьми функций на одной карте (например, видео, зв)к и т. д.) (рис. 4.8); Известны также более поздние разновидности — PCI-Х и PCI-Express, кроме того, к данному типу от носится и PC MC'IA — стандарт на шину для ноутбуков. Она позволяет подключать рас- ширители памяти, модемы, контроллеры дисков и стримеров, SCSI-адап геры, сетевые адап геры и др. PCI-X. PCI-Х не только увеличивает скорость PCI-шины но также и число высокоскоростных слотов. В обычной шине PCI слоты работают на 33 МГц, а олин слот может работать при 66 МГц. PCI-Х удваивает производительность стандарта PCI, поддерживая один 64 битовый слот на частоте 133 Ml ц а об- щую производительность увеличивает до ] Гбайт/с. Новая спе- цификация также предлагает расширенный протокол дня ; вели- чения эффективност и передачи данных и т про_т ить электриче- ские требования. PCI Express. В отличие от предшественников, РС1 Express — последовательный ин герфейс. Последовательная шин ная архитектура обеспечивает большую полосу пропускания на один контакт, чем параллельная шинная архитектура, и легко адаптируется к более широким полосам пропускания. Посчедо- Разъем 32-разрядной шины PC! с напряжением питания 5 В 8 8 | 5 g g | > Разъем 32-разрядной шины PCI с напряжением питания 3,3 В Рис 4 8. Разъемы шины РС1 (а), типичное PC I устроис тво (б)
4.2, Внутренние интерфейсы 34э вательные интерфейсы создают сеть выделенных двухточечных связей между устройствами, а не многоточечную схему, исполь- зуемую в параллельной шинной архитектуре. Это устраняет по- требность в шинном арбитраже, обеспечивает низкое время ожи- дания и очень упрощает «горячее» подключение-отключение системных ус гройств. Ожидае гея, что одним из последствий это- го будет сокращение площади платы на 50 % Архитектура PCI Express обеспечивает полную полосу пропускания 16 Гбайт/с — достаточную, чтобы поддерживать требования систем связи в обозримом будущем. Предпола) ае гея, что PCI Express в конечном счете сможет заменить в чипсетах контроллер внешних устройств «southbridge» (соединяет проиессор с внешней средой). Э го не повлияет на функции контроллера оперативной памяти «northbridge». AGP (Accelerated graphics port) Несмотря на разрядность и скорость шины РС1. оставалась задача, которая выходила за пределы сс возможное гей — передача графической информации. Если адаптер CGA (4 - 22 цвета, эк- ран 320 х 200 точек, частота 60 Гц1 требует пропускную способ- ность 2 х 320 х 200 х 60 = 7 680 000 бит/с = 060 Кбайт/с, то адаптер XGA (216 цветов, экран 1024 х 768 пикселей, частота 75 Гц) требу- ет 16 х 1024 х 758 х 75 - 9 433 718 400 бит/с « 118 Мбайт/с. В го же время пиковая пропускная способность РС1 составляла ло 132 Мбайт/с. Фирмой Intel было предложено решение в виде AGP — Accelerated graphics port (порт ускоренною графическо о выво- да). Появление шины AGP в начале 1998 г было своеобразным прорывом в области обработки графики. При частоте шины в 66 МГ н она была способна передава гь два блока данных за один такт. Пропускная способность шины составляет 500 Мбайт/с (V2.0) при двух режимах работы — DMA и Execute. Н 1 сего- дняшний день существует стандарт AGP 4-х (поддержу ваг мый новыми чипсетами Intel и Via), позволяющий повысить пропу- скную способность до 1 Гбайт/с Схемы AGP взаимодействуют непоерс ственно d четырьмя источниками информации (Quadro рой acceleration, рис. 4.91 • процессором (кэш память 2 го уровня); • операт ивной памятью;
346 Глава 4. Интерфейсы Процессор Penlum Кэш L2 1 Гбайт/с Ядро процессора 528 Мбайт/с Текстуры . C113? Мбалт/с I/O I/O Рис. 4.9. Схема взаимодействия элементов с использованием AGP Графическая плата ранее помещалась здесь ОЗУ 528 Мбайт/с Схемы AGP 528 Мбайт/с • графической картой AGP. • шиной PCI. AGP функционирует на скорости процессорной шины (FSB). При тактовой частоте 66 МГц, например, это в 2 раза выше, чем скорость PCI и позволяет достигать пиковой пропу- скной способности в 264 Мбайт/с В графических картах, специ- ально спроектированных для AGP, передача происходит как по переднему, так и по заднему фронту тактовых импульсов ЦП. что позволяет при частоте 133 МГц осуществлять передачу со скоростью до 528 Мбайт/с (называется «2-х графика») В даль- нейшем была выпушена версия AGP 2.0, которая поддерживала «4 х графику», или четырехкратную передачу данных за один такт ЦП Контроллер HyperTransport Фирмой AMD (процессор Hammer) была предложена архи- тектура Гипертранспорт (HyperTransport), обеспечиваюшая внут- реннее соединение процессоров и элементов чипсета для орга- низации многопроцессорных систем и повышения скорости пе- редачи данных более чем в 20 раз.
4.2. Внутренние интерфейсы 347 Устройства, связываемые по шине Hyper Transport, соединя- ются по принципу «точка—точка» (peer-to-peer), что подразуме- вает возможность связывания в цепочку множества устройств без использования специализированных коммутаторов. Пропускная способность шины HyperTransport меняется от 200 Мбайт/с при использовании частоты 200 МГц и двух 2-битовых каналов до 12,8 Гбайт/с при использовании тактовой частоты 800 МГц и двух 32-битовых каналов. К контроллерам интерфейса Рис. 4.10. Интерфейс HyperTransport Как видно из рис. 4.10, при этом множество контроллеров Northbridge (каждый поддерживающий несколько ЦП через стандартную шину EV6) связываются через высокоскоростную шину. Микросхемы Northbndge могут соединяться с контролле- рами Southbridge, AGP или другими контроллерами интерфейса, используя ту же самую шину HyperTransport. Интерфейсы центральных процессоров Способность ПК поддерживать множество различных интер- фейсов, допускающих подключение различных классов добавоч- ных компонент, составляющих и периферийных устройств, была
348 Глава 4. Интерфейсы одной из основных причин его быстрого успеха, ключом к кото- рому была стандартизация Основа системы — процессор — не является исключением в этом смысле. Политика Intel с момента создания в начале 1990-х гг. процессоров OverDrive, которые были фактически предназначены для целей обновления, требовала, чтобы интер- фейс, которым они были связаны с системной платой, был стан- дартизирован. Это, однако, позволило конкурирующим изгото- вителям проектировать и разрабатывать процессоры, способные работать в той же самой системе. ' В сущности ЦП — плоский квадратный слой кремния со схе- мами, выгравированными на его поверхности. Эют элемент ук- репляется на основе — керамической или пластмассовой, — обра- зуя пакет с контактами, выполненными или по плоской нижней стороне или по одному из краев. Пакет ЦП связан с системной платой через разъем некоторой формы — гнездо (Socket) в первом и слот (Slot) во втором случае Длительное время в ос- новном использовался разъем типа гнездо. Затем оба главных из- готовителя ПК (Intel и AMD) переключились на стиль слота. После от носитепьно короткого периода времени они оба опять перешли к разъемам гнездо Socket 7, 8. Ранние процессоры — 386. 486. классический Pentium и Pentium ММХ представляли собой плоский квадрат- ный пакет с массивом выводов-штырьков на нижней стороне, называемым матрицей выводов (Pin Grid Array, или PGA), который предполагает включение в гнездо на системной плате. Самым ранним таким интерфейсом, для которо! о было спроек- тировано много системных плат, работающих и по сей день (по- тому что эт им поддерживались центральные процессоры различ- ных изготовителей), является Socket 7. Первоначально разрабо- танный Intel как преемник Socket 5, он имел тот же самый размер, но другие электрические характеристики, включая сис- темную шину, с частотой 66 МГц. Socket 7 был интерфейсом, ис- пользуемым оольшинством систем Pentium — от 75 МГц и более Socket 8 был разработан для ЦП Pentium PRO в конце 1995 г и специально ориентировался на необычную прямоугольную форму пакета. Чтобы размещать кэш второго уровня в пакете (но не в ядре процессора), на плате пришлось устанавливать дс трех отдельных схем. Сложное расположение оказалось чрезмер- но дорогим для производства, которое было довольно быстро прекращено. 1
4.2. Внутренние интерфейсы 349 Slot I, 2. С введением ЦП Pentium II Intel переключилась к намного более дешевому решению упаковки чипов, которые со- стояли более чем из одного кристалла — SEC (Single edge contact cartridge). Ila картридже SEC размещены шесть отдельных уст- ройств: процессор, четыре модуля пакетной статической к эш-па- мяги второго уровня и один модуль дополнительной памяти. Кэш-память работала с половинной частотой ЦП. SEC-картридж имеет важные преимущества — разъем Pentuim Рго содержит 387 контактов, в то время как SEC — только 242. Это сокращение числа контактов на треть произошло вследст вие то о. что SEC-картридж содержит дополнительные дискретные компонен- ты — резисторы-терминаторы и конденсаторы, которые обеспе- чивают разъединение сигналов, что привозит к уменьшению ко- личества требуемых контактов напряжения питания. Картридж имел разъемы, выполненные по одному из его краев, что позволяет устанавливать его перпендикулярно сис- темной плате— подобно тому, как графическая или звуковая плата устанавливается в слот расширения. Данный интерфейс известен как Slot 1. Процессор Pentium II Хеоп имел кэш-память второго уровня, работающую на полной тактовой частоте ЦП. Это требовало бо ть- шего теплорассеяния. что в свою очередь привело к большей вы- соте картриджа. Решением был Slot 2, коп »рый также имел больше соединителей, чем Slot 1, что давало возможность поддерживать многопроцессорный протокол, а также ряд други х преимуществ. Super 7. Копа фирма Intel прекрат и та выпускать Ц11 Pen- tium ММХ в середине 1498 г., она фактически полностью оста- вила поле применения Socket 7 своим коню рентам, преимуще- ственно AMD и Cyrix. Ра (работай ная AMD и ключевыми партнерами, архитектура платформы "Super 7» усилила возможности Socket 7. добавив поддержку для шинны к интерфейсов с частотой 100 и 95 МГц. а также AGP-спецификаиию и другие ведущие технологии, вклю- чая SDRAM на 100 МГц. LJSB. Liitra DMA (Direct memorv access'^ и ACPI. Процессор AMD Кб-2 (запушенный в конце мая 1998 г.) об- ладал значительными архитектурными преимуществами, исполь зовап проитвоцг гвенную технологию 250 нм и соответствовал спецификациям Super 7. Slot А. При выпуске ЦП Athlon в середине 19Q9 j AMD та кже псрешпа от разъема «гнездо» к ра гьему слот», в данном спучае —
350 Глава 4. Интерфейсы Slot А Физически идентичный разъему Slot 1, он использовал со- вершенно другой протокол (первоначально созданный DEC под наименованием EV6), который организует передачу между ОЗУ и ЦП через первичную системную шину (FSB) на частоте 200 МГц. Slot А содержал модуль регулятора напряжения (Voltage regulator module — VRM), возла!ая на ЦП обязанность устанавливал ь пра- вильное рабочее напряжение (в случае использования Slot А ЦП может работать в диапазоне между 1,3 и 2,05 В) Socket 370. В начале 1999 г. Intel возвращается к архитектуре интерфейса «гнездо» с началом выпуска процессоров Pentium Celeron. Это квадратный пакет PGA. имеющий 370 контактов (Socket 370). Действительно, Intel — не единственный изготови- тель, который производил центральные процессоры, которые требуют Socket 370, Cyrix Mill (VIA СЗ) также использовал их. Внезапный отказ от Slot 1 в пользу Socket 370 вызвал потреб- ность в адаптерах, чтобы можно было ЦП с интерфейсом PGA использовать в системных платах типа Slot 1. К счастью, про- мышленность нашла ответ, и начали выпускаться адаптеры (конвертеры) «Slot 1 — Socket 370». Первой была фирма Abit с ее оригинальным адаптером «Slot КЕТ». Если необходимо, эти кон- вертеры не только обеспечивают соответствующие соединения, но также и преобразуют напряжение. К сожалению, пользователям причинило значительное не- удобство введение Intel через некоторое время двух вариантов Socket 370 — FC-PGA (flip-chip pin grid array) и FC-PGA2 — для использования с процессорами Pentum III «Coppermine» и «Tualatin», соответственно. Преимущество этих пакетов состоит в том, что самая нагревающаяся часть чипа расположена на плос- кости, удаленной от системной платы, что улучшает рассеяние тепла Пакет FC-PGA2 добавляет интегральный рассеиватель те- пла, что еще более усиливает теплоотвод. В то время как FC-PGA и FC PGA2 являются механически совместимыми с разъемом Slot 370. электрически они несовместимы и поэтому требуют раз- личных системных плат. Например, процессоры FC-PGA требу- ют системных плат, которые поддерживают спецификацию VRM 8.4 (стабилизация напряжения ±0,05 В), в то время как FC-PGA2 процессоры требуют поддержки более поздней спецификации VRM 8.8 (±0,02.5В). Socket А. Подобно Slot 1. Slot А фирмы AMD также недолго просуществовал. С появлением ядер процессора Athlon «Thunder- bird» и «Spitfire», AMD также вернулась к пакетам стиля PPG А —
4.2. Внутренние интерфейсы 351 для нового семейства процессоров Athlon и Duron. Они соединя- ются с системной платой через интерфейс AMD, названный Socket А. Он имеет 462 контакта, из которых 453 используются ИП. и поддерживает как шину EV6 (200 МГц), так и ее модифи- кацию на 266 МГц. Выпущенные впоследствии AMD процессо- ры Athlon «Palomino» и «Morgan» также совместимы с ним. Socket 423, 478. С выпуском Pentium IV в конце 2000 г. Intel представила другой разъем, а именно Socket 423. Показательный для тенденции развития процессоров в сторону уменьшения по- требляемой мощности, разъем PGA-стиля имеет эксплуатацион- ный диапазон модуля регулировки напряжения (VRM) между 1,0 и 1,85 В. Socket 423 использовался только несколько месяцев, когда Intel объявила о выпуске нового разъема Socket 478. Основное различие между ним и его предшественником — используется гораздо более плотный формат расположения контактов, извест- ный как интерфейс pPGA (микроматрица выводов), который позволяет уменьшить как размер ЦП, так и пространство, зани- маемое разъемом интерфейса на системной плате. Разъем 478 был предназначен для ядра Pentium IV «Northwood», выпущен- ного в начале 2002 г. с использованием технологического про- цесса 0,13-микрон (130 нм). Табл. 4.4 идентифицирует все основные интерфейсы ЦП со времен Socket 1, первого разъема OverDrive-процессоров, ис- пользуемого процессорами Intel 486 в начале 1990-х ir. Таблица 4.4. Характеристики интерфейсов процессоров Наимено- вание Разъем (число контактов) Описание Socket 1 169 Устанавливался на системных платах 486 напряжение 5 В, поддерживае1 486 чипсет, а также OverDrive Socket 2 238 Минимальное обновление Socket 1. поддерживает ге же схемные элемен- ты, а также Pentium OverDrive Socket 3 237 Рабочее напряжение 5 В, но может работать также при 3,3 В, перекпючате ли размещены на системной плате. Поадерживает все схемы Socket 2, так- же 5x86 Socket 4 273 Первый разъем, спроектированный для процессоров Pentium. Рабочее на- пряжение 5 В, а следова_ельно только для Pentium-60/66 Начиная с Pentium-75 Intel переходит к напряжению 3,3 В Socket 5 320 Работает при 3,3 В и поддеоживаст Pentium от 75 до 133 МГц
352 Глава 4. Интерфейсы Окончание табл. 4 4 Наимено- вание Разьем (число контактов) Описание Socket 6 235 Разработан для процессоров 486, улучшенная версия Socket 3, напряжение 3,3 В. Использовался мало, поскольку появился в тот период, когда 486-е начали вытесняться процессором Pentium Socket? 321 Разработан для Pentium ММХ, используется для всех клонов Pentium с час- тотой шины 66 МГц Sockets 387 Использовался только в Intel Pentium Pro, из-за дороговизны быстро вышел из употребления Slot 1 242 Поддерживается кэш-память L1 до 512 Кбайт, состоящая из двух по 256 Кбайт, оперирует на половинной частоте ЦП. Использовался для ЦП Pentium II, Pentium III и Celeron Slot 2 330 Аналогичен разъему Slot 1, однако может поддерживать до 2 Мбайт кэш-па- мяти, работающей на частоте ЦП. Использовался для Pentium 11/111 Хеоп Slot A 242 Разработан для AMO Athlon, механически совместим с разъемом Slot 1 «о поддерживает совершенно другие электрические цепи Socket 370 370 Заменяет Slot 1 для ЦП Celeron с 1999 г. Также используется для ЦП Pentium III Coppermine и Tualatin в вариантах, известных как FC PGA и FC-PGA2 соответственно Socket A 462 Разработан для процессора AMD Athlon (Thunderbird), который содержал на кристалле кэш память L2 Socket 423 423 Введен для удовлетворения новых требований Penbum i\l, который содержи- совершенно новую системную шину (FSB) Включает теплорассеиватель Socket 603 603 Предназначен для Pentium IV. Дополнительные контакты ориентированы на ЦП, которые будут содержать на кристалле кэш-память а также для год- клю'юния других процессоров в мультипроцессорных системах Socket 478 478 Разработан для под держки технологий 0,13-мкм для ЦП Pentiim IV Northwood в 2002 г. Используется технология pPGA (micro Pin Grid Array) 4-3. Интерфейсы периферийных устройств Рассмотрим наиболее распространенные интерфейсы пери- ферийных устройств. Интерфейс IDE и его разновидности IDF (Integrated Device Electronics) интерфейс устройств сс встроенным контроллером (рис 4.11, 4,12). При создании этого интерфейса разработчики ориентировались на подключение лис-
4.3. Интерфейсы периферийных устройств 353 Накопитель на МЛ, CD-ROM или Н КМД совместимый с E1DE сорместимык с EDE Рис. 4.11. Интерфейс EIDE Ри<. 4.12. Параллельный разъем AT VIDГ (а. б) последовательный разъем АТА (<?); разъемы на плате ( ') кового накопителя. За счет минимального удаления контро i iepa от диска существенно повышается быс гродействис Проблема накопитель компьютер состоит ю грех частей. Компьютер должен взаимодействова гь с контроплером (и наобо- рот), контроп пер цопжен оперировать данными и взаимодейст- вовать с цисковым накопителем (и наоборот). В свое время проб тема рассматривалась со всех трех сторон, что заставляло производи гелей накопи гелей выполнят ь всю ра-
354 Глава 4. Интерфейсы боту. Большая часть «интеллекта» для передачи данных между компьютером и дисковым накопителем была сосредоточена на плате контроллера и компьютера, поэтому при установке нового или замене старого накопителя требовалось обеспечить полную совместимость контроллера с новым жестким диском. Контрол- леры IDE существенно изменили ситуацию, так как в этом стан- дарте значительно большую роль стал играть контроллер на пла- те дисководного накопителя, поэтому фактический интерфейс между накопителем и компьютером стал относительно простым, Семейство интерфейсов накопителей IDE (Integrated Drive Electronics) пришло на смену интерфейсам ST506 и ESDI, ис- пользовавшимся для подключения жестких дисков к соответст- вующим контроллерам. В IDE впервые введена стандартная шина для обмена с контроллером за счет использования совме- щенной с диском специальной электроники для управления диском и этой шиной (отсюда и название интерфейса). Трансля- цию логических параметров в физические осуществляет электро- ника диска. В качестве синонима интерфейса IDE применяется термин АТА (AT Attachment). Физически интерфейс IDE реализован с помощью плоского 40-жильного кабеля, на котором размещаются ра зъемы для под- ключения одного или двух устройств. Общая длина кабеля не должна превышать 45 см, причем расстояние между разъемами должно быть не менее 15 см. Интерфейс IDE имеет первичный и вторичный каналы, к каждому из которых можно подключить два устройства, т. е. все- го их может быть четыре. Это может быть жесткий диск, CD-ROM или переключатель дисков. Спецификация Enhanced IDE. В целях развит ия возможностей интерфейса IDE компанией Western Digital была предложена его расширенная спецификация Enhanced IDE (синонимы E-IDE, Fast АТА, АТА-2 и Fast АТА 2), которая обрела затем статус аме- риканского стандарта ANSI под названием А1А 2 (рис. 4 13. табл. 4.5). Она содержит ряд нововведений: поддержку IDE-на- копителей емкостью свыше 504 Мбайт, поддержку в системе не- скольких контроллеров IDE и подключение к одному контрол- леру до четырех устройств, а также поддержку периферийных устройств, отличных от жестких дисков (приводов CD-ROM CD-R и DVD ROM. накопителей LS-120 и ZIP, магнитооптики, стримеров и т. п.). Расширение спецификации IDE для под- держки иных типов накопителей с интерфейсом IDE называют
4.3. Интерфейсы периферийных устройств 355 Передача данных передним фронтом импульса 120 нс Передача данных как передним, так и задним фронтами импульса 60 нс Рис. 4.13. Схемы временных диаграмм интерфейсов АТА-2 и АТА-3 (а); Ultra АТА (6); Ultra ЛТА/66 (в) Передача данных как передним, так и задним фронтами импульса также ATAPI (АТА Packed Interface). В Enhanced IDE также вве дены элементы распараллеливания операций обмена и контроля за целостностью данных при передаче. Таблица 4 5 Характеристики IDE/АТА интерфей! ов Характеристика АТА АТА-2 АТА-3 АТА-4 АТА-5 АТА-6 Максимальная пропускная способность, Мбайт/с 4 16 16 33 66 100 Количество соединений 2 2 2 2 на 1 кабел! 2 на 1 кабель 2 на 1 кабель Характеристики кабеля 1 40 кон- тактов 40 кон- тактов 40 кон- тактов 40 контактов 40 контактов, 80-жильный 40 контактов, 80 жильный 1 Контроль по CRC Нет Нет Нет Есть Есть Есть 1 Дата выпуска 1981 I994 1996 1997 1999 и 2С00 Ultra АТА. Следующим шагом в развитии интерфейса IDE/АТА явился стандарт Ultra АТА (он же Ultra DMA. АТА-33, DMA 33, АТА-3). Ultra АТА является стандартом де-факто ис- пользования самого быстрою режима DMA — mode 3, обеспечи- вающего скорость передачи данных 33,3 Мбайт/с. Для обеспече- ния надежной передачи данных по все тому же кабелю исполь- зуются специальные схемы контроля и коррекции ошибок, при этом сохраняется обратная совместимость с предыдущими стан- дартами — АТА и АТА-2. И наконец, интерфейсы Ultra АТА/66 и Ultra АТА/100, позволяюшие осуществлять передачу данных со скоростями 66 и 100 Мбайт/с соответственно. Интерфейс SCSI Интерфейс SCSI был разработан в конце 1970-х гг. организа- цией Shugart Associates. Первоначально известный под названием SASI (Shugart Associates System Interface), он после стандартиза-
356 Глава 4. Интерфейсы ции в 1986 г. уже под именем SCSI (читается «скази») стал одним из промышленных стандартов для подключения периферийных уст ройств — винчестеров, стримеров, сменных жестких и ма1 ни- тооптических дисков, сканеров, CD ROM и CD-R, DVD-ROM и г. п. (рис. 4 14) К шине SCSI можно подключить до восьми устройств, включая основной контроллео SCSI (или хост-адап- тер). Контроллер SCSI является по сути самостоятельным про- цессором и имеет свою собственную BIOS (которая иногда мо- жет размещат ься в BIOS материнской платы). Он выполняет все операции по обслуживанию и управлению шиной SCSI, освобо- ждая от этого центральный процессор. К шине Wide SCSI под- ключается до 15 устройств. Преимущество SCSI проявляется то- гда, когда несколько устройств работают одновременно с одной шиной, освобождая ее, когда она нс требуется. Интерфейс SCSI является пара тельным и физически пред- ставляет собой плоский кабель с 25-, 50-, 68-контактными разъ- емами лля подключения периферийных устройств. Шина SCSI содержит восемь линий данных, сопровождаемых линией кон- троля четности, и девять управляющих линий. Стандарт SCSI определяет два способа передачи сигналов: однополярный, или асимметричный ' Single ended), и дифф< ренциальный (Difieren- lial). В первом случае имеется один провод с нулевым потенциа- лом («земля»), относительно которою передаются сигналы пл линиям данных с уровнями сигналов, соот вот ствующими ТТЛ-логике. При дифференциальной передаче сигнала для каж- дой линии данных выделено два провода, и сигнал на этой ли- нии получается вычитанием потенциалов на их выходах. При Рис. 4.14. Адаптер SCSI (л), подключение устройств (б) б
4.3. Интерфейсы периферийных устройств 357 этом достигается лучшая помехозащищенность, что позволяет увеличить длину кабеля. Устройства SCSI также соединяются в виде цепочки (daisy chain), причем каждое устройство SCSI имеет свой адрес (SCSI ID) в диапазоне от 0 до 7 (или от 0 до 15). В качестве адреса платы контроллера обычно используется наибольшее значение SCSI ID — 7(15), адрес загрузочного диска SCSI ID равен 0, а второго диска — 1. Обмен между устройствами на магистрали SCSI опре- деляется нормированным списком команд (Common Command Set — CCS). Программное обеспечение для интерфейса SCSI не оперирует физическими характеристиками накопителя (т. е. чис- лом цилиндров, головок и т. д.), а имеет дело только с логически - ми блоками данных, поэтому в одной SCSI цепочке могут быть размещены, например, сканер, жест кий диск и накопитель CD-R. Опрос устройств производится контроллером SCSI сразу после включения питания. При этом для устройств SCSI реализовано ав- токонфигурирование устройств (Plug-n-play) по протоколу SCAM (SCSI Configured AutoMagically), в котором значения SCSI ID вы- деляются автоматически. Для стандартизированного управления SCSI-устройствами наиболее широко применяется программный интерфейс ASPI (Advanced SCSI Programming Interface). Характеристики SCSI. Существует более десятка различных версий интерфейса SCSI Наиболее существенные из них — SCSI-1, Fast SCSI Fast Wide SCSI, Ultra SCSI, Ultra 2 SCSI Основными характеристиками шины SCSI являются: • ширина — 8 или 16 бит («narrow» или «wide»); • тактовая частота шины; • физический тип интерфейса (однополярный, дифференци- альный, оптика). На скорое гь влияют в основном два первых параметра Обыч- но они записываются в виде приставок к слову SCSI (табл. 4 6) Таблица 4.6. Разновидности спецификации SCSI Наименование Характеристики | SCSI Общая часть названия. Иногда обозначает базовый интерфейс SCS< (шина 8 бит. скорость 5 МГц) | Fast или Fast-2 Скорость может достигать 10 МГн (иногда пиш\л FastSCSI-2) Ultra Скорость может достигать 20 МГц Ultra2 Скорость может достигать 40 Ml ц, не совместим с остальными Wide Шиоина шины увеличена до 16 бит
358 Глава 4. Интерфейсы Максимальную скорость передачи устройство—контроыер легко подсчитать. Для этого нужно взять частоту шины, а в слу- чае наличия приставки «Wide» умножить ее на 2. Например - FastSCSI — 10 Мбайт/с, Ultra2WideSCSI — 80 Мбайт/с. Терминаторы, разъемы. По типу сигналов различают линей- ные (Single Ended) и дифференциальные (Differential) версии SCSI, их кабели и разъемы идентичны, но электрической со- вместимости устройств между ними нет (табл. 4 7). Габлица 4.7. Разъемы интерфейса SCSI Общий вид Характеристики Внутренние Low-Density 50 pin - подключение внутренних narrow-устройств - HDD, CD-ROM, СГ R. МО ZIP (схо- ден с разъемом IDE, только на 50 контактов! High-Density 68-pin - подключение внутренних wide-устройств, в основном 'DD Внешние DB-25 - подключение гнешниг медтонны* устройсте в основном сканерг в 'Omega Zip Plus, наиб' nee pacni о- странен для Macintosh (сходен с разъемом модема) Low Density 50 р," или Certionics 50-pin - внешнет подключение сканеров, стриммеров, обычно SCSI-1 Hiph-Dens'ty 50-р‘п или Mie™ DB5C Mini ГВ5Г - стаи даптный внешний narrow-разъем Hign-Den: ty 68-| in или Mic о DB68, Mi™ DB68 - стан- дартный внешний wide-разъем High-Density 68-р 1 или Micro Centronics. ||Оименяыгч для внешнего подключе! и<> SCSI устройств Дифференциальная вепсия для каждого сигнала использует витую пару проводников и специальные приемо-передатчики, при этом становится допустимой большая суммарная длина ка- пе 1я, сохраняя высокую частоту обмена. Дифференциальный интерфейс применяется в мощных дисковых системах серверов, но в обычных ПК не распространен.
4.3. Интерфейсы периферийных j стройств 3 59 В линейной версии сигнал должен идти по своему одному проводнику, скрученному (или, по крайней мере, отдельному от другого в плоском шлейфе) с нулевым (обратным) проводом SCSI устройства соединяются кабелями в цепочку, на край- них устройствах подключаются терминаторы. Часто одним из крайних устройств является хост-адаптер. Он может иметь для каждого канала как вну тренний разъем, так и внешний. При одновременном использовании внешнего n bhj гренн. г< > разъемов хост-адаптера его терминаторы отключают. Коррект- ность использования терминаторов имеет существенное значе- ние — отсутствие одного из терминаторов или, наоборот, лиш- ний терминатор может привести к неустойчивости или потере работоспособности интерфейса. Кабели. Ассортимент кабелей SCSI довольно широк i т< б. ъ 4.8). Основные стандартизированные кабели: • А-кабель (табл. 4.9) — стандартный для 8-битного интерфей- са SCSI 50-проводпый внутренний шлейф (разъемы 1DC-50) или внешний экранированный (разъемы Centronics-50' • В-кабель — 16-битовый расширитель SCSI-2, распростра- нения не получил; • Р-кабель — 16-битовый SCSI-2/3 68-проводный с улучшен- ными миниатюрными экранированными разъемами, уни- версальными для внутренних и внешних кабелей 8-. 16 и 32-битовых версий SCSI (в 8 битовом варианте контак- ты 1—5, 31—39, 65—68 не используются); ратьемы для внешнего подключения выглядят как миниатюрный вари- ант Centronics с плоскими контактами, внутренние имею штырьковые контакты; • Q-кабель, 68-провочное расширение до 32 бит, использует- ся в паре с Р-кабелем; • кабель с разъемами D-25P — 8-битовый, стандартный дтя Macintosh, используттся на некоторых внешних устройст- вах (Iomega ZIP-Drive). Таблица 4 8 Скорое гь передачи данных длина и типы кабелей SCSI-1, SCSI -2 Шина, бит Ооычгди Fast | Жга Тип кабеля I 8 (Narrow) 5 Мбайт/с ЮМбаи /с 20 Мбайт/с А 16 (Wide) <0 Мбайт'с 20 Мбаит/с ЛП Мбайт/с Р 3? (Wide) 20 Мбайт/С ЛГ Мбайт .с 80 Мбайт/с А- РгО М: ксимя™. iaa дпина кабеля м 6 3 1.5 Линейный
360 Глава 4. Интерфейсы Таблица 4.9. Разъемы А-кабеля SCSI Контакт разъема Сигнал Ксчтак разъема Сигнал 1 GND 26 DBO# 2 GND 27 DB1 IT 3 CND 28 DB2# 4 GND 29 DB3# 5 GND 30 DB4# 6 GNP 31 DB5? 7 CND 32 DB6# 8 GND 33 DB '# 9 GNP 34 DBPanty# 10 GND 35 GND 11 GND 36 GND 12 iNP г " rvrJ 37 Reserved 13 Open 38 IE 1MPWF 14 Reserved 39 Pese'ved 15 GND 40 GND 16 GND 4f ATN# 17 GND 42 GND 18 GND 43 BSY# 19 GND 44 ACK# 20 GND 45 RST# 21 GND 46 rSG# 22 GND 47 SEI# 23 GND 48 C'D# 24 GND 49 RFQ# 25 GND 50 I/O# Возможны различные вариации кабелей переходников. Шина. Как и в шине PCI, в шине SCSI предполагается во ?- можн*1сть обмена информацией между любой парой усгройств Конечно, чаше всего обме н производится между хост алаг.гером и нерифепийными устройствами. Копирование данных между
4.4. Внешние интерфейсы 361 устройствами может производиться без выхода на системную шину компьютера. Здесь большие возможности имеют интеллек- туальные хост-адаптеры со встроенной кэш-памятью. В каждом обмене по шине принимает участие его инициатор (Initiator) и целевое устройство (Target). В табл. 4.10 приводится назначение сигналов шины. Таблица 4.10. Назначение сигналов шины SCSI Сигнал Источик (i - Initiatoi, T - Target) 11 Назначение DBx# - Инверсная шина данных < битами паритета TERMPWR - Питание терминаторов A.N# 1 Внимание BSY# I.T Шина занята REQ# T Запрос на пересылку данных ACK# 1 Ответ на REQ# RST# 1, T Сброс MSG# T Fa*gel передает сообщение SEL# 1/r Выбор (Select) целевого устройства инициатором или Reselect инициатора целевым устройством C/D# T Управление (0) / данные (1) на шине I/O# T Направление передачи относительно инициатора или фаза Selection (1) / Reselection t0) 4.4. Внешние интерфейсы Принтеры, модемы и другое периферийное оборудование подключаются к компьютеру через стандартизированные интер- фейсы. иногда называемые портами. В зависимости от способа передачи информации (параллельного или последовательного) между сопрягаемыми устройствами различают параллельные и последоват ельные интерфейсы. Распространенными являются интерфейс Centronics, обеспе чивающий радиальное подключение широкого Kpyia устройств с параллельной передачей информации, и RS-232. Данные тради- ционные интерфейсы в настоящее время вытесняются более бы- стродействующими — USB и FireWire (табл. 4 11).
362 Глава 4. Интерфейсы Таблица 4 11. Характеристики основных внешних интерфейсов Стандарт Год выпуска Первоначальная скорость МбиУс По< педовательный порт (RS 232) 1960 0 02 Параллельный порт(LPT। 1981 1.1 USB 1995 12 FireWire 1995 400 USB 2.0 2000 48С л AreWire 800 2001 85С Последовательный порт стандарта RS-232-C Обычно персональный компьют ер оборудован хотя бы одним последова голы [ым асинхронным адаптером (который располо- жен на системной плате либо оформлен в качестве сменной кар- ты), по-другому называемым последовательным портом RS-232-C Интерфейс RS-232-C разработан Е1А (Electronic Industries Asso-i ciation — Ассоциация производитечей электроники’) и является стандартом для соединения ЭВМ с различными последователь- ными внешними устройствами, в качес гве которых первоначаль- но выступали в основном терминалы и печатающие устройства В операционных системах компьют еров IBM PC каждому порту RS-232-C присваивается логическое имя СОМ1.—COM4:. В компьютере последовательные порты поддержи ваются прерыванием BIOS int 14h с функциями (h означает шестая-, дцатеричпое число): О Oh — инициализация; 01 h — вывод символа (без прерываний); 02h — ввод символа (без прерывании); ОЗЪ — опрос состояния модема на линии. Поспелова гечкная передача данных состоит в побитовой пе- редаче каждого байта цифровой информации, в форме кадра данных, содержащего сигнал начала передачи (StaiO. сигнал окончания передачи (Stop) и информационные биты (ри< 4 15) < Иногда используется контрольный биг Р, которому присваи-' вается такое значение, чтобы общее число единиц или нулей' было четным или нечетным Приемное устройство проверяет: к ир на четность и при несовпадении с ожидаемым значением.-
4. 4. Внешние интерфейсы 363 Стартовый бит Биты данных Бит четности Стоповые биты (Start) ____ ________(Parity)_ (Stop)____ I ST I о ] 1 I; I I | | I | p I SP I ----------------- Время ---------------► Рис. 4.15. Структура кадра данных при передаче байта информации в стандарте RS-232-C передает запрос о повторе передачи кадра. Бит (или биты) SP сигнализирует об окончании передачи байта. Использование (или нет) битов Р. ST, SP задает формат пе- редачи данных (кадра) на уровне RS-232. Принимающее и пере- дающее устройства должны применять одинаковые форматы. Установка формата данных может быть, например, выполне- на в MS DOS командой MODE вида MODE СОМп: BAUD=m, PARITY=X, DATA=y, STOP=z Здесь n — номер COM- порта — 1, 2, 3, 4; m — скорость пере- дачи данных в бод (количество передаваемых бит в секунду с учетом служебных бит — Р, ST, SP). Стандартные значения m — ПО, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200); х — контроль четности, наличие и тип (N — контроль отсут- ствует, О — нечетное число единиц, Е — четное). По умолча- нию — е; у — число бит в кадре (5, 6, 7, 8). По умолчанию — 7; z — число стоп-бш в кадре (1, 2). По умолчанию — 1 Основу последовательного порта составляет микросхема UART (Universal Asyncronous Receiver-Transmitter — универсаль- ный асинхронный приемопередатчик — Intel 16450/16550/ 16550А). UART содержит регистры (буферные, сдвиговые и др.) при- емника и передатчика данных. При передаче байта информации он вначале записывается в буферный регистр передатчика, затем в сдвиговый регистр, откуда выдвигается по битам для последо- вательной передачи по линии связи Обратный процесс проис- ходит при приеме данных. Разъем для подключения последовательного порта может со- держать 25 или 9 выводов (сооя ветственные обозначения — D25 и D9) — табл. 4.12. Только два провода этих разъемов использу- ются для передачи и приема данных. Остальные отведены для вспомогательных и управляющих сигналов, причем для соедине- ния различных типов устройств может потребоваться различное количество выводов разъемов
364 Глава 4. Интерфейсы Таблица 4.12 Структура разъемов интерфейса RS-232-C Ном“р кон- такта D-25 Принятое сокра- щение по RS-232 Номер кон- такта D-9 Содержание информации Вход или выход 1 АД - FG (Frame ground - Защитное (силсвое) зазем ление) - 2 ВА 3 TD Transmitted data - Передаваемые данные] ЬыХОд 3 ВВ 2 RD (Received data - Принимаемые данные] Вход 4 СА 7 RTS (Peaces' to send - Запрос для передачи) Выход 5 СВ 8 CTS (Clea- to send - Сброс для перед-.м) Вход 6 СС 6 DSR (Data sei ready - Готовность данных1 Вход 7 АВ 5 SG (Signal ground - Си пильное заземление] - 8 CF 1 DCD (Data carrier detect - Обнаружение пере- дачи данных) Вход 20 CD 4 DTR (Data terminal raady - Данные готовы к пе- редаче) Кыхо„ 22 СЕ 9 Rl (Ring indicator - Индикатор вызова) Вход При передаче цифровых (импульсных) данных на большие расстояния по обычным проводам начинают сказы Bai ься эф- фекты так называемых «длинных линий», впервые обнаружен- ные после прокладки трансатлантического кайепя для телеграф- ной связи Европа — Америка. Сигналы расплыв потея, наклады- ваются друг на друга, создают помехи и подвержены внешним помехам (рис. 4.16). Во избежание данных эффектов необходимо использование кабелей связи с высокими характеристиками, а также установка на линии электронных ус гройств, корректора ю- щих передаваемые сигналы (повторители модемы, см. далее) б Рис 4.16. И< кажение импульсных сигналов в длинных линиях: а — исхотный вид б — вит нт стороне приемника
4.4. Внешние интерфейсы 365 Официальное ограничение по длине соединительною кабеля по стандарту RS-232-C составляет 15,24 м. На практике это рас- стояние зависит от скорости передачи данных и может быть зна- чительно больше (табл. 4 13). Таблица 4.13. Параметры линии при непосредственной связи Скорость передачи, бод Максимум длины экранированного кабеля,м Максимум длины неэкранированно го кабеля, м Mi нее 300 1524 914 1200 914 914 2400 304 152 4800 304 76 9600 76 76 Параллельный порт Параллельный порт (Centronics) используется для одновре- менной передачи 8 битов информации. В компьютерах этот порт используется главным образом для подключения принтера, хотя это не исключает возможность подсоединения к нему др; гих уст- ройств, например графопостроителей или даже других ПЭВМ Параллельные порты компьютера обозначаются LPT1—LPT4, поддерживаются BIOS-прерыванием INT 17h: • 00h — вывод символа без аппаратных прерываний; • Olh — инициализация интерфейса и принтера; • 02h опрос состояния принтера. Конструктивно обычно оформлен в виде 25-кон гактного разъема типа D (DB25). Имеется восемь шин данных, для каждой шины данных своя линия заземления. Кроме того, имеются управляющие сшналы: • сигнал строба Strobe на контакте 1 сообщает принтеру, что текущая передача данных окончена, и принтер может печатать символ; • линия подтверждения готовности АСК на контакте 10. До тех пор, пока на этой линии высокий потенциал, компью- тер не посылает данных;
366 Глава 4. Интерфейсы • линия занятости Busy сигнализирует компьютеру о том, что принтер занят; • линия выбора Sei ect показывает, что принтер выбран (т. е. режим online); • линия автоматического перевода строки Fdxt; • линия ошибки Error — принтер сообщает об ошибке (на- пример, кончилась бумага); • линия ink — компьютер переводит принтер в то состоя- ние, в котором он находился после включения питания (т. е. начальное состояние); • линия Slctin — по этой линии компьютеру сообщается, готов ли принтер принимать данные (при низком уровне сигнала — готов, при высоком — нет). Хотя чаше всего параллельный порт применялся для переда- чи данных из компьютера в принтер, его можно использовать и для приема данных от внешнего устройства. Имеются программ- но-аппаратные средства, которые позволяют осуществить ввод. Параллельное соединение применяется на расстояниях не бо- лее 5 м, некоторые источники ограничивают расстояние 1—2 м; при увеличении длины параллельных проводов возрастает меж- проводная емкость, что приводит к перекрестным помехам, кро- ме того, растут материальные затраты на реализацию линии. Он располагается обычно на задней стенке компьютера как D-образная 25-контактная розетка. Там может также иметься D-образная 25-контактная вилка. Более новые параллельные порты выполнены в стандарте IEEE 1284, первая редакция которого вышла в 1994 г. Этот стан- дарт определяет пять следующих режимов работы: • совместимости; • тетрады; • байтов; • ЕРР (Расширенный параллельный порт); • ЕСР (Режим с расширенными возможностями). Цель состояла в том, чтобы проектировать новые драйверы и устройсл ва. которые были бы совместимы друг с дру] ом, а также обратно совместимы со стандартным параллельным портом (SPP). Режимы совместимости, тетрады и байта требуют только стандартных аппаратных средств, доступных на старых платах контроллеров параллельного порта, в то время как режимы ЕРР и ЕСР требуют дополнительных аппаратных средств, которые
4.4. Внешние интерфейсы 367 могут работать на больших скоростях и в то же время быть об- рат но совместимыми со стандартным параллельным портом. В режиме совмест имости, или «Centronics», можно посылать данные только в прямом направлении с типичной скоростью 50 Кбайт/с, иногда более 150 Кбайт/с. Для приема данных не- обходимо использовать режим тетрады или байта В режиме тет- рады можно вводить тетраду (4 бита) в обратном направлении (например, из устройства в компьютер). В режиме байта ис- пользуется свойство двунаправленности (реализованное только в некоторых платах) для ввода байта (8 битов) данных в обрат- ном направлении. Расширенные режимы параллельного порта используют дополнительные аппаратные средства для генерации и управле- ния подтверждением связи. Для вывода байта на принтер (или что-нибудь аналогичное) в режиме совместимости программное обеспечение должно: • записать байт в порт данных; • проверить, не занят ли принтер. Если принтер занят, он не будет принимать никаких данных, таким образом, любые записанные данные будут потеряны; • установить на Strobe (вывод 1) низкий уровень. Это сооб- щает принтеру, что на линиях данных имеются правильные данные (выводы 2—9); • вернуть на strobe высокий уровень приблизительно через 5 микросекунд после установки низкого уровня (шаг 3). Все это ограничивает скорость работы порта. Режимы порта ЕРР и ЕСР обходят это, выполняя аппаратно проверку занято- сти принтера, генерацию строба и/или подтверждение связи. Это означает, что нужна только одна инструкция ввода-вывода. Такие порты могут выводить около 1—2 Мбайт/с. ЕСР-порт так- же имеет преимущество использования каналов DMA. и буфера FIFO Таким обра юм. данные могут передаваться без использо- вания инструкций ввода-вывода. В табл. 4.14 приводится размещение выводов D-образного 25-контактного разъема и 34-кон гактного разъема Centronics. Первый обычно используется для параллельного порта компью- тера, в то время как разъем Centronics обычно применяется на принтерах. Стандарт IЕЕЕ 1284, однако, определяет три различ- ных соединителя дтя использования с параллельным портом. Первый, 1284 Гип А — D образный 25-контактный соединитель, установленный на задней панели у большинства компьютеров.
368 Глава 4. Интерфейсы Второй — 1284 Тип В. который является 36-выводным разъемом Centronics, установленным на большинстве принтеров. Таблица 4.14. Назначение выводов соединителей параллельного порта № вывода (D-образный 25-контактный) № вывода (Centronics) Сигнал SPP Направление вход/выход Регистр Аппаратная инверсия 1 1 nStrobc Вход/выход Управления Да 2 2 Данные 0 Выход Дачные 3 3 Данные 1 Выход Данные 4 4 Данные 2 Выход Данные 5 5 Данные 3 Выход Данные 6 6 Данные 4 Выход Данные 7 7 Данные 5 Выход Данные 8 3 Данные 6 Выход Данные 9 9 Данные 7 Выход Данные 10 10 nAck Вход Состояние 11 11 Busy Вход Состояние Да 12 12 PaperOut / PaperEnd Вход Состояние 13 13 Select Вход Состояние I4 14 nAutoLineteed Вход /выход Управление Да 15 32 nError / nFault Вход Состояние 16 31 nlnitialize Вход /выход Управление 17 36 nSelectPrinter / nSelectln Вход /выход Управление Да 18 25 9 30 Земля Gnd IEEE 1284 Тип С является 36-контактным соединителем, по- добным Centronics, но меньшею размера. Этот соединитель име- ет лучший замок, лучшие электрические свойства и ло че соби- рается. Он также содержит еще два вывода для сигналов, кото- рые могут использоваться, чтобы видеть, включено ли другое устройст во. Таблица использует «п» перед именем сигнала, когда актив- ным является низкий уровень сигнала (например. nFrror). Если на принтере произошла ошибка, тогда на этой линии низкий уровень. В нормальном состоянии, когда принтер работает пра-
4.4. Внешние интерфейсы 369 вильно, на этой линии высокий уровень. «Аппаратная инверсиям означает, что сигнал инвертирован аппаратно в контроллере па- ралдельного порта. Пример — линия Busy. Если на этот вывод подать 4-5 В (логическая «1») и прочитать регистр состояния, в бите 7 последнего был бы «О». USB USB (Universal system bus) — с гандарт, разработанный сов че- стно фирмами Compaq, DEC, Microsoft, IBM. Intel, NEC и Northern Telecom (версия первого утвержденного варианта по- явилась довольно давно — 15 января 1996 г.) и предназначенный для организации соединения многочисленных и разнотипных внешних устройств с помощью единого интерфейса (рис. 4.17). Доугаг периферия Рис. 4.П. Пример соединения периферийных устройств я USB-сеть Основная цель стандарта, поставленная перед его разработ чц- ками, — создать реальную возможност ь пользователям работать в режиме Plug-and-Pl'H с периферийными устройствами. Это ста- чает, ч го должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автомат ическое распознавание его не- медленно после подключения и последующей установки соот вет- ствующих драйверов. Кроме этого, желательно питание для мато- мощных устройств подавать через саму шину. Скорость шины должна быть достаточной для подавляющего большинс гва пери- ферийных устройств. Попутно решается проблема нехватки ре- сурсов на внутренних шинах IBM PC-совместимого компьюте- ра — контроллер USB снимает только одно прерывание незави- симо от количества подключенных к шине у( тройств Практически все поставленные задачи были решены в с ган- дарте на IJ SB и весной 1997 г. стали появляться компьютеры.
370 Глава 4. Интерфейсы оборудованные разъемами для подключения USB устройств, но периферия с подключением к I SB до середины 1998 г. так прак- тически и не появилась. Переломным моментом в истории USB стал выход Windows 98 — появилась поддержка, начался выпуск устройств, и техно- логия начала свое существование не только у разработчиков, но и у пользователей, кстати, многие из которых относят появление USB именно к этому моменту. Стандарт USB позволяет подсоединить до 127 устройств по- следовательно или используя концентратор USB (hub), к которо- му подсоединяются семь устройств. Разъемы содержат четыре контакта, включая провода питания (5 В) для таких небольших устройств, как ручной сканер или звуковая колонка. Шина USB позволяет многоуровневое каскадирование — архитектурную особенность шины USB- ее логическая топология — многоуров- невая звезда (рис. 4.18). Рис 4.18 Схема соединений устройств USB Пропускной способности в 480 Мбит/с в версии 2.0 доста- точно для удовлетворения потребностей всех этих применений в полной мере. Добавление устройств больше не сопряжено с ус- тановкой дополнительных адаптеров, выполнением сложного конфигурирования, ручным инсталлированием дополнительного программного обеспечения: система автоматически определяет, какой ресурс, включая программный драйвер и пропускную спо- собность, нужен каждому периферийному устройству и делает этот ресурс доступным без вмешательства пользователя. В связи с прогнозируемым ростом в области интеграции компьютеров и телефонии, шина USB сможет выступать в каче-
4.4. Внешние интерфейсы 371 стве интерфейса для подключения устройств цифровой связи (ISD1X) и цифровых устройств Private Branch exchange (РБХ) Технические характеристики. Возможност и U SB (версия 1.1) следуют из ее технических характеристик: • режим высокой скорости обмена (full-speed signaling bit rate) —12 Мбит/с, максимальная длина кабеля для высокой скорое ги — 5 м; • режим низкой скорости обмена (low-speed signaling bit rate) — 1.5 Мбит/с, максимальная длина кабеля — 3 м; • максимальное количество подключенных устройств (вклю чая концентраторы) — 127; • возможно подключение устройств с различными скоростя- ми обмена; • отсутствие необходимости в установке пользователем до- полнительных элементов. таких, как терминаторы для SCSI; • максимальное потребление тока на одно устройство — 500 мА. Питание непосредственно от UsB возможно только для уст- ройств с малым потреблением электроэнергии, таки к, как кла- виатуры, мыши, джойстики и т. п. Топология USB практически не отличается от топологии обычной локальной сети па витой паре, называемой «звездой». Даже терминология похожа — концентратор шины также назы- вается хаб (hub). На рис. 4.18 условно изображено дерево подключения USB-устройств к компьютеру (цифрами обозначены периферий- ные устройс гва с USB-ин герфейсом). Вместо любого из устройств может также стоять хаб. Основ- ное отличие от топологии обычной локальной сети — компью - тер (или host-устройство) может быть только один. Хаб может быть как отдельным устройством с собственным блоком пита- ния, так и встроенным в периферийное устройство. Наиболее часто хабы встраиваются в мониторы и клавиату ры. На рис. 4.17 показан пример правильного соединения пери- ферийных устройств в USB-сеть. Так как обмен данными по USB идет только между компьютером и периферийным ус трой- ством (между устройствами обмена нет), то устройства с боль- шими объемами приема и/или передачи данных должны под- ключаться либо к самомх компьютеру, либо к ближайшему сво- бодному узлу. В данном случае наивысший -рафик у колонок (около 1,3 МЯит/с), затем модем и сканер подключенные к хабу
372 Глава 4. Интерфейсы в мониторе, и завершают цепь клавиатура, джойстик и мышь, трафик у которых минимален. Колонки имеют такой высокий трафик, поскольку колонки с ин1 ерфейсом USB сущее гвенно отличаются от обыч пых, так как для использования их не требуется звуковая карта. Драйвер ко- лонок от правляет оцифрованный звук (разу в колонки, где с по- мощью ЦАП он преобразуется в аналоговый сигнВл и подается на громкоговоритель. кабели и разъемы. Сигналы USB передаются по 4-проводно- му кабелю (рис. 4.19, табл. 4.15). Здесь GND — цепь < корпуса» для питания периферийных устройств, VBus — j-5 В также дтя цепей питания. Шина D предназначен? для передачи данных по шине, а шина D----для приема данных. Кабель для поддерж- ки полной скорости шины (full speed) выполняется как витая пара, защищается экраном и может также использова । ься для работы в режиме минимальной скорости (low-speed) Кабет ь для работы только на минимальной скорости (например, для под- ключения мыши) может быть любым и неэкраниронанным. Гис. 4.19- Структура кабеля USB Таблица 4.15. Нумерация контактов разъемов USB Номер тнтактт Назначение Цве- лронсда 1 VBUS Красный 2 D- Белый 3 Д Зеле, ый 4 GND Чеоный Оплетка Экран Оплетка Разъемы, используемые для подключения периферийных ; ус тройств, показаны на рис. 4 20. Как это видно из рисунка, невозможно подключи гь устрой- ство 11еправильно, так как разъем серии « можно подключить тол’ко к активному устройству на USB — концентратору или
4.4. Внешние интерфейсы 373 Рис. 4 20 Цоколевка ра гьемов USB: а — розетка типа «А»; б — вилка чипа «А» (подсоединение к источнику, т е. ком- пьютеру и in хабу), в — розетка ч ипа «В», г — вилка типа «В» (предназначены только для присоединения к периферийному устройству) компьютеру, а серии *В» — только к собственно периферий ному устройству. Интерфейс FireWare Последовательная ши1 ia FireWire была прелло жена л гя уст- ройств, требующих более высокой скорости обмена, чем может обеспечить шина USB. Опа впервые предусмотрена в специфи- кации РС9*7. История FireWire, теперь известного также как 1EFE 1394 или же i-Link. началась в 1986 г., когда члены Microcomputer Standards. Committee (Комитет Стандартов для Микрокомз 1ьюп - ров) шхотели объединить существовавшие в то крему различные варианты последовательной шины (Serial Bus) Задачей разработчиков было создание универсального внеш- него интерфейса ввода вывода, пригодного как дтя работы с
374 Глава 4. Интерфейсы мультимедиа, так и с накопителями данных, не говоря уже о та- ких устройствах, как принтеры, сканеры, и т. п. Ре ?ультатом тр; - да разработчиков стал окончательно утвержденный 12 декабря 1995 г. документ, который описывал IEEE 1394. Ведущую роль в разработке стандарта И1 рапа Apple, которая дала ему имя FireWire и сразу же сделала ставку на использование этого стандарта в своих компьютерах. При разработке любительских цифровых видеокамер tDVi стало ясно, что наиболее подходящим внешним интерфейсом для них является IEEF. 1394 Полому Конференция по цифро- вой видеозаписи (Digital VCR Conference — DVC) приняла ре- шение использовать IEEE 1394 как стандартный интерфейс для цифровых камер. Впервые разъемы IEEE 1394 были установлены на цифровых камерах DCR-VX1000 и DCR VX700 (Sony). Сегодня любая цифровая видеокамера оснащается интерфейсом II ЕЕ 1394. Компания Texas Instruments, организовав массовое производство дешевых микросхем а (я реализации интерфейса IEFE 1394. сьи- рала огромную роль в росте количества контроллеров IEEE 1394 в персональных компьютерах Интерфейс во многом подобен I SB 1.0, но является более быстродействующим (в различных спецификациях устанавлива- ется быстродействие от 12.5 Мбит/с до 1.6 Гбиг/с и более). Эго со $дает возможное гь для соединения интерфейсом FireWire ЭВМ с такими устройствами, как аналоговые и цифровые ви- леокамепы. телевизоры, принтеры, сетевые карты и накопители информации. И i главных особенностей IFFF 1394 можно отметить: • пос юдовательная шина вместо параллельного ин герфейса позволяет использовать кабели малого диаметра и разъемы малого размера (рис. 4.21); Рис. 4. 21. Разъем («1 и ктбеть (61 интерфейса 1FFE i?94
4.4. Внешние интерфейсы 375 • поддержка «горячего подключения» и отключения; • питание внешних устройств через IEEE 1394 кабель; • высокая скорое гь; • поддержка асинхронной и синхронной передачи данных; • возможность строить сети различной конфигурации из раз- нотипных устройств (рис. 4 22); • простота настройки и широта возможностей. Рис. 4.22. Соединение разнотипных устройств в сеть с использованием IEEE 1394 Интерфейс FireWire поддерживает синхронную и асинхрон- ную передачу данных и предоставляет возможность подключе- ния до 63 устройств на один порт. При этом поддерживается скорость передачи 100. 200 и 400 Мбит/с (т. е. 12,5, 25, 50 Мбайт/с), прорабатываются варианты на 800 и 1600 Мбит/с. Пси этом различные пары устройств могут обмениваться данны- ми на различной скорости, например на 100 и на 400 Мбит/с. Для связи используется шестижильный медный кабель или оп- товолокно. Из этих шести проводов два идут к источнику пита- ния, а четыре других, организованных как две экранированные витые пары, используются для передачи данных. Кабель в целом также экранирован. По проводам питания может подават ься на- пряжение от 8 до 40 В (ток до 1,5 А), что позволяет отказаться от источников питания в периферийных устройст вах.
376 Глава 4. Интерфейсы Интерфейсы ноутбуков и карманных ПК (КПК) Многие ноутбуки представляют собой оригинальные конст- рукции, которые используют мало общих, стандартных частей. Вследствие этого возможности их расширения часто ограниче- ны, а стоимость обновления весьма высока. Хотя в большинстве случаев применяются стандартные ЦП и ОЗУ, эти компоненты помещаются на системную плату уни- кально! о дизайна, а затем — в корпус не менее уникального ди- зайна. Размеры препятствуют внедрению стандартных элементов, подобных PCI-слотам, нишам для НЖМД и даже относительно небольших разъемов, наподобие SIMM. Оказалось, что вообше единственный дешевый способ расширить возможности ноутбу- ка — это использовать слоты PC Card. Стыковочные узлы. Порт репликатор (port replicator) — не столько устройство расширения, сколько средство более легкого обеспечения связи между ноутбуком-ПК и внешними устройст- вами или другими приборами. Главная причина для использова- ния порта-репликатора — недолговечность соединителей ПК, которые рассчитаны только на ограниченное число стыковок. Идея репликатора — оставаться постоянно соединенным с на- стольным ПК, устанавливать связь и поддерживать синхрониза- цию между мобильным вычислительным устройством типа ноут- буков и карманных персональных компьютеров (КПК, PDA) и настольным ПК Настольный стыковочный узел (рис. 4.23, а) или до- кинг-станция (dockingstation) идет дальше, предла!ая добавление мобильному вычислительному устройству возможности расши- рения настольных ПК. Полный стыковочный узел может содер- жать любые разъемы расширения и ниши для НЖМД, внешние интерфейсы (IDE, SCSI, РСА), интерфейсы монитора и пр. Интерфейс PCMCIA. С появлением портативных компьюте- ров возникла проблема универсального и компактного интер- фейса для подключения внешних устройств. В качестве такого интерфейса стандартом де-факто стал интерфейс PCMCIA (раз- витие РС1), поддерживаемый Ассоциацией PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association), объединяющей компании, разрабатывающие периферийные устройства для пор- тативных компьютеров. Аббревиатура PCMCIA вызывала много нареканий своей труднопроизносимостью Существует даже шутливая интерпретация PCMCIA как «People Can’t Memorize
4.4. Внешние интерфейсы 377 Рис. 4.23. Стыковочный \зел (докинг-станция) (а), стандартные тиг.оразмеры PC Card Л Панель Тип 1, толщина 3,3 мм Тип II — 5,0 мм Тип 111 — 10,5 мм Соединители 3,3 мм Разъем 68 контактов 54.0 мм Computer Industry Acronyms», что переводится как «Люди не в состоянии запомни гь компьютерные аббревиатуры». В ре зульта- те для РСМ( IA сегодня принято использовать более благозвуч- ный терми! [ PC Card. Устройства PC Card размером с обычную кредитную карточ- ку являются альтернативой обычным платам расширения, под- ключаемым к шине ISA. В этом стандарте выпускаются модули памяти, модемы и факс-модемы, SCM-адаптеры сетевые карты, звуковые карты, винчестеры (IBM Mie-odrive), интерфейсы CD ROM и т. д. Первоначальный стандарт PC Card (выпушенный в 1990 г.) определяет интерфейс с 68 штырьками между периферийной картой и гнездом ее вктючения (рис. 4.23, 6). На нем выделены 16 разрядов под данные и 26 разрядов под адрес, что nc <Roi чет непосредственно адресовать 64 Мбайт памяти. На стороне мод' - ля PC Card расположен соединитель розетка, а на стороне ком пьютера — соединитель-вилка. Кроме того, стандарт определяет три ра пличные длины контактов соединителя вилки. Поско тьку подключение и отключение ГС Card может происходит ь при ра ботаюшем компьютере (так называемое «горячее»), то для того, чтобы на модуль сначала подавалось напряжение п гтания, а
378 Глава 4. Интерфейсы лишь затем напряжение сигнальных линий, соответствующие контакты выполнены более длинными. Вторая версия спецификации РСМСIA определя ет типы га- баритных размеров (форм-факторы) для PC Card (Гуре 1. Л и III), различающиеся по толщине. Два первых типа PC Card име- ют размеры до 54 мм (2,12") в ширину и 85,6 мм (3,37") в длин). Устройства PC Card, соответствующие размерам Type I. должны имс гь толщину 3,3 мм, а соответствующие Type II — 5,0 мм в се- редине и 3,3 мм по краям. PC Card Type III имеют толщин) 10,5 мм и, следовательно, не пригодны для использования в сло- тах для модулей Type I и II. Толщина модуля Type III по краям также равна 3,3 мм. Для третьего типа модулей необходимы так называемые слоты двойной высоты. Модули Т)ре Ш встречают- ся очень редко и содержат обычно жесткие диски. Карты под- ключают также устройства, которые должны оставаться вне сис- темы для надлежащей операции, например антенны для беспро водных приложений. В дополнение к электрическим и физическим спецификаци- ям стандарт PC Card определяет программную архитектуру. что- бы обеспечить самоконфигурирование для широкого диапазона изделий. Это программное обеспечение составлено и? «сервиса гнезда» и «сервиса карты» и поддерживает способность к взаи- модействию (интероперабельность) PC Card. Для увеличения пропускной способности ши ны PCMt IA была предложена спецификация CardBus. которая является рас- ширением шины PCI для устройств PC Card. Платы CardBus поддерживают 32-разрядный обмен на частоте 33 МГц. В этом конструктиве выпускаются сетевые карты (100 Мбит/с), интер фейсные плат ы SCSI и другие устройства, требующие быстрого обмена по шине. Микроинтерфейсы расширения. Начиная со стандарта PC Card появилось множество новых интерфейсов расширения, об легчающих подключение внешних устройств, расширение памя- ти или обеспечение сет евой связи (рис 4.24): • Springboard — интерфейс, разработанный Handspring для устройств Visor (карманные компьютеры). Среди пери- ферийных! карт она имеет наибольший физический объем. Омд также обеспечивает самую высокую скорость передачи данных, потому что позволяет устройству ввода/вывода со единиться непосредственно с шиной процессора, а также может иметь собственную батарею питания;
4.4. Внешние интерфейсы 379 67,0 мм Рис. 4.24. Различные модификации PC Card • CompactFlash — индустриальный стандарт интерфейса расширения для портативных устройств Карта широко рас- пространена, и хотя размер карты является относительно малым, она обеспечивает достаточно места, чтобы осу щест - влят ь множество функций. Популярный интерфейс для до- бавления памяти цифровым камерам или портативным проигрывателям MP3. Кроме того, последовательные пор- ты. модемы, сетевые карты Elhernel, приложения сотовой связи, приемники спутниковых программ г уст ройства GSP (Система Глобального Позиционирования) реализуются на CompactFlash -картах, • SmartMedia — в настоящее время изготовляется Toshiba и Samsung. Toshiba, являясь владельцем торговой марки, сделал спецификацию доступной бесплатно в промышленности в расчете на создание стандарта де-факто. Не все Smart- Media-карты взаимозаменяемы, поскольку некоторые требу- ют 5,0 В от присоединяемого устройства, другие — 3,3 В. а третьи могут приспособиться к любому напряжению: • Memory Slick — разработанный Sony и Fujitsu носи- тель, который имеет сравнительно маленький рз?мер и мо- жет использоваться для относи гельно немногих функций. Самое обычное использование — среда памят и. Сушест вует формат Memory stick, поддержанный индустрией музыки под названием «Волшебные Ворота» (Magic Gate1». Эта раз работка удовлетворяет спецификации Secure Digital Mu* с Initiative (SDMI), разработанной для ограничения пират- ского копирования и распространения защищенного ав- торским правом содержания через Internet. Sony поддержи- вает дтот интерфейс, чтобы сделать его промышленным с тандартом. и он появляется в ра зличных устрой л вах. та ких, как камеры и портативные плейеры MP3:
380 Глава 4. Интерфейсы • Ми Iti Media Carc! — созданный в соответствии с объ- единенным соглашением между Siemens, Hitachi, и SanDisk, интерфейс имеет размер почтовой марки и предназначен, чтобы служить носителем данных для портативных проиг- рывателей MP3. Его небольшой размер О1раничивает спо- собность поддерживать какие-либо другие применения; • Secure Digital (SD) Memory Card. Летом 1999 г. SanDisk и Toshiba достигли соглашения о том, чтобы со- вместно ввести и развивать версию формата MultiMedia Card, получившего известность как SD Memory Card. Формат SD включает уникальные патентованные функции защиты, встроенные в контроллер карты, которые облег- чают безопасный обмен содержанием между ус тройствами и картой. Уровень защиты был усилен, чтобы удовлетво- рять сегодняшним и будущим требованиям SDMI к пор- тативным устройствам. SD-интерфейсы совместимы с Multi MediaCard Из-за ограничений в размере и электропитании интерфейсы PC Card не встраивают в устройства КПК Вместо этого они реа- лизуются в стыковочных узлах, прилагаемых к КПК Поскольку слот ы PC Card широко распространены среди портативных ком- пьютеров, PC Card часто используются как адаптеры для других карт расширения меньших размеров. Например, карта адаптера PC Card-to-CompaciFlash позволяет CompactFlash-карте быть вставленной в PC Card. Подобные адаптеры были разработаны также для карт Memory Stick, MultiMediaCard, Secure Digital и SmartMedia. Большинство мобильных устройств имеют инфракрасные порты, которые поддерживают стандарт IrDA Порт может ис- пользоваться для соединения с настольным или портативным ПК, синхронизации данных или связи с сотовыми телефонами, принтерами и другими инфракрасными устройствами. Посколь- ку технология Bluetooth станови гея все более распрос граненной, она, как ожидается, заменит IrDA-порты в карманных устройст- вах. Альтернативное кабельное подключение через USB или по- следовательный порт также может использоваться для этой цели. В случае карманных ПК (PDA) устройство может быть вставлено в док, который обеспечивает подключение через USB или после- довательный порт к настольному или портативному ПК или к устройствам с последовательным портом или I ’SB.
4.5. Средства коммуникации. Модемы 381 4.5. Средства коммуникации. Модемы Канал передачи — это комплекс технических средств и сре- ды распространения, обеспечивающий передачу сигнала элек- тросвяги в определенной полосе частот или с определенной ско- ростью передачи между сетевыми станциями и узлами, а также между ними и оконечным устройством первичной сети. Каналы телекоммуникаций Рассмотрим далее основные средства и среды (каналы) тслс- KOMMVHHKauHH (первичной сети связи). К ним о гносятся: • кабельные каналы (витая пара и коаксиальные кабели); • оптоволоконные каналы; • радиоканалы. Основным параметром всякого канала связи является его пропускная способность, определяющая максимальное количест- во информации, передаваемое в единицу времени без потерь и искажений. Общепринятой мерой измерения пропускной способности является бод. или / бит/с. Например, низкокачественная теле- фонная связь обеспечивает не богее 2400 бод, высококачествен- ная — до 32 килобод (Кбод), цифровая телефония — до 64 Кбод и т. д. Не вдаваясь в подробности, заметим лишь, что уровень про- пускной способности, в свою очередь, определяется двумя ха- рактеристиками. • частотный диапазон канала — интервал частот («широко- полосность») синусоидальных ко. юбаний, передаваемых без повреждений; • динамический диапазон или отношение «с игнад/шум». и ’ме- ряемое обычно в децибелах (дБ) логарифмическая мера отношения, ослабления, усиления сигнала и пр. (20 дБ - ос- лабление или усиление в 10 раз. 40 дБ — в 100 раз, 60 дБ — в 1000 раз и т. д.). Дачее следуют диапазоны видимого света, ультрафиолето- вых. рентгеновских и у (гамма)-чучей. Спект р используемых для связи час гот делится на ряд диапа- зонов, приведенных в табл. 4.16 и на рис. 4.25.
382 Глава 4. Интерфейсы F (Гц) Таблица 4.16. Частотные диапазоны некоторых каналов связи и передачи информации Номер Название диапазона Частота Длина волны 1 Высокочастотный 3-30 Ml ц 100-10м 2 VHF 50-100Мгц 6—3 м 3 УВЧ (UHF) 400-1000 МГц 75—ЗС см 4 Микроволновый ЗЮ9-10’ Гц 10 см-С мм 5 Миллиметровый 10й 10,3Гц 3-0,3 мм 6 Инфракрасный 10,г-610,4Гц 0,3 мм 0.5 мкм Кабельные каналы Кабельные каналы для целей телекоммуникаций историче- ски использовались первыми, основную долю этих каналое со- став 1яют телефонные медные кабели, которые содержат десятки или даже сотни витых пар проводов. Полоса пропускания таких кабелей обычно составляет 3—3.5 кГц при длине 2—1Э км. Эта полоса диктовалась ранее нуждами аналогово! о го юсового об- мена в рамках коммутируемой телефонной сети. С учетом воз- растающих требований к широкополосное!и каналов виты? пары проводов стали заменять коаксиальными кабелями, которые имеют полосу от 100 до 500 МГн (до 1 Гбит/с), и полыми волно- водами. Именно коаксиальные кабели стали вначале транспорт- ной средой локальных сетей ЭВМ Витая пара. Наиболее дешевым кабельным сосди нснием яв- ляется витое двухжильное проводное соединение, часто называе- мое «витой папой» (или скрученная пара, twisted ран), Она по-
4.5. Средства коммуникации. Модемы 383 зволяет передавать информацию со скоростью до 100 Мбит/с. легко наращивается, однако отличается слабой устойчивостью к помехам. Длина кабеля не может превышать 1000 м при скоро- сти передачи 10 Мбил/с. Различают два типа данного кабеля (рис. 4.26, а) • экранированная витая пара (STP, Shielded Twisted Pair); • неэкранированная витая пара (1 ПТ, Unshielded Twisted Pair). а Рис. 4.26. Образцы средств проводной связи; а — витая пара; б — коаксиальный кабель: I — центральный проводник; 2— изолятор; 3 — проводник-экран; 4 — внешний изолятор Оба типа состоял из нары витых медных проводов. Кабель «не- экранированная витая пара» стал наиболее популярным благодаря своей низкой стоимости. 1 ибкости и простоте установки Единст- венным недоела гком такого кабеля является уязвимость к электри- ческим помехам и шумам в линии. Экранирование проводов витой пары увеличивает стоимость и приближает ее цену к цене коакси- ального кабеля. Кабели "витая пара» бывают разной кате! о р и и (3, 4. 5 или 6). Чем выше номер категории, тем большую скорость передачи поддерживает кабель (см. также табл. 4.22). Витые пары бывают одинарными, объединенными в многопар- ный кабе. ib или < формленными в виде плоского ленточного кабе- ля Несколько вит ых пар час го объединяют и помещают I одну защитную оболочку В качестве такого кабеля можно использо- вать обычный телефонный провод (категория Ч- Сетевые адап- теры, способные работать с витой парой, имеют разъем (RJ 45), аналогичный применяемому в телефонных аппаратах. Коаксиальная (соосная) система проводников из-за своей сим- метричности вызывает минимальное внешнее электромагнитное излучение (рис. 4.26. d). Сигнал распространяется по централь- ной медной жиле, контур тока замыкается через внешний эк- ранный 1 (ровод. При заземлении экрана в нескольких точках пс
384 Глава 4. Интерфейсы нему начинают прот екать выравнивающие токи. Та кие токи мо- гут стать причиной внешних наводок (иной раз достаточных для выхода из строя ин герфейсно] о оборудования), именно это об- стоятельство является причиной требования заземления кабеля локальной сети только в одной точке. Коаксиальный кабель имеет средн юю цену, хорошо помехо- защищен и применяется для связи на относительно большие расстояния (несколько километров». Скорость передачи инфор- мации от 1 до 10 Мбит/с, а в некоторых случаях может достигать 50 Мбит/с. Коаксиальный кабель используется для основной в широкополосной передачи информации. Оптоволоконные линии Разработка стекловолокон с ни <ким ко эффициент ом по» лоще- ния в инфракрасном диапазоне (менее 0,2 дБ/км) сделала воз- можным широкое распространение этих типов каналов связи. Пластиковые волокна применяются при длинах соединений не бо лее 100 м и при ограниченном быстродействии (менее 50 МПУ Данные передаются с помощью световых импульсов, прохо дяших по оптическому волокну. Внешнее воздействие помех практически отсутствует. Они обеспечивают защиту данных, гак как техника ответвлений в оптоволоконных кабеля к очень слож- на. Вероя гност ь ошибки при передаче по оптическому волокну составляет менее 10'°, чго во многих случаях делает ненужным контроль целостности сообщений Допустимое удаление — бе лее 50 км Оптоволоконные линии связи работают в час готном диапа зоне 1013—101Л Гц. что на 6 порядков больше, чем в случае ра диочастотных каналов (теоретическая гропускная способность 50 000 Гбит/с). В настоящее время оптоволоконный кабель под держивает скорость передачи данных (в виде пакетов) 10. 100 или 1000 Мбит/с. Это связано с ограниченным бьк родействием оборудования, преобразующего оптический сигнал в элекгриче ский и обра гно. При построении сетей используются многожильные кабели (рис. 4.27 — 8 жил, существуют и другие разновидности кабеш например, двух или четырехжильные, а также п то» кие). Н' рис. 4.27. а изображено отдельное оптоволокно, а на рис 4 2'’, б — сечение 8-жильною оптического кабедч Свет (длина вотнь
4.5. Средства коммуникации. Модемы 385 Рис. 4.27. Сечение оптоволоконного кабеля (д); многожильный кабель (б) 1 — клэдинг; 2 — покрытие; 3 — волоконная жила; 4 — защитная оплетка; 5 — стальной трос 1-1350 или 1500 нм — нанометров] вводится в оптоволокно (диаметром менее 100ц — микрон, микрометров) с помощью све- тоизлучающего диода или полупроводникового лазера Цен- тральное волокно покрывается слоем (клэдинг, рис. 4.27. 7), ко- эффициент преломления которого меньше чем у центрального ядра (стрелками условно показан ход лучей света в волокне). Дтя обеспечения механической прочности извне волокно покрывает- ся полимерным слоем (рис. 4.27, 2). Кабель может содержать много волокон, например 8 (рис 4.27, 3). В центре кабеля поме- щается стальной трос (рис 4.27, 5), который используется при прокладке кабеля. С внешней стороны кабель защищается сталь- ной оплеткой (рис. 4.27, 4) и герметизируется эластичным поли- мерным покрытием. Аналоговые модемы Передача цифровых сигналов на большие расстояния требует создания специально оборудованных линий и сетей связи с вы - сокой пропускной способностью, и такие линии достаточно дав- но существуют и интенсивно развиваются Однако потребность
386 Глава 4. Интерфейсы в передаче данных между ЭВМ опережала и опережает возмож- ности доступных сетей цифровой связи, что привело к необхо- димости задействовать для таких целей более доступные и мас- совые сети с низкой пропускной способностью (телефон и те- лекс). Каналы связи, подобные телефонным линиям, обычно аналоговые и имеют ограниченную полосу пропускания В слу- чае телефонных линий ширина полосы находится в диапазоне от 300 до 3300 Гц. Передача данных требует перемещения цифровой информа- ции или прямоугольных сигналов со значениями «0» и «1». Как уже отмечалось, если бы такие сигналы были переданы по ана- логовым каналам, то их форма была бы искажена (см. рис. 4.16). Для использования телефонной сети как канала передачи цифровой информации были разработаны и широко распростра- нились устройства преобразования цифровой информации в аналоговую (звуковой сигнал) и обратно, основанные на прин- ципе частотной модуляции несушей частоты, получившие назва- ние модемы (модуляторы-демодуляторы). В основе аналоговых модемов лежит модуляция — метод изменения основного аналогового сигнала определенным обра- зом так, чтобы закодировать в этом сигнале информацию Сиг- нал, который модулируется, называют сигналом несушей (career), потому что он переносит цифровую информацию с од- ного конца канала связи к друюму. Устройство, которое изменяет сигнал, называют модулято- ром, а устройство на приемном конце канала, которое извлекает цифровую информацию из модулированною сигнала, называют демодулятором. Амплитудная модуляция (ЛМ) изменяет амплитуду синусои- дальной волны. В самых ранних модемах преобразование заклю- чалось в передаче волны синуса большой амплитуды для «1» и нулевой амплитуды для «0». как показано на рис 4.28, а (вспом- ните звуковую «морзянку»). Главное преимущество этой техно- логии состоит в том. что такие сигналы легко производить и об- наруживать, однако она не лишена ряда недостатков. Первый — скорость изменяющейся амплитуды ограничена шириной поло- сы линии Второй — небольшие изменения амплитуды отлича- ются ненадежным обнаружением. Неудобства амплитудной мо- дуляции привели к тому, что эта технология редко используется модемами, однако она используется в комбинации с другими методами
4.5. Средства коммуникации. Модемы 387 в г Рис. 4.28. Различные типы модуляции- а — амплитудная: б — частотная; в — фазовая: г дифс] еренпиальная к >аз< в ая Частотная модуляция — ЧМ (Frequency modulation — FMi. здесь час гота сигнала несущей изменяется согласно данным. Пе- редагчик посылает различные частоты для «1» и «О» (рис. 4.28, ”1 Его неудобства — то, чго скорость изменений частот ы ограниче- на шириной полосы линии, и что искажение, вызванное линия- ми, затрудняет обнаружение даже более чем в слуиае амплитуд- ной модуляции. Сегодня эта техника используется в асинхрон- ных модемах ни зкой скорости (до 1200 бод). Фазовая модуляция — ФМ (Phase Shift keying — PSK) — про- цесс, где две синусоидальных формы волны сравниваются друг с другом. Случай, где эти две формы волны проходят в одном и том же направлении одновременно, считается нулевым сдвигом фазы. Ес 1И фазовый сдвиг достигает 180" (рис. 4.28, вУ волна В начинается в средней точке волны Л. так чго, когда волна 4 по- ложительна, волна В отрицательна, и наоборот. Два состояния фазы позволяют представлять 1 биг цифровых данных, дополни- тельные 90° и 270г изменений фазы обеспечивают четыре состоя-
388 Глава 4. Интерфейсы ния и способность представить 2 бита (четыре представления цифровых данных). Дифференциально-фазовая модуляция — ДФМ (синоним — Относительная фазовая модуляция, ОФМ) или Differential Phase Shift Keying (DPSK) — вариант фазовой модуляции В этом ме- тоде модем сдвигает фазу каждого последующего сигнала на не- которое количество градусов для «О» (90°, например) и другое число для «1» (270°, например) — см. рис. 4.28, г. Этот метод бо лее легок для распознавания, чем предыдущий Приемник дол- жен обнаружить изменения фазы между символами, а не абсо лютной фазы. В случае двух возможных сдвигов фазы модуляцию называют двойной ФМ BPSK (binary PSK). В случае четырех различных сдвигов фазы, что означает, что каждый символ представляет 2 бита, модуляцию называют 4-кратной фазовой манипуляцией QPSK, и в случае восьми различных стадий перемещения техни- ку модуляции называют 8PSK. Квадратурная амплитудная манипуляция — КАМ (Quadrature Amplitude Modulation — QAM). KAM позволяет передачу дан- ных, используя как изменение фазы, так и амплитуды одновре- менно. Чем больше используется фазовых сдвигов и уровней ам - плитуды, тем больше данных может быть передано. Треллис-модуляция (ТСМ Trellis Coded Modulation или СКК — Сигнально-кодовые конструкции) — КАМ совместно с решетчатым кодированием и т. д. Протоколы обмена данными модемов Для повышения помехоустойчивости и повышения скорости связи большинство модемов реализуют алгоритмы (протоколы), разделяемые на четыре группы: • протоколы модуляции; • обнаружения/коррекции ошибок; • сжатия данных; • передачи файлов. При этом протоколы серии V были предложены МККТГ (Международный консультативный комитет по телефонии и теле- графии — ССГГТ), серии Bell являются американским нацио- нальным стандартом, протоколы/предложения MNP (Microcomm Networking Protocols) разработаны фирмой Microcomm и являют-
4.5. Средства коммуникации. Модемы 389 ся стандартом де-факто Известны также другие требования, на- пример ВАВТ (British Approvals Boards of Telecommunications) — Британское бюро Телесвязи. Модемы, которые не одобрегы ВАВТ, не являются легальными для использования в Великобри- тании. Протоколы модуляции (табл. 4.17). На частотной модуляции основаны протоколы Bell 103J и V.21. Протокол V.21 является дуплексным и использует частотное разделение каналов. Полоса частот телефонного канала тональной частоты делится на два подканала. Один из них (нижний) используется вызывающим модемом для передачи своих данных, а другой (верхний) — дл я передачи информации от отвечающего модема. При этом в ниж- нем канале «1» передается частотой 980 Гц, а «О» — 1180 Гц. В верхнем подканале «1» передается ст налом в 1650 Гц, а «0» — 1850 Ги Скорость передачи в этом случае составляет 300 бод, но несмотря на низкую скорость, протокол V.21 широко использу- ется в качес гве аварийного. Кроме того, он применяется в высо- коскоростных протоколах на этапе установления соединения. Протокол Bell 103J; в нижнем подканале «0» передается частотой 1070 Iц, а «1» — 1270 Гц, в верхнем подканале — «0» передается частотой 2025 1ц, «1» — 2225 Гц. Другие протоколы основаны на ОФМ, КАМ, СКК. ОФМ, СКК. Таблица 4.17 Некоторые характеристики протоке ов мод; ляции Протокол Скорость Ьод Моду.чцня Тип пинии V.21 300 чм Коммутируемые выделенные V.22 600,1200 0**4 Коммутируемые выделенные V.22bis 1200, 2400 КАМ Коммитипуемые V.32 2400 9600 СКК ОФМ KoMMvruoyi мые V.3?bis 1200-14W СКК Коммутируемые V34 1200-23 800 СКК Коммутируемые выделенные Bell 103J 300 ЧМ здмму иру< мые 7уХ 9600 -19 200 СКК коммутируемые Протоколы с и атия и обнаружения ошибок. О< човные прин- ципы этих протоколов следующих* (габл. 4.18) • объединение в пакеты с удалением стартовых и стоповых битов и за этот счет экономия времени передачи;
390 Глава 4. Интерфейсы Таблица 4.18. Некоторые характеристики протоколов сжатия и обнаружения ошибок Протоке 3 (стандарт) Характеристики и назначение Коррекция Сжап е Эффектив- ность % V.42 Рекомендация МККТТ, предполагающая LAPM (Lin* Access Proceoure for Moden процедура доступа модема к гинии связи) - коррекцию ошибок (со-ласно MNP4) Согласно MNP-4 Сжатие методом Lcmpel-Ziv текст - до 50 9 До 60 V 4?bis Способ передачи с компрессией данных BTLZ в реальном масштабе времени (используется со- вместно с V..42) BTL2 Тоже MNP? Использует метод асинхронного группирования для компрессии и коррекции ошибок (снижает скорость обмена) Есть Нет -10 MNP3 Использует синхронную группировку, сдвигав' стартовые и стоповые посы жи при передаче каждого информационного символа Есть За счет удала ия служебных бит ОтО дс +20 MNP4 Адаптивный метод синхронной передачи, ис- пользуемый для компенсации низкого качества линии связи и оптимизгоуюший фазовые пара- метры При изменении частоты ошибок на ли- нии меняется длина блока данных За счет синхрон- ного метода -20 MNP5 Используется совместно с MNP4 та счет ком- прессии информации, позволяет повышать ско- рость передачи в 2 раза Текстовый фай" до 35 % Дс 50 Примечания. 1. Синхронный метод предполагает удаление служебных битов из кадра дан- ных (ST, Р. SP1, что приводит к сокращению передаваемой информации 2. Алгоритмы сжатия аналогичны используемым в архиваторах и состоят в замене байтов (битовых строк, байтовых групп) исходного кода битовыми стро- ками разной длины, в зависимости от частоты. Очевидно. при передаче архив ных файлов выигрыш отсутствует. • контроль правильности передачи с помощью ра яичного рота контрольных сумм — передающая сторона формирует из потока данных отдельные блоки (пакеты) длиной 16 20 000 байт, в зависимости от качества связи каждый блок снабжается заголовком, содержащим проверочную информацию (например, контрольную сумму — КС — бло- ка! принимающая сторона подсчитывает КС и сравнивает с содержимым заголовка: при несовпадении выдается за- прос на повтор передачи блока: • сжатие информации с помощью соотвстс гвующих методов (наиболее распространенным является ВТ ] Z — British
4.5. Средства коммуникации. Модемы 391 Telecom Lempel-Ziv method, патентованный метод компрес- сии, использующий принцип двумерною адаптивного ко- дирования, эффективность которого может доходить до 400 %); • настройка на пропускную способность линии путем изме- нения длины передаваемого блока. Указанные процедуры могут быть осуществлены как аппара- турно, так и программно (аппаратная реализация на 30 % эф- фективнее). В первом случае говорят, что «модем поддерживает соответствующий протокол», во втором — «прщрамма управле- ния модемом (телекоммуникационная) эмулирует данный про- токол». Не для всех приводимых протоколов возможны как про- граммная, так и электронная реализации. Протоколы передачи файлов. Известен ряд протоколов переда- чи файлов — ASCII, Xmodem, Xmodem/CRC, Xmodem IK. У modem, Zmodem, Bimodem, Kermit, UUPC Эти гротоколы кон- тролируют завершенност ь передачи файла (вместе с такими ат ри- бутами, как «дата создания», «имя файла» и пр.) и используют приемы, аналогичные приведенным выше, — переменная длина блока, контрольные суммы, аппаратурная коррекция MNP и пр. Про юколы передачи файлов относятся к более высокому уров- ню протоколов и опираются на стандарты и форматы модемов. ASCII — при передаче данных не используются средства об- наружения ошибок. Обычно можно послать таким образом толь- ко файлы ASCII Xmodem — предложен Варлом Кристенсеном в 1477 г., ино) та называется Xmodem Christensen. Xmodem передает блоки по 128 символов; если принимающая сторона обнаруживает, что бпок прибыл нетронутым, она сигнализирует об этом и ждет следую- щего блока. Проверка ошибок реализуется контрольной суммой или более изощренной циклической проверкой (прот< >кол в этом случае называется Xmodem-CRC — Cyclic Redundancy Check здесь вместо 8-битовой контрольной суммы используется 16-би- товый код». Xmodem требует фоомата: parity К data 8, stop- 1. X-m^dem IK — если передача идет бе< ошибок, размер пакета увеличивается со 128 до W24 байт. В остальном совпадает с Xmodem. Xmodem IK-G — подра 1умевает каналы, своботчые от оши- бок, такие, как модемы, коррекгируюшие ошибки (например.
392 Глава 4. Интерфейсы MNP — модемы, реализующие аппаратную коррекцию ошибок), или прямые соединения кабелей модемов между двумя компью- терами. Он достигает высокой скорости путем передачи не- скольких блоков бе з ожидания подтверждения от принимающе- го компьютера. CompuServe Quick В — этот протокол используется только в системе информации CompuServe. Он довольно скоростной и специально приспособлен для сетей, применяемых в доступе к информационным системам, которые имеют большие времен- ные задержки цикла обработки. } modem — является вариацией Xmodem, которая позволяет передать несколько файлов в один прием, кроме того, вместе с файлом передаются его атрибуты. Ymodem G — обладает большей скоростью за счет передачи блоков один за другим без ожидания подтверждения (с м Xmodem 1K-G). Zmodem — быстрый протокол передачи файлов по нескольку в окне. Если при передаче файла прои зошел сбой на линии, то при повторной попытке передачи это! о файла он автомг гически будет передаваться с того места, где произошло прерывание SEAlink — это расширенная версия протокола Xmodem, ра- ботающая на 15-20 % быстрее, чем обычный Xmodem. Telink — предназначен главным образом для систем BBS Fido. Modem 7 — это модификация протокола Xmodem, который передает имя фай ia перед началом передачи. Kermit — известны две разновидности протокола — станОорт- ный и SuperKermit. Протокол разработан в Колумбийском универ- ситете в 1*381 г. для связи между ЭВМ различных типов и поколе- ний, включая большие ЭВМ мини- и микроЭВМ Kermit исполь- зует для передачи пакеты переменной длины ра змером до *34 байт. Super Kermit предназначен для работы в сетях типа Telnet или Tymnet Эти сети имеют большие задержки при передаче лат- ных. поэтому пакеты передаются «окнами» составом до 31 паке та Kermit также использует предварительную компрессию лад- ных для увеличения скооости обмена. Протоколы серии V. Появление цифровых модемов- Расс мот рим отдельно протоколы серии V. V.22bis, V.32 и V32bis — это были ранние стандарты, определяющие скорое-и 2,4, и 14 4 Кбит/с, соответственно.
4.5. Средства коммуникации. Модемы 393 Стандарт V.34 был введен к концу 1994 г., поддерживает 28,8 Кбит/с и считается минимально приемлемым стандартом. V-34-модемы способны изменять скорость, чтобы связаться с бо- лее медленными модемами и осушест влять связь, регул ируя ско- рость передачи, приспосабливаясь к преобладающим свойствам линии, занимая максимальное количество годной к употребле- нию ш ирины по. юсы частот. В 1996 г. стандарт V.34 был модернизирован до V.34 +, кото- рый обеспечивает скорости передачи данных до 33,6 Кбит/с. обра гно совместим со всеми предыдущими стандартами и также приспосабливается к условиям линии. Табл. 4.19 показывает скорости передачи несжатых данных для различных типов моде- ма. Сжатие данных может увеличить пропускною способность в 2 иди 3 раза Однако, поскольку г рафичсские и юбражения на WWW-страницах уже сжаты, реапьное увеличение скорости при работе с WWW-страницами составляет приблизительно от 1,5 до 2 раз. Ст андарты серии V включают также V. 17, который описыва- ет связь с обычными автономными факс-машинами. V.42, кето рый является общепринятым стандартом исправления ошибок, и был разработан, чтобы справляться с искажениями данных, вызванными помехами на телефонных линиях, а также V.42bis, который является протоколом сжатия данных. В конце 1999 г. Hughes Network Systems предложила новый стандарт сжатия на канальном уровне как потенциальную замену V42bis. Алгоритм был впоследствии рассмотрен американскими и международны - ми органами стандартов связи и принят как новый стандарт сжатия по имени V.4 4. Новый стандарт предлагает более высо- кое отношение сжатия чем V.42bis, что приводит к увеличению пропускной способности, обычно от 20 до 60 % (табл. 4 19] Таблица 4.19. Скорости передачи для различных ^'-стандартов Стандарт Дата Скорость Мбайт Ч Время на передачу 1 Мбайта мин:с бит/с байт/с Кбайт/мин V.32 1984 9600 1200 70 4 14:33 V.32bis 1991 14 400 1800 106 6 9.42 V.34 1994 28 800 3600 211 12 4:51 V.34+ 1996 33 600 4200 246 14 4:CS V.90 1998 42 000 50 000 5250 6250 308 366 18 22 3-19 248
394 Глава 4- Интерфейсы 56Кбит/с. В 1997 г. появляются модемы на 56 Кбит/с (кбод), несмотря на отсутствие международного стандарта для этой скорости. Группа компаний K56Flex, включаюшая ЗСот, Ascend, Hayes. Motorola, Lucent и Rockwell, использовали чипсет Rockwel, чтобы получить более высокую скорость, в то время как, например, американская US Robotics использовала свою собст- венную технологию «х2». Эти две системы не были совместимы, что вынуждало пользователей и провайдеров служб Internet выби- рать один из двух вариантов. Кроме того, основным ограничени- ем технологии 56 кбод является асимметричность скорости пере- дачи данных, и высокая скорость могла быть дост игнута только при чтении данных с сервера Internet-провайдера. Большинство центральных телефонных станций, почти в ка- ждой стране во всем мире, используют цифровое оборудование и связаны между собой цифровыми каналами (в Европе это Е1 или ISDN). Однако линии, подведенные к большинству домов и офисов, все еще аналоговые. Это создает ряд труд- ностей, когда необходимо осуществлять обмен данными, — ог- раниченная пропускная способностью и шум в линии (главным образом электростатический). Таким образом, возникает парадокс — цифровые данные от персонального компьютера должны быть преобразованы в ана- логовую форму (модемом) и обратно в цифровой код (телефон- ной компанией), прежде чем все это попадет в сеть (рис. 4.29). Модемы 56 кбод максимально используют наиболее быструю часть канала связи — цифровые линии. Здесь используется им- пульсно-кодовая модуляция — ИКМ (pulse code modulation — PCM), чтобы перекрыть аналоговый сигнал и осуществить сжа- Рис 4.29. Структура связи с использованием модемов
4.5. Средства коммуникации. Модемы 595 тие в максимально возможной степени на аналоговом участке линии связи. Однако технология 56 кбод рассчитана только на преобразование от цифрового к аналоговому сигналу, так что если в канале связи оказывается звено, которое восстанавливает аналоговый сигнат, а затем возвращается к цифровому, то мак- симально возможная скорость соединения — 33,6 Кбит/с. V. 90. В феврале 1998 г. Международным Союзом по ’теле- коммуникациям был согласован стандарт на 56 Кбит/с, извест- ный как ¥.90. Этот стандарт использует методы обоих специфи- каций — как «х2», так и K5bFlcx. Это фактически два стандарта в одном, определение технических требований — пара «цифровой и аналоговый модемы», способные к передаче входящего (нисходяще- го) потока данных на 56 Кбит/с и исходящего (восходящего1 — на 33.6 Кбит/с. В этом случае «входящий» инфоомационный поток означает «от цифрового на аналоговый модем». Первый связан с коммутируемой телефонной сетью общего пользования через линию ISDN- Аналоговый модем включается в коммутируемую телефонную сеть общего пользования на стороне абонента. В основе V.90 находится схема ИКМ, предложенная разработчи- ками спецификаций, предшествующих стандарту Коды ИКМ — цифровые представления сигналов звуковой частоты. Они име- ют длину 8 бит и передаются с частотой 8000 1/с — полная про- пускная способность составит 64 Кбит/с. V. 92. Объявленный в 2000 г., V.92 — стандарт Международ- ного Союза по телекоммуникациям для аналоговых модемов, который устанавливает ту же скорость входного потока, что и V.90 (56 Кбит/с), но при этом повышается максимум выходной скорости от 33,6 до 48 Кбит/с. Цифровая связь с абонентом и цифровые модемы Для большинс гва лет прошедшего столетия подключение те- лефона абонента к телефонной станции (или «локальный уча сток линии связи», «последняя миля») осуществлялось медным проводом («витая пара», twisted pair), скрытым в подземных коллекторах или протянутым по воздуху Длительное время испо гьзуемая поноса пропускания нс пре- восходила 3 кГи, что ограничивалось аналоговыми оконечным) устройствами Однако, витая пара по своей сули способна к на- много более высоким полосам пропускания, и по коротки'1'1 рас-
396 Глава 4. Интерфейсы стояниям может нести видеосигнал или широкополосные дан- ные. Были разработаны новые технолшии (ISDN и ADSL), что- бы на существующей инфраструктуре обеспечить более высокую производительность. Кроме того, в 1990-е гг. компании кабельного ТВ вложили значительные капиталы в альтернативные каналы подключения к домам. Здесь использовались как технологии витой пары, так и волоконно-оптические и коаксиальные кабели. В большинстве случаев эти кабельные сети были проведены, чтобы обеспечить трансляцию телевидения. Однако, создавшиеся коммуникацион- ные возможности, их высокая полоса пропускания могут экс- плуатироваться также, чтобы организовать другие формы циф- ровых услуг. ISDN. Цифровая сеть с предоставлением комплексных ус- луг (Integrated Services Digital Network — ISDN) могла быть рас- ценена как лучшая, слишком долго сохраняемая тайна компью- терного сетевого мира. ISDN длительное время была скрыта от пользователей телефонных сетей (public switched telephone net- work — PSTN), поскольку она обеспечивает только связь между телефонными станциями, а абонент со станцией по-прежнему соединялся по аналоговому каналу. Так что фактически обычные голосовые телефонные звонки проходят ISDN, но реальные выгоды от ISDN недоступны ко- нечному пользователю через локальный участок связи, который должен быть модернизирован к ISDN. Цифровые абонентские линии. xDSL — групповое название для разнообразия техноло! ии цифровой абонентской линии (Digital Subscriber Line — DSL), которые разработаны, чтобы предложить телефонным компаниям путь в бизнес кабельного телевидения. Это — не новая идея — компания Bell Communications Research Inc разработала первую цифровую абонентскую линию еше в 1987 г., чтобы организовать поставку «видео по заказу», и интер- активное телевидение по проводной связи В то время распро- странение подобных технологий было затруднено из-за недостат- ков стандартов всей промышленности. Технологии xDSL предлагают скорости входящей передачи (загрузки) до 52 Мбит/с и исходящей (выгрузки) — от 64 Кбит/с до 2 Мбит/с (и более) и имеют ряд модификаций: • асимметричная линия (MDSL); • одиночная линия (SDSL); • очень высокая скорость передачи данных (HDSLL
4.5. Средства коммуникации Модемы 397 Практика показала, что линии ADSL (Асимметричная Циф- ровая абонентская линия) наиболее перспективны для бытового применения. ADSL. Технология ADSL подобна ISDN — обе требуют, чтобы проводные телефонные линии были свободны, и могут использоваться только на ограниченном расстоянии от местной телефонной компании. В большинстве случаев ADSL может ра- ботать по соединениям типа «витой пары», не нарушая сущест- вующие телефонные подключения, что означает, что местные телефонные компании не должны проводить специальные ли- нии, чтобы обеспечить обслуживание ADSL. ADSL использует тот факт, что поскольку голосовая связь не занимает полную полосу пропускания, доступную по стандарт- ной витой паре, то можно организовать высокоскоростную пере- дачу данных в то же самое время. С этой целью ADSL разбивает максимальную полосу пропускания проводного подключения в 1 МГц на каналы по 4 кГц, из которых один канал используется для простой телефонной системы (обычная телефонная сеть — plain old telephone system — POTS) — голосовая связь, факсе мильные и аналоговые модемные данные. Другие 256 доступных каналов используются для параллельной цифровой связи. Связь асимметрична: 192 канала по 4 кГц используются для передачи входящей информации и только 64 — для исходящей. ADSL может рассматриваться как преобразования последо- вательной строки цифровых данных в параллельную с гроку, та- ким образом увеличивается пропускная способность. Методика модуляции известна как дискретная многочастотная (Discrete Мultitone — DM1), кодирование и декодирование выполняются, соответственно, таким же образом, как и в обычных модемах. Когда обслуживание ADSL стало коммерчески доступным, единственным оборудованием, которое должны были использо- вать абоненты, был специальный ADSL-модем, имеющий три соединения — телефонный вход (рис. 4 30. Z); стандартное теле- фонное гнездо RJ11 для обслуживания аналогово! о телефона (рис. 4.30, 2); и соединитель витой пары Ethernet, который под- ключает модем ADSL к ПЭВМ (рис. 4.30, 3). На стороне пользователя модем ADSL получает высокочас- тотные цифровые данные и транслирует их для передачи на ПК или в сеть. На стороне телефонной службы мультиплексор до- ступа к цифровой абонентской линии (Digital Subscriber Line Access Multiplexer — DSLAM) подключает пользователя ADSL к
198 Глава 4. Интерфейсы Коммутатор Телефонная сеть общего назначения Мультиплексор Об»1чная М телефонная сеть Высокоскоростная ‘ магистра1 ь j Internet или локальная сеть Муршрутизатор _________1 Обычная телефонная сеть телефон Абонент Телефонная ста <ция Рис. 4 30 Сеть с подключением через ADSL-модем: 1 — телефонный вход; 2 — аналоговый выход; 3 — цифровой выход высокоскоростному Internet, агрегируя входящие линии ADSL в единственное подключение для передачи голоса или данных. Те- лефонные сигналы направляются на коммутируемую телефон- ную сеть, а цифровые — в Internet через высокоскоростную маги- страль (стекловолокно, асинхронную передачу данных или циф- ровую абонентскую линию). В настоящее время существуют различные конструкции мо- демов ADSL. Некоторые соединяются с PC через USB-порт, другие — через кабель Ethernet Большинство устройств позволя - ет разделить подключение Internet между несколькими ПК. Ин- тегрированный модем/маршрутизатор поддерживает сеть ПК. некоторые включают интегрированную систему сетевой защиты (брандмауэр), чтобы обеспечить различные уровни защиты про тив несанкционированного доступа. В 1999 г. по предложениям Intel, Microsoft, Compaq и других производителей оборудования была разработана спецификация, которая была принята Международным союзом электросвязи (International Telecommunication Union — 1TU) как универсаль- ный индустриальный стандарт ADSL, известный как G.922.2 или G.lite Вносятся некоторые ограничения на скорость - 1.5 Мбит/с по приему данных и 400 Кбит/с по передаче. Другие технологии xDSL (табл. 4.20) В 2001 г. была введена спецификация адаптивной скорости передачи (Rate Adaptive Digital Subscriber Line — RADSL), где предусмотрена коррекция скорости передачи согласно длине и качеству местной линии. Ранее подписчики должны были распо- лагаться в пределах 3,5 км от местной телефонной станции, что-
4.5. Средства коммуникации. Модемы 399 Таблица 4.20. Характеристики технологий xDSL Тип сети Скорость связи, Мбит/с Расстояние, км I Исходящий поток Входящий поток RADSL 128 Кбит/с 1 600 Кбит/с 7 3,5 5,5 HDSI 2,048 4,0 SDSL 1,544- 2,048 3,0 VDSL 1,6-2,3 12,96 25.82 51,84 1,5 1,0 0,3 бы можно было подключить ADSL. Для RADSL дальность рас- ширена до 5,5 км, а шумовые допуски увеличились с 41 до 55 дБ HDSL. Технология HDSL симметрична, это означает, что обеспечивается одна и та же полоса пропускания для выходного и входного потока данных. Здесь используется проводка с 2—3 и более витыми парами в кабеле. Хотя типичная дальность (3 км) ниже, чем для ADSL, но могут быть установлены повторители сигнала несущей, что позволяет удлинить связь на 1 — 1.5 км SDSL. Технология аналогична HDSL, но с двумя исключе- ниями: используется единственная проводная пара и максималь- ная длина ограничена 3 км. VDSL. Это самая быстрая технология цифровой абонентской линии. Скорость входного потока 13—52 Мбит/с, а выходного - 1,6—2,3 Мбит/с по единственной проводной паре. Однако мак- симальная дистанция связи составляет только 300 1500 м и оборудование ADSL и VDSL несовместимо, хотя и используются сходные алгоритмы сжатия и технологии модуляции. Кабельные модемы. Кабель-модемы предлагают перспективу быстрого доступа к Internet, используя существующие широко- полосные сети кабельного телевидения. Технология соответству- ет скорее домашним, нежели офисным применениям, так как обычно жилые кварталы более охвачены кабельной связью. Типичные устройства, изготовленные, например. Bay Nd works или Motorola, — внешние модули, присоединяемые к кли- ентским ПЭВМ через интерфейсы Ethernet, USB или FireWire В большинстве случаев кабельному модему пользователя назна- чается единственный IP-адрес, но могут быть либо поставлены дополнительные адреса IP для нескольких компьютеров, либо
400 Глава 4. Интерфейсы несколько ПК могут совместно эксплуатировать единственный адрес IP, используя прокси-сервер. Кабельный модем использу- ет один или два канала телевидения на 6 МГц. Поскольку сеть кабельною телевидения имеет шинную то- пологию, каждый кабельный модем в окрестности совместно ис- пользует доступ к единственной коаксиальной кабельной маги- страли (рис. 4.31). Рис 4.31. Системы связи с использованием кабельных модемов Теоретически возможны скорости до 30 Мбит/с. Практиче- ски кабельные компании устанавливают скорости исхоцящсго потока в 512 Кбайт/с, а входящего — 128 Кбайт/с. 4.6. Системы беспроводной мобильной связи Идея сотовой телефонной связи появилась в лабораториях Белл, США, в начале 1970-х гг. Однако реализация началась только через 10 лет — в 80-е гг. в Европе, особенно в Скандина- вии и Великобритании начался быстрый рост аналоговой сото- вой связи. Системы сотовой связи используют полосы 800 Ml и (от 806 до 902 МГц) и 1,9 ГГц (от 1,850 до 1,990 MI ц). Системы 1 го поколения (1G) были аналоговыми и работа ти в диапазоне 800 МГц Системы 2-го (2G) поколения появились
4.6. Системы беспроводной мобильной связи 401 10 годами позже и основывались на принципах цифровой связи. Сотовые системы используют три различные технологии разде- ления использования выделенной полосы: • множественный доступ с разделением частот (Frequency Division Multiple Access — FDMA); • разделение времени (Time Division Multiple Access — TDMA); • кодовое разделение (Code Division Multiple Access — CDMA). Наиболее распространены методы TDMA и CDMA. GSM. В 1982 г. Европейская конференция почтовой и элек- тросвязи (Conference of European Posts and Telecommunications — СЕР!) сформировала Рабочую группу по проблемам мобильной телефонии (Groupe Special Mobile — GSM), чтобы она разрабо- тала общеевропейский стандарт в данной области, удовлетво- ряющий определенным критериям • эффективное использование спектра частот; • международное переключение (роуминг); • низкая стоимость мобильных и стационарных (базовых) устройств; • высокое качество передачи звука; • совместимость с другими системами цифровой связи (как ISDN и др ). • способност ь поддержки новых служб. Было принято решение, что системы мобильной телефонии будут разрабатываться на базе цифровой связи, и «GSM» впослед- ствии стало акронимом для Глобальной Системы Мобильных коммуникаций. В 1989 г. ответственность за спецификации GSM перешла от СЕРТ к европейскому Институту Стандартов Теле- связи (European Telecommunications Standards Institute — ETSI). Спецификации GSM (Стадия 1) были изданы в следующем году, но коммерческое использование системы не начиналась до сере- дины 1991 г. В 1995 г. спецификации Сталии 2 расширили охват на сельские районы, и к концу этого же года около 120 сетей дей- ствовали приблизительно в 70 географических областях. К началу XXI в. были сделаны основные uiai и к так называе- мому третьему поколению (3G) услуг: • число подписчиков GSM во всем мире возросло приблизи- тельно до 165 млн; • появились первые GPSRS сети важный шаг по переходу к сетям JG (третье поколение);
402 Глава 4. Интерфейсы • в Европе предприняты первые испытания WAP (Wireless Application Protocol). В сети GSM выделяются четыре главных компоненты: • мобильная станция (телефон, «трубка»), которой пользует- ся абонент; • базовая станция, которая осуществляет радиосвязь с мо- бильной станцией; • сеть и подсистема переключения, главная часть которой — центр переключения мобильных услуг, который исполняет переключение запросов между мобильным телефоном и другими стационарными или мобильными пользователями сети, так же как управление мобильными услугами, типа установления аутентичности; • система операционной поддержки, которая наблюдает за надлежащим действием и настройками сети. Международный Союз Телесвязи (International Telecommuni- cation Union — ITU), который (среди других функций) коорди- нирует международное распределение радиоспектра, разместил полосы 890—915 МГц для «восходящего сигнала» (мобильная станции к базе) и 935—960 МГц для «нисходящего» (база к мо- бильной станции) для мобильных сетей в Европе. Так как спектр радиочастот — ограниченный ресурс, разде- ляемый между пользователями, необходимо распределить полосу пропускания среди как можно большего их количества Метод, выбранный GSM. — комбинация FDMA и TDMA. FDMA осу- ществляет разделение частот полной полосы пропускания в 25 МГц на 124 полосы несущих частот по 200 кГц. Система GSM, используемая с переносным ПК (рис. 4.32) обеспечивает всестороннее решение проблемы коммуникации в движении. Пропускная способность факса в 9600 бод, наряду со специальными возможностями, подобными и международному роумингу, и Службе коротких сообщений (Short Message Ser- vice — SMS), позволяют мобильным пользователям легко и на- дежно осушест влягь связь при перемещении из ст раны в страну. Эти способности передачи данных не являются автоматически- ми — провайдер GSM должен поддерживать эти функциональ- ные возможности для мобильных пользователей. Услугами пере- дачи данных могут быть: • исходящая передача (Mobile Oiiginated — МО) подразуме- вает, ч го пользователи могут посылать данные, находясь в отдаленном месте, используя сеть GSM.
4.6. Системы беспроводной мобильной связи 403 Рис. 4.32. Мобильные вычисления в GSM • входящая передача (Mobile Terminated — МТ) — пользова- тели могут получать данные, факсы или сообщения SMS на ноутбук, используя сеть GSM. Системы 2G, доступные с конца 1999 г. для передачи голоса или данных занимали единственный временной интервал TDMA, предлагая скорость передачи 9,6 кбод. Последующее введение высокоскоростных переклю- чаемых сетей передачи данных (High Speed Circuit Switched Data — HSCSD), которые требовали расширения стан- дарта GSM, чтобы ввести новый протокол радиосвязи, позволи- ло использовать все восемь интервалов TDMA и увеличить ско- рость до 76,8 кбод. IrDA. Ассоциация инфракрасной передачи данных (Infrared Data Association — IrDA), начиная с ее образования в 1993 г., ра- ботала над открытым стандартом инфракрасной передачи дан- ных на короткие расстояния Спецификации IrDA базируются на двух стандартах — протоколе физического уровня 115 Кбит/с (типа UAR1), который был развит Hewlett Packard, и протоколе Link Access Protocol (IrLAP), основанном на HDLC и первона- чально предложенном IBM Это — стандарт передачи данных связи «точка -точка» в узком коническом углу (30°), предназна- ченный для работы на расстоянии до 1 м со скоростями между 9,6 Кбит/с и 16 Мбит/с. В области мобильных вычислений IrDA обычно использует- ся для подключения портативного компьютера к мобильному те- лефону и установления модемной связи с Internet. IrDA также определяет IrL AN-протокол для подключения устройств, под- держивающих IrDA-связь со стационарной сетью. Bluetooth. Названная по имени датского короля Х-го столе- тия, Bluetooth — спецификация для портативных устройств.
404 Глава 4. Интерфейсы обеспечивающая дешевую радиосвязь между мобильными ком пьютерами, мобильными телефонами и другими переносными устройствами, возможность подсоединения к Internet. Инициа- тива была поддержана лидерами в телесвязи, компьютерах и смежных отраслях промышленности — включая ЗСот, Ericsson, IBM, Intel, Lucent, Motorola, Nokia and Toshiba — более чем 1300 отраслевых компаний. Главное преимущество систем Bluetooth перед инфракрасны- ми портами состоит в том, что Bluetooth не требует прямой ви- димости. Его сторонники надеются, что составляющие затраты будут настолько низки, что он в конечном счете заменит инфра- красный. Bluetooth работает в диапазоне «Индустриальный научный и медицинский» (Industrial Scientific and Medical — IsM) — 2,4 ГГц (в интервале от 2,4 до 2,4835 ГГц в США. Японии и Европе). Части этой полосы также доступны во Франции и Испании. По сути, это — тот же самый вид микроволновой радиотехнологии, которая обеспечивает беспроводной дверной звонок и автомати- ческое открывание двери гаража Bluetooth первоначально ограничивался дальностью связи 10 метров и скоростью приблизительно 1 Мбит/с Технология работает подобно переносным домашним телефонным трубкам, где есть приемопередатчики (портативные устройства) и базовые станции. Есть возможность соединять от 8 до 10 устройств в пределах одной подсети, включая семь каналов передачи данных и три голосовых Модули Bluetooth имеют приемопередатчики, которые скани- руют пространство и обнаруживают другие устройства Bluetooth, чтобы установить связь. Когда два устройства Bluetooth появля- ются в пределах достижимости, они устанавливают контакт и формируют временную сеть, названную Персональной сетью (Personal Area Network — PAN) Прежде чем любые данные будут переданы между устройствами, должна быть установлена сессия сети. По соображениям безопасности пользователь должен пре доставить ручное одобрение по входу в сет ь устройствам, которые не были ранее идентифицированы как устройства, принадлежа- щие этой же PAN. Для связи модули Bluetooth используют переключение частот (Frequency-Hopping Spread Spectrum — FHSS). Этот метод ранее использовался много лет военными как обладающий повышен- ной безопасностью FHSS исполыует переключение пакетов при
4.6. Системы беспроводной мобильной связи 465 пересылке данных от передатчика одного модуля Bluetooth на приемник дру1 ого. В отличие от переключения каналов, которое устанавливает свягь на некоторой частоте (канал), FHSS разби- вает данные на маленькие пакеты и передает и к в широком диа- пазоне частот «поперек» доступной полосы частоты. Приемопе- редатчики Bluetooth переключают 79 частот в полосе на 2,4 ГГц с частотой 1600 ь секунду. IEEE 802.11. Спецификации 802.11 была выпущена в 1997 г. как стандарт для беспроводных локальных сетей (WLAN к Эта исходная версия предусматривала скорости передачи данных 1 и 2 Мбит/с и набор основных методов передачи сигналов и дру - гих услуг. Невысокие скорости передачи данных не удовлетворя- ли необходимым требованиям, и осенью ’.999 г. был выпущен вариант IEEE 802.11b стандарта (также известный как «высоко- скоростной 802.11») для передачи до 11 Мбит/с. Стандарт 802.11 определяет две составные части оборудова- ния — беспроводная «станция» (обычно ПК оборудованным беспроводной сетевой интерфейсной платой) и «пункт доступа» (access point, АР), который действуе г как мост между беспровод- ными и проводными сетями. Пункт доступа включает приемопе- редатчик. сетевой интерфейс (типа 1Г.ЕГ 802.3). и программную часть, обеспечивающую соединение по стандарту 802.'.О. Пункт доступа действует как базовая станция (база) для беспроводной сети, осуществляя доступ беспроводных станций к проводной сети. Беспроводными конечными станциями могут быть платы 802.11 PC Card, сетевые интерфейсы PCI. ISA или встроенные некомпьютерные клиенты (например, мобильный телефон, под- держивающий стандарт 802.11). Стандарт 802.11 определяет два режима работы: инфраструк- турный (infrastructure mode) и специальный (ad hoc mode). В ин- фраструктурном режиме беспроводная сеть состоит из одного или более пунктов доступа, связанных с проводной сетевой ин- фраструктурой и набором беспроводных конечных станций. Эту конфигурацию называют основным сервисным набором k Basic Service Set — BSS). Расширенный сервисный набор (Extended Service Set — ESSI — набор двух или больше BSS. образующих отдельную подсеть Так как б< >лыиинство корпорят ивных WLAN требуют доступа к проводной локальной сети для обслуживания (файловые серверы, принтеры, связи с Internet), они работают в режиме инфраструктуры (рис 4.33).
406 Глава 4. Интерфейсы Рис. 4.33. Режимы работы сети IFFF 802 11 Специальный режим, также называемый одноранговым ре- жимом (peer-to-peer mode) или независимым основным сервис- ным набором (Independent Basic Service Set — IBSS) — просто совокупность беспроводных станций 802.11, которые связывают- ся непосредственно друг с другом, не используя пункт доступа или любое подключение к проводным сетям. Этот режим поле- зен для быстрой и легкой установки беспроводной сети там ] де беспроводная инфраструктура не существует или не требуется для услуг, типа гостиничного номера, центра переюворов или аэропорта, или там. ще доступ к проводной сети запрещен. Три физических уровня, первоначально определенные ь 802.11, включали два мет ода, ба зируюшихся на падиосвязи с раз- делением спектра, и нечеткую инфракрасную спецификацию. Стандарт ы на основе рацио работают в пределах полосы 1SM на 2.4 ГГц. Эти частоты признаны такими а1еч~ствами, как FCC (США), ETS1 (Европа) и МКК (Япония) для нелицензируемых р ыиооперапий. Поэтому изделия, выполненные по 802.11. не требуют лицензирования пользователя или специагыюго обуче- ния. Методы разделения спектра в дополнение к удовтетворе- нию регулирующих требований увеличивают надежное гь и про- иззодительность и позволяют многим независимым изделиям совместно использовать спектр без необходимости координации и с минимальными взаимными помехами. Стандарт IEEE 802.11b. Спецификация IEEE 802.11b по инициативе в основном Lucent Technologies и Intersil ( огр была разработана, чтобы работать в диапазоне 2 4 ГГц ISM. Н (значе- ние спецификации — органи (ация беспроводных LAN Ethernet
4.6. Системы беспроводной мобильной связи 407 Основное добавление 802.11b к стандарту беспроводной ло- кальной сети должно было стандартизировать поддержку физи- ческого уровня двух новых скоростей — 5,5 и 11 Мбит/с Чтобы достичь этого, в качестве физического уровня для стандарта была выбрана прямая последовательность частот (Direct Sequence Spread Spectrum — DSSS), так как переключающиеся частоты не могли поддерживать более высокие скорости, не нарушая теку- щие инструкции Федеральной Комиссии по связи. Более эффек- тивная схема кодирования — Complimentary code keying (ССК) - была включена в стандарт, чтобы достигнуть конечной скорости передачи данных 11 Мбит/с. Однако, 802.11b несовершенен. Один из наиболее сущест- венных недостатков — полоса частот. Многочисленные устрой- ства могут вторгнуться в полосу 2,4 ГГц и поэтому представляют потенциальный источник помех. Сюда входят микроволновые печи, переносные телефоны, радиосистемы и домашние кон- трольные устройства, использующие протокол Х-10. Самая большая опасность, однако. — от все более широко распростра - няюшихся устройств Bluetooth. Проблема усугубляется тем фак- том, что 802 11b рассчитан не просто на связь на расстоянии от 15 до 45 м (через стены и потолки) но и до 300 м прямой види- мости на открытой местности. Ограниченная полоса пропускания, возможно, — еще боль- шая проблема. Номинально 802.11b обеспечивает скорость, эк- вивалентную 10 Мбит/с Ethernet. Однако, перегрузка, конфигу- рация и требования безопасности могул уменьшить фактическую производительность до типичного значения в 5 Мбит/с. Хотя этого и достаточно для Web-браузеров, но неадекватно для боль- шого количества приложений типа потокового видео. Проблемы на физическом уровне — одна из причин для деградации работы. Например, префикс (преамбула), включаемый в каждый пакет используемого здесь протокола Physical Layer Convergence Protocol (PLCP), который содержит значение скорости передачи и данные для проверки синхронизации, состоит из 24 байтов (сравнительно с 8 байтами для проводной Ethernet, см. рис. l.b). Безопасность — другая важная проблема. Система зашиты Wired Equivalent Privacy (WEP), встроенная в протокол 802.11. показала уязвимость и относительную несложность расшифров- ки кода с 40-битовым ключом. Хакеры могут подъехать к дому на автомобиле, имея ноутбук, снабженный радиосистемой, и войти в сеть. Разработчики предлагают несколько решений,
408 Глава 4. Интерфейсы включая алгоритм расшифровки со 128-битовым ключом, из- вестный как Advanced Encryption Standard (AES), но который требует обновления технических и программных средств или Temporal Key Integrity Protocol (TKIP), который будет совмести- мым с WEP IEEE 802.11а. Если 802.11b размещается в полосе 2,4 ГГц, то стандарт 802.11а был разработан, чтобы работать в диапазоне 5 ГГц «Нелицензируемая национальная информационная ин- фраструктура» (Unlicensed National Information Infrastructure — UNII). Кроме того, в отличие от 802.11b, 802.11а использует со- вершенно другую схему кодирования — ортогональное мульти- плексирование с разделением частот (Coded orthogonal frequency division multiplexing — COFDM) для беспроводного использова- ния внутри помещения. COFDM расщепляет одну высокоскоростную несущую час- тоту на несколько поднесущих более малого быстродействия, которые передаются параллельно (рис. 4.34). Высокоскоростная несущая шириной 20 МГц разделена на 52 подканала, каждый приблизительно по 300 кГц. COFDM использует 48 из этих под- каналов для данных, а остающиеся четыре — для исправления ошибок COFDM поставляет более высокие скорости передачи данных и высокую степень восстановления благодаря схеме ко- дирования и исправлению ошибки. Метод обеспечивает скоро- сти передачи в 5, 12 и 24 Мбит/с. Подканалы 52 несущих на канал Высокочастотная несущая Рис. 4.34. С груктура диапазонов в протоколе 802 11а Беспроводные локальные сети (WLAN) общего доступа (Public Wi-Fi access). Несмотря на то, что протокол IEEE 802.11b был рас-
4.7. Некоторые технологии локальных сетей 409 считан на то, чтобы поддерживать Ethernet-подобные беспровод- ные сети в рамках помещения (здания), в начале 2000 г. было об- наружено, что если установить приемопередатчик и очку доступа, Access Point - АР) на высокой мачте (от 15 до 50 м) и использо- вать специальные наружные маршрутизаторы и мосты протокола 802.11b, то можно расширить беспроводную сеть от здания к зда- нию, и таким образом расширить охват (до 500- 1000 м) США взяли на себя инициативу в создании сетей WLAN об- щего доступа (извесз ных как «Wi- Fi hot spots», или < Wi- Fi») и к 2001 г. их было в США уже больше чем 5000, или приблизитель- но 80 % мирового общего количества. Первыми пользователями являлись университеты, компании типа Starbucks (сеть кофей- ных лавок, которая снабдила в США 650 кафе доступом Wi-Fi) и множество гостиниц. В 2002 г. количество Wi-Fi возросло, охва- тывая такие объекты, как аэропорты, отели и офисные здания. Успех Wi-Fi представляет проблему для индустрии мобиль- ной телефонии Многие провайдеры сотовой связи сделали ог- ромные инвестиции в 3G-технологии GSM, предполагая, что это будет технология, которая навсегда решит проблемы доступа к Internet для мобильных пользователей. Однако поскольку WLAN имеет полосу пропускания, достаточно хорошую для видео теле- визионного качества, что может помешать провайдеру мобиль- ных услуг, не отягощенному обязательствами перед 3G перейти на эту технологию? Позиция, занятая европейскими компаниями, разрабаты- вающими беспроводные технологии и инфрас труктуру, проста — технологии 3G и WLAN дополняют друг друга: изготовители со- тового телефона включают доступ по Wi- Fi в новые модели и разрабатывают модули, которые без затруднений переключают обычный телефон GSM к Wi-Fi в зависимости оттого, какой ка- нал связи обеспечивает лучший сигнал. 4.7. Некоторые техноло! ии локальных сетей Рассмотрим ряд технологических решений локальных сетей, называемых иногда базовыми или классическими. Из наиболее распространенных типов локальной сети шинную топологию используют — стандартный Ethernet/IEEE 802.3 и Arcnet. коль- цевую — Fibre Distributed Data Interface (FDD1) и Token Ring/IEEE 802.5.
410 Глава 4. Интерфейсы Локальная сеть Arcnet. Aicnet (Attached Resource Computei NETWork) — простая, недорогая, надежная и достаточно гибкая архитектура локальной сети. При подключении устройств в Arcnet применяют топологии «шина» и «звезда». Разработана кор- порацией Datapoint в 1977 г. Метод управления доступом станций к передающей среде — маркерная шина (loken Bus). Этот метод предусматривает следующие правила: • один из компьютеров создает маркер (сообщение специ- ального вида), который последовательно передается оз од- ного компьютера к другому; • все устройства, подключенные к сети, могут передавать данные, только получив маркер (разрешение на передачу); • в любой момент времени только одна станция в сети обла- дает таким правом; • данные, передаваемые одной станцией, доступны всем станциям сети; • если станция желает передать сообщение другой станции, она должна дождаться маркера и добавить к нему сообще- ние, дополненное адресами отправителя и назначения. Ко- гда пакет дойдет до станции назначения, сообщение будет откреплено от маркера и передано станции. Передача каждого байта в Arcnet выполняется специальной посылкой ISU (Information Symbol Unit — единица передачи ин- формации), состоящей из трех служебных старт/стоповых битов и восьми битов данных. В начале каждого пакета передается на- чальный разделитель АВ (Alert Burst), который состоит из шести служебных битов. Начальный разделитель выполняет функции преамбулы пакета. Для организации сети Arcnet необходим соответствующий сетевой адаптер Этот адаптер имеет один внешний разъем для подключения коаксиального кабеля. Каждый адаптер Arcnet должен иметь для данной сети свой номер. Эти номера устанав- ливаются переключателями, расположенными на адаптере, и на- ходятся в пределах от 0 до 255 FDDI. Оптоволоконный интерфейс к распределенным дан ным (Fibre Distributed Data Interface — FDDI) был разработан комитетом стандартов Американского национального института стандартов (ANSI) в середине 1980-х гг., когда высокоскорост- ные АРМ проектировщиков начали перегружать полосу пропус- кания существующих локальных сетей, основанных на Ethernet и Token Ring. Стандарт определяет двойную кольцевую локаль-
4.7. Некоторые технологии локальных сетей 411 ную сеть с эстафетным доступом на 100 Мбит/с, использующую волоконно-оптический кабель. FDDI занял свою нищу как на- дежная, высокоскоростная магистраль для сетей критического назначения с высоким потоком данных (рис. 4.35) Рис. 4.35. Архитектура сети Г DI >1 FDDI использует двойную кольцевую топологию, которая включает два противовращающихся кольца. В процессе нор- мального функционирования первичное кольцо используется для передачи данных, а вторичное кольцо простаивает. Наличие двойных колец должно обеспечить высокую надежность и устой- чивость к ошибкам. Станция в сети присоединяется к обоим из этих когец и должна иметь не менее двух портов — «А», i це первичное кольцо входит и вторичное кольцо выходит, и < В», где вторичное кольцо входи г и первичное выходит. Предусмотрены также порты < М». которые являются соединениями для присоединяемых станций, и станция с не менее чем одним М-портом явгяется концент- ратором. Token Ring (Эстафетное кольцо). Этот стандарт предложен фирмой IBM в 1984 г. В качестве передающей среды применяет- ся витая пара или оптоволоконные кабели. Скорость передачи данных - 4 или 16 Мбит/с. В качестве метода управления досту- пом егэнпий к передающей среде используется метод маркерного кольца (Token Ring), который также разработан фирмой IBM и рассчитан на кольцевую топологию сети. Основные положения этого метода: • компьютеры подключаются в сеть по топологии «звезда» или «кольцо»:
412 Глава 4. Интерфейсы • все устройства, подключенные к сети, могут передавать данные, только получив разрешение на передачу (маркер). Маркер передается по кольцу, минуя каждую рабочую стан- цию в сети. Рабочая станция, располагающая информаци- ей, которую необходимо передать, может добавить к марке- ру кадр данных. В противном случае (при отсутствии дан- ных) она просто передает маркер следующей станции; • в любой момент времени таким правом обладает только одна станция сети. Скорость передачи данных в сети Token-Ring может дости- гать 4 или 16 Мбит в секунду, однако стоимость сетевого обору- дования выше, чем для сети Ethernet. Кроме того, существуют и другие ограничения. Локальная сеть Ethernet. Спецификацию Ethernet в конце 1970-х гг. предложила компания Xerox Corporation. Позднее к этому проекту присоединились компании Digital Equipment Corporation (DEC) и Intel Corporation. Первая спецификация, выпущенная этими тремя компания- ми в 1980 г., называлась «Ethernet Blue Book», и известна под именем < DIX standard» (от инициалов компаний-разработчиков). Это была система на 10 Мбит/с, которая использовала большой коаксиальный кабель в качестве магистрали, прокладываемой внутри здания с меньшими коаксиальными кабелями, отходя- щими через интервалы около 2,5 м, чтобы соединяться с рабочи- ми станциями. Линия на большом коаксиальном кабеле (обычно желтого цвета) стала известной как «толстый Ethernet» или 10Base-5, где: • «10» характеризует скорость (10 Мбит/с); • «Base» означает, что используется система с полосой немо- дулированных частот; • «5» — краткое обозначение для максимальной длины кабе- ля системы (500 м). IEEE выпустил официальный стандарт Ethernet в 1983 г., ко- торый был назван IEEE 802.3 по наименованию рабочей группы, ответственной за ею развитие, а в 1985 г. была выпущена версия 2 (IEFE 802.3а). Эта версия известна как «тонкий Ethernet» или 10Base-2, в этом случае максимальная длина составляет 185 м (хотя «2» означает «200 м»). Протокол коллективного доступа Ethernet — множественный доступ с опросом носителя и разрешением конфликтов (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection — CSMA/CD) и
4.7. Некоторые технологии локальных сетей 413 протокол управления доступом к носителю (Media Access Control — МАС) определяют правила пользования для общедо- ступной сети. Название самого протокола поясняет, как собст- венно фактически работает процесс управления трафика. Популярность Ethernet росла в течение 1990-х гг., пока тех- нология не стала почти вездесущей. К концу 1997 г. было оцене- но, что более 85 % всех установленных сетевых подключений имели тип Ethernet, а в следующем году технология составляла 86 % поставок сетевого оборудования. Несколько факторов вне- сли вклад в успех Ethernet, не в последнюю очередь его масшта- бируемость. В частности, версия 10Base-T («Т» — от вигой пары, twisted pair), которая поддерживает скорость в 10 Мбит/с по неэкрани- рованной витой паре (UTP) кабеля телефона, стала идеальным выбором для множества систем «малый офис/домашний офис» (Small Office/Home Office — SOHO). В середине 1990-х гг., по- явился быстрый Ethernet (Fast Ethernet — 100 Мбит/с), а не- сколькими годами позднее гигабит-Ethernet (Gigabit Ethernet — 1000 Мбит/с). Ethernet не исключает возможности одновременной переда- чи сообщений двумя или несколькими станциями. Аппаратура автоматически распознает такие конфликты, называемые колли- зиями. После обнаружения конфликта станции задерживают пе- редачу на некоторое время. Это время небольшое и для каждой станции свое. После задержки передача возобновляется Реально конфликты приводят к уменьшению быстродействия сети толь- ко в том случае, если работает порядка 80—100 станций. Быстрый Ethernet. Быстрый Ethernet был официально принят летом 1995 г., спустя два года после того, как группа ведущих се- тевых компаний сформировала Союз Быстрого Ethernet (East Ethernet Alliance), чтобы разработать стандарт. Быстрый Ethernet (также называемый 100 Base Т) сохраняет тот же самый протокол CSMA/CD. кроме того, использование кабеля категории 5 (табл. 4 21) обеспечивает более высокую полосу пропускания и вводит новые возможности типа полнодуплексной передачи и автоматического установления связи. Гигабит-Ethernet. Следующий шаг в развитии Ethernet управ- лялся Союзом 1игабит-Ethernet (Gigabit Ethernet Alliance), образо- ванным в 1996 г Утверждение ряда стандартов гигабит-Ethei net было закончено летом 1999 г., и они определяют физический уро- вень использования комплекса проверенных технологий, вклю-
414 Глава 4. Интерфейсы чая первоначальные спецификации Ethernet и Спецификацию волоконного канала ANSI ХЗТ11: • 1000Base-X — стандарт использует на физическом уровне оптоволоконные каналы и определяет технологию взаимо- связи для подключения рабочих станций, супер-ЭВМ, на- копителей информации, и периферийные устройства, ис- пользуя волоконно-оптические и проводные (экранирован- ная витая пара) типы носителей; • 1000Base-T — стандарт для связи с использованием неэкра- нированной витой пары. Гигабит-Ethernet является преемственной по отношению к 10 Мбит/с и 100 Мбит/с предшественникам, позволяя прямое подключение к работе с сетями более высокой скорости. Все три скорости Ethernet используют один и тот же формат кадра пере- дачи данных IEEE 802.3, полнодуплексные операции и методы управления потоком данных. В полудуплексном режиме гига- бит-Ethernet использует тот же самый метод доступа множест- венного доступа с опросом несущей и разрешением конфликтов Использование одного и того же формата кадра (фрейма) пе- ременной длины (от 64 до 1514 байт) IEEE 802.3 как в Ethernet, так и быстром Ethernet (рис. 1.6) является ключом к совместимо- сти, к тому, что сущест вующие устройства Ethernet мятого быст- родействия мшут быть связаны с устройствами Гигабит-Ethernet, используя сетевые коммутаторы или маршрутизаторы, чтобы приспособить одну физическую скорость линии к другой. Проводная сеть. В 1985 г. Ассоциация промышленности компьютеров и связи (Computer Communications Industry Association — CCIA) обратилась к Ассоциации электронной про- мышленности (Electronic Industries Association — EIA) с предло- жением разработать универсальный стандарт проводной связи, который будет способен к охвату всех текущих и будущих сете- вых систем, имеющих обычную топологию и использующих обычные носители и соединители. К 1987 г. ряд производителей разработали оборудование Ethernet, которое могло использовать телефонный кабель витой пары, а в 1990 г. IEEE выпустил стандарт 802.31, Ethernet lOBase Т В 1991 г. EIA вместе с Ассоциацией промышленности передачи данных (Telecommunications Industry Association — Т1А» издала первый стандарт проводной передачи данных под назва- нием ГА 568. В основе находилась спецификация неэкраниро- ванных витых пар категории 3 (L TP), и один месяц спустя были
4.7. Некоторые технологии локальных сетей 415 разработаны спецификации более высоких сортов кабеля UTP (категории 4 и 5) — табл. 4.21. Таблица 4 21. Характеристики различных типов UTP Тип Характерис-ики Категория 1 Используется для телефонной связи и не подходит для передачи данных Категория 2 Способен к передаче данных на скоростях до 1 Мби /с Категория 3 Используется в сети 10Base-T и способен к переда"" данных до 1Г Мбгт'с Категория 4 Используется в сетях Token Ring и способе к передаче Дан «ях го GC Мбит/с Категория 5 Способен к передаче данных на скоростях до 100 Мбит/с Развитие технологии Ethernet привело к разработке < Расши- ренной категории 5» которая, подобно основной категории 5. обеспечивает нормы передачи до 100 Мбит/с. Однако испыта- тельные параметры для основной категооии 5 предполагают, чго сигналы данных будут использовать только две из четырех пар (одна пара для передачи и одна для приема), и уровень перекре- стных помех измерялся только между каждой комбинацией пар. В сетях Г игабит- Ethernet, однако, могут использоваться все че- тыре лары для одновременной передачи, так что перекрестные помехи относительно каждой пары должны учитывать объеди- ненный эффект других трех пар. Расширенная категория 5 рас- считана на Гигабит-Ethernet. Стандарт 802.3 предусмат ривает широкое разнообразие вари- антов. используя различные формы кабеля I FS • соединяющий кабель для стан ларт ного Ethernet (10Bjces 1 — также называется «Толстый Ethernet» или «ThickNet» — предусматривает использование сетевого устройства — мо- дуля присоединения носит елей (Media attachment unit - МА1Л вместо приемопередатчика. I DBase 5 использует т о. стый коаксиальный кабель который может работать на рас- стоянии до S00 м, не используя повторители; • Ethernet витой пары (lOBase Г) использует существующие экономичные телефонные кабели. Предпола! аст ся звезло- образ] гая конфигурация, в которой узлы соединяются с центральным концентратором, используя ви гые пары и разъемы R.T45; • быстрый Ethernet (lOOBasc Т) совместимая с It Ы 802.3и высокоскоростная версия, подобная lOBase-1. но исполь-
416 Глава 4. Интерфейсы зующая различные конфигурации кабеля. lOOBase-TX ис пользует две пары UTP категории 5. 100Baso-T4 используют четыре паоы категории 3 и 100 Base-FX использует много- модальные оптические волокна и прежде всего предназна- чен ятя использования в магистральных линиях: • тонкий Ethernet (10Basc-2), также именуемый «ThinNet» или «CheaperNcl*, использует более тонкий, менее дороюй коаксиальный кабель, который удобнее для соединен им но имеет ограничение 180 м в сегменте. ThinNet использует разъемы миниатюрного байонетного соединителя Т-типа, а приемопередатчики встроены в платы адаптера; • волоконно-оптический Ethernet (lOBase-F и lOCBase-FXj устойчив к внешним помехам и часто используется, чтобы расширить сегменты Ethernet до 1.2 миль. Ра зработаны предложения т акже по категориям 6 и 7. уровень 6 должен обеспечить скорости передачи более чем 200 Мбит/с с использованием усовершенствованных кабелей и ра зъемов RJ4S Категория 7 предложена, чтобы работать на скоро_т и 60С Мбит/с, используя кабель с экранированными парами и новым типом разъема. Сетевые аппаратные средства Сети базируются на аппаратных средствах и программном обеспечении. Се гевые аппаратные средства обеспечивают физи- ческие связи между различными узлами сети и типично вклю- чают: • сетевые интерфейсные нлагы, одна на каждый ПК; • сетевые устройства (концентраторы, мосты, маршрутизато- ры. переключатели и т. д.). Предназначены цля того, чтобы подключать ра зличные cei менты сети и для roi о, "тобы га рантировать, чго пакеты информации посылают предна- значенному адресату'; • сетевые кабели которые соединяют каждую селевую карту с концентратором или переключателем. Сетевые карты (адаптеры). Сетевые интерфейсные платы (Network Interface Card — NIC) устанавливаются на настольных и портативных ПК, используются, что^ы подключать ПК к сети, и обеспечивают физическую связь между сетевой средой и внут- ренней шиной компьютера (модель откры_ых систем — уровни 1
4.7. Некоторые технологии локальных сетей 417 и 2). Существует целый спектр сетевых плат для различных ПК, имеющих определенные требования к производигельности. Ха- рактеризуются скоростью передачи данных и способами под- ключения к сети (рис. 4.36, а). Для сетей типа Ethernet в стандарте ISA исполь- зуется три вида сетевых адаптеров: 8-, 16- и 32-битовые; 8-бито- вый адаптер может вставляться в 8-битовый или 16-битовый слоты материнской платы и используется, главным образом, в компьютерах IBM XT&IBM PC, где нет 16-битовых слотов. Иногда 8-битовые адаптеры используются для компьютеров IBM АТ, если требования к скорости передачи данных невысоки. Для 16-битового адаптера необходимо использовать 16-битовый слот. На компьютерах 80386 или 80486 имеет смысл использовать ско- ростные 32-битовые адаптеры, по крайней мере, для тех стан- ций, на которые приходится максимальная на1рузка. Сетевые адаптеры могут быть рассчитаны на архитектуру ISA/EISA или Micro Channel. Первая архитектура используется в Рис 4 36 Компоненты сетевого оборудования: а — сетевой адаптер Ethernet; б — Т-коннектор; в — разъем RJ-45; г — пассив- ные штепсельные коробки; д — концентратор (HUB, «хаб»)
118 Глава 4. Интерфейсы серии компьютеров IBM АТ и совместимых с ними, вторая — в мощных станциях на базе процессоров 80486, третья — в компь- ютерах PS/2 серии IBM. Конструктивно эти т ипы адаптеров от. щ- чаются друг от друга. Для ускорения работы на плаге сетевого адаптера может находиться буфер. Размер этого буфера различен для адап геров разных типов и может составлять от 8 Кб для 8-би- товых адаптеров до 16 Кб и более для 16- и 32-битовых адаптеров Сетевые адаптеры Ethernet используют порты ввода/выводл и один канал прерывания. Некоторые адаптеры могут работать с каналами прямого доступа к памяти (DMA). Как правило, все сетевые адаптеры имеют два разъема. Один из них предназначен для подключения многожильною транси- верного кабеля, второй — для подключения тройникового со- единителя (T-connector, тройник Т-коннектор). Т-коннектэр с одной стороны подключается к сетевому адаптеру, а с двух др} - гих сторон к нему подключаются отрезки тонкого коаксиального кабеля с соответствующими разъемами на концах (рис. 4.36, б). Рабочая станция через сетевой адаптер специальным много жильным 1 рансиверным кабелем подключается к устройству. на- зываемому трансивером. Трансивер служит для подключения ра- бочей станции к толстому коаксиальному кабелю. На корпусе трансивера имеется три разъема: два — для подключения толсто- го коаксиального кабеля и один — для подключения трансивер- ного кабеля. Между собой трансиверы соединяются отрезками толстого коаксиального кабеля с припаянными к их конца и коаксиаль- ными разъемами. В табл. 4.22 перечислены устройства, необхо- димые для подключения рабочей станции к п олс тому коаксиаль- ному кабелю. Таблица 4.22. Of>»p’цование для подключения рабочей станции к толстому коаксиальному кабе по Сетевой адаптер Вставляется в материнскую плату компьютера Трансивер! ыг кабель Мно, ожи ъныи экранированный кабегь, соединяет остевой адаптер с трансивером Трансивер 1 Соедчняс-ся гоа югвеоны л кабелем с сетевым адаптером, имеет два коаксиальный разъема для подключения к то™ юму кабеп1п На открытых концах сети помещаются специальные за] душ- ки — терминаторы, которые подключаются к свободным к< >нпам Т коннекторов (коаксиальные разъемы, в корпусе кс горых усда
4. 7. Некоторые технологии локальных сетей 419 новлен резистор с сопротивлением 50 Ом). Корпус одного из терминаторов должен быть заземлен. В каждом сегменте сети можно соединят ь только один терминатор. Сетевые адаптеры, способные работать с витой парой, имеют разъем, аналогичный применяемому в импортных телефонных аппаратах (рис. 4.36, в). В стандартной ситуации для шинной сети Ethernet часто ис- пользуют тонкий кабель или Cheapemet-кабель с тройниковым соединителем. Выключение и особенно подключение к такой сети требуют разрыва шины, что вызывает нарушение циркули- рующего потока информации и зависание системы. Новые технологии предлагают пассивные штепсельные ко- робки, через которые можно отключать и/или включать рабочие станции во время работы вычислительной сети. Например, ко- робка (рис. 4 36, г) рассчитана на четыре рабочие станции. Репитеры. Если длина сети превышает максимальную длину сегмента сеги, необходимо разбить сеть на несколько (до пяти) сегментов, соединив их через репитер. Функции репитера заключаются в физическом разделении сегментов сети и обеспечении восстановления пакетов, переда- ваемых из одного сегмента сети в другой. Репитер повышает надежность сети, так как отказ одного сегмента (например, обрыв кабеля) не сказывается на работе других сегментов. Однако, разумеется, через поврежденный сег- мент данные проходить не могут. Конструктивно репитер может быть выполнен либо в виде отдельной конструкции со своим блоком питания, либо в виде платы, вставляемой в слот расширения материнской платы ком- пьютера. Концентраторы. В структурированной кабельной конфигу- рации все входящие в сеть ПК взаимодействуют с концентрато- ром (Hub или «хаб») — рис. 4.36, д. В зависимости от числа ра- бочих станций и длины кабеля между рабочими станциями при- меняют пассивные (Passive Hub) и активные (Active Hub) концентраторы. Активные концентраторы дополнительно содер- жат усилитель для подключения 4. 8. 16 или 32 рабочих станций. Пассивный концентратор является исключительно разветвитель- ным устройством (максимум на три рабочие станции). Макси- мальное расстояние от концентратора до рабочей станции со- ставляет 100 метров, при этом скорость передачи данных такая же, как и для коаксиального кабеля, — 10 Мбит в секунду.
420 Глава 4. Интерфейсы При применении концентратора все пользователи делят ме- жду собой полосу пропускания сети. Пакет, принимаемый по одному из портов концентратора, рассылается во все друг ие пор- ты, которые анализируют этот пакет (предназначен он для них или нет). При небольшом числе пользователей такая система превосходно работает. Между тем в случае увеличения числа пользователей начинает сказываться конкуренция з 1 полосу пропускания, что замедляет трафик в локальной сети. Важен тот факт, что только концентраторы позволяют поль- зователям совместно использован ь сеть Ethernet. Сеть концентра торов/повторителей называют «общедоступным Ethernet», что означает, что все члены сети конкурируют между собой для пере- дачи данных на единственную сеть (домен коллизи й) В ре льта- те индивидуальные члены общедоступной сети потучат только часть от потенциальной полосы пропускания се ги. Число и тип концентраторов в любом домене коллизий для сетей 1 dBase Т Ethernet ограничены значения ми, приведенным и в табл. 4 23. Таблица 4 23. Число и тип концентраторов в сегменте для различных 1ипов сетей Тип сетей Максимальное число узлов на се-мен- Максимальное оасстоян ie в сегменте, м 10Base-T 2 100 lOBase 2 30 185 inBase 5 100 500 10Base-Fl_ 2 2000 | Мосты. Мосты стали коммерчески доступными в начале 1980 х. гг. Во время их первоначального появления их функция заключалась в подключении раздельных однотипных сетей. Впо- следствии соединения разнотипных сетей, например. Ethernet и Token Ring, также были onpt делен ы и стандартизированы. Мос- ты — устройства передачи данных, которые, используются пре- имущественно на уровне 2 модели взаимодействия о крытых систем (ус гройст ва уровня передач и данных). Мосты контролируют адреса узлов Ethernet, находящихся в каждом сетевом сегменте, и позволяют проходить олько необ- ходимому трафику. Когда пакет тайных полнен мостом, он оп- ретеляет сегменты адресата и источника. Если cei менты совпа . [ают. пакет аннулируется (фильтруется), если ра тличны. то па- кет отправляется в се1менг адресата. Кроме этого, мосты не пропускают испорченные или сомнит ельные пакеты
4.7. Некоторые технологии локальных сетей 421 Мосты также называют устройствами «с промежуточным на- коплением», потому что они анализируют пакет Ethernet полно- стью перед решением о фильтрации или отправлении. Большин- ство мостов — самообучающиеся, они формируют таблицу поль- зовательских адресов Ethernet на сегменте, анализируя пакеты, проходящие сеть. Коммутаторы. Комма таторы — расширение концепции мостов локальных сетей. Они работают на уровне 2 (уровень связи) ВОС, осуществляя управление потоком данных, обеспе- чивая физическую (в противоположность логической) адреса- цию и управляя доступом к физической среде. Коммутатор предоставляет каждому устройству (серверу, ПК или концентратору), подключенному к одному из его портов, всю полосу пропускания сети. Это повышает производитель- ность и уменьшает время отклика сети за счет сокращения числа пользователей на сегмент. Как и двухскоростные конненграто- ры, новейшие коммутаторы часто конструируются для поддерж- ки 10 или 100 Мбит/с, в зависимости от максимальной скорости подключаемою устройства Если они оснащаются средствами автоматического опознавания скорости передачи, то могут сами настраива гься на оптимальную скорость - изменять конфигура- цию вручную не требуется. Сетевые коммутаторы могут связать четыре, шесть, десять или больше сетей вместе и имеют два основных типа — «сокращен- ный» и «с промежуточным накоплением» Коммутаторы первого типа работают быстрее, потому что они исследуют только адрес назначения перед отправлением пакета на сегмент адресата. Ком- мутатор с промежуточным накоплением, наоборот, принимает и анализирует полный пакет перед отправлением адресату'. В отличие от концен граторов, осуществляющих широкове- щательную рассылку всех пакетов, принимаемых по любому из портов, коммутаторы передают пакеты только целевому устрой- ctbv (адресату), так как знают МАС-адрес (Media Access Control) каждого подключенного устройства (аналогично тому, как поч- тальон по почтовому адресу определяет, куда нужно доставить письмо). В результате уменьшается трафик и повышается общая пропускная способность, а эти два фактора являются критиче- скими с учетом растущих требований к полосе пропускания сети современных сложных бизнес-приложений. Серия коммутаторов Bay Networks Accelar 1000 (рис. 4 37) обеспечивает высокую прои зводительность без вне-
422 Глава 4. Интерфейсы Рис. 4.37. Коммутаторы Acceiar; а — коммутатор Acceiar 1000; б — Acceiar 1200 дрения новых протоколов, переконфигурирования или замены существующего оборудования, обеспечивая сочетание высоко- скоростной пересылки пакетов. Коммутаторы серии предостав- ляют широкую полосу пропускания, позволяют контролировать широковещательный трафик с целью минимизации его отрица- тельного воздействия на сеть и обеспечивают необходимое качество сервиса. Наряду с новой технологией Gigabit Ethernet, коммутаторы Acceiar поддерживают стандарты Ethernet и Fast Ethernet, возможность работы на всех трех скоростях позволя- ет расширять существующие сети и внедрять технологию 1000 Мбит/с, сохраняя существующие инвестиции. В серию Acceiar 1000 входит несколько моделей: • Acceiar 1200 — модульный коммутатор, выполненный в виде 8-слотового шасси, который способен поддерживать до 12 портов Gigabit Ethernet, до 96 портов 10/100 Мбит/с с автоматической настройкой скорости передачи или любые комбинации портов Gigabit Ethernet и 10/100 Мбит/с. Кон- струкция устройства обеспечивает возможности резервиро вания источника питания, каналов связи и коммутирую- щей фабрики. Коммутатор предназначен для создания вы- сокоплотных магистралей сетей и использования в сетевых центрах; • Acceiar 1250 — модульный коммутатор, выполненный в виде 4 слотового шасси, поддерживает ло б портов Gigabit Ethernet, до 48 портов 10/100 Мбит/с с автоматической на- стройкой скорости передачи или любые комбинации пор- тов Gigabit Ethernet и 10/100 Мбит/с; • Acceiar 1100 — автономный коммутатор с 16 портами 10/I00BASE-TX и двумя слотами для модулей расширения, куда могут устанавливаться модули для поддержки Gigabit
4.7. Некоторые технологии локальных сетей 423 Ethernet, 10CBASE-FX, а также дополнительных портов 10/100BASE-TX. Коммутатор предназначен для использо- вания в рабочих группах или коммутационных шкафах. Маршрутизаторы. Маршрутизация — управление перемеще- нием информации через множество сетей от источника до адре- сата. Она противопоставляется коммутации (соединению), кото рая исполняет подобную же функцию. Различие заключается в том, что соединение происходит на уровне 2 (уровень связи) ВОС, тогда как маршрутизация — на уровне 3 (сетевой). Маршрутизаторы серии Cisco 7500 (рис. 4.38) обеспечиьаюг высокую надежность, отказоустойчивость, под- держку широкого спектра срел передачи данных. За счет модуль- ности их конструкции заказчик может подобрать конфигуоацию. соответствующую его запросам, что позволяет добиться опти мального сочетания функциональности и стоимости сети. Мно- гофункциональные платформы Cisco представляют собой эффек- тивную с точки зрения стоимости систему, сочетающую в себе в< 1зможности поддержки следующих технологий. Серия гигабитных маршрутизаторов Cisco 12 000 GSR. Маршрутизаторы серии Cisco 12000 GSR предна- значаются в первую очередь для построения высокопроизводи тельных магистралей с обеспечением гарант ированного качества услуг в сетях, где для подключения клиентов используются со- временные высокоскоростные технологии, такие, как xDSL и передача данных по сетям кабельною телевидения. Эта серия также широко используется в качестве магистральных маршру- тизаторов в сети. Поддерживаемые интерфейсы включают в себя порты ОС-12 (622 Мб/с) и ОС 48 (2,4 1 о/с). Устройства серии С isco 12000 внедрены во многие оп< >рные сеть Intel net Рис. 4.38. Мапшрзтизаторы Cisec а — маршрутизаторы серии 75<Х); б — с₽рии Rann GSP
424 Глава 4. Интерфейсы Приемопередатчики. Приемопередатчики (трансиверы) ис- пользуются, чтобы соединять узлы с различными средами переда- чи Ethernet. Большинство компьютеров и сетевых интерфейсных плат содержат встроенный 10Base-T или 10Base-2 приемопередат- чик, позволяя им связываться непосредственно с Ethernet, не тре- буя внешнего приемопередатчика. Много устройств Ethernet обес- печиваются соединителем ин герфейса устройств доступа, чтобы позволить пользователю соединя гься с любым типом сред переда- чи через внешний приемопередатчик. Соединитель интерфейса устройств доступа состоит из пары разъемов типа D с 15 штырька- ми. «Толстые» (10Base-5) кабели также используют приемопере- датчики, чтобы осуществлять подключения. Для сетей быстрого Ethernet был разработан интерфейс, на- званный «Интерфейс, независимый от среды» (Media Inde- pendent Interface — МП), предлагающий гибкий способ поддер- жать подключения на скорости 100 Мбит/с. МП — популярный способ подключения к 100Base-FX устройств быстрого Ethernet на основе проводной связи. Контрольные вопросы 1. Что такое коммутационные среды? Приведите примеры коммутаторов. 2. Что такое синхронный и асинхронный каналы передачи? 3. Охарактеризуйте проводные и беспроводные линии связи. 4. Каковы характеристики оптических линий? 5. Назовите методы модуляции. 6. Перечислите типы протоколов модемов и приведите примеры. 7. Что такое команды модемов? 8 Охарактеризуйте систему цифровой связи ADSL. 9. Опишите общие свойства систем xDSL. 10. Что такое модем ADSL? 11. Перечислите уровни модели взаимодействия открытых систем. 12 Какие топологии сетей вам известны? 13. В чем отличие стандартов TDDI и Token-Ring? 14 Опишите версии сетей Ethernet. 15. Перечислите варианты клиент-серверных архитектур. 16 Назовите компоненты сетевого оборудования. 17. Что такое категории кабеля «витая пара»? 18 Перечислите методы организации сети внутри здания.
Глава 5 ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА В настоящей главе дается краткий обзор периферийных уст- ройств. За более подробными сведениями читатель может обра- титься, например, к [15, 16, 17]. 5.1. Магнитные накопители Магнитные накопители являются важнейшей средой хране- ния информации в ЭВМ и разделяются на накопители на маг- нитных лентах (НМЛ) и накопители на ма1нитных дисках (НМД) Общая технологии магнитных носителей Долгое время основным устройством хранения данных в компьютерах были перфорационные носители (карты и ленты). В 1949 г. компания IBM приступила к разработке нового устрой- ства хранения данных на магнитных носителях. 21 мая 1952 г. IBM анонсировала модуль накопителя на магнитной ленте — IBM 726 для вычислительной машины IBM 701. Четыре года спустя, 13 сентября 1956 г., IBM объявила о создании первой дис- ковой системы хранения данных — 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control — метод произвольного досту- па для учета и контроля). Эта система могла хранить 5 млн сим- волов (5 Мбайт) на 50 дисках диаметром 24 дюйма (около 61 см) В отличие от ленточных устройств, в системе RAMAC запись осуществлялась с помощью головки на произвольное место по- верхности диска.
426 Глава 5. Периферийные устройства Методы хранения информации. При магнитной записи ис- пользуются импульсные сигналы. Битовая информация преобра- зуется в переменный ток в соответствии с чередованием нулей и единиц (рис. 5.1). Этот ток поступает на магнитную головку и в зависимости от направления тока в обмотке головки в простран- стве между головкой и носителем возникает соответствующий магнитный поток, замыкающийся через элементарную область намагниченности (домен) Собственные магнитные поля доменоз ориентируются в соответствии с направлением внешнего магнит- ного поля. При снятии внешнего поля это состояние доменов не меняется (память долговременного хранения). Рис. 5.1. Принципы магнитной записи цифровой информации Основной критерий оценки накопителей на магнитных носи- телях — поверхностная плотность записи (рис. 5.2, а). Она определяется как произведение линейной плотности записи вдоль дорожки, выражаемой в битах на дюйм (Bits Per Inch — BPI), и количества дорожек на дюйм (Tracks Per Inch — ТР1). В результа- те поверхностная плотность записи выражается в мегабитах (Мбит/дюйм2) или зигабитах (Тбит/дюйм2) на квадратный дюйм. Поверхностная плотность записи постоянно возрастает. По- сле появления RAMAC рост поверхностной плотности записи достигал 25 % в год, а с начала 1990-х — 60 %. Разработка и вне- дрение магниторезистивных <MR. 1991 г) и «гигантских магни-
5.1. Магнитные накопители 427 Рис 5.2. Поверхностная плотность записи (а) и ее эволюция (б) торезистивных» (GMR, 1997 г.) головок еще больше ускорили увеличение поверхностной плотности записи. За 45 лет, прошед- ших с момента появления первых устройств магнитного хране- ния данных, поверхностная плотность записи выросла более чем в 5 миллионов раз (рис. 5.2, б). В современных накопителях размером 3,5 дюйма величина этого параметра составляет 10—20 Гбит/дюйм2, а в эксперимен- тальных моделях достигает 40 Гбит/дюйм2. Это позволяет выпус- кать накопители емкостью более 400 Гбайт. Технология накопителей на магнитных лентах Это устройства последовательного доступа и поэтому дости- жение требуемого набора данных происходит только после за- вершения перемотки всей предшествующей части магнитной ленты (МЛ). Системы хранения на магнитных лентах разрабатывались с целью резервного копирования информации, содержащейся на дисковых устройствах (рис. 5.3, а). В одной из таких систем, по- лучившей довольно широкое распространение, используются ленты, заключенные внутрь кассеты. Такая кассета называется картриджем (рис. 5.3, б). Технология картриджей QIC. Картриджи 0,25 дюйма (лента шириной 0,25” или 6,35 мм широко использовалась в кагушеч-
428 Глава 5. Периферийные устройства Рис. 5.3. Накопители информации на магнитных лентах: а — НМЛ ЕС 5017; б — картриджи с МЛ ных магнитофонах в 50—80-х гг.) или QIC (qu«nei-inch-tape cartridge) были введены в обращение в 1972 г. компанией ЗМ для сбора и хранения данных. В дальнейшем из-за дешевизны и удобства использования они получили распространение в каче- стве среды архивного хранения данных для ПК (табл 5.1). QIC-картридж устроен подобно обычной аудиокассете и со держи г две бобины для перемотки ленты в обе стороны, которые связаны приводным ремнем, встроенным в кассет к М. 1 прохо- дит между металлическим приводным стержнем сгидд), со- единенным с двигателем, и прижимным резиновым роликом. Формат QIC предусмат ривает линейную запись, что подра зу - мевает образование параллельных дорожек', направленных по длине ленты (рис. 5.4, а). Для работы используется головка стирания (стирающая всю ширину ленты за один проход), записывающая готовка и две считывающие головки, предназначенные для контроля записи (рис. 5.4, а) При записи лента движется равномерно со скоро- стью 25- 30 см/с, каждая головка записывает одну дорожку за проход. Дополнительные головки увеличивают скорое гь и п ют ность записи Так. лве 1 о. говки обеспечивают 800 Кбайт/с. че гы ре — 1.6 Мбайт/с. Дорожки, расположенные в верхней полови не ширины ленты, записываются при прямом движении ленты расположенные снизу, — при обратном движении Каждая до- рожка записывается блоками по 512 или 1024 байт, ксюры' группируются в сегменты по 3? блока. В конце каждою блока записывается циклическая контрольная сумма (CRO для обна- ружения и коррекции ошибок.
5.1. Магнитные накопите tu 429 Данные, записанные по наклонным дорожкам, пересе- Скорость 1,3 см/с кающим ленту Рис, 5-4. Запись методом QIC (а) и DAT (б); лентопротяжный механизм DAT (в) Таблица 5.1. Характеристики форматов метода QIC Тип Число дорожек Ширина 0,25“ (6.35 мм) Более длинная лента Ширина 0,315“ (8 мм) | QIC-80 28-36 От 80 Мбайт До 400 Мбайт До 500 Мбайт QIC-3010 40-50 340 Мбайт 420 Мбайт QIC-3020 40-50 670 Мбайт 840 Мбайт Q1C-3080 60-72 1.2 Гбайт 1,6 Гбайт 2 Гбайт QIC-3095 72 4 Гбайт 2 Гбайт I Формат Travan. Форматы Travan представляют собой набор высокоэффективных спецификаций, обладающих обратной со- вместимостью с QIC-форматами (табл 5.2). Дпительное время эти системы были более дорогими, чем DAT. Здесь внесен ряд
430 Глава 5. Периферийные устройства усовершенствований, например картриджи Travan-4 содержаг встроенные механизмы выравнивания и натяжения М. I что упрощает конструкцию Л ПМ Таблица 5 2. Характеристики форматов метода Travan Показатель Форма! TR-1 TR-2 TR-3 TR-4 TR-5 Емкость: обычная при сжатии 400 Мбайт 800 Мбай| 800 Мбайт 1,6 Гбайт 1,6 Гбайт 3,2 Гбайт 4Гбай1 Ыбайт 10 Гбайт 20 Гбайт Скорость: минимум максимум 62,5 Кбайт/с 125 Кбайт/с 62,5 Кбайт/с 125 Кбайт/с 125 Кбайт/с 250 Кбайт/с 60 Мбайт, ми! 70 Мбайт/мин 60 МбаГ"/мин 110 Мбайт № Число дорожек 36 50 50 72 108 Плотность записи, ftpi' 14,700 22,125 44,250 50,800 50,800 Совместимость QIC 80 (RW) QIC 40 (-отько R) QIC ЗОЮ (R/W) QIC 80 (~>лько R) QIC ЗОЮ/QIC 3020 (gW) Q'C 80 (только R) QIC 3080. QIC 3095 (R/W) QIC 3020 (только R) QIC 3220 (R,W)TR-4 0'03095 (только R) * ftpi (flux transactions per inch) — мера Плотности записи (10 000 ftpi пример- но соответствует плотности в 8000 бит на дюйм). Формат DAT. Наименование DAT происходит от Dig tai Audio Таре (цифровая звукозапись), которая обеспечивает каче- ство записи на уровне аудиоСО. На этой основе в 1998 г. Sony и HP ввели новый стандарт записи DDS (Digital Data Storage), ко- торый был предназначен для записи компьютерных данных. Технология DAI /DSS использует МЛ шириной 4 мм. па кото- рую наносятся данные с помощью вращающихся головок ( helical scan recording или «винтовая запись»), что совпадает с общеиз- вестной методикой видеозаписи VHS (рис. 5 4, 6). Ленга движется междх бобинами картриджа и обтегает ци линдрическпй барабан, который содержит две записывающие головки и две ддя контрольного считывания (рис. 5 4. г5) По скольку барабан вращается со скорое гью 2000 об/мин, эквива лентная скорость движения ленты относительно гоповок дости- гает 381 см/с. На лен гу записываются диагональные треки (бло- ки данных), каж цый из которых "меет ширину 9.1 мкм и вмешает 128 Кбайт данных с кон грольными кодами.
5.1. Магнитные накопители 431 Технологии 8-мм лент. Технология 8-мм ленты первоначально была разработана для видеопромышленности и была принята компьютерной промышленностью как надежный путь для сохра- нения больших объемов компьютерных данных. Подобно DAT. здесь также применяется винтовое сканирование (рис. 5.5, а). Недостаток этой системы сканирования — сложный щть ленты. Поскольку лента сматывается с подающей кассеты и плотно при- жимается к цилиндру чтения-записи, в ней возникают сильные механические напряжения. Рис. 5.5. ЛПМ для ленты 8 мм (д); МЛ типа АП (6) Формат Мамонт (Mammouth). Данные на МЛ организованы в сегменты (разделы, каждый из которых может быть подвергнут записи, чтению или ст иранию как одно целое). Эта организация позволяет увеличивать объем носителя для поддержки таких приложений, как мультимедиа и видеосерверы. Для коррекции ошибок используется двухуровневый метод Reed-Solomon ECC. При этом ошибки корректируются «на лету» перезаписью бло- ков в пределах той же дорожки. Технологии AIT. AIT (Advanced Intelligent Таре) — быстродей- ствующие накопители с низкой частотой ошибок, предназначен- ные для организации архивных библиотек робототехнических приложений. Основные компоненты технологии: • микросхема памяти на кассете (Memory- In-Cassette — MIC). • передовой метод сжатия данных без потерь (Advanced Lossless Data Compression — AL DC), разработанный IBM • лента с вакуумным нанесением магнитного слоя (advanced metal evaporated — АМЕ).
432 Глава 5. Периферийные устройства М1С представляет собой программируемую микрохему памя- ти объемом 16—64 Кбайт, размещенную на кассете. Пятиштырь ковый разъем соединяет кассету с ЛИМ при ее установке. MIC содержит информацию о размещении файлов на ленте, индексы и сведения о дополнительных областях данных. Поскольку микропрограммы MIC оценивают расстояние до необходимого сегмента, при перемотке МЛ нет необходимости читать индивидуальные маркеры адреса. По мере приближения к цели двигатели замедляются, чтобы можно было считывать маркеры адреса для более точного позиционирования. В резуль- тате повышается уровень надежности ключевого поиска, а также скорость перемотки ленты (вплоть до 150 раз более высокой, чем скорость при чтении/записи). Среднее время доступа умень- шается до 20 с (сравнительно со 100 с для других конкурирую- щих моделей). Целостность данных обеспечивается также использованием технологии носителя АМЕ. МЛ АМЕ изготовляется методом, ранее использовавшимся при массовом производстве в видеопромыш- ленности. Основа ленты проходит через вакуумную камеру, которая содержит пар, молекулы которого внедряются непосредственно во внешний слой основы без использования клейких вешест в, и. сле- довательно, становятся частью основы Кроме того, покрытие DLC (diamond like carbon — алмазоподобный углерод) защищает напы- ленный слой от поверхностных царапин (рис. 5.5, б). Первоначальная емкость НМЛ А1Т-1 составляла 25 Гбайт и была повышена в 1999 г. до 35 Гбайт без сжатия и 90 Гбайт со сжатием, а в начале 2001 г. была достигнута скорость передачи в 4 Мбайг/с и 10 Мбайт/с, соответственно. Затем был введен формат AIT-2, полностью обратно совместимый по чтению и записи с AIT-I, который обеспечивает повышение емкости и скорости (габл. 5.3). Кроме того, в AIT-2 используются многослойные «гиперме- таллические» головки, обеспечивающие плотность записи на 50 % большую, чем обычное оборудование. Лента цифровой линейной записи (Digital Linear Таре - DLT) Фактически, DLT — адаптация старого метода записи при пере- мотке ленты с катушки на катушку, здесь картридж ленты выпол- няет роль одной катушки, а привод ленты — другой (рис. 5.6, а). DLT использует полудюймовую металлизированную ленту, которая на 60 % шире, чем 8-мм пленка. Каждая дорожка данных занимает полную длину пленки. Когда конец ленты достигнут,
5.1. Магнитные накопители 433 Таблица 5.3 Характеристики метода записи Л1Т .1 1.. Показатель Форма AIT-1 АД-2 АГГ-3 SAIT Обычная емкое! о. Гбайт 35 50 100 500 Емкость при сжатии, '"байт 90 130 260 1,3 Тбайт Обычная скорость. Мбайт'с 4 6 12 30 Скорость при сжатии, Мбайт/с 1 15,6 31.2 78 Размеры, дюймы 3,5 3,5 3,5 5,25 Тип носитеп 8 мм АМЕ 8 мм АМЕ 8 мм АМЕ 1/2" АМЕ Срок службы,тыс ч 300 300 4С0 50С Головка llllA initg iin:Q 1Ш* ни и Illite пне Hilf IIHNIIIIIill IIIIIIIIIMIII lllllllllii Ml llllll Ml Hill 11111 Ml 111111 iiiiiiiimiiii IIIMHIIIIIII illlllllll MII 6 Рис. 5.6. Ж IM для метода DLTIak метол записи Advanced D gital Recording (ADR) (6) головки повторно устанавливаются, чт< >бы произвести запись но- вого набора дорожек, и лента снова записывается на полной дли- не в противоположном направлении. Процесс продолжается в обе стоооны. пока лента не заполнена: может быть записана от 128 до 208 дорожек. Более высокая плотность достигается при исполктлпянци на смежных дорожках методики symmetric Phase Recording (SPR), при этом происходит запись «елочкой». Расширенная технология цифровой записи (Advanced Digital Recording - ADR) разработ ана корпорацией Philips (рис. 5 b, б) Первые устройства ADR были запущены весной 1999 г. в форме НМЛ с интерфейсом IDE, способного к записи 15 Гбайт исход- ной или 30 Гбайт сжатой информации на картридж.
434 Глава 5. Периферийные устройства Привод ленты способен непрерывно контролировать ее смеще- ние вверх или вниз даже на малейшую величину, в результате чего достигается высокая плотность — до 192 дорожек на 8-мм пленке. Накопители на магнитных дисках (НМД) В НМД предусмотрена аналогичная НМЛ возможность по- следовательного доступа к информации. Накопитель на магнит- ных дисках сочетает в себе несколько устройств последователь- ного доступа, причем сокращение времени поиска данных обес- печивается за счет независимости доступа к записи от ее расположения относительно других записей. Технология НМД. В НМД в качестве носителей данных ис- пользуется пакет металлических дисков (или платтеров), закреп- ленных на стержне, вокруг которого они вращаются с постоян- ной скоростью. Поверхность магнитного диска, покрытая фер- ромагнитным слоем, называется рабочей. Первые подобные устройства (рис. 5.7, а) были оборудованы сменными пакетами МД. Вставленные в кожух с герметически за- крывающимся поддоном, они образовывали компактные едини- цы хранения, именуемые томами (volume) . Наиболее распростра- ненными емкостями томов были — 7,25, 29, 100 Мбайт. Оператор а б Рис. 5.7. Накопители на жестких МД. а — НМД ЕС 5061 (прототип IBM 2311 — сменные и съемные пакеты дис- ков — 29 Мбайт); б — «винчестер» (несменчыс и несъемные пакеты дисков — до 500 Гбайт)
5.1. Ма, нитные накопители 4?5 ставил пакет на шпиндель устройства, снимал кожух (при этом пакет автоматически фиксировался на шпинделе) и включал дви гатели раскрутки пакета. После достижения определенной скоро- сти вращения осуществляется ввод в пространство между диска- ми пакета блока магнитных головок («гребенки»). Принцип раз- мещения головок — плавающий, поскольку они удерживаются на необходимом расстоянии от поверхности диска расходящимися потоками воздуха, возникающими при вращении пакета. В даль- нейшем в основном применялись или полноконтактные головки (гибкие диски) или механически фиксируемые в вакууме на опреде- ленном расстоянии оз поверхности («винчестер»). Попытки ис- пользовать жидкие среды (различные масла) для обеспечения не- обходимого размещения головок особого успеха не имели Количество магнитных головок равно числу рабоч их поверх- ностей на одном пакете дисков (рис. 5.8, а). Если пакет состоит из 11 дисков, то механизм доступа состоит из 10 держателей с двумя магнитными головками на каждом из них. Держатели магнитных головок объединены в единый блок таким образом, чтобы обеспе- чить их синхронное перемещение вдоль всех цилиндров Сово- купность дорожек, достигаемых при фиксированном положении блока головок, называется цилиндром. Расстояние между цилинд- рами (дорожками) называют подача, или шаг дорожки. Рис 5.8. Размещение данных на пакете МД (с); обычная (б) и зонная (в) запись
436 Глава 5. Периферийные устройства Фиксируя механизм доступа на каком-либо из цилиндров можно сделать переход с одной дорожки на другую данного цилин- дра путем электронного переключе ния головок. Дорожки в цилин- дре нумеруются начиная с верхних. Как правило, обращение к до- рожкам происходит с нулевой по последнюю внутри одного ци- линдра. потом с нулевой дорожки следующего цилиндра и т л Теоретически внешние цилиндры могут содержать больше дан- ных, так как имеют большую длину окружности. On пако в накопи- телях, не исполыуюших метод зонной записи, все пдлиндпы со- держат одинаковое количество данных, несмотря на то. ч го лл ина окружности внешних цилиндров может быть вдвое больше, чем внутренних. В результате теряется пространство внешних дорожек, так как оно используется менее неэффективно (рис. 5 8. б ). Процесс управ юния плотност ью записи называется прекс.м- пенсацией. Для компенсации различной плотности записи ис- пользуют метод зонно-секторной записи (Zone Bit Recording!, 'тте все пространство диска делится на зоны (вост мь и более), в каж- дую и 1 кол орых входит обычно от 20 до 30 цилиндров с одинако- вым количеством секторов (рис. 5.8, в). В зоне, расположенной на внешнем рдли] се (мла и ая зона), записывается большее количество секторов (б токов) на аорожку (120—96). К центоу' диска количество секторов уменьшается и в самой старшей зоне достигает 61—56. Так как скорость враще- ния диска — постоянная вел ичина, то от внешних зон прг од- ’ ном обороте диска поступает больше информации, чем от зов внутренних. Эта неравномерность поступления информации , компенсируется у величением скорости работы канала счить ва- ния/преобраювания данных и использования специальных пе- ‘ рестраиваемых фильтров для частотной коррекции но зонам. При угом емкость жестких дисков можно увеличить приблизи- ? тельно на 30 %. Накопители на жестких магнитных дисках Конструкция и функционирование устройства. В НЖМП (см. рис. 5.7. б) внутри накопителя устанавливается несколько i а- стин (дисков), или платтеров (см. рис. 5.8. а). Пластины имеют диаметр 5.25 или 3.5 рюима. В новых ра (работках пытаются ис- пользовать стекло, поскольку оно имеет большее < опроти вление и позволит делать диски тоньше, чем алюминиевые аналоги.
5.1. Магнитные накопители 437 Характеристики НЖМД. Характеристики жесткого дис ка очень важны для оценки быстродействия системы в целом. Эф- фективное быстродействие жесткого диска зависит от ряда фак- торов. Решающим среди них является скорость вращения дисков, ко- торая измеряется в грш (об/мин) и непосредственно влияет на скорость передачи данных в НЖМД. В то время как наиболее бы- стрые НЖМД с интерфейсом EIDE имели скорость около 5400 об/мин, SCSI-НЖМД способен разо! наться до 7200 об/мин В 1997 г. Seagate выпустила НЖМД Cheetah UltraSCSI со скоро- стью вращения до 10 033 об/мин, а в середине 1998 г. компания стала первым производителем, выпустившим EIDE-НЖМД со скоростью вращения 7200 об/мин. В 1999 г. Hitachi перешла барьер в 10 000 об/мин, выпустив Pegasus И SCSI-НЖМД При скорости вращения 12 000 об/мин данные передаются со средним временем ожидания 2,49 мс. Среднее время доступа дисковода — это интервал между мо- ментом запроса к данным и моментом доступа к ним (измеряет- ся в миллисекундах (мс)). Время доступа включает фактическое время поиска, время ожидания и время обработки данных. Время поиска — итоговое время, необходимое для поиска го- ловкой чтения/записи физического расположения данных на диске. Время ожидания является средним временем доступа к сектору в процессе вращения. Оно легко рассчитывается по ско- рости вращения оси дисковода как время полуоборота. Скорость передачи диска (иногда называемая media-скоро- стью) — это скорость, с которой данные передаются на дисковод и считываются с него. Она зависит от частоты записи и обычно измеряется в мегабайтах в секунду (MBps, Мбайт/с). Скорость передачи данных (или DTR — Data Transfer Rate) - это скорост ь, с которой компьютер може г предавать данные через шины (обычно IDE/EIDE или SCSI) на ЦП. Некоторые постав- щики данных указывают внутреннюю скорость передачи, переда- чи данных от головки до встроенного дискового буфера Другие приводят скорост ь передачи пакета данных, максимальную ско- рость передачи при идеальных параметрах или при маленькой длительности. Более важна скорость внешней передачи данных К кг‘-’ду 2001 г. самые быстрые дисководы работали при спеднсм времени ожидания менее 3 мс, среднем времени поиска в диапазоне от 3 до 7 мс и максимальной скорости передачи данных в районе 50—60 Мбайт/с для EIDE и SCSI дисководов
438 Глава 5. Периферийные устройства соот ве гственно. Для некоторых типов устройств максимальные значения DTR определяются ниже уровня пропускной способ- ное ги — Ultra АТА/100 и UltraSCSI 160, — которые определены в 100 и 160 Мбайт/с соответственно. Технологии чтения-записи Технологии чтения-записи развивались параллельно с жестки- ми дисками, хотя в большей мере основывались на «напряжении индукции», когда постоянный магнит (диск) двигается возле маг- нитного сердечника (головки). Первые записывающие головки представляли собой железный сердечник, обмотанный проводом, подобный электромагнитам, с которыми все встречались на урока?; физики в начальной школе. В дальнейшем была открыта тонко- пленочная индукция (Thin Film Induction — TFI), которая позво- лила производить головки чтения/записи в больших количествах по технологии, аналогичной полупроводниковым процессорам Эта технология была стандартом до середины 1990 х гг. К этому времени стало невозможным дальнейшее повышение плотное ги записи данных путем увеличения чувствигелы юсти магнитной головки (добавление TFI-витков в обмотке i оловки), поскольку при этом повышался уровень индуктивности, кото- рый и отраничивад способность записи данных Магниторезистивные (MR-) технологии. В 1991 г. IBM разра- ботала технологию AMR. позволяющхю создавать MR (магнито- резистивные) головки, работающие в области плотной записи, способе! вуюшие развит ию характс рист ик жестких дисков. Но- вые 1 оловки превосходи ди своих TF1-предшественников тем. что у предшественников элементы чтения/записи были разделе- ны, позволяя друг дру1 у выполнять свои функции не зависи мо MR-эффект состоит в том, что в MR-материале (напри- мер, ферропикетевый сплав), электроны проводимости имею' ограниченную свободу (более частые столкновения с атомами' при их движении под действием магнитною поля. Когда элек- трону двигаются менее свободно, сопротивление материала выше Датчики GMR используют представления квантовой ме- ханики, где спин (вектор вращения) электрона может иметь два направления — вверх и вниз (см. рис. 3.12). Электроны с направлением вращения, параллельным направ- лению Mai ни гного поля, двигаются свободно, производя низкое
5.1. Магнитные накопители 439 сопротивление. Наоборот, при движении электронов прог ив дей- ствия магнитного поля электроны имеют частые столкновения, создавая более высокое сопротивление. IBM разработала е.рук- туры, определенные как спин-клапаны, в которых одна магнитная пленка закреплена (направление магнит кого поля определено), а вторая магнитная пленка или магнитный датчик имеет свобод- ную магнитную ориен гацию. Это очень т онкие пленки, располо- женные очень близко друг к другу, позволяя электрон iM любого направления вращения двигаться вперед и назад между ними. Изменения магнитного поля, исходящего от диска, вызыва- ют изменение магнитной пленки датчика, который, в свою оче- редь, изменяет сопротг тление всей структуры. Низкое сопротив- ление во гникаст, когда датчик и скрепленные пленки ориенти- рованы в одном и том же направлении, в этот момент электроны в обеих пластинах свободно вращаются в одном на правлении. Более высокое сопротивление возникает, koi га ориентации магнитного датчика и скрепленных пластин противоположны потому что движение электронов или направление движения препятствуют друг другу. Датчики GMR мо1ут использоваться в значительно боаее высоких величинах плотности данных, чем MR-датчики, потому чго относительное изменение сопротивле- ния здесь больше. Поэтому GMR-датчики более чувствительны к магнит! 1ым полям диска. В MR-головках пишущий элемент — обычная ТП-юловка. в то время как элемент чтения состоит из тонкой полоски м а» ни г- ного материала (рис. 5.9). Сопротивление полоски изменяется в присутствии магнитного поля, производя сильнт !й си1 нат с низ- ким шумом, что дает существенное повышение плотности При чтении MR имеет большую чувствительность, обеспечивая чет- кость сигнала при прохождении дорожки на поверхнос и диска Более того, данная технология обеспечивает работу т.ри плотном расположении большого объема дгнных на поверх!юсти гиска Такая производительность вызывает свои трудности нсобхогимо строгое соблюдение мер предосторожности т |ри работе с MR-ro- ловками. Кроме того, они чувствительны к загрязнению ипзл- вержены коррозии. Предпопагается, что данная те^тология обеспечивает плотное гь до 3 Гбит/дюйм" Гехнология GMR. GMR-технотогия (Giant Magneto- Resistive) устройства головки чтения/записи основывается на сущсст вуго- щих техночогиях 1FI и MR и позволяет со «давать юз овки с б<> лее высокой чувствительностью к переменному магнитному
440 Глава 5. Периферийные устрой, тва Ферромарганец Exchange Film 3i оан 1 Контакт К. нта 1 Медиа! Ферроникелевая Гобальтэвая * . кладка свободная пленка закрепленная nnei ка i Спин-клапан | (сенсор GMR) Рис. 5.9. Технология MR полю циска. Предположительно, совмещение теории квантовое механики и точности сборки позволит работать с величиной плотности данных в циапа зоне от 10 до 40 Гбит/дюйм2. IBM производит универсальные гочовки чтения/записи по технологии GMR с 1992 г. Они состоят из тонкой индуктивной пленки, пишущего и читающего элемента (рис. 5.10). Элемент чтения состоит из MR- ити GMR-датчика между двумя магнит- ными ^кранами. Рис. 5.10. Технология GMR
5.1. Магнитные накопители 441 Гибкне магнитные диски Дискета состоит из крупой полимерной подложки, покры- той с обеих сторон магнитным окислом и помещенной в пласти- ковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее покрыт ие. В упаковке с двух сторон сделаны ради- альные прорези, через которые головки считывания/зап иси дис- ковода получают дост уп к диску (рис. 5.11). Рис. 5.11. Накопи тель на гибком диске Дискеты каждого типоразмера, как правило, лву сторонние (Double SideОдинарная плотность записи дорожек (Single Density - SD) составляет 48 tpi (дорожек на дюйм), двойная (Doub'e Derbitv — DD) — 96 tpi и высокая (High Density, HD) — обычно 135 tpi. Когда диск 3.5" вставляется в устройство, защитная металли- ческая заслонка отодвигается, шпиндель дисковода входит в среднее отверстие, а боковой штырек привода помещается в прямоугольное отверстие позиционирования, расположенное рядом. Двигатель вращает диск с частотой 300 об/мин. Дисководы для гибких дискет используют так называемый «трекинг разомкнутого пикла», они фактически не ищут дорож- ки, а просто устанавливают головку в ^правильную» позицию. В жестких дисках, наоборот, двигатели сервлмот ора используют головки для проверки позиционирования, чго позволяет. произ- водить запись с поперечной плотностью во много сотен раз выше, чем это возможно на 1 ибком диске Головка перемещается ведущим винтом, который в свою оче редь управляется шаговым двигателем, и, когда винт поворачива- ется на определенный угол, го. ювка проходит остановленное рас- стояние. Плотность записи данных на дискету огра*ничвается точностью шаговою двигателя, в частности, это означает 135 tpi /ия дискет 1,44 Мбайт. Диск имеет четыо< датчика дисковый
442 Глава 5. Периферийные устройства двигатель, зашит а от записи; наличие диска; и датч ик дорожки 00 (останов на краю дискет ы). Таблица 5.4. Форматы гибких тисков, используемых в ПЭВМ Количество поверхностей Количество дорожек на поверхности Количество секто- ров на дорожке Emkoci.> дискеты, Кбайт 1 ипоразмер дискеты 'форм-фатор] дюймы 2 40 9 360 5.25 2 80 9 720 3,5 2 80 15 2Ю 5.25 2 ВО 18 1440 3,5 2 во 36 2880 3,5 Основные форматы записи гибки к дисков приводятся в табл. 5.4 За прошедшие годы быт ряд попыток увеличить вме- стимость дискеты (например, в 1991 г. IBM предложила стандарт на НГМД 2,88 Мбайт, использующие дорогие бариево-ферри о- вые диски — ED-дискеты, Extra High Density), в 1993 i. Iomega и ЗМ предложичи <флоптический» диск емкостью 21 Мбайт; но ни одна из технологий не получила широкого распространения. Внешние накопители на НЖМД В последние годы распространились технологии размещения стандартных НЖМД в мобильный (переносимый) внешний фут- ляр (бокс), который присоединяется к компьютеру через внешний интерфейс (USB или IEEE1394). Примером может служить бокс «3,5" Combo External Enclo4ire/USB2.0 & 1ЕЕЕ1394а» — рис. 5 1? Рис. 5.12. Мобильный НЖМД во внешнем боксе: I — внешний футляр; 2 — i тандартный НЖ VI'J 3,5"; 3 — разъем и внутренний кабель IDE/АГА. 4 кабель питания: 5 схема сопряжения: f - внешний ка- бель IFEE1394 («FireWlIqi; 7 — внешний кабель USB, Я — разъем внешнего ис точника питания
5.1. Магнитные накопители 443 Заменители НГ МД и НЖМД Поскольку сегодня емкость НЖМД измеряется в гигабайтах, а размеры мультимедийных и графических файлов — десятками мегабайт, вместимость от 100 до 150 Мбайт вполне достаточна, чтобы носитель занял традиционную нишу НГМД — перемеще- ние нескольких файлов между пользователями, архивация или резервное копирование отдельных файлов или каталогов и пере- сылка файлов почтой. В этом диапазоне предлагается ряд уст- ройств для следующих поколений гибких дисков, которые ис- пользуют гибкие машитные носители и традиционную магнит- ную технологию хранения. Zip-накопители. Без сомнения, самое популярное устройство в этой категории — дисковод Zip Iomega, впервые выпущенный в 1995 г. Высокая эффективность накопителей Zip обеспечива- ется, во-первых, высокой скоростью вращения (3000 об/мин), а во-вторых, — технологией, предложенной Iomega (которая ос- нована на аэродинамическом эффекте Бернулли), при этом гиб- кий диск «присасывается» к головке чтения/записи, а не наобо- рот. как в НЖМД. Диски Zip мягки, подобно гибким дискам, что делает их дешевыми и менее восприимчивыми к ударным нагрузкам Zip-накопители обладают вместимостью 94 Мбайт и выпус- каются как во встроенных, так и во внешних версиях. Внутрен- ние модули соответствуют форм-фактору 3,5", используют ин- терфейс SCSI или ATAPI, среднее время поиска — 29 мс, ско- рость передачи данных — 1.4 Кбайт/с. Супердискеты (super-floppies). Диапазону от 200 до 300 Мбайт лучше всего соответствует понятие территория супердис- кет Вместимость таких устройств в 2 раза выше, чем у замени- теля НГМД, и более характерна для НЖМД чем для гибкого диска. Устройства в этой группе используют магнитную или маг- нитооптическую технолш ию Летом 1999 г. Iomega выпустила версию диска Zip на 250 Мбайт. Подобно его предшественнику, он использует интерфейсы SCSI и параллельный порт; последний предлагает поддержку скорости чтения вдвое выше скорости устройства на 100 Мбайт. Носи- тель Zip 250 обладает обратной совместимост ью с дисками на 100 Мбайт. В 2001 г. Matsushita объявляет технологию FD32MB. которая дает опцию высокоплотного форматирования обычной HD-дис-
444 Глава 5. Периферийные устройства кеты на 1,44 Мбайт, чтобы обеспечить способ! ость хранения до 32 Мбайт на диске. Технолог ия заключается в увеличении плот - ности записи каждой дорожки на HD-дискете, используя су- пе р а и с к о в у ю магнитную головку для чтения и обыч- ную магнитную головку для записи данных В то время как на обычной дискете размещается 80 круговы к дорожек данных, в FD32MB это число увеличивается до 777. В то же самое время подача дорожки от 187,5 мкм для дискеты HD уменьшается до примерно 18,8 мкм. Сменные жесткие диски. С тедуюший интервал вместимости (от 500 Мбайт до 1 Гбайт) достаточен для резервною копирова- ния или архивации дисковою раздела (партиции) разумно богь- шого ра гмера. В диапазоне свыше 1 Гбайт технология сменных дисков за- имствуется от обычных НЖМД. Вышедший в середине 1996 г. дисковод Iomega Jaz (сменный жесткий диск на 1 Гбайт) был воспринят, как инновационное изделие. Когда Jaz появился на рынке, сразу стало ясно, где следует его использовать — пользо- ватели смогли создавать аудио- и видеопре зентации и передавать между компьютерами. Кроме того, такие презентации могли бы гь запушены непосрелст венно с носителя Jaz. бел необходи- мост и переписывания данных на НЖМД. Jaz не очень отличается от жест кого диска, за исключением того, что пара дисков помещена в картридж, защищенный пыле- непроницаемой крышкой, которая открывается при загрузке картриджа в дисковод, чтобы обеспечи гь доступ типовых винче- стерских головок ч гения? запит и. Диск имеет приемлемою стои- мость, обеспечивает время поиска примерно 12 мс, а скорость передачи данных — 5,4 Мбайт/с и может использовать интер- фейсы SCSI-2 или IDE. Флэш-память. Не относясь к магнитным носителям, фтэш- память (flash memory) работает одновременно подобно оператив- ной памяти и НЖМД. Напоминает обычную г амять, имея фор му дискретных чипов модулей, или карточек с памят ью, где так же, как в DRAM и SRAM биты данных со* ран яются в ячейка* памяти О шако так же, как НЖМ,3 фп зш-памят ь энергонезави- сима и сохраняет данные, даже ког да питание выключено Технология ЕТОХ является доминирующей flash технологи- ей, занимающей око го 70 всег о рь.ш а энергонезависимой па- мяги Данные вводятся во flash-память побитно, побайтно или словами с помощью оперший, которая называется прог рам-
5.1. Магнитные накопители 445 мированием. Как только данные введены, они остаются в памяти независимо от того, подведено пи гание или нет. Очистка памят и прои зводится с помощью операции стирания. Кол ячест- во стираемых за один раз данных определяется дизайном каждой конкретной реализации flash и обычно колеблется оз 8 Кбит до 1 Мбит. Элемент, хранящий информацию по технологии FTOX, по- казан на рис. 5.13. Эго транзистор, у которого под затвором по- мещен еще так называемый плавающий затвор (из элек- трически изолированного поликремния), позволяющий хранить заряд в виде электронов. Количество заряда определяет работу этою транзистора. И это различие в поведении определяет со- стояние ячейки: наличие заряда на транзисторе понимается как логический «О», а его отсутствие — как логическая «1». Исполь- зование только одного транзистора для хранения одного бита ве- дет к уменьшению площади памяти (и значит, к уменьшению цены) по сравнению с типами памяти, хранящей один бш на нескольких транзисторах (например, SRAM) Плавающий затвор, сохраняющий зарад ( ееёеоо ) Рис. 5.13. Схема запоминающего элемента флэш-памяти Несмотря на очевидные преимущества как по сравнению с оперативной памятью (энерюнезависимосзь). так и с жестким диском (отсут с гвие лвш ающихся част ей), есть множест во при- чин. почему флэш память не является для них жизнеспособной заменой. Из за твоей структуры флэш память должна переза- писываться блоками данных, а не отдельными байтами, как в оперативной памяти. Это в сочетании со значительно более вы- сокой стоимостью и гем, что ячейки памяти в чипе флэши имеют ограниченную продолжительность жизни (приблизитель- но 100 \Ю0 циклов перезаписи!, не тает использовать ее как альтернативу для оперативной памяти
446 Глава 5. Периферийные устройства Рис. 5.14. Некоторые образцы флэш-накопитетей Хотя электронные флэш-диски являются небольшими (рис. '*.14), быстродействующими, потребляют мало энерши и способны выдерживать удары до 2000g (я го эквивалентно паде- нию с высоты 3 м на бетон) без разрушения данных, их ограни- ченная вместимость (в среднем 100-512 Мбай^) делает их несо- ответствующей альтерна гивой жесткому диск} ПК Кроме того, флэш-память не может конкурировать с жесткими дисками в цене. 5.2. Оптические технологии Компакт-диски Вначале компакт-диски использовались исключигельно в вы- сококачественной звуковоспроизводящей аппаратуре, заменяя устаревшие виниловые пластинки и магнитофонные кассеты Олнако вскоре лазерные диски стали использоваться и на персо- нальных компьютерах. Компьютерные лазерные диски были на- званы CD-ROM (Compact Disk — Read Only Memory, или «ком- пакт-диск — память только для считывания»). В конце 90-х гг. устройство для работы с CD-ROM стал э стандартным компонен- том любого персонального компьютера, а подавляющее боЛ- шинсгво программ стало распространяться на компакт-дисках Физическое устройство компакт-диска. Компакт-диск состо иг из нескольких слоев, соединенных в единую круглую tohkjto пластину. Диаметр подавляющего бо гьшинс-в г компакт дисков составляет 120 мм (пять дюймов). Стандартный 5" писк содер- жит 640- 700 Мбайт информации.
5.2. Оптические технологии 447 а б Рис 5.15. Структура компакт-диска (а); считывание информации с диска <61 CD-ROM состоит из трех слоев (рис. 5.15, а). Основа (под- ложка) диска, созданная из прозрачного поликарбоната, занима- ет большую часть диска. При изготовлении основы методом штамповки на нее наносится информационный узор В ре 5уль- тате получается прозрачная пластиковая плас.ина, которая с од ной стороны гладкая а с .другой на нее нанесено множество микроскопически к углублений, иногда называемых питами (pit — угле бдение). Далее на основу напыляется отражающий металлический стой (чаще всего алюминий, хотя могут исполь- зоваться и другие металлы или сплавы). С верху на диск наносит- ся ишигный слой из тонкой пленки поликарбоната или специ- альною лака. На защитном слое часто размещается полигра- фия — различные рисунки и надписи. Пос ie создания всех слоев диск готов к использованию. Ин формация считывается с рабочей стороны диска через презрач ную основу. Штампованный информационный узор и отражаю-
448 Глава 5. Периферийные устройства щий слой отражают луч считывающего лазера по-разному в раз- ных участках. Записываемые и перезаписываемые компакт-диски имеют дополнительно еще один слой. Их основа не имеет информаци- онного узора, но между основой и отражающим слоем располо- жен записывающий (регистрирующий) слой. Ок может менять прозрачность под воздействием высокой температуры. При за- писи лазер разогревает заданные участки записывающего слоя, создавая информационный узор. Участки слоя, к которым было применено температурное воздействие, темнеют. В качестве ма- териала для регистрирующего слоя используют различные слож- ные органические соединения, например цианин (Cyanine) и фталоцианин (Phtalocyanine). Из-за наличия pei истрируюшего слоя требования к отра- жающему слою у записываемых и перезаписываемых дисков выше, чем у штампованных, поэтому вместо алюминия прихо- дится применять более дорогие материалы Для отражающего слоя в CD-R и CD-RW применяют золото или серебро, хотя мо гут быть использованы сложные сплавы. Накопитель на компакт-диске (CD-ROM). Считывание ин- формации с компакт-диска происходит с помощью лазерного луча меньшей мощност и. Сервомотор по команде от внут ренче- го микропроцессора привода перемещает отражающее зеркало или призму. Это позволяет сосредоточить лазерный лу'ч на кои- кре гной дорожке. Лазер излучает когерентный свет, состоящий из синхронизи- рованных волн одинаковой длины (рис. 5.15, б). Луч, попадая на отражающую свет поверхность (площадку), через расщепляю- щую призму отклоняется на фотодетектор, который интерпрети- рует это как «1», а попадая в углубление (пит), рассеивается и поглощается — фотодетектор фиксирует «О» В то время как магнитные диски вращаются с постоянным числом оборотов в минуту', т. е. с неизменной угловой скоростью (Constant Angular Velocity — CAV), компакт-диск вращается обычно с переменной угловой скоростью, ч гобы обеспечить по- стоянную линейную скорость при чтении (Constant Linear Velocity — CLV). Таким образом, чтение внутренних треков осу- ществляется с увеличенным, а наружных — с уменьшенным чис- лом оборотов. Именно этим обусловливается более низкая ско- рость доступа к данным для компакт-дисков по сравнению с винчестерами.
5.2. Оптические техноло, ии 449 Магнитооптические технологии Вставляемый в устройство диск подвергается воздействию магнитного поля с одной поверхности и лазерного луча — с противоположной (рис. 5.16) Диски покрыты слоем специаль- ного сплава, который обладает свойством отражать излучения лазера под различающимися углами в зависимости от направле- ния намагниченности, и данные могут записываться как «север ные» и «южные» магнитные полюса, как и в случае жесткого диска. В то время как жесткий диск может пере магничиват ься при любой температуре, магнитное покрытие, используемое на МО носителях, чрезвычайно устойчиво к намагничиванию при комнатной температуре, сохраняя данные неизменными, пока записывающий слой не будет нагрет выше уровня температуры, называемого т о ч к о й Кюри (около 200 °C). Магнитооптиче- ские накопители используют лазер для нагревания определен- ных областей магнитных частиц. После разогрева магнитных частиц направление их ма! нитных полей может быть легко из- менено полем магнитной головки. При считывании информации используется менее мощный лазер иэффект Керра, состоящий в гом, чт о поляризация ог- а б Рис 5 16 Магнитооптическая технология. a — запись; б — считывание
450 Глава 5. Периферийные устройства раженного света меняется в зависимости от ориентации магнит- ного поля. В тех точках, где поверхность не была подвергнута ла- зерно-магнитному воздействию, участок представляет «О», а там. где точка была нагрета и намагничена, будет записан сигнал «1». Носители DVD Универсальный цифровой диск (digital versa- tile disc — DVD) — вид накопителя, который, в отличие от CD, с момента выхода на рынок был рассчитан на широкое при- менение как в аудио- видео-, так и в компьютерной индустрии. Диски DVD. имея тот же самый размер, что и стандартный CD (диаметр 120 мм, толщина 1,2 мм), обеспечивают до 17 Гбайт памяти со скоростью передачи выше, чем для CD ROM, облада- ют временем доступа, подобным CD-ROM, и разделяются на че- тыре версии: • DVD-5 — односторонний однослойный диск, вместимо- стью 4,7 Гбайт; • DVD-9 — односторонний двухслойный диск на 8,5 Гбайт; • DVD-10 — двухсторонний однослойный диск од Гбайт; • DVD-18 — вместимость до 17 Гбайт на двухстороннем двух- слойном диске. Технология DVD. На первый взгляд, диск DVD не отличается от CD — тут и там пластмассовый диск диаметром 120 мм и тол- щиной 1,2 мм, оба используют лазеры для чтения данных, запи- санных в углублениях на спиральной дорожке. Однако семи- кратное увеличение вместимости данных DVD сравнительно с CD было в значительной степени достигнуто путем напряжения всех допусков системы-предшественника (рис. 5.17). Во-первых, дорожки размешены более плотно, шаг до- рожки DVD (расстояние между ними) уменьшен до 0,74 мкм, бо- лее чем в 2 раза по сравнению с 1.6 мкм для CD Углубления (питы) также намного меньшие — минимальная длина впадины однослойного DVD — 0,4 мкм по сравнению с 0.834 мкм для CD. Плотная упаковка данных составляет только часть решения, ос- новное технологическое достижение DVD связано с его лазером. Меньшие размеры впадин подразумевают, что лазер должен ос- вещать меньшую площадь и в технологии DVD это достигается путем сокращения длины волны лазера от 780 нм (инфракрасный свет для стандартного CD) до 635 или 650 нм (красный свет).
5.2. Оптические технологии 451 Рис 5.17. Характеристики записывающей срецы для CD (п) и DVD (б) Во-вторых, конструкция DVD позволяет считывать ин- формацию более чем с одного слоя, изменяя фокусировку луча лазера чтения. Вместо непрозрачного отражающего слоя здесь используется прозрачный слой с полупрозрачным отражателем позади него (рис. 5.18). Рис 5.18. Структура DVD-дисков' а — односторонний однослойный (4,7 Гбайт); б — односторонний двухслойный (8,5 Гбайт) В-третьих, DVD позволяет использовать двухсторонние лиски (рис. 5.19). Чтобы облегчить фокусировку лазерного луча на меньших дорожках с впадинами, изготовители использовали для диска более тонкую пластмассовую основу, чем в CD-ROM. Это сокращение привело к дискам, которые имеют толщину 0,6 мм — наполовину меньше CD-ROM Однако, так как эти дис- ки слишком тонки, чтобы оставаться плоскими при обработке, изготовители склеивают два диска, в результате чего получаются
452 Глава 5. Периферийные устройства Односторонний, однослойный (4,7 Гбайт) Односторонний двухслойный (8,5 Гбайт, Основа : Клеи М Лак Отражающий слой Рис. 5.19. Разновидности DVP диски, имеющие толщину 1,2 мм. при этом факти чески удваива- ется потенциальная вместимость диска Наконец, на DVD используется более эффективная струк- тура данных. Кота CD были разработаны в конце 1970-х гг., в них были использованы относительно простые системы исправ- ления ошибок. Более эффективный код с исправлением ошибок для DVD оставляет больше памяти для реальных данны к DVD-ROM Как и Д1я самих дисков, существует мало различий межд) дисководами DVD и CD-ROM. поскольку единственная очевид- ность — эмблема DVD на пере щей панели. Основное различие состоит в том, что данные CD-ROM записаны близко к верхнем} слою поверхности диска, а уровень данных для DVD — ближе к середине, чтобы диск мог быть двусторонним. Поэтому блок оптического чтения привода DVD-ROM устроен более сложно, чем его аналог для CD ROM. чтобы создавать возможность для чтения как одного, гак и другого из них ипов но< ителей. Одно и з самых ранних решений заключалось в использова нии пары поворотных линз: одной — для фокусировки л^-ча на уровнях данных DVD, а другой — для чтения обычных ком пак г-дисков Впоследсл вии появились более и золжренные прое к- ты, которые устраняют потребность в переключении линзы На пример, «двойная дискретная оптиче< кат выборка», г репложен- ная Sony, имеет отдельные лазеры, оптимизированные для CD (длина волны 780 нм) и DVD <'650 нм). Устройства Panasonic пе-
5.2. Оптические технологии 453 реключают лазерные лучи с помощью голографического оптиче- скою элемента, способного к фокусировке луча в двух различ ных дискретных точках. Дисководы DVD-ROM вращают диск намного медленнее, чем их аналоги для CD-ROM. Однако, так как на DVD дан- ные упакованы намного плотнее, его производительность су- щественно выше, чем у CD-ROM при одинаковой скорости вращения. В то время как обычный аудиодиск CD-ROM (1х или однократный) имеет максимальную скорость передачи данных 150 Кбайт/с, диск DVD (1х) может передавать данные по 1250 Кбайт/с, что достигается только при восьмикрат- ной (8х) скорости диска CD-ROM Не существует общепринятой терминологии для описания различных «поколений" дисководов DVD Однако термин «вто- рое поколение» (или DVD II) обычно относится к 2х скорост- ным дисководам, также способным к чтению носителей CD-R/CD RW. а термин «третье поколение» (или DVD HI) обычно означает дисководы со скоростью 5х (или иногда 4,8х, или 6х), некоторые из которых способны к чтению носителей DVD RAM Форматы записываемых дисков DVD Существует несколько версий записываемых DVD • DVD-R обычный, или DVD-R; • DVD RAM (перезаписываемый); . DVD-RW; . DVD । RW Записываемый DVD. DVD R (или записываемый DVD* во многом концептуально схож с CD-R — это однократно записы- ваемый носитель, который может содержать любой тип инфор- мации, обычно сохраняемой на DVD массового производства — видео, аудио, рисунки, файлы данных, программы, мультимедиа и т д В зависимости от типа записываемой информации диски DVD-R могут использоваться фактически на любом совмести- мом устройстве воспроизведения DVD, включая дисководы DVD-ROM и проигрыватели DVD видео. Самые первые DVD-R сыграли значительную ропь в развитии рынка DVD ROM, так как разработчики про1раммного обеспечения нуждались в про-
454 Глава 5. Периферийные устройства стом и относительно дешевом способе создания испытательных дисков перед переходом к массовому производству. Первоначально при появлении осенью 1997 г. диски DVD-R имели вместимость 3,95 1 байт, которая затем возросла до 4,7 Гбай" для однослойного одностороннего диска DVD R Так как формат DVD поддерживает двухсторонние диски, до 9,4 Гбайт может быть сохранено на двухстороннем диске DVD-R Данные могут быть написаны на DVD со скоростью 1х (11,08 Мбиг/с, что приблизи- тельно эквивалентно скорости 9х CD-ROM) После записи диски DVD-R могуч читая ься с теми же скорое гями, ч го и массово гира- » ируемые диски, в зависимости от «х-факторал (крагнос ги скоро- сти) используемого дисковода DVD-ROM. DVD-R. подобно CD-R. использует постоянную линейную скорость (CLV), чтобы максимизировать плотность записи на дисковой поверхности- Это требует изменения числа оборотов в минуту (rpm), поскольку диаметр дорожки изменяется при про- движении от одного края диска к другому. Запись начинает ся на внутренней стороне и заканчивается на внешней. При скорости 1х частота вращения изменяется от 1623 до 632 об/мин для диска емкостью в,95 Гбайг и от 1475 до 575 об>’мин для 4,7 Гбайт в за- висимости от позиции головки записи-воспроизведения на по- верхности. Для диска в 3,95 Гбайт интервал (подача) дорожек, или расстояние от центра одного витка спиральной дорожки до прилегающей части дорожки, составляет 0,8 мкм (микрон) что вдвое меньше, чем для CD-R На лиске в 4,7 Гбайт используется еще меньшая подача дорожки — 0,74 мкм. Табл. 5.5 иллюстрирует различия между некоторыми основ ными параметрами обоих форматов. Таблице 5.5. Параметры форматов CD-R. DVD-R । Параметр DVD-R CD-R Тип записи Однокоатчая Однокра-ная Длина волны (запись), нм 635-646 775-795 Длина волны (чтении), нм 635-650 770-830 Мощность записи, мВт 6-12 4 8 Чис ювая апертура (запись) 0,60 050 иис ювая агеотуоа (чтение) 0,60 045 0 ража ельная способность Более 0,6 Ьопее 0,65
5.2. Оптические технологии 455 Запись на дисках DVD -R производится с помошью слоя ве щества, которое преобразуется (окрашивается) сильно сфокуси- рованным красным лазерным лучом. Слой наносится на про- зрачную основу, которая выполнена из поликарбоната методом литья под давлением, и имеет микроскопическое спиральное уг- лубление (дорожку), сформированную на ее поверхности. Это углубление используется дисководом DVD-R, чтобы вести луч записывающего лазера, и также содержит записанную информа- цию после окончания процесса. Кроме того, во-первых, спи- ральное углубление имеет волнистый профиль (заранее записан- ный синусоидальный сигнал), который предназначен для син- хронизации двигателя шпинделя диска в течение записи. Этот модулируемый образец называется «модулированным (колеблю- щимся) углублением» (wobble groove), потому что стены углубле- ния колеблются из стороны в сторону. Этот сигнал используется только в течение записи и никак не влияет на процесс воспроиз- ведения. Во-вторых, на диске создается преформатированная схе- ма адресации, использующая «поверхностные отметки» («Land Pre-Pits», или LPP). чтобы идентифицировать физический адрес записываемых блоков данных. Эта схема использует ряд микро- скопических выступов, которые выделяются в области поверхно- сти между углублениями Далее на записывающий слой напыляют тонкий слой метал- ла, чтобы в процессе воспроизведения лазерный луч чтения мог быть отражен от диска. Далее на металлическую поверхность на- носится защитный слой, по которому может быть осуществлена склейка двух сторон диска. Эти операции выполняются для каждой стороны диска, ко- торая будет использоваться для записи. Если обе стороны ис- пользуются при записи, то две записываемые стороны могут быть соединены так, как изображено на рис. 5.20 В этом случае каждая сторона должна считываться непосредственно, путем пе- Рис 5 20 Структура двухстороннего диска DVD-R
456 Глава 5. Периферийные устройства реворачивания диска, поскольку технология двухслойного диска в настояшее время только развивается. Запись осуществляется путей мгновенного облучения запи- сывающего слоя сильно сфокусированным лазерным лучом вы- сокой мощности (приблизительно 8—10 мВт). Когда окраши- вающийся слой нагрет, он изменяется и в спиральном углубле- нии формируются микроскопические отметки. Эт и отмс гки имеют переменную длину в зависимости от гоз о, как долго пи- шущий лазер был включен или выключен, что и сотве гс тву ет информации, сохраненной на диске. Записывающий слой чувст - вителен только к свету соответствующей длины волны, так чго воздействие окружающего света или луча лазера воспроизведе- ния не может испортить запись. Воспроизведение осуществляется путем сосредоточения на поверхности диска луча лазера более низкой мощности и при- близительно той же самой длины волны (635 или 65<> нм1. Об- ласти поверхности между записанны ми г гмет ка ми хорошо с гра- жают свет, и большая часть его возвращается на опт ическую го- ловку проигрывателя, и наоборот, отметки хуже отражают свет. Таким образом, формируется модулируемый сигнал, который за- тем преобразуется в исходные пользовательские данные устрой- ством воспроизведения. DVD-RAM. Перезаписываемый DVD-ROM или DVD-RAM использует технологию и зменения фазовоз о состоян ия которая не является чисто оптической технологией CD и DVD, а комби- нацией некоторых особенностей магнитооптических методов и ведет свое происхождение от оптических дисковых систем. При- меняемый формат «поверхнос гь—углубление» (land groove) по- зволяет записывать сиз налы как на углу бдениях. < формирован- ных на лиске, так и в нромежут ках между углублениями Углуб- ления и заголовки секторов формируются на поверхности диска в процессе его отливки (рис. 5.21, #1 В середине 1998 г, появи- лось первое поколение и зделий для многократного использова- ния DVD-RAM емкостью Гбзйт с обеих сторон диска. Одна- ко эти ранние устройства несовместимы со стандартами бо тес высокой вместимости, которые используют контрастный слой расширен ия и тепловой буферный слои чтобы достигну гь бо гее высокой плотности записи Спецификация для версии 2 О DVD-RAM вмссг имосг ью 4.7 Гбайг на < дной стороне бы ла вз з- пушена в октябре 19°9 i.
5.2. Оптические технологии 457 Защитный слой (метка) Дорожка (углубление) — Основа (подложка) слой азоизме- няющий слой Луч лазера Поверхностные отметки (LPPJ Модулирован- ные дорожки Рис 5 21. Структура дисков DVD-RAM (а) и DVD-RW (б) DVD-RW. Известный ранее как DVD R/W или DVD-ER, но- ситель DVD-RW (который стал доступен в конце 1999 г.) появ- ляется в процессе эволюционного развития фирмой Pioneer су- ществующих технологий CD- RW/DVD R. Диски DVD-RW используют технологию изменения фазово- го состояния вещества для чтения, записи и стирания информа ции (рис. 5.21, б). Луч лазера длиной волны 650 нм нагревает слой чувствительного сплава, чтобы перевести его или в кри- сталлическое (отражающее) состояние или аморфное (темное, не отражающее) в зависимости от уровня температуры и последую- щей скорости охлаждения. Результирующее различие между за- писанными темными метками и стертыми отражающими распо- знается проигрывателем или дисководом и позволяет воспроиз- вести сохраненную информацию. Носители DVD-RW используют ту же физическую схему ад- ресации, чю и DVD R В процессе записи лазер дисковода сле- дует за микроскопическим углублением, осуществляя запись данных в спиральной дорожке. Одно из основных преимуществ третьего перезаписываемого формата DVD — DVD i RW — это то, что он обеспечивает луч- шую совместимость, чем любой из его конкурентов. DVDvRW. Спецификация DVD- RAM была компромиссом между двумя различными предложениями основных конкурен- тов — группировка Hitachi. Matsushita Electric и Toshiba, с одной стороны, и союз Sony/Phihps — с другой.
458 Глава 5 Периферийные устройства DVD-rRW имеет много общего с конкурирующей технологи- ей DVD RW, поскольку использует носитель с изменением фа- зового состояния, и предполагает пользовательский опыт, полу- ченный при использовании дисков CD RW. Пользователи могут использовать защитную оболочку или картридж. Это основное отличие от устройств DVD-RAM, которые требуют носитель на основе картриджа. В формате DVD+RW диски могут быть запи- саны как в режиме постоянной линейной скорости (CLV) для последовательной видеозаписи, так и в формате постоянной уг- ловой скорости (CAV) для прямо! о доступа. Первоначально фазопеременный записывающий слой диска DVD । RW находится в поликристаллическом состоянии. В процес- се записи сфокусированный лазерный луч нагревает выбранные области материала выше температуры плавления (500—700 °C), так что вещество быстро переходит в жидкое состояние (рис. 5 22, а). Затем, при достаточно быстром охлаждении, жидкое состояние стабилизируется в так называемом «аморфном состоянии». Если записывающий слой нагрет ниже температуры плавления, но выше температуры кристаллизации (200 °C) в течение достаточного вре- мени (дольше, чем минимальное время кристаллизации), его ато- мы возвращаются к упорядоченному состоянию, т. е. поликристал- лическому. Аморфное и кристаллическое состояния имеют различные показатели (индексы) преломления, и поэтому оптически разли- чаются. В DVD+RW аморфное состояние имеет более низкую Односторонний диск Декоративный основа диска а Рис. 5.22 Структура носителя DVD+RW (а) и DVD'R (6) Декоративный слой (метка диска) Поликарбонат Металлический отражатель Записывающий слой L1 Прокладка Полупрозрачный металлический отражатель Записывающий спой L0 Поликарбонат Лазерные лучи б
5.2. Оптические технологии 459 отражательную способность, чем кристаллическое состояние, и в процессе считывания это приводит к появлению сигнала, идентичного тому, который производится двухслойными диска- ми DVD ROM, позволяя считывать диски DVD+RW на дисково- дах DVD-ROM, а также на проигрывателях DVD-видео. Носитель состоит из гравированного поликарбонатного ос- нования, на которое обычно напыляются четыре слоя. Основа- ние отливается со спиральным углублением (дорожкой) для управления сервомотором, адресной информации и других дан- ных. Фа юпеременный слой помещен между диэлектрическими слоями, которые отнимают избыточное тепло от записывающего слоя. В качестве фазопеременного слоя обычно используется сплав серебра, индия, Сербия, теллура (Ag-ln-Sb-Te). Химиче- ский состав фазопеременного слоя определяет минимальное время кристаллизации. Структура диска (толшина слоев, их теп- лоемкост ь и теплопроводность) определяет скорость понижения температуры в течение записи. Точное задание состава записы- вающего слоя важно для получения необходимых качеств запи- си. Может использоваться низкая мощность луча записи, если слои имеют малую толщину. Неуверенность в том, который из конкурирующих форматов одержал бы окончательную победу, нашла свое отражение в том, что Sony выпускает дисководы, которые поддерживают оба фор- мата - DVD-RW и DVD+RW DVD^R. Двухслойная система DVD+R использует две тонкие органические пленки из окрашиваемого материала, разделенные прокладкой (заполнителем). Нагревание сосредоточенным ла- зерным лучом необратимо меняет физическую и химическую структуру каждого слоя так, что измененные участки получают оптические свойства, отличные от исходных. Это приводит к ко- лебаниям отражающей способности при вращении диска и соз- дает сигнал считывания такой же, как в штампованных дисках DVD-ROM (рис. 5.22, б). Основная задача разработки данной технолоши, начатой в 2001 г. — обеспечение совместимости со стандартом DVD ROM, чтобы гарантировать, что новые двухслойные диски будут про- читываться на коммерчески доступных проигрывателях DVD. Это было достигнуто посредством использования в качест ве ма- териала отражателя для верхнего (L0 на рис. 5.22, б) слоя тонкой пленки серебросодержащего сплава, который обеспечивает отра-
460 Глава 5. Периферийные устройства жательную способность по крайней мере в 18 % (что согласуется со стандартами на двухслойный DVD-ROM). Креме того, сте- пень прозрачности верхнею слоя записи выше 50 °с, что позво- ляет осущес гвлять считывание и запись на в ижнем уровне (L1 на рис. 5.22, б). Этот уровень имеет более высок] ю свсточуьет ви гельность, так как верхний слой поглощает и отражает част ь па- дающего света, а также намного более высокий коэффициент отражения (~>50 %), который обеспечивает пос те прохождения через все слои эффективную отражательную способность (на по- верхности диска), но крайней мере, в 18 %. Эти высокие значе- ния прозрачности и отражательной способност и достигнуты пу- тем оптимизации толщины и размещения слоев, размера доро- жек и т. д. Другие параметры — амплитуда и прохождение сигналов — были также оптимизированы, чтобы гарантировать совместимость с текущими стандартами DVD. 5.3. Средства массового вывода информации. Принтеры. Плоттеры Рассмотрим устройства, предназначенные для вывода в мас- совом, пакетном режиме (страницами рулонами и други ми крупными блоками информации) В основном, речь пойдет о вводе-выводе графической ин- формации За редким исключением, большинство современных устройств пакет него вывода предназначается именно длч работы с этим типом информации При этом можно утверждать, что принтеры и сканеры — это, как правило (хотя есть и ис- кпочения), устройства для работы с растровой графической информацией. Плоттеры и дигитайзеры предназначены для обработки векторной графической информации. Принтеры ударного типа (impacf printer) Принтеры ударного действия или lTipact-прит еры создают и юбражение путем мсханич< ского давления на бу магу через ленту с краситеж м В качестве угарного механизма применяют- ся либо шаблоны символов (механизм печатающей машинки) ичи игогки. конструктивно объединенные в матрицы
5.3. Средства массового вывода информации . 461 Барабанные построчные принтеры. Первые модели печатаю- щих ус тройств для вывода информации конструктивно представ- ляли собой модернизированные варианты электрических пишу- щих машинок и применялись в 1960 1970-х гг. в основном для диалогового ввода-вывода небольшого количества данных. Основным типом устройств для вывода массовой информа- ции в тс времена были построчные печатающие устройства бара- банного типа (рис. 5.23, а), использующие механизм, состоящий из символьного барабана, красящей ленты, системы продвиже- ния перфорированной бумажной ленты (обычно, рулонной либо сфальцованной в стопу) и ударных пуансонов. На символьном барабане размещены выпуклые изображения символов (обычно строками по 120 одинаковых символов). При вращении барабана символы проходят между бумагой, красящей лентой и пуассоном. Удар пуассона, синхронизированный с про- хождением требуемого символа, оставляет на бумаге отпечаток. Одна строка, таким образом, печатается за один оборот сим- вольного барабана, чго обеспечивает весьма высокое быстродей- ствие (5—20 строк в секунду) Матричные принтеры. В матричных принтерах (dot matrix printer) изображение формируется иголками, которые располо жены в головке принтера и обычно активизируются электромаг- нитным методом (рис. 5.23, б). Каждая ударная иголка приводит- ся в движение независимым электромеханическим преобразова телем на основе соленоида. Головка двигается по горизонтальной направляющей и управляется шаговым двигателем Обычно пе- чать выполняется как при прямом, так и при обратном проходе печатающей головки. Бумага продвигается с помощью вала, а ме- жду бумагой и головкой принтера располагается красящая лента Рис. 5.23. Построчное печатающее устройство ЕС 7038 (о), печатающая готовка (п) и картридж (в) матричного принтера
462 Глава 5. Периферийные у'гприйства У большинства моделей принтеров красящая лента заключена в специальный пластмассовый корпус, называемый картриджем, который различается по величине и форме для различных моде- лей (рис. 5.23, в). Красящая лента находится bhj три корпуса кар- триджа в виде бесконечной ленты Мебиуса. Первая мгла Вторая мгла Третья игла Восьмая игла Девятая и-ла ••••• • оооо • оооо ••••о •оооо • оооо • •••• ооооо ооооо III Illi I Him III Mil Mill II limit 1В иголок 9x18 точек 18 иголок 18x18 точек Простое перекрытие 24 иголки 24x37 точек. Двойное перекрытие 9 иголок 9x9 точек a Рис. 5.24. 11ринцип обра юваиия изображения (о), факторы качества печа и ,6] матричною принтера Качест во печати матричных принтеров определяется количе- ством иголок в печатающей головке (рис. 5.24). Струйные принтеры Главным элементом струйного принтера является печатаю- щая головка, состоящая и з сопел, к которым подводятся черни- ia. Число сопел обычно находится в диапазоне от 16 до 6-*, а инотда достигает нескольких сотен (рис. 5.2л). Рис. 5 25 Общий вид (а} и печатающий картонаж (б) < трудного принтера б
5.3. Средства массового вывода информации... 463 Струйные принтеры подразделяются на устройства: • пьезоэлектрические (piezo-ink) — Epson, Brother; • пузырьковые (bubble-jet) — Hewlett-Packard, Canon, Lexmark Печатающие устройства с пьезоэлектрическими исполнитель- ными механизмами. Для реализации пьезоэлектрического метода в каждое сопло установлен пьезокристалл, связанный с диафраг- мой (рис. 5.26, а). Под воздействием электрического заряда про- исходит деформация пьезоэлемента При печати находящийся в трубке пьезоэлемент, сжимая и разжимая трубку, наполняет ка- пиллярную систему чернилами. Чернила, которые отжимаются назад, перетекают обратно в резервуар, а чернила, которые вы- давились наружу, образуют на бумаге точки Пьезоэлектрические трубки. В 1977 г. был проде- монстрирован первый струйный принтер с дозированным вы- бросом красителя. Он был оснащен двенадцатью соплами-рас- пылителями и печатал почти бесшумно со скоростью 270 зн/с. Резистор подогрева «Камера сгорания» Отверстие r печатающей головке картриджа б Рис. 5.26. Принципы устройства пьезоэлектрического (я) и термического (б) устройства струйной печати
464 Глава 5. Периферийные устройства В принтере Siemens в качестве электромеханического i реобразо- вателя использовалась пьезоэлектрическая трубка, помешенная в канал литой пластмассы. Все каналы заканчиваются пластиной с калиброванными отверстиями для распыления, расположен- ной на передней стороне устройства. Передача электроэнергии и красителя производится посредством колебаний давления, рас- пространяющихся в канале в соответствии с законами акустики. Колебания, достигающие конца канала, отражаются оттуда с ин - версией фазы. Пьезопластины. В начале 1985 г. компания Epson пред- ставила первый и» своих пьезопланарных струйных принтероз. Вмест о пьезоэлектрических трубочек, как у Siemens, в печа- тающих головках Epson, выполненных из структурированных стеклянных пластинок, укреплены небольшие пьезопласти нт и. Если к ним приложить электрическое напряжение, их диаметр чуть-чуть изменится, ио и этого будет дос га очно, чтобы они со 1 нулись вместе с пассивной стеклянной многослойной подлож- кой подобно биметаллической пласт ине, что приведет к возник- новению в канале избыточного давления, и красители выталки- ваются тем же способом, что и в головках с пьезотрчбками. Печатающие устройства с термографическими исполнитель- ными механизмами. Метод газовых пузырей базируется на тер- мической технологии (рис. 5.26. 6) Каждое сопло об< «рудовано нагревательным элементом, к< >торый при пропускании через него тока за несколько микросекунд на1 ре вается до температуры около 500 °C Возникающие при резком нагревании газовые пу- зыри вы галкивают через выходное отверстие сопла порцию (ка- плю) жидких чернил, которые переносятся на бумагу. При от- ключении тока нагревательный элемент остывает, паровой пу- зырь уменьшается, и через вхо гное отверс гие поступает новая порг [ия чернил. Фотоэлектронные печатающие устройства Фотоэлектронные способы печати основаны на освещении заряженной светочувствительной повер:<ности промежуточною носителя и формировании на ней и зображения в виде электро- статического редьефа, притягивающего чащицы красителя, ко- торые далее переносятся на бумату
5.3. Средства массового вывода информации... 465 Для освещения поверхности промежуточного носителя ис - пользуют: • в ла зерных принтерах — полупроводниковый лазер; • в светодиодных — светодиодную матрицу: • в принтерах с жидкокристаллическим затвором — люми- несцсн гную лампу. Лазерные принтеры. Принцип действия лазерного принтера основан на методе сухого электростатического переноса изобра- жения, предложенном Ч Ф. Карлсоном в 1939 г. и используемом также в копировальных аппаратах (рис. 5.27). Функциональная схема лазерного принтера приведена на рис. 5.27, б. Основным элементом конструкции лазерною прин- тера является вращающийся барабан, служащий промежт т оч ны м носителем, с помощью которого производится перенос изобра- жения на бумагу. Принтер является постраничным, т. е. форми- рует для печати полную страницу. Барабан представляет собой цилиндр, покрытый тонкой пленкой светопроводяшсго полу проводника (оксид цинка или селен). По поверхности барабана равномерно распределяется статический заряд, что обеспечива- ется с помощью тонкой проволоки или се гки. называемой коро- нируюшим проводом. На этот провод подается высокое напря- жение, вызывающее возникновение вокру! него светящейся ионизированной области, называемой копоной. б Рис. 5.27. Лазерный принтер: а — общий вил: ( - с хема процессов
466 Глава 5. Периферийные устройства Лазер, управляемый микроконтроллером, генерирует тонкий световой луч, отражающийся от вращающегося зеркала Разверт- ка изображения происходит так же, как и в телевизионном ки- нескопе: есть движение луча по строке и кадру. С помощью вра- щающегося зеркала луч скользит вдоль барабана и изменяет его электрический заряд в точках падения. Размер заряженной точ- ки зависит от фокусировки луча лазера с помощью объектива Для некоторых типов принтеров в процессе подзарядки потен- циал поверхности барабана изменяется с 900 до 200 В Таким об- разом, на барабане, промежуточном носителе, возникает скры- тая копия изображения в виде электростатического рельефа. На следующем этапе на фотонаборный барабан наносится тонер — краска, состоящая из мельчайших частиц. Под действи- ем статического заряда эти частицы при гягиваются к поверхно- сти барабана в точках, подвергшихся экспозиции, и формируют изображение в виде рельефа красителя. Для фиксации тонера страница вновь заряжается и пропус- кается между двумя роликами с температурой около 180 °C. По- сле окончания печати барабан полностью разряжается, очищает- ся от прилипших лишних частиц, готовясь для печати следую- щей страницы. Светодиодные принтеры, или LED-принтеры (Light Emitting Diode), основаны на том же принципе действия, что и лазерные. Конструктивным различием является то, что барабан освещается не лучом лазера, разверз ка которого обеспечивается с помощью механически управляемых зеркал, а неподвижной диодной стро- кой, состоящей из 2500 светодиодов, которая описывает не каж- дую точку. а целую строку. На основе этой технологи работают принтеры фирмы OKI В принтерах с жидкокристаллическим затвором в качестве ис- точника свез а служит люминесцентная лампа Свет лампы управ- ляется жидкокристаллическим затвором, прерывателем света, который выполняет команды драйвера. Скорость печати такого принтера ограничена скоростью срабатывания жидкокристалли- ческого затвора и не превышает 9 листов в секунду. Принтеры других технологии Твердые чернила Твердочернильные (Solid Ink) принтеры были разработаны в попытке устранить основные недостатки цветных лазерных принтеров, а именно низкую скорость печати
5.3. Средства массового вывода информации... 4(7 за счет совершения четырех проходов бумаги по барабану. Отпе- чаток, сделанный на твердочернильном принтере, получается немного зернистым из-за физических свойств красителя (как правило, это окрашенный воск1, зато очень насыщенным и хо- рошо передающим полутона (рис, 5.28, а). Вос ковые чернильные палочки расплавляются, а затем смесь впрыскивают на передающий барабан, откуда она через оз верст ия понадает на бумагу, гпе практически мгновенно застывает (в этом состоит их существенное отличие от струйных принтеров, в кото- рых краситель растекается по бумаге, за счет чего изображение а Испарившиеся чрасчи б Рис. 5.28. Альтернативные технологии печати: а твердые чернила; б — сублимация красок, в — ттрмпвоск Жиркий ВОСК в
468 Глава 5. Периферийные устройства может получаться более темным, чем необходимо). Пос ie разо- грева восковые тепловые принтеры нс следует передвигать иначе воск может повредиться. Он и должны находи' ься в защищенном месте и их целесообразно использоват ь в качестве сетевых. Сублимация красок. Процессы печати, используемые принте рами сублимации красок и чернильными, различаются. Вместо того чтобы распыля гь чернила через сопло на страницу, как это делают струйные принтеры, принтеры субтимации красок ис пользуют для переноса краски пластикову ю плен ку Она имеет форму рулона или ленты и содержит последовательные изобра- жения составных цветов СМ\К (рис 5.28, б). Перецаюшая пленка проходит по тепловой печатающей го ловке, состоящей из тысяч нагревающихся элементов. Высокая температура заставляет краски на пленке сублимироваться превращаться в газ, без жидкой фазы, и краска в форме пара по- I тощается бумагой. Управление количеством краски происходит посредством итменения интенсивности и продол ките гтъч эста воздействия высокой температуры. Ктда чернила попадают на бумагу’, они размываются Этот эффект позволяет принтеру создавать непрерывные тон< цвета, смешивая чернила. Движение бумаги увеличивает область не- прерывного цвета. Термовоск. Тепловой воск (thermal wax) — технолошч. родст- венная сублимации красок, которая является подходящей для печати диапозитивов. Принтеры использую'1 рулоны niac тико- вой пленки CMY или CMYK, покрытой красителями на основе воска (рис. 5.28. в). Тысячи naiревательных элементов на печатающей головке заставляют воск таять и покрыват ь бумагу или прозрачный мате- риал. Разрешение и скорость печати низкие: обычно 300 тнд и около 1 стр/мин. Пло1 геры Устройства, выполняющие фтнкиии вывода ]рафи«еской информации на бумажные и некоторые другие типы носите 1ей, наливаются плоттерами (от англ, plotter) — термин, который, как и многие Tpviue транслитерированные англоязычные терми- ны вытеснит свой русскоязычный аналог (графопостроитель'
5.3. Средства массового вывода информации... 469 Плоттеры, в отличие от принтеров, исторически ориентиро- вались на вывод информации в векторной форме (короче говоря, на вычерчивание изображения посредством движущего- ся пера или на движущейся бумаге). Эти технологии существуют и сейчас, более того, появились плоттеры, осуществляющие ipa- вировку изображения. Однако широкое распространение полу- чили также плоттеры с растровым выводом, техног.слия которых родст вен на принтерной (табл. 5.6) Таблица 5.6 Примеры промышленных плоттеров Марка Характерноihkh HP DesignJet 500 Printer(24”) па- мять 16 Mtlain Ширина носителя 1070 мм. Ширина печа- ти 1057 мм. Разрешение 600*1200 тнд. Макс объем памяти 16 Мбайт. Интерфей- сы LPT/USB. Сетевой интерфейс JetDire Poland СХ 24 САММ-1 PLOTTER ОШЕН Макс, ширина резки 584 мм. Заправляе- мая ширина материала 50 - 711 мм. Макс, скорость резки 40 см/с Подача ма- териала - фрикционная. Тип но*а - флю- герный. Система команд - CAMM-GL III (режим 1 и режим 2). Давление ножа 30 - 200 г Размер буфера 1 Мбайт. Размеры 840x278x221 мм Вес 14 кг ОкгужаЮ'цач среда температура: 5-40 "С: ыажнтегь. 35 - 80 % (без конденсата) Перьевые плоттеры >ПП pen plotter). Перьевые плоттеры — по электромеханические устройства векторного типа, и на ПП традиционно выводя г графические изображения различ дые век- торные программные системы наподобие AutoCAD. ПП создают и юбражение с помощью пишу щих элементов, обобщенно наз ы- ваемых перьями, хотя и меется несколько видов таких эле ментов отличающихся друг от друга испотьзуем! 'м видом жидкого кра сителя. Перо крепится в держателе пишущ< го уз та. который имеет одну или две степени свободы пере мешения. Су шествует два типа ПП‘ планшетные, в ксорых бумага не- подвижна. а перо перемещается по всей плоскости изображения и барабанные (или рулонные), в которых перо перемещается
470 Глава 5 Периферийные устройства вдоль одной оси координат, а бумага — вдоль другой за счет за- хвата транспортным валом, обычно фрикционным. Перемеще- ния выполняются с помощью шаговых (в подавляющем боль- шинстве плоттеров) или линейных электродвигателей, создаю- щих довольно большой шум. Хотя точность вывода информации барабанными плоттерами несколько ниже, чем планшетными, она удовлетворяет требованиям большинства задач. Эти плотте- ры более компактны и могут автоматически отрезать от рулона лист необходимого размера, что определило их доминирование на рынке больших ПП (ПП формата АЗ обычно планшетные). Карандашно-перьевые плоттеры (КПП, pcn/pencil) — разно- видность перьевых — отличаются возможностью установки спе- циализированного пишущего узла с цанговым механизмом для использования обычных карандашных грифелей, который обес- печивает постоянное усилие нажима грифеля на бумагу и его ав- топодачу при истачивании. Дополнительные преимущества карандашной технологии: • карандашный грифель не высыхает, и карандаш пишет на любой скорости (при использовании жидких красителей необходимо учитывать время их вытекания из пера и время высыхания); • карандаш позволяет рисовать на любых бумажных носителях, в том числе и не очень высокого качества; при этом изобра- жения качественны, дают хорошие оттиски при копирова- нии, и в то же время их можно корректировать ластиком; • грифели легко приобрести, значительно экономя расход- ные материалы. Струйные плоттеры (СП, ink-jet plotter)- Струйная техноло- гия была описана выше, здесь же отметим лишь, что приемле- мая цена, высокое качество и большие возможности делают СП серьезным конкурентом перьевых устройств. Спрос на СП со стороны пользователей, работающих с настольными издатель- скими системами и САПР, выпускающих сложные чертежи фор- мата АО, растет, однако невысокая скорость вывода графической информации и выцветание со временем полученного цветного изображения без принятия специальных мер (использования ла- минирования или специальной «самоламинируюшейся» бума]и) несколько ограничивают их применение. Электростатические плоттеры (ЭП. electrostatic plotter). Электростатическая технология основывается на создании скрытого электрического изображения (потенциального рельефа}
5.3. Средства массового вывода информации... 471 на поверхности носителя — специальной электростатической бумаги, рабочая поверхность которой покрыта тонким слоем ди- электрика, а основа пропитана гидрофильными солями для обеспечения требуемых влажности и электропроводности По- тенциальный рельеф формируется при осаждении на поверх- ность диэлектрика свободных зарядов, образующихся при пода- че на тончайшие электроды записывающей головки высоко- вольтных импульсов. Когда бумага проходит через проявляющий узел с жидким намагниченным тонером, частицы тонера притягиваются к за- ряженным участкам бумаги. Полная цветовая гамма получается за четыре цикла создания скрытого изображения и прохода но- сителя через четыре проявляющих узла с соответствующими то- нерами. Плоттеры прямого вывода изображения (1ШВИ, direct imaging plotter) Изображение в ППВИ создается натермобу- маге (пропитанной теплочувствитсльным веществом) длинной (на всю ширину плоттера) «гребенкой» миниатюрных нагревате- лей. Термобумага, которая обычно подается с рулона, движется вдоль «гребенки» и меняет цвет в местах нагрева. Изображение получается высококачественным (разрешение до 800 тнд), одна- ко только монохромным. Учитывая высокую надежность ППВИ, производительность (может достигать 50 листов формата АО в день) и низкие экс- плуатационные затраты, их применяют в крупных проектных ор- ганизациях для вывода проверочных копий. Плоттеры на основе термопередачи (ПТП, thermal transfer plotter). Отличие этих плоттеров от ППВИ состоит в том. что в них между термонагревателями и бумагой (или прозрачной пленкой) размещается «донорный цветоноситель» — тонкая, толщиной 5—10 мкм, лента (например, лавсановая), обращенная к бумаге красящим слоем, выполненным на восковой основе с низкой (менее 100 °C) температурой плавления. На донорной ленте последовательно нанесены области каж- дого из основных цветов размером, соответствующим листу ис- пользуемого формата В процессе вывода информации бумаж- ный лист с наложенной на него донорной лентой проходит под печатающей головкой, которая состоит и» тысяч мельчайших на- гревательных элементов. Воск в местах нагрева расплавляется, и пигмент остается на листе. За проход наносится один цвет, и изображение получается за четыре прохода. Таким образом, на
472 Глава 5. Периферийные устройства каждый лист цветного изображения затрачивается в 4 раза боль- ше красящей ленты, чем на лист монохромного. Лазерные (светодиодные) плоттеры (ЛП, laser/led plotter). Данные плоттеры базируются на электрографической технологии, в основе которой находятся физические процессы внутреннего фотоэффекта в светочувствительных полупроводниковых слоях селеносодержащих материалов и силовое воздействие электроста- тического поля. Промежуточный носитель изображения (вращаю- щийся селеновый барабан) заряжается в темноте до потенциала в сотни волы. Луч света снимает этот заряд, создавая скрытое элек- тростатическое изображение, которое притягивает мелкодисперс- ный тонер, переносимый затем механическим путем на бумагу. Бу Maia с нанесенным тонером проходит через нагреватель, в ре- зультате чего частицы тонера запекаются, создавая июбражение. В табл. 5.7 содержатся основные параметры, приводимые производителями плоттеров (см., напр., табл. 5.6). Таблица 5.7. Основные параметры плоттеров Английский термин Русский термин Примечания Параметры носителя и изображения Media type Тип носителя Напрямую влияет на эксплуатационные расходы: чем до- роже и сложнее носитель, тем они выше Max. media size Максимальный раз- мер листа Максимальный размер листа при использовании наре- занных заранее листов, либо же максимальная ширина листа носителя (max. media width) при использовании ру- лонного носителя Drawing size Формат "“ста Определяет максимальный стандартный форма’, который может быть вписэ! в размео рабочего поля Mec a 'e ipth Длина носителя Для рулонных плоттеров зависит от его толшины (чем тоньше носитель, тем он длиннее), так как допустимый диаметр рулона ограничен. Иногда можно встретить па- раметр - максимальную толщину носителя (max media thickness). Понятно, что малая толщина носителя сужает возможности использования плоттера Параметры точности Mechanical resolution Механическая точ- ность имеет смысл только для перьевых плоттеров и характе- ризует то, с какой точностью их механическая система способна позинионировать пишущий узел Software resolution Программно-зада- вяемое разрешение Определяет, с какой точностью (разрядностью) могут ко- дироваться координаты в графическом файле Пересы лаемом пло теру
5.3. Средства массового вывооа информации... 473 Продолжение табл. 5.7 Английский термин Русский термин П )имеча! ис Resolution Разрешение печати Используется в растровых плоттерах и измеряется иис- сэм точек на дюйм (тнд) в зарубежном плолерах и чис- лом точек на миллиметр - в отечественных Accuracy Точность Соответствует только некотором весьма определенным условиям работы плоттера. Например, грименение бума- ги с повышенной шероховатостью или другого пишущего [ узла (отличающегося от тестового), а также износ меха ники плоттера вследствие эксплуатации существенно по- влияют на эту характеристику Repeatability Поыоряемость Для перьевых плейеров определяет точность с которой плоттер многократно позиционирует пишущий узел в од нои и гой же точке в процессе рисования End point accuracy Погрешность оста- новки пера Величина погрешности позиционирования пишущего узла перьевых плоттеров Скоростные характеристики устройства Media travel speed Скорость печати или перемещения носи- теля Эта характеристика присущ? растровым плоттерам и обычно определяет максимальную технически возможную скорость печати уже подготовленной инЛоомации Interface, inpu* ports Тип интерфейса Дл« высокопроизводительных плоттеров тихими местзмк являются процессы пересылки графической и формации поэтому это важный параметр, характеризующий не толь- ко то. каким образом можно пошлючать плогео. но и скорость печати Max. speed Максимальная ско рость взаимного пе- ремещения пишуше го узла и носителя Этот параметр, приводимый для перьевы' плоттеров часто только вводит р заблуждение 1ехническая возмож । осгь пеоемещап пишущий сзег с большой скоростью и реатьная скорость рисования - пазные вещи Max. । lotting speed Скорость Максимальная скорость нанесения непрерывной пинии пишущим узлом Acceleration Ускорение Маг имальное ускорение перемещена пишущего узла Pen resoonse time Скорость подъема опускания пера Чертежные характеристики Colour oalefte Цветовая палитра Для цветных растровых плоттеров этот параметр характе- ризует максимально возможное количество цветов, с ко- торым способен работать плоттер, но количество одно временно отображаемых цветов обычно меньше Area fill colours Число цветов одно- родной заливки Определяет количег гв? одновременно отображаемых иветог Нагоимео. при цветовой палитре в 1М млн цве- тя одновременно могут отпбоазиться |Олько8192 из них
474 Глава 5, Периферийные устройства Окончание табл. 5.7 Английский термин 1 " Русский термин Примечания 1 Line types Число типов линий Параметр векторной графики и определяет для некото- рых плоттеров количество встроенных («зашитых» в по- стоянной памяти или задаваемых внутренней програм- мой) типов линий. Наличие встроенных типов линий не означает, что чертеж не может содержать большего, чем указано, числа линий, так как ряд компьютерных про- грамм готовит данные для вывода на плоттер, не исполь- зуя встроенные типы линий Area fill types, hatch types Число штриховок Ряд пепьевых и растровых пло—еров способнь закраши вать замкнутые области путем штрихования, и зтог пара метр характеризует количество встроенных (аппаратно реализованных) видов штриховок. Он, как и число типов линий, не относится к числу критичных Pen force Давление на пишу щий элемент Определяет применимость для данного плоттера того или иного носителя и пишущего элемента Pen type Типы пишущих эле- ментов Чем больше список применяемых типов пишущих эле- ментов (а в их число могут входить фломастеры, шарико- вые стержни и рапидографы с различными характеристи- ками), тем проще будет найти расходные материалы для плоттера Number of pens Число пишущих эле- ментов в карусели Определяет возможное число одновременно отображае- мых цветов или ширину линий на чертеже Penci' holder Грифеледержатель Специфический для карандашно-перьевых плоттеров па- раметр. Например если г рифе/«держателе имев бункер на несколько грифелей, то это существенно повышав* ав- тономность работы плоттера Cutting kit Тип лезвий Специфический для режущих плоттеров параметр. Он аналогичен параметру типы пишущих узлов Прочие параметры Memory capacity, standard buffer size Размеры оператив- ной мамяти У высокопроизводительных плоттеров с несколькими ка- налами приема информации также может быть встроен- ный жесткий диск, на который записывается графическая информация Protocol support, standard data formats, graphic languages Графические языки, стандартные форма- ты данных Способность плоттера выводить тот или иной вид графи- ческой инфоомашги определяется соответствующим про- граммным обеспечением и набором графических языков и форматов данных, которые интерпретирует плоттер Mean time before |r failure Наработка на отказ Сегодня надежность плоттеров составляет десятки тысяч часов
5.4. Средства ввода. Сканеры, фотокамеры. Дигитайзеры 475 5.4. Средства ввода. Сканеры, фотокамеры. Дигитайзеры Сканеры и цифровые фотокамеры являются основным ис- точником оцифрованной растровой графической ин- формации (в статической форме), приспособленной для дальнейшей обработ ки в ЭВМ. Сканеры, классификация и устройство Классы сканеров. Сканер — устройство для ввода графиче- ской растровой информации в ЭВМ. Список приложений скане- ра почти бесконечен, на сегодняшний день сложились и произ- водятся следующие разновитности этих устройств: • высококачественные барабанные сканеры, которые спо- собны обрабатывать как прозрачные, так и непрозрачные изображения — от 35-мм пленок до материалов ра змсром 16 футов на 20 дюймов с высоким (свыше 10 000 тнд) раз- решением; • планшетные настольные сканеры универсального назначе- ния; • компактные сканеры документов, прелназначе иные ис- ключительно для оптического считывания и распознавания документов; • специшьные фотосканеры, которые работают, перемещая фототрафию по неподвижному источнику света. • ска> юры слайдов или не! ативов, работающие с прозрачны ми изображениями; • ручные сканеры для использования на небольшом пре странстве с гола. Однако планшетные сканеры — наибо|И универсальные и популярные изделия. О«и способны снимать цветовые изобра- жения, документы, страницы из книг и журналов а также пре зрачные фотопленки (рис. 5 29) Устройство и функционирование сканеров. Изображение гоме шается перед карет кои, ко горая состоит и з источника освешения и массива датчиков (рис. 5.29). Спет от трубки поступает на дат чики, которые считывают оптические данные (например, ПЗС), затем проходит при змы. линзы и другие опт ическис компоне! itu
476 Глава 5. Периферийные устройства Источник света освещает бумагу с изображением, Линзы передают свет к фотодиодам, которые преобразуют его в электрический ток Риг. 5.29. Устройство и функционирование планшетного сканера Подобно очкам или лупам, эти элементы могут весьма разтичать- ся ио качеству. Высококачественный сканер использует точную, просветленную оптику со све гофильтрами исправления цвета, из- готовленную из стекла. В более дешевых моделях при иеняютс* пластмассовые компонент ы. ч гобы уменьшить затраты. Интенсивност ь света, отраженного или прошедшего сквозь изображение и собранного датчиком, преобразуется ь напрчж» - пие, пропорциональное световой интенсивности. Это преобра- зование аналог-ко л — процесс, чувствительный к электрическим п< (мехам и шумам в системе Чтобы сохранит ь изображения, лучшие сканеры используют электрически изолированный кон- вертер аналог-код, удаленный от основной схемы сканера Од- нако эта конструкция недешева, поэтому многие простые моде- ли имеют конвертеры аналог код, которые встроены в основную монтажную схему сканера. Датчики сканеров Датчик изображения обычно реализуется по одной из трех технологий; • фотоэлектронный умножитель (ФЭУ- или photomultipliei tube — РМТ) — технология, унаследованная от барабанных сканеров прошлого:
5.4. Средства ввода. Сканеры, фотокамеры. Дигитайзеры 477 • прибор с зарядовой связью (ПЗС или charge-coupled device — CCD) — датчик, типичный для настольных сканеров; • контактный сенсор изображения (contact image sensor — CIS) — более новая техноло! ия, которая интегрирует функ- ции и позволяет создавать сканеры более компактных ди- зайнов. Технология фотоэлектронных умножителей. ФЭУ — техноло- гия датчиков высокопроизводительных цветных барабанных ска- неров, которые используются обычно для подготовки матриц цветной полиграфии. Дорогостоящие и тяжелые в обслужива- нии, они были основными устройствами ввода изображений в ЭВМ до появления настольных сканеров Оригинал изображения здесь тщательно закрепляется на ци- линдрическом барабане, который начинает вращаться с высокой скоростью Каретка с датчиками и освет итслями начинает пере- мещаться вдоль изображения. Управлять разрешением или раз- мером изображения можно, подбирая скорость движения карет- ки, оптическую силу линз и радиус барабана. ФЭУ-сканеры имеют два источника освещения, один для сканирования в отраженном свете, другой — для прозрачных оригиналов. Свет подсветки расщепляется на три луча, которые проходят через светофильтры (красный, зеленый и синий), а за- тем попадают на трубку фотоумножителя, 1де световая энергия преобразуется в электрический сигнал. ФЭУ-сканеры имеют на- много более высокую светочувствительность и более низкий уро- вень шума, чем сканеры ПЗС, и, следовательно, способны к хо- рошей передаче тонов, будучи менее восприимчивыми к ошиб- кам в преломлении или фокусировке света, чем их планшетные коллети (рис. 5.30) Рис. 5.30. Схема функционирования барабанного сканера
478 Глава 5. Периферийные устройства Однако, барабанные сканеры медленнее и дороже, чем ска- неры с ПЗС. В настоящее время они обычно используются только в специализированных высокопроизводительных прило- жениях. Прибор с зарядовой связью (ПЗС). Технология прибора с заря- довой связью, которая лежит в основе настольных сканеров, ис- пользуется в таких устройствах, как телефаксы и цифровые ка- меры. ПЗС — твердотельное электронное устройство, которое конвертирует свет в электрический заряд (см. ниже). Датчик на- стольною сканера, как правило, имеет массив (линейку) из ты- сяч элементов ПЗС, размещенных на подвижной каретке. Отра- женный свет лампы сканера, пройдя светофильтры, направляет- ся на массив ПЗС через систему зеркал и линз. ПЗС действует как фотометр, конвертируя уровень отраженного света в анало- говое напряжение, которое затем превращается в дискретные цифровые значения конвертером АЦП (аналого-цифровой пре образователь). Контактный сенсор (CIS). Это относительно новая техноло- гия датчиков, которая начала появляться на рынке планшетных сканеров в конце 1990-х гг. Сканеры этой системы используют компактные банки красных, зеленых и синих светодиодов в со- четании с линейкой датчиков ПЗС. помещенных чрезвычайно близко к исходному изображению. В результате получен сканер, который меньше, легче, дешевле и экономичнее, чем традици- онное устройство на основе ПЗС, однако эта технология еще да- лека от совершенства. Цветовые сканеры Головки некоторых цветовых сканеров содержат единствен- ную флуоресцентную трубку с тремя ПЗС, которые снабжены цветными фильтрами, в то время как другие имеют три цветные трубки и единственный блок ПЗС. Первые производят полное цветовое изображение за единственный проход, в то время как вторые — за три прохода С конца 1990-х гг. однопроходные уст- ройства составляют большинство цветовых сканеров. Эти сканеры используют один из двух методов — расщепле- ние луча либо ПЗС с цветовыми фильтрами. В первой конструк- ции свет, проходящий через призму, разделяется на три первич- ных цвета, каждый из которых считывается соответствующими
5.4. Средства ввода Сканеры, фотокамеры. Дигитайзеры 479 ПЗС. Этот метод считается наилучшим для обработки отражен- ного света, но для снижения затрат мноше изготовители ис- пользуют три массива ПЗС, каждый из которых покрыт фильт- рующей пленкой так, чтобы он воспринимал только один из первичных цветов. Будучи технически менее точным, этот метод обычно производит результаты, которые трудно отличить от та- ковых для сканера с расщеплением луча. Показатели эффективности сканера Механизм датчика — не единственный фактор, который за- дает эффективность сканера. Следующие показатели являются важными аспектами спецификации устройства: • разрешающая способность; • разрядная глубина; • динамический диапазон. Разрешающая способность — описывает точность устройства и обычно измеряется в точках на дюйм (тнд) или ppi (points per inch). Типичная разрешающая способность недороюго настоль- ного сканера в конце 1990-х гг. составляла 300 х 300. Типичный планшетный сканер использует элемент ПЗС для каждого пикселя, так что для настольного сканера, имеющего горизонтальную оптическую разрешающую способность 600 тнд и максимальную ширину документа 8,5", требуется массив из 5100 (5100 = 600x 8,5) элементов ПЗС в блоке, известном как сканирующая головка. Головка устанавливается на каретке, которая перемещается вдоль оригинала изображения. Хотя движение кажется непре- рывным, перемещение происходит дискретными шагами (е доли дюйма), и в каждой паузе осушес гвляется считывание информа- ции. В случае планшетного сканера головка управляется шаго вым двигателем или устройством, которое поворачивает ось в точности на заданный угол каждый раз, когда подан электриче- ский импульс. Число физических элементов в массиве ПЗС определяет ин- тервал дискретизации направления А, а количество остановок на дюйм задает дискретизацию направления Y Хотя они обычно упоминаются как «разрешающая способность» сканера, термин не вполне точен. Разрешающая способность (возможность ска нера выявить все подробности изображения) определяется каче-
480 Глава 5. Периферийные устройства ством электроники, оптики, фильтров и моторного привода, а также часто гой дискретизации (оцифровки) Газряоная глубина (битовая, цветовая) — глубина сканера, ха- рактеризует количест во информации, содержащейся в одном пикселе выходного образа. Самый прост ой сканер (черно-бе лый сканер на I бит) использует для представления каждого п икселя «1» или «О». Чтобы воспроизвести полутона между черным и бс лым, сканер должен иметь хотя бы 4 бита (для 16 = 24 полутонов) или 8 бит (для 256 = 2R полутонов) на каждый пт ксель. Самые современные цветовые сканеры поддерживают не мс нее 24 бита, что означает съем 8 бит информации по каждому из первичных цветов (красный, синий, зеленый) Устройство на 21 бита может теоретически фикс ировать более чем 16 млн раз личных цветов, хотя практичес ки эго число намного меньше. Это почти фотографическое качество, и упоминается поэтому обыч- но как «полноцветное» сканирование ("true colour* scann'ng). В последнее время все более увеличивающийся перечень из- готовителей предлагают сканеры с разрядной глубиной на 36 или 30 битов. Хотя пока что немногие прикладные программы машинной графики способны к обработке изображе ний с глуби ной более чем 24 бита, этот избыток разрешения позволяет осу- ществлять по. юзные операции по ре.так гировачию графики как в драйверах, так и в приложениях. Динамический диапазон — по своей сути подобен разрядной глубине, которая описывает цветовой диапазон сканера и опре- деляется как функционированием АЦП сканера, так и чистотой света, качеством цветных фильтров и уровнем любых помех в системе. Динамический диапазон измеряется в шкале от 0,0 (абсо- лю гно бе. тый) до 4.0 (абсолютно черный), и единственное число, данное для конкретного сканера, говорил. сколько оттенков мо- дуль может различить. Большинство цветных планшетных ска- неров с л рудом воспринимает тонкие различия между темными и светлыми цветами на обоих концах диапа зона и и мее^ дина- мический диапазон около 2.4. Э^о немного, но обычно доста- точно для проек гов. i де и теальныи цвел не самоцель Для полу- чения бо"ьше1 о динамического ди апазона следует использовать цветовой планшетный сканер высшего качества с увеличенной ра зояднои глубиной и улучшенной опл икой Эти высокопроиз- водительные модули обычно обеспечивают динамический диа- пазон между 2.8 и 3.2 и хорошо подходят для 6о шшинс^ва при-
5.4. Средства ввода. Сканеры, фотокамеры. Дигитайзер) t 481 ложений, требующих высококачественный цвет (например, оф- сетная печать). Наиболее близко к пределу динамического диапазона позволяют подойт и барабанные сканеры, часто обес- печивающие значения от 3,0 до 3,8. Цифровое фото — представление и обработка Фотографическое изображение в цифровой форме может быть получено с помощью сканера и в последующем обработано с помощью редактора изображений наподобие Photoshop. Здесь же мы остановимся на цифровых фотокамерах. Бесплсночные (цифровые) камеры внешне очень похожи на традиционные фотокамеры — в камерах обоих типов имеются объектив, затвор и диафрагма. Фактически, в некоторых профес- сиональных бесп леночных камерах используются готовые корпу- са ог 35-мм аппаратов Nikon, Minolta или Canon (рис. 5 31, я). Различие же состоит во внутреннем устройстве или в способе со хранения изображения. В традиционных фотокамерах изображение фокусируется на пленке, покрытой светочувствительным слоем кристаллов гало- идного серебра. В цифровых — изображение обычно фокуси ру ется нз фоточувствительном кристалле полупроводника, назы- ваемом прибором с зарядовой связью (ПЗС) ПЗС применяются также в сканерах, факси мильных аппаратах и видеокамерах, хотя обычно качество большинства ПЗС для беспленочных камер выше и такие ПЗС. безусловно, дороже. Таймер Вспышка Фотоэлемен' Видоискатель Сенсор вспышки Инфракрасный порт Карта памяти а Крышка отсека батарей Линзы Рис. 5-31. Цифровая фотонам -р 1 (д\ считывание информации с матрицы ПЗС (О
5.4. Средства ввода. Сканеры, фотокамеры. Дигитайзеры 481 ложений, требующих высококачественный цвет (например, оф- сетная печать). Наиболее близко к пределу динамическою диапазона позволяют подойти барабанные сканеры, часто обес- печивающие значения от 3,0 до 3,8. Цифровое фото — представление и обработка Фотографическое изображение в цифровой форме может быть получено с помощью сканера и в последующем обработано с помощью редактора изображений наподобие Photoshop Здесь же мы остановимся на цифровых фотокамерах. Беспленочные (цифровые) камеры внешне очень похожи на традиционные фотокамеры — в камерах обоих типов имеются объектив, затвор и диафрагма. Фактически, в некоторых профес- сиональных беспленочных камерах используются готовые корпу- са от 35-мм аппаратов Nikon, Minolta или Canon (рис. 5.31, a). Различие же состоит во внутреннем устройстве или в способе со- хранения изображения. В традиционных фотокамерах изображение фокусируется на пленке, покрытой светочувствительным слоем кристаллов гало- идного серебра В цифровых — и юбражение обычно фокусиру- ется на фоточувствительном кристалле полупроводника, назы- ваемом прибором с зарядовой связью (ПЗС) ПЗС применяются также в сканерах, факсимильных аппаратах и видеокамерах, хотя обычно качество большинства ПЗС для беспленочных камер выше и такие ПЗС, безусловно, дороже. Рис. 5.31. Цифровая фотокамера (с); считывание информации с матрицы ПЗС (б)
482 Глава 5. Периферийные устройства Основное преимущество цифровых фотокамер по сравнению с обычными состоит в том, что они позволяю, немедленно вос- произвести изображение на телевизионном приемнике или мо- ниторе компьютера, распечатать егс на цветном принтере, запи- сать на виде» 'магнь гофон или передать в телевизионную сеть Цифровые камеры — автоматические у с гройст ва, не треб} то- щие ручной настройки. Загрузка и юбражений в ПК не вызывав г затруднений и требует только подключения соел инительного ка- беля к камере и порт у компьютера, открытия файлов поставляе- мого с фотокамерой пр< траммного обед течения и выбора и зобра- жений. которые будут автоматически переданы и запомнены на жестком тиске. Кроме того, запись и зображений меже г осущест - вля гься на флэш-память (карт ы CompactFlash или Sm ФМеЛа). Прибор с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС. или charge coupled device (CCD). — технология, лежащая в основе большинства цифровых камер (и сканеров), была предложена в 1960-х гг., ко- гда шли поиски недорот их систем памяти для массового произ- водства Возможность использования ПЗС тля съемки изображе- ний чаже не приходила в голову исследователям, работавшим нал технологией первоначально. В 1969 г. У. Бойл и Дж Смит (ВеЧ Labs) предложили исполь- зовать ПЗС для хранения данных. Первое применение ПЗС для съемки — матрица с форматом 100 х 100 пикселей — была со шана в 1974 г. в Fairchild Electronics В следующем году такие устройст - ва уже использовались в телекамерах дл т коммерческих передач и скоро стали обычными в телескопах и медицински к системах П )С работает подобно «электронной версии-» человеческого глаза. Каждая матрица состоит из миллионов ячеек, известных как фототочки или фотодиоды, которые преобразуют оптиче- скую информацию в электрический заряд. Когда световые час- тицы (фотоны) входят в кремний ф» тедиона. они обеспечивают достаточно энер! ии для генерации своб» шных элеь тронов, я ис то которых возрастает с потоком света. Рели к феточиоду прию- жено внешнее напряжение, возникает электрический тек (см рис. 5.31). Следующая стадия заключается в трохождении токов через ус тройство, известное как регистр считывания После oi о как заряд входит и затем выхочит и з рет истра < чит ывания. он исче- зает и на его место перемешается с теч\ юшии сзачи. Так ебрг зу - ется Поспелова течьнос гь сшначов. которые пере чаются нг уси- ште ть. а затм — аналого-цифровой преобразова гель.
5.4. Средства ввода. Сканеры, фотокамеры Дигитайзеры 483 Фотодиоды матрицы ПЗС реагируют на яркость, а не на цве- та освещения. Цвет добавляется к изображению посредством красных, зеленых и синих фильтров, помешенных поверх каждо- го пикселя. Поскольку человеческий глаз наиболее чувствителен к желто-зеленому диапазону, количество зеленых фильтров в 2 раза больше, чем красных и синих. Каждый пиксель представ- ляет только один цвет, и истинный цвет создается путем усредне- ния световой интенсивности окружающих пикселей — процесс, известный как цветовая интерполяция. КМОП (CMOS). В 1998 г. появились датчики CMOS (complementary metai-oxide semiconductor) как альтернативная к приборам с зарядовой связью технология снятия изображения. Производственные процессы CMOS те же, что и в производстве миллионов процессоров и чипов памяти во всем мире. Посколь- ку уже существовала высокопродуктивная индустрия с сущест- вующей инфраструктурой, чипы CMOS оказались значительно дешевле в изготовлении, чем ПЗС Другое преимущество состо- ит в том, что они имеют значительно более низкие требования к мощности, чем ПЗС. Если последние имеют только одну функ- цию — регистрации, то КМОП может быть загружен рядом дру- гих задач — аналого-цифровое преобразование, обработка сиг- налов, баланс белого цвета, управление камерой и пр. Весьма перспективным является расширение CMOS — тех- нология ХЗ, предложенная в 2002 г Foveon Corporation В обыч- ных цифровых системах фильтры цвета применены к единствен- ному слою фотодатчиков, расположенных в мозаичном порядке. Фильтры позволяют только одной длине волны света — крас- ный, зеленый или синий — проходить к любому данному пиксе- лю, позволяя записать только один цвет. В результате, типичные мозаичные датчики фиксируют только 50 % зеленых и 25 % си- них или красных падающих лучей. Подход имеет неустранимые недостатки независимо от того, сколько пикселей мог бы содер- жать датчик изображения. Так как они фиксируют только часть светового потока, приходится осуществлять дополнительную об- работку, чтобы интерполировать две трети, которые они теряют. Это замедляет скорость получения изображения, а интерполяция ведет к цветовым артефактам и потере четкости изображения. Некоторые камеры даже преднамеренно размывают изображе- ния, чтобы уменьшить цветовые артефакты. Датчик изображения CMOS Foveon Corporation испопьзует технологию ХЗ и позволяет фиксировать информацию в 3 раза
484 Глава 5. Периферийные устройства быстрее, чем обычные цифровые камеры при сохранении ра ре- шающих способностей. Это достигается использованием трех слоев фотодатчиков, внедренных в кремний. Уровни расположе- ны так, чтобы использовать тот факт, чго кремний поглощает лучи света различной длины волны на различных глубинах, так что один слой регистрирует красные, другой зеленые и остав- шийся — синие лучи. Это означает, что для каждою пикселя на датчике изображения Foveon ХЗ фактически имеется стек трех фотодатчиков (рис 5 32). Технология ХЗ не только ведет к лучшим изображениям, но также и лучшим камерам. Фактически, это открывает возмож- ность построения нового поколения устройств, стирающих су- ществующую грань между фотографией и цифровым видео, не жертвуя качеством Поскольку датчики ХЗ фиксируют полный цвет в каждом местоположении пикселя, эти пиксели могут группироваться, чтобы создать большие, полноцветовые супер- пиксели. Эта возможность, названная «пиксели переменных раз- меров» (Variable Pixel Sizing — VPS). В этом случае сигналы от в Рис. 5.32. Функционирование цветовых пикселей в обычных матрицах ПЗС (в); технология ХЗ (б); пиксели переменного размера (в)
5.4. Средства ввода. Сканеры, фотокамеры. Дигитайзеры 485 группы пикселей могут быть объединены так, что камера будет рассматривать ее как один пиксель. Например, датчик изображе- ния 2300 х 1500 содержит более 3,4 млн пикселей, но при ис- пользовании VPS, чтобы сгруппировать их в блоки 4x4, датчик изображения приобретает размерность 575 х 375 пикселей, каж- дый из которых в 16 раз больше, чем исходный. Размеры группы пикселей являются переменными — 2 х 2, 4 х 4, 3 х 5 и т. д., и управляются электронной схемой, интегрированной в датчики изображения Foveon ХЗ. Качество изображения. Качество цифровой камеры зависит от многих факторов, включая оптическое качество линзы, матри- цы съемки изображения, алгоритмов сжатия и других компонен- тов. Однако самый важный показатель качества изображения — разрешающая способность матрицы ПЗС чем больше эле ментон, тем выше разрешающая способность, и таким образом может быть зафиксировано больше подробностей изображения В 1997 г. типичная разрешающая способность цифровых ка- мер была 640 х 480 пикселей, год спустя появились «камеры ме гапикселя», что подразумевало, что за тс же деньги можно было приобрести модель на 1024 х 768 или даже 1280 х 960. К началу 1999 . разрешающие способности дошли до 1536 х 1024 и в се- редине этого же года был преодолен барьер 2-х мегапикселей с появлением разрешающей способности 1800x1200 = 2,16 млн. Год спустя — барьер 3-х мегапикселей (2048 х 1536 = 3,15 млн пикселей). Первая камера с 4 мя мегапикселями появилась в се - релине 2001 г., обеспечивая 2240 х I860 = 4,16 млн пикселей. Олнако даже датчик Foveon ХЗ (4096 х 4096 - 16,8 млн пик селей) все же не перекрывает возможностей обычной фотоплен- ки Поскольку высококачественные линзы объективов обеспечи- вают разрешение по крайней мере 200 точек на 1 мм, не1ативная пленка стандарта I00ASA шириной 35 мм и размером кадра 24 х 36 мм обеспечит разрешение 24 х 200 х 36 х 200 = 34,56 млн пикселей, что все еще недост ижимо для цифровых камер. Ди1 итайзеры Ди1 и гайзер (digitizer, диджитайзер), или планшет, — устройство, предназначенное для оцифровки изображений. При нажатии на кнопку курсора его местоположение на поверхности планшета фиксируется, а координаты передаются в компьютер
486 Глава 5. Периферийные устройства Диги гайзер состоит из двух частей — планшета и наводчика (puck), или пера. Планшет — это плоский прямоугольник пози- ционирования, а наводчик, или перо, — к с гройст во управления позицией. Наводчик имеет перекрестную мишень выбора необ- ходимой по шции на планшете и набор кнопок. Диги гайзер - абсолютное уст ройство. Д 1Я выбора некоторой позиции на экра- не необходимо указателем дигитайзера выбрать соответствую- щую точную точку на планшете (табл. 5.8). Таблица 5.8 Некоторые модели дигитайзеров Марка Характеристики WizardPen 5x4 Устоойс ви с обыкновенным пером, кото- рым можно рисовать чертить и подтипы вать документы. Геро бесяр водное с 512 уровнями чувствительности к нажиму. Раз- решение 4064 линий/дойм и рабочее поле 5,5x4". Настраиваемая кнопка пера для бы- ! строго просмотра вправо и влево, вверх и вниз. WizardPen позволяет делать заметки от руки и чертежи CalComp Сегия широкоформатных дигитайзеров для DrawingBoard III САПР и ГИС. Имеют модификации: со стан- дартной точностью (±0,2 мм), почышенн >й (±0,1 мм), высокой (±0,05 мм). Модели с выс! кой точностью комплектуются курсо- ром с подсветкой рабочей зоны Типы ука- зателей- беспроводной 4- или 16-кнопоч- ный курсор. Дипгайзеры пс дополнитель- ному заказу можно т>ком!1лек оватъ напольными подставками различных типов. Модели формата А4-АЗ. Точность ±С,25; ра юешаюша i способность 1001 линий/мм или 2540 линий/цюйм За каждой кнопкой как наводчика, так и пера можно закре- пит ь определенные действия (COPY, SAVE и др.) Гибкость выпол- нения т акого назначения зависит от программируемости драйве- ра vct ройсгва. Планшет подключается к последовательному портт а навод- чик или перо — к 11ланшету. П таншеты могуч иметь ра тличные размеры (форматы А2 или Al и т д.). Ул< >Г>нее всего дигитай терь: применять в системах с программами CAD (Computer-Aided Design — система автоматизированного проектированияГ
5.4. Средства ввода. Сканеры, фотокамеры. Дигитайзеры 487 Часто с дигитайзером связывают управление командами в AutoCAD и аналогичных системах с помощью накладных меню. Команды меню расположены в разных местах на поверхности дигитайзера При выборе курсором одной из них специальный программный драйвер интерпретирует координаты указанного места, посылая соответствующую команду на выполнение. Не последнюю роль играет применение планшета в создании на компьютере рисунков и набросков. Наконец, дигитайзер можно использовать просто как аналог мыши. Принцип действия. Действие дигитайзера основано на фикса- ции местоположения курсора с помощью встроенной в планшет сетки, состоящей из проволочных или печатных проводников с довольно большим расстоянием между ними (от 3 до 6 мм). Од- нако механизм регистрации положения курсора позволяет полу- чить точность считывания информации, намного меньшую шага сетки (до 100 линий на мм). Шаг считывания информации на- зывается разрешением дигитайзера. По технологии изготовления ди! итайзеры делятся на два типа: • электростатические (ЭС); • электромагнитные (ЭМ). В первом случае регистрируется локальное изменение элек- трического потенциала сетки под курсором. Во втором — курсор излучает электромагнитные волны, а сетка служит приемником. Фирма Wacom создала технологию на основе электрома!нитного резонанса, когда сетка излучает, а курсор отражает сигнал. Но в обоих случаях приемником является сетка. Следует отметить, что при работе ЭМ планшетов возможны помехи со стороны из- лучающих устройств, в частности мониторов. Независимо от принципа регистрации существует погреш- ность в определении координат курсора называемая точностью дигитайзера. Эта величина зависит от типа дигитайзера и конст- рукции его компонент. На нее влияет неидеапьность регистри- рующей сетки планшета, способность воспроизводить координа- ты неподвижного курсора (повторяемость), устойчивость к раз- ным температурным условиям (стабильность), качество курсора, помехозащищенность и прочие факторы. Точность существую- щих планшетов колеблется в пределах от 0.005 до 0,03 дюйма. В среднем точность электромагнитных дигитайзеров выше, чем у электростатических. Шаг считывания регистрирующей сетки является физиче- ским пределом разрешения дигитайзера. Мы говорим о пределе
488 Глава 5. Периферийные устройства разрешения, потому что следует различать разрешение как ха- рактерист ику прибора и как программно-задаваемое разреше- ние, а это переменная вел ичина в настройке ди> итайзера. В спе- цификации на изделие всегда указываются обе характеристи- ки — предел ра решения и точность (табл. 5.9). На результат работы также влияет точность действий опера- тора. В среднем хороший оператор вносит погрешность не более 0,004 дюйма. Требования к нему дос гаточчо высокие. Таблица 5.9. Характеристики дигитайзеров Английский гермин Русский термин Комментарий Surface Sizes Размер рабочей товерхностм Устанавливает размеры чувствительной части поверхности диги- тайзера Resolution Разрешение Обозначает шаг считывания дигитайзера ( физическая каралери стика, она гораздо лучше чем реально достижимая точность снятия координлт указующего устройства) Аса гага Точность Указывает на погрешность снятия координат Output Pa'e Скорость обмена Указывав’ на реальную скорость передачи координат дигитайзе- ром Technology Технология Описывает фчзическии принцип получе ия координат Save&Recall Р тльзова тьские настройки Наличие и количество сохраняемым с возможностью последую- щего вызова настроек параметров дигитайзера Output krfmats Формеnj данных Обычно указывается количество различных форматив данных, на KOiopue можно настроить интерфейс дигитайзера Surface Menu Аппаратное меню Количество и вид аппаратно реализованных меню на поверхно- сти дигитайзеоа LED's Индикаторы Наличие или отсутствие индикаторов, сообщающих о состоянии дигитайзера Support Software Программное обесрсче тие Ртзниобпазиг прпграммне'О Обеспечения входящего В состав стандартной поставки дигитайзера Обычно его рази юбразш чи о чем не говорит Важно удобство работы ( программой установ- ки и нагоойки параметров, а также наличие качес венных драй- веров дм тех программ, с которыми вы г бит р есн работа ъ Dual Orientation Двойная ориентация Возможность переклк-ча'ь напоавлечип осей дит «айзеоа
5.4. Средства ввода. Сканеры, фотокамеры. Дигитайзеры 489 Окончание табл 5.9 Английский термин Русский термин Комментарий Warranty Гарантия Срок стандартного гарантийного обслуживания Реп Геро Характеристики указующего устройства типа перо. К характери- стикам относятся число кнопок, вид чувствительности наконечни- ка пера (нечувствительный; выключатель, реагирующий на силу нажима, и т д.) наличие или отсутствие провода Cursor Курсор Характеристики указующего устройства типа курсор: чиою кно- пок, наличие или отсутствие провода Shielding Покрытие Наличие дополнительного покрытия поверхности дитгайзера Технологии чувствительных к нажиму дигитайзеров. В настоя- щее время существуют две технологии, применяемые в чувстви- тельных к нажиму дигитайзерах: первая — электромагнитный резонанс, на основе которого работают дигитайзеры фирмы Wacom, позволяющий применять пассивное стило, а вторая — метод активного курсора При использовании электромагнитного резонанса излучаю- щим (активным) устройством является сам дигитайзер. Перо от- ражает волны, а дигитайзер анализирует это отражение, для того чтобы установить координаты пера в данный момент. Поэтому перо или курсор не имеют ни батарей, ни шнура, подающего на - пряжение на микросхемы внутри курсора При использовании активного курсора он создает излучение, сообщая таким образом дигитайзеру о своем местоположении. В этом случае либо бата- реи, либо провод является его неотъемлемым атрибутом. Для подключения планшета обычно используется послелова тельный порт. Распрос граненными парамет рами являются разре- шение порядка 2400 тнд и высокая чувствительност ь к уровням нажатия (256 уровней). Эта особенность позволяет моделировать нажатие на кисть или перо при работе с соответствующими гра- фическими программами Графические планшеты и дигитайзеры производят CafComp. Mutoh. Wacom и др. Указующее устройство. До этою момента при упоминании указующего устройства мы называли его курсором, хотя сущест- вует еше и перо (или стило). Курсоры более популярны среди пользователей САПР Перья в виде ручки снабжаются одной,
490 Глава 5. Периферийные устройства двумя или тремя кнопками. Кроме того, есть простые перья и пе- рья, чувствительные к нажиму. Последние особенно интересны для художников и аниматоров. Если курсор неудобен, то связан- ный с его использованием ущерб составит гораздо большую сум- му, чем разница в стоимости дорогих и дешевых дигитайзеров Курсоры. Курсоры бывают четырех-, восьми-, двенадцати- и шестнадцатикнопочными. Продукты некоторых производителей являются исключением из правила, например, Осе Graphics до- бавляет на большом курсоре семнадцатую, «самую главную» кнопку. В четырехкнопочных курсорах фирмы CalComp вторая и третья кнопки расположены рядом, а первая и четвертая L-об- разной формы обрамляют средние. Традиционным считается ромбовидное расположение кнопок, которому продолжают сле- довать другие известные производител и. Однако для двенадцати- и шестнадца гикнопочных курсоров стандартом является «таб- личное» расположение кнопок (как на телефонном аппарате). При выборе курсора надо принимать во внимание, кроме удобства пользования, еще и количество клавиш на нем. Напри- мер, для работы в AutoCAD чем больше на курсоре клавиш, тем лучше, потому что дополнительным кнопкам можно назначить одношаговые функции в MNU-файле Au'oCAD. Перья. Перья производятся с одной, двумя и тремя кнопка- ми. Есть перья, чувствительные к нажиму, особенно привлека- тельные для компьютерных художников и аниматоров. Такое перо может воспринимать до 256 градаций усилия нажима Сте- пени нажима ставят в соответствие толщину линии, цвет в па- литре или его оттенок. В результате можно имитировать на ком- пьютере процесс рисования масляными красками, темперой или акварелью на специально подобранной фактуре. 5.5. Интерактивные устройства Понятие терминала (DTE — оконечное оборудование дан- ных) в соответствии с телекоммуникационными стандартами от- носится к сочетанию устройств ввода и вывода информации (на- пример, сканер и принтер, и т. п.), однако чаще всего под терми- налом понимается оконечное устройство ЭВМ, предназначенное для диалога «человек—машина». Известны также более специа- лизированные устройства — банкоматы, кассовые аппараты со сканерами штрих-кода и т. д.
5.5. Интерактивные устройства 491 Механические терминалы Первоначально в ЭВМ использовались в качестве термина- лов механические устройства, заимствованные из смежных техно- логий (связь и оргтехника), телетайпы (типа ТА-67), телеграф- ные аппараты (СТА-2М), электрические пишущие машинки (ПМ типа CONSUL). Строка информации, вводимая оператором, являлась, как пра- вило, командой, требующей выполнения определенных действий от ЭВМ (ОС) Конечная ширина листа (или бумажной лен гы) ПМ (80 знаков) ограничивала длину возможных команд. Признаком окончания ввода команды являлось нажатие клавиши <вк> (воз- врат каретки, она же <с R> — <Carriagc Return>, <Return>, <Enter> и пр.). Реакция системы (ответ на запрос, сообщение об ошибке, небольшая порция выходных данных) также выводилась строками по 80 символов, образуя вместе с копиями команд протокол диало- гового сеанса (или журнал — log) в бумажной форме. Появление в начале 1970-х гг. электронных терминалов, спе- циально разработанных для использования с ЭВМ, привело к настоящему перевороту в применении машин, существенно при- близив все типы пользователей к вычислительному' процессу, облегчив разработку и отладку программ, а также эксплуатацию автоматизированных систем Электронные терминалы Физически электронный или видеотерминал — CRT-device (Catode Ray Tube — устройство с электронно-лучевой трубкой), VDU (Video Display Unit — устройство отображения информа- ции), первоначально получивший в отечественной практике на- именование дисплей (рис. 5.33), представляет собой клавиатуру (keyboard), сопряженную с экранным устройством (screen). Более совершенные ВТ. разработанные в 80-е гг. (IBM 3270, VI 100), во многом определили современное состояние устройств. • появились возможности прямого доступа к информации на экране (для ввода и корректировки); • на клавиатуре добавились функциональные клавиши, реакция на которые определялась программой, работающей с ВТ: — клавиши редактирования — <Del>, <Ins>; - клавиши управления курсором (для выбора места на экране);
492 Глава 5. Периферийные устройства Рис- 5.33. Символьные терминалы: а — ЕС 7920 (СССР, 1985 г.); б — Centronix, одно из ранних интерактивных устройств - управляющая клавиша <Control> (<Ctrl>), модифициру- ющая вводимый код при одновременном нажатии с сим- вольной клавишей, и т. п. Клавиатура терминала Устройство для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов (клавиатура терминала) содержит стан- дартный набор клавиш печатной машинки и некоторые дополни- тельные — управляющие и функциональные клавиши, клавиши управления курсором и малую цифровую клавиатуру (рис 5.31). Все символы, набираемые на клавиатуре, немедленно отобра- жаются на мониторе в позиции курсора (курсор — светящийся символ на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак) 101 - клавишная клавиатура (рис. 5.35) включает сле- дующие области (заметим, что ряд областей или отдельных кла- виш продублирован). 1. Символьная область. Здесь находятся клавиши, являющиеся основными для ПМ и механических терминалов, — строка циф- ровых клавиш, три строки буквенных клавиш, пробел (<Space bar>). Необходимость совместною использования символов ла- тиницы (A—Z) и кириллицы (А—Я> создает проблему размещения символов по клавишам. Как известно, месторасположение сим- волов отражает их частоту и совместную встречаемость в словах соот ветствующего языка, в связи с чем отечественные клавиатуры в первой символьной строке содержат буквы ЙЦУКЬН, анг-
5.5. Интерактивные устройства 493 Рис. 5.34. Клавиатура компьютера (о), принцип работы механической клавиатуры (Я Рис. 5.35. Структура 101-клавишной клавиатуры ло-американскому стандарту соответствует строка QWERTY, континентально-европейский стандарт — AZERTY 2. Функциональная клавиатура (ФК), сохранившаяся как знак преемственности со старыми терминалами, хотя принципы обмена информацией "консоль—ЭВМ» здесь таковы, что необходимость в ней отсутствует (вся клавиатура является npoi раммно-управляе- мой). Сложились определенные стандарты де-факто при- менения ФК. например <F1> — help (Помошь. подсказка), <F10— F12> — quit (Завершение работы программы) и т. п. 3. Клавиши редактирования — <ins> — включение/выключе- ние режима вставки символов, <Del> — удаление символа.
494 Глава 5. Периферийные устройства 4. Управляющие клавиши (изменяют значение нажимаемо! о одновременно с ними символа): • <Shift> — переключение регистров, имеется также на лю- бой ПМ В буквенной области <Shift> переключает строч- ные символы на прописные, в цифровой области — цифры на служебные символы (@ # $ % Л и т. п.); • <CapsLock> — фиксация верхнего регистра, в отличие от ПМ, действует только на буквенные клавиши; • <Ctrl> — появляется впервые на VT100. Позволяет ввести коды, которым не соответствуют какие-либо обычные сим- волы. Например, <Ctrl+z> вводит символ EOF — коней файла', • <Alt> — появляется на ANSI-терминале Расширяет воз- можности <Ctrl> Например, <Alt+2 з-1+9> Вводит I — сим- вол псевдографики. 5. <Enter> — ввод. Является символом окончания строки, соответствует клавише <вк> механического терминала, клавиша продублирована. 6. Малая цифровая клавиатура используется в двух режи- мах — ввода чисел и управления курсором Клавиши управления курсором: «-> — Стрелка влево; <-» — Стрелка вправо; <?> — Стрелка вверх; <4> — Стрелка вниз; <Ноте> — Перейти в нача- ло; <End> — Перейти в конец; <pgUp> — Страница назад; <PgDn> — Страница вперед. Клавиши продублированы. Основ- ная зона расположена на правом краю клавиатуры и совмещена со второй цифровой клавиатурой (основная размещена в сим вольной области). Переключение регистров на этой клавиатуре (цифры или управление курсором) осуществляется клавишей <NumLock> — Зафиксировать цифровой режим. Дубль клавишей управления курсором находится левее, перед символьной областью 7. Клавиша <Escape> (Выйти) впервые появляется на VT100 и реализует выход из текущей программы. Обычно также про- граммируется и на ПЭВМ Беспроводные клавиатуры. В последнее время боль- шинством производителей выпускается новый гип клавиатур — беспроводные. Такая клавиатура содержит инфракрасный или радиопередатчик, а приемник с помощью кабеля подключается к стандартному разъему клавиатуры системной платы (табл. 5.10).
5.5. Интерактивные устройства 495 Таблица 5.10. Некоторые примеры беспроводных клавиатур, манипуляторов «мышь» и «трекбол» Марка Характеристики Общий вид изделия A4-Tech KBS-2350 RP Беспроводный набор, интерфейс USB. беспроводная клавиатура PSI, беспро- водная оптическая мышь, зарядное уст- ройство в приемнике II AflechWWT-13 Трекбо '1 с двумя колесиками для про крутки документов и тремя кнопками, одна из которых (кнопка для большого пальца) может быть запрограммирова- на для выполнения специальных ко- манд. Скорость прокрутки колеса может быть изменена. Разрешение: 520 тцд. Интерфейсы: PS/2, COM, Combo и USB М-Tech SWOP-50Z UP, USB+PS/2 Оптическая мышь Имеет четыре кноп- ки две из которых (Zoom-кнопки) ис- пользуются для масштабирования доку- ментов и одну кнопку-колесо для про- крутки документов. Разрешение: 800 тнд. Интерфейсы . PS/2, USB Внешние клавиатуры для карманных ПК (КПК). К 2002 г. эти устройства были разработаны в различных дизайнах, которые обеспечивают решение проблемы ввода данных с полной клавиатуры со стандартным расположением букв (рис. 5.36): • гибкие тканевые клавиатуры, которые могут быть скатаны или свернуты вокруг КПК. (карманного ПК); • компактные, легкие клавиатуры со специальным доком для КПК, причем некоторые предназначены для использова- ния на плоской поверхности и позволяют печатать слепым методом, а другие — достаточно маленькие, чтобы поме- щаться в одной руке при печатании другой; • обычные клавиатуры порта PS/2, использующие специаль- ное устройство состыковки для обеспечения связи с КПК; • клавиатуры, состоящие из разборных частей, так чтобы они могли быть свернуты для транспортировки и затем со- стыкованы вместе, образуя клавиатуру обычного размера; • устройства, предназначенные лля печатания большим пальцем
496 Глава 5. Периферийные устройства a \9999999 9999999 |99990од б Рис. 5.36. Клавиатуры с доком для КПК а — плоская, б — сменная, расширяющая бесклавиатурную машину Впервые тканевые клавиатуры были объявлены Toshiba в конце 2000 г. для использования в КПК и мобильных телефонах. Клавиатура ElekTex, выпушенная британской компанией Electro- Textiles, которая может быть свернута, скручена и вымыта без по- тери функциональных возможностей, комбинирует структуры проводящей ткани с технологией микрочипа. Проводящие во- локна способны к легкому переключению под воздействием дав- ления и распознаванию позиции. Разрешающая способность из- мерения позиции Хи Усоставляет около 0,0001 % размера ткани, а диапазон давлений — от 0.2 до 30 фунт/дюйм2. Манипуляторы — мыши, трекболы Мыши, трекболы и дигитайзеры являются ручными манипу- ляторами и обычно подключаются к последовательному порту ПК При перемещении манипулятора по столу (или планшету) синхронно с ним по экрану монитора перемещается курсор. Почти все манипуляторы имеют кнопки, используемые для фик- сации конкретной позиции экрана. Эти устройства подразделя- ются на две категории — относительные и абсолютные. Относи- тельными являются, например, мышь (mouse), трекбол (trackball), джойстик joystick), точпад (touchpad), абсолютным — ди! итайзер (digitizer) — см. выше. В абсолютных манипуляторах при перемещении указателя в некоторую точку получают ее представление в виде конкретной позиции экрана или конкретного выбора меню.
5.5. Интерактивные устройства 497 В относительном манипуляторе нельзя указывать абсолютные позиции. Здесь перемещение экранного указателя на некоторое расстояние относительно его текущей позиции можно получить путем перемещения указателя манипулятора на то же относи- тельное расстояние. Манипуляторы связываются с ПК посредством соответст- вующих драйверов (т. е. про) рамм управления). Однако, в отли- чие от драйверов других компьютерных устройств, они не входят в ROM BIOS или DOS, а поставляются непосредственно с мани- пуляторами. В большинстве случаев эти драйверы представляют- ся двумя версиями- • обычный драйвер в config, sys; • резидентный драйвер, инсталлируемый обычно через autoexec.ват. Прикладные программы используют манипуляторы по-раз- ному и поэтому целесообразно использование драйвера из при- кладного пакета. Манипулятор мышь. Одним из традиционных компьютерных устройств ввода является манипулятор мышь (mouse), в ранних советских ЭВМ фигурировавшая под названием «колобок». Это устройство было изобретено достаточно давно — еще в 1970 х п. Самые первые серийные мыши выпуска за корпорация Xerox (рис. 5.37). Этот манипулятор наилучшим обра зом подходит для запуска программ в рамках оконных графических интерфейсов, указания Рис. 5.37. Принцип функционирования оптомеханической (о) и оптической (б) мыши
498 Глава 5. Периферийные устрош тва позиции объектов на экране, несколько хуже — для рисования. Практически невозможно (если не брать в расчет специальные программы-эмуляторы клавиатуры) с помощью мыши вводить текстовые данные. Функциональное назначение клавиш (у большинства мышей их — две, а в некоторых более трех) различно и зависит от выпол- няемого приложения. Функции клавиш можно переопределять. Качество мыши определяется ее ра ^решением, которое измеря- ется числом точек на дюйм (тнд, или dpi — Dot Per Inch). Напри- мер, если мышь имее г разрешение 900 тнд, тс при се передвижении вправо на 1 дюйм привод мыши получае. через микроконтроллер информацию о смещении на 900 единиц вправо. Нормальное раз- решение мыши лежит в диапазоне оз 200 до 900 тнд. По типу устройств и способу функционирования мыши раз- деляются на механические, оптико-механические, оптические. Механическая мышь. В этом случае движение фикси- руется механически и связано с перемещением частей устройст- ва (у оптических мышей движение определяется оптически). Внутри корпуса располагается тяжелый обрезиненный металл и - ческий шарик, который при перемещении мыши по поверхнэ- сти стола перекатывается внутри корпуса Два ролика, соприка- сающиеся с этим шариком, монтируются под углом 90” относи телыю друг друга и также вращаются вокруг своих осей Фактически ролики преобразую' произвольное движение шарика в движение в двух взаимно перпендикулярных направле- ниях (А и К). Электронная схема, размешенная внутри корпуса, преобразует вращения роликов в электрические импульсы, пере - даваемые в ПК с помощью кабеля («хвоста» мыши) Кооме того, указанная электронная схема соответствующим обратом реаги- рует на нажатие кнопок мыши. Такие мыши не очень долговеч- ны и тяжелее перемещаются, по лому на сегодняшний момент их выпуск прекращен. Оптико-механическая мышь. Манипулятор конст- рукт ивно напоминает первый тип, но движение шарика о еде - живаегся посредством двух валиков с прорезями t гори зонталь- ного и верт икального) и двух оптических пар «светодиод— фото диол» (рис. 5.37. а). В результате на от ической паре создаются импульсы, котооые конвертир] ются в числовые величины, обо- значающие степень относительного перемещения мыши по го- ни тотальной и вертикальной осям. Эти величины вместе с со- стоянием кнопок мыши I нажата/отжата) передаются в ПК.
5.5. Интерактивные устройства 499 Оптическая мышь. Внутри корпуса находятся две пары светодиодов и фотоэлементов (фотоэлементные пары) Один светодиод обычно излучает красный свет, а другой — инфра- красный (рис. 5.37, б). Фотоэлемент улавливает свет определен- ной частоты (один — красный свет, а другой — инфракрасный). Светодиоды монтируются под углом к фотоэлементу. Для рабо- ты с этой мышью применяется специальный коврик. Он имеет серебристый цвет и покрывается тонкой сеткой, состоящей из цветных горизонтальных (синего цвета) и вертикальных (серого цвета) линий. Koi да мышь устанавливается между линиями сез ки. блестя- щая поверхность коврика отражает красные и инфракрасные лучи из све годиодов При перемещении мыши по коврию фото- элемент ы поочередно оонаруживают соответствующие им источ- ники света, и сигналы фотоэлементов представляют движение в направлении осей X или К Эти сигналы передаются в ПК. где драйвером преобразуются для управления движением курсора на экране. «Бесхвостые» (инфракрасные) мыши для перепа- яй сигналов используют приемник инфракрасного излучения, который кабелем соединяется с ПК и располагается или на ПК. или устанавливается где-то рядом (при этом нельзя загоражи- вать излучатель такой мыши посторонними предметами). Пое имуществом является свободное передвижение мыши. Альтер- нативой является передача информации от мыши посредством радиосигнала. Джойстик. В области компьютерных игр широко использу- ются в качестве устройства ввода джойстики (от ан1 л. joy stick — весе тая палочка), как цифровые, так и аналоговые. Эго стер- жень-ручка, применяемая для летных имитаторов или для иг р в которых анимированные объекты должны точно позициониро- ваться путем изменения положения ручки (влево, вправо, вверх, вниз, направо или налево вполоборота, наискосок вниз или вверх), и может иметься кнопка со статусом «огонь*. Первые че тыре перечисленные в скобках положения ручки реализованы в 1 [ифровых джойстиках, а все в совокупност и — в аналоговых В некоторых моделях в джойстик монтируется датчик давле- ния — чем сильнее пользователь нажимает на ручку, тем быст рее движется курсор по экрану дисплея. Трекбол (1 rackb ill). Трекбол представляет собой небольшую коробку с шариком, встроенным в в, рхнюю часть корпуса.
500 Глава 5. Периферийные устройства Пользователь рукой вращает шарик и соответственно перемеща- ет курсор. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера и может быть встроен в корпус машины (см. табл. 5.10). В большинстве случаев в Trackball уста- новлен шарик гораздо большего размера, чем в стандартной мыши. С точки зрения дизайна Trackball идентичен мыши по ба- зовым функциям и электрическим схемам, но отличается ориен- тацией и размером шарика. Известно, что подобный манипуля- тор использовался в советских зенитно-ракегных комплексах «Байкал», правда, диаметр шарика этого «трекбола» был около 8 см IBM производит устройство, называемое Tracpoint, которое может использоваться и как мышь (шариком вниз), и как Trackball (шариком вверх). На сегодняшний момент такие манипуляторы практически не используются и даже из традиционных для них портативных компьютеров их практически вытеснили манипуляторы на осно- ве сенсорных панелей Touch Pad (в них управление курсором идет за счет перемещения пальца по панели). Мониторы и сенсорные экраны Под видеосистемой понимается комбинация дисплея и адап- тера Монитор (дисплей) компьютера IBM ПК предназна- чен Д1я вывода на экран текстовой и графической информации. Адаптер управляет дисплеем с платы в одном из разъемов рас- ширения (в некоторых компьютерах адаптер находится на сис- темной плате). Мониторы могут быть цветными или монохромны- ми, и работают в одном из дв} х режимов — текстовом или гра- фическом. Мониторы на основе ЭЛТ в настоящее время являются наиболее распространенными, однако они обладают рядом не- достатков: значительные масса, габариты и энергопотребление; наличие тепловыделения и излучения, потенциально вредного для здоровья человека. В связи с этим на смену ЭЛТ-мониторам приходят плоскопанельные мониторы жидкокристал- лические — ЖК мониторы, плазменные, электролюминесцент- ные, мониторы электростатической эмиссии, органические све- тодиодные мониторы. Мониторы на основе ЭЛТ. Принцип действия мониторов на основе ЭЛТ (рис. 5.38, а) заключается в том, что испускаемый
5.5. Интерактивные устройства 501 Рис. 5.38. Общий вид (а) и схематическое устройство (б) ЭЛТ терм жала б элекгронной пушкой пучок элекгронов попадает сквозь метал- лическую маску или решет ку на внутреннюю поверхность стек- лянного экрана монитора, которая покрыт а разноцвет ными лю- минофорными точками. Здесь энер] ия электронов преобразуется в свет, т. е. поток электронов заставляет точки люминофора све- тит ься. Эти светящиеся точки люминофора формируют изобоа жение на мониторе (рис. 5.38, б). В качестве люминофоров для цвет ных ЭЛТ ис.топьзуются до- вольно сложные составы на основе редкоземельных металлов — иттрия, эрбия и др. Как правило, в цветном ЭЛТ-мониторе используется три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах На пути пучка элекгронов обычно на- ходятся дополнительные электроды, модулятор, рейдирующий интенсивность пучка элекгронов и связан ную с ней яркост ь изо - бражения: фокусирующий электрод, определяющий размер све тового пятна, а также размещенные на основании ЭЛТ катушки отклоняющей системы лля изменения направления пучка. Фор- мирование растра в мониторе производится с помогши) спепи-ч альных сигналов, поступающих на отклоняющую систему. Пол действием этих сигналов производится сканирование луча по поверхности экрана по зщзагообразной траектории от левою веохнего угла до правого нижнего (рис. 5.39. а). Ход туча по горизонтали осуществляется сигналом строчной (горизонтальной) развертки, а по вертикали — кадровой (верти- кальной) развертки. Перевод луча из крайней правой точки строки в крайнюю левую точку следующей строки (обратный ход луча по горизонтали) и из крайней правой позиции послед- ней строки экрана в крайнюю левую позицию первой строки
502 Глава 5. Периферийные устройства Ри<. 5.39. Ход электронного пучка по экрану (а); оиычные пиксельные триады (б); усовершенствованные триады (Hitachi. 1997 г.) (в) (обратный ход луча по вертикали) происходит путем управления специальными сигналами обратного хода. Такие монитопы на- зываются растровыми. Электронный луч в этом случае периоди- чески сканируе г экран, образуя на нем близко расположенные строки развертки. По мере движения туча по строкам видеосиг- нал. подаваемый на модулятор, изменяет яркость светово] о ns т - на и образует видимое на экране изображение. В отличие от телевизора, ые видеоси! нал, управляющий яр- костью электронного пучка, является аналоговым, в мониторах ПК используется как аналоговый, так и цифровой видеосигнал. В связи с этим мониторы для ПК принято разделять на аналого- вые и цифровые Первыми устройствами отображения информа- ции ПК были цифровые мониторы Цветоделительные маски. Лая того чтобы каждая пушка на- прчвля та поток электронов только на пятна гюминофора соот -
5.5. Интерактивные устройства 503 ветствующего цвета, в каждом цветном кинескопе имеется спе- циальная цветоделительная маска. Конструктивно цветодели- тельная маска представляет собой металлическую пластину из специального сплава — инвара (сплава железа с никелем) с сис- темой отверстий, соответствующих точкам люминофора, нане- сенным на внутреннюю поверхность кинескопа. Отверстия обес- печивают изоляцию люминофора от «чужого» пучка, выступая в роли своеобразных «коридоров» для потоков электронов. В зависимости от расположения электронных пушек и кон- струкции цветоделительной маски различают ЭЛТ четырех ти- пов, используемых в современных мониторах: ЭЛТ с теневой маской (Shadow mask) — наиболее распростра- нены в большинстве мониторов, производимых LG, Samsung, Viewsonic. Hitachi, Behnea, Panasonic, Daewoo. Nokia (рис. 5.39, 6, рис. 5 40. a). ЭЛТ с улучшенной теневой маской (FDP — Enhanced Dot Pitch). Для увеличения коэффициента пропускания фирма Hitachi разработала маску с овальными отверстиями, расположенными Теневая маска Рис. 5 40. Различные типы ЭЛТ а — теневая маска, б — щелевая маска, в — апертурная решетка
504 Глава 5. Периферийные устройства на уменьшенном расстоянии друг от друга по i оризонтали (рис. 5.39, в): ЭЛ Г с щелевой маской (Slot mask), в которой люминофорные элемен гы расположены в вертикальных ячейках, а маска сделана из вертикальных линий. Вертикальные полосы разделены на ячейки, которые содержат группы из трех люминофооных эле- ментов основных цветов. Применяется этот тип маски фирмами NEC и Panasonic (рис. 5.40, б); ЭЛТ с апертурной решеткой из вертикальных линий / Aperture grill). Вместо 1 очек с люминофорными элементами трех основ- ных цветов апертурная решетка содержит серию нитей, состоя- щих из люминофорных элементов, выстроенных в виде верти- кальных полос грех основных цветов. По этой технологии про- изводятся трубки Sony и Mitsubishi (рис. 5 40, ₽). Апертурная решетка образована системой щелей, выполняющих ту же функ- цию, что и о гверстия в теневой маске. Фактически все маски являются теневыми, но исторически ото название закрепилось именно за маской г круглыми отвер- стиями. Поверхность экрана монитора с теневой маской обычно выпуклая; в противном случае электронный т'чок будет иметь большую толщину на краях экрана, чем в центре, что неприемле- мо. Мониторы на основе теневой маски достаточно технологич- ны, не слишком дороги и обеспечивают хорошую детализацию экранного изображения. К их недостаткам следует отнести посте- пенную деформацию маски под воздействием электронного пуи- ка, что приводит к смещению цветов, малый коэффицие нт про пускания электронов через маску (около 25 %), плохое совмеще- ние лучей при большом угле отклонения, т. е. по краям экрана Оба типа трубок (с теневой маской и апертурной решеткой) имеют свои преимущества и области применения. В ЭПТ с апертурной решет кой сроднее pacci ояние мс аду по- лосами называется strip pitch (или шагом полосы) и измеряется в миллиметрах (мм) Чем меньше значение strip pitch, тем выше качество изображения на мониторе Нельзя сравнивать размер шага для грубок разных типов: шат точек (или триал) трубки с теневой маской измеряется по диагонали, в то время как шаг апертурной решетки, иначе называемый горизонтатьным шаюм точек, — по горизонтали Поэтому при одинаковом шаге точек трубка с теневой маской имеет большую плотност ь точек, чем трубка с апертурной решеткой. Для примера. 0.25 мм шага поло- сы приблизительно эквивалентны 0.27 мм шага точки.
5.5. Интерактивные устройства 505 Плоскопанельные мониторы В табл 5.11 приведены сравнительные типоразмеры плоско- панельных и ЭЛТ-мониторов Таблица 5.11. Размеры и разрешение различных типов мониторов Crystal Display!. ЖКД составляют основную долю рынка плоско- панельных мониторов с экраном размером 13—17”. Основным элементом ЖК-монитора является ЖК-экран, со- стоящий из двух панелей, выполненных из стекла, между кото- рыми размещен слой вещества, которое находится в жидком со- стоянии. но при этом обладает некоторыми свойствами, прису- щими кристаллическим телам. Экран ЖК-монитора представляет собой массив отдельных ячеек (пикселей), оптические свойства которых могут меняться при отображении информации (рис. 5 41). Панели ЖК-монито ра имеют несколько слоев, среди которых ключевую роль играют два слоя, выполненные из свободного от натрия и очень чистого стекла, между которыми расположен тонкий слой жидких кри- сталлов На панели нанесены параллельные бороздки, вдоль ко- торых ориентируются кристаллы (выравнивающий слой). Бо роздки на подложках перпендикулярны между собой Техноло- гия получения бороздок состоит в нанесении на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика Соприка саясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентиру- ются одинаково во всех ячейках. Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристалличе- ские панели используют отражение или прохождение света) В качестве источников света используются специальные элек- тролюминесцентные лампы с холодным катодом, характеризую-
506 Глава 5. Периферийные устройства Рис 5 41 Принцип работы (а) и конструкция (б) ЖКД щиеся низким энергопотреблением. Молекулы одной из разно- видностей жидких кристаллов в отсутствие напряжения на под- ложках поворачивают векгор элекгрической напряженности электромагнитного поля в световой волне, проходящей через ячейку, на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок позволяет обеспе- чить одинаковые углы поворота для всех ячеек. Фактически ка- ждая ЖК-ячсйка представляет собой электронно-управляемый светофильтр, принцип действия которого основан на эффекте поляризации световой волны.
5.5- Интерактивные устройства 50” Чтобы поворот плоскости поляризации светового лума был заметен для глаза, на стеклянные панели дополнительно наносят два слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры выполняют функции поляризатора и анализатора. При ототсгвии напряжения между подложками ячейка ЖК монитора прозрачна, поскольку вследствие перпендикулярною расположения бороздок на подложках и соответствующему за- кручиванию опт ических осей жидких кристаллов вектор поляри- зации света поворачивается и проходит без изменения через сис- тему «поляри затор—анализатор» Если приложить между подложками напряжения 3—10 В. молекулы жидкокристаллического вещества расположатся па- раллельно силовым линиям поля. ' Твистированная структура» жидкокристаллического вещества нарушается, и поворста плос- кости поляризации проходящего через него света не происходит. В результат е плоскость поляризации света не совпадает с плос- костью поляризации анализатора, и ЖК ячейка оказывается не- прозрачной. Напряжение, приложенное к каждой ЖК ячейке, формируется видеокартой ПК. Для вывода цветного изображения выполняется подсвет ка мо- нитора сзади так, чтобы свет порождался в задней части ЖК-дис- плея. Цвет формируется в результаге объединения ЖК-ячеек в триады, каждая из которых снабжается светофильтром, пропус- кающим один из трех основных цветов. Технология, при которой закручивание молекул состав тя- ет 90', называется .вистированной нематической (TN — Tvisted Nematic)'. Следующим этапом на пути совершенствования ЖК мони- торов было увеличение узла закручивания молекул ЖК вещест- ва с 90 до 270" с помошью STN технологии (STN — Super Twisted Nematic). Использование двух ячеек, одновременно по- ворачивающих плоскость поляризации в противоположных на- правлениях. согласно DSTN-технологии (DSTN — Dual Super Twisted Nematic), позволило значитепьно улучшить характеры ст и- ки ЖК мониторов. Для повышения быстродействия ЖК-ячеек используется тех- нология двойного сканирования /DSS — Dual Scrams), кота весь ЖК жраз1 ря збиваетоя на четные и нечетные строки, обновление 1 Это «наукообразное» выражение в прямом переводе звучит не гак благозвучно, а именно — «скрученные червробря шые».
508 Глава 5. Периферийные устройства которых выполняется одновременно Двойное сканирование со- вместно с использованием более подвижных молекул позволило снизить время реакции ЖК ячейки с 500 мс (у ЖК-мониторов реализующих технологию TN — Twisted Nematic) до 1—50 мс и значительно повысить частоту обновления экрана. Рассмотрим далее ряд других типов плоскопанельных дис- плеев. Плазменные дисплеи (Plasma Display Panel — PDF). Панель монитора состоит из двух стеклянных пласт ин, пространство ме- жду которыми заполнено инертным гаюм. например аргоном или неоном. На стеклянную поверхность нанесены миниатюр- ные прозрачные электроды, к которым прилагается высокочас- тотное напряжение (рис. 5.42). Под действием этого напряжения в прилегающей к электроду газовой области возникает электри- ческий разряд. Рис. 5-42. Конструкция плазменного монитора Плазма газового разряда излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне, который вызывает свечение частиц люминофора в диапазоне, видимом человеком. Фактически, каждый пиксель на экране работает как обычная лампа дневного света. Высокая яр- кость и контрастность наряду с отсутствием дрожания являются важнейшими преимуществами таких мониторов. Кроме того, угол по отношению к нормали, под которым можно увидеть изо- бражение на плазменных мониторах, существенно больше, чему ЖК-мониторов.
5.5. Интерактивные устройства 509 Основными недостатками такого типа мониторов является достаточно высокая потребляемая мощность, возрастающая при увеличении диагонали монитора, и низкая разрешающая спо- собность (не более 1024 х 768), ооусловлекная большим разме- ром элемента изображения. Плазменные панели гораздо чаще используются как экраны для коллективного просмотра изображения с одного и того же компьютера, чем как дисплей для персональной ЭВМ, а также для конференций, презентаций, информационных щитов, т. е там, где требуются большие размеры экранов для отображения информации. Мониторы электростатической эмиссии (Field Emission Displays — FED) являются сочетанием традиционной технологии, основанной на использовании ЭЛТ, и жидкокристаллической. Мониторы FFD основаны на процессе, который несколько по- хож на тот, что применяется в ЭЛТ-мониторах, так как в обоих методах применяется люминофор, светящийся пол воздействием электронного луча (рис. 5.43). В качестве пикселей выступают такие же зерна люминофора, как и в ЭЛТ-мониторе, что позволяет получить чистые и насы- щенные цвета, свойственные ЭЛТ-мониторам Однако активиза- ция этих зерен производится не электронным лучом, а электрон- ными ключами, подобными тем, что используются в ЖК-мони- торах, построенных по TFT технологии Пластина анода Прокладка Ди электоическая прокладка Люминофор Микроэми) теры Шина катода (адрес строки) Рис. 5 43 Шина Пластина катода отверстия (столбцы) Принцип элек. простатической эмиссии Шина анода (адрес столбца)
510 Глава 5. Периферийные уч тройства Управление этими ключами осуществляется специальной схемой, принцип действия которой аналогичен принципу дейст- вия контроллера ЖК-монитора. Для функционирования мони- тора электростатической эмиссии необходимо высокое напряже- ние — около 5000 В. Энергопотребление мониторов электроста- тической эмиссии значительно выше, чем ЖК-мониторов, но на 30 % ниже, чем энергопотребление ЭЛ Г-монит оров с экраном того же размера. Данная технология обеспечивает наилучшее ка- чество изображения среди всех плоскопанельных мониторов и самую низкую инерционность (около 5 мкс). Технология тонких ЭЛТ. Тонкая электронно-лучевая трубка («ThinCRT», ТЭЛТ), предложена Candescent Technologies как ва- риант монитора электростатической эмиссии, работающего по принципу обычной ЭЛТ (рис. 5.44. а). Здесь элекгронная пушка, система управления отклонением луча и теневая маска заменя- ются перфорированным листом проводника, излучаюшим элек- троны при подведении напряжения. ТЭЛГ имеет толщину 3,5 мм и состоит из двух стеклянных пластин, разделенных вакуумным промежутком в 1 мм Для сопротивления внешнему давлению внутри находятся тонкие (0,05 мм) распорки. Технология назы- вается «холодный катод», поскольку испускание электронов про- исходит при комнатной температуре. Органические светодиодные мониторы (Organic Light-Emitting Diode displays — OLEDs), или LEP мониторы (Light Emission Plas- tics — светоизлучающий пластик), по своей техноло! ии похожи Рис 5.14. Гонкая ЭЛТ (а); принцип работы LEP мониторов (б)
5.5. Интерактивные устройства 511 на ЖК- и ELD мониторы, но различаются материалом, из кото- рого изготовлен экран: в LEP-мониторах используется специаль- ный органический полимер (пластик), обладающий полупровод- никовыми свойствами. При пропускании электрического тока такой материал начинает светиться (рис. 5.44, б). Данная технология аналогична светодиодной, но если там свет излучается обычными полупроводниковыми материалами, то здесь используется двухслойный полимер — полупроводнико- вый полимер poly-phenylene vinylene (PPV) и эмиссионный слой циано-замещенного производного от PPV (CN-PPV) для получе- ния того же эффекта. Сенсорные экраны (СЭ) СЭ — устройство ввода, срабатывающее при прикосновении пальца или ручки, пера, карандаша (в дальнейшем — стило) к определенному участку экрана монитора (рис. 5.45). Защитное_____/ покрытие Разделитель Проводящий слой CRT Резистивный слой |____Стекло- | панель Рис 5.45. Различные модели сенсорных экранов: а — резистивный; б — инфракрасный; в — поверхностная акустическая волна Встроенные СЭ являются неотъемлемой частью монитора, находятся непосредственно в составе катодной трубки. Съемные или дополнительные — представляют собой некоторую конст- рукцию (обычно рамку), закрепляемую на стекле экрана дисплея Любая система СЭ включает следующие три основных ком- понента • собственно СЭ или панель датчика, которая находится на дисплее и генерирует соответствующие сигналы, указываю- щие точно, какой участок затронут,
512 Глава 5. Периферийные устройства • контроллер СЭ. который обрабатывает сигналы, получен- ные от датчика и транслирует их в сенсорные данные, ко- торые передают на процессор ПК, обычно через интерфейс USB или последовательный порт; • программный т рай вер СЭ, который обеспечивает интер- фейс с операционной системой ПК и обрабатывае г сенсор- ные данные наподобие события нажатия кнопки мыши, по существу давая возможность панели датчика «подражать» мыши. Рассмотрим основные принципы реализации СЭ. Резистивный. Это наиболее распространенная технология: резистивные СЭ реагируют на давление пальца, ногтя или стило. Они обычно включают стеклянную или акриловую поверхность, которая покрыта слоями с малым (проводящий) и высоким I ре зистивный, низкопроводяший) удельными сопротивлениями. Слои отделены невидимыми точками ра тделителя. Хотя про- зрачность экрана ниже, чем для других техно, югий, они долго- вечнее. В отсутствие касания точки разделителя прегятствх ют проводящему слою вступать в контакт с ре шетивным слоем, и электрический ток постоянно течет через проводящий слой. При нажатии на экран слои соприкасаются, и электрическое поле искажается. Это изменение обнаруживается контроллером СЭ, который интерпретирует его как вертикальную и юризонталь- ную координаты на жране (А, У) и регистрирует соответствую- щее сенсорное воздействие. Инфракрасный. Инфракрасные СЭ используют прерывание светового лума. Вместо того чтобы помещать чувствительные слои в экран, его окружают рамкой, которая содержит источни- ки освещения (светоизлучающие диоды) на одной стороне, и фотодатчики — на проз ивоположной, в ргзульта те чего создаст- ся сетка лучей у поверхности экрана Когда любой объект каса- ется экрана, инфракрасный луч прерывается вызывая снижение уровня сигналов, получаемых фотодатчик ами чт о по «во пяет ле< - ко определить координаты точки прикосновения Инфракрас- ные сенсорные системы базируются на технологии твердого тепа и не имеют никаких двигающихся механических частей, не со- держат физических датчиков, которые могут повреждаться или изнашиваться со временем. Они также менее уязвимы к ванда- лизму и чрезвычайно устойчивы к ударам и вибрации Поверхностные звуковые волны. Технология поверхнос.ных акустических волн (Surface Acoustic Wave — SAW) — один из
5.5. Интерактивные устройства 513 наиболее прогрессивных типов СЭ Имеется определенное сход- ство с инфракрасным интерфейсом за исключением того, что вдоль поверхности экрана излучаются звуковые волны, а нс лучи света. Два фронта звуковых волн, один выходящий от излучате- лей, расположенных слева от экрана, а другой — сверху, дви1 а- ются по поверхности экрана. Волны непрерывно отражаются от противоположных сторон экрана и воздействуют на датчики Когда палец касается экрана, волны поглощаются и их ха- рактеристики (частота и интенсивность) изменяются. Эти изме- нения позволяют определять координаты (А', К) точки контакта. В отличие от других технологий, здесь также может быть рассчи- тана ось Z (глубина или усилие) сенсорного воздействия, по- скольку в зависимости от силы воздействия площадь соприкос- новения пальца с поверхностью изменяется, позволяя оценить это усилие. Емкостные СЭ. Емкостные СЭ состоят из стеклянной панели с «емкостным» материалом (задерживающим поверхностный электрический заряд), покрывающим ее поверхность. В отличие от резистивных СЭ, где инструментом воздействия может быть любой предмет, в данном случае воздействие должно произво- диться электропроводящим объектом (палец или металлическое стило). Когда экрана касается подобный предмет, возникает по- верхностный электроток между углами экрана и точкой контакта. Это заставляет схемы генератора, расположенные в углах экрана, изменять частоту сигнала в зависимости от того, где находится точка касания. Результирующие изменения частоты измеряются, чтобы определить координаты (А', У) сенсорного воздействия. Основные характеристики перечисленных технологий СЭ приводятся в табл. 5.12. Таблица 5.12. Характеристики технологий СЭ Характеристики 1ип Резистивный Инфракрасный Поверхностная звуковая волна Емкостной Разрешение Высокое Высокое Average Высокое 11 Прозрачность Средняя Высокая Высокая Высокая 1 Воздействие Палец или стило Палец или стило Палец или стило с мя1 - ким наконечником Только палеи Долговечность Может быть поврежден острым предметом В * кая Чувствителен к загряз- нениям Высокая
514 Главе 5. Периферийные устройства 5.6. Средства мультимедиа Видеосистема компьютера Видеоадаптер является неотъемлемой частью видеосис- темы. Поскольку распространенность мультимедиа и трехмерной графики увеличивается, роль графических карт становится все более важной, и они превращают ся в высокоэффективный инст- румент обработки данных, который может рассматриваться как специализированный сопроцессор. Разрешение. Существует ряд видеостандартов, различа ющих- ся по степеням разрешения (табл. 5.13). Таблица 5.13 Характеристики видеостандартов Дата Стандарт Описание Разрешение Число цветов 1981 CGA Colour Graphics Adapter 640x200 160 x 200 Hei До 16 1984 EGA Enhanced Graphics Adapter 640:: 350 О 10 до 64 1987 VGA Video Graphics Arw 640x480 320 x 200 Oi 16 до 262 144 256 SVGA SuperVGA 800 x 600 15,7 м."н 1 1990 XGA Ex ended Graphics Array 1021x768 16,7 м. н SXGA Super Extended Graphics Array 280 x ’024 16,7 млн UXGA Ulta XGA 1600 x 1200 16.7 млн Недостатки широко распространенного адаптера VGA приве- ли к необходимости стандарта тировать видеопротоколы, что и было сделано Ассоциацией видеостандартов (Video Electronics Standa1 ds Acsociation - VESA) Этим консорциумом изготовит e пей вилеоа гаптеров и мониторов было предложено семейство видео- стандартов, которые были обратно совместимы с VGA, но пре t- лагали большее разрешение и лучшую цветность. Данные стан- дарты (до появления семейства стандарт ов XGA) стали известны как VESA VGA BIOS Extensions (или Super VGA — SVGA' Как правило. SVGA поддерживает палитру до 16,7 млн цве- тов. хотя оюъем видеопамя ги в кон кпетном компьютере может О1раничить фактическое число отображаемых цветов. Специфи- кации разрешения изображения изменяются' чем больше циэ1 о-
515 5.6. Средства мультимедиа нальный размер экрана монитора SVGA, тем больше пикселей он может показать по горизонтали и вертикали Маленькие монито- ры SVGA (диагональ 14") обычно дают разрешение 800 х 600, а наибольшие (диагональ 20" и более) могут показать 1280 х 1024 или даже 1600 х 1200 пикселей (рис. 5.46). Рис. 5.46. Разрешение и размеры мониторов XGA был развит IBM и первоначально использовался, чтобы описат ь графические адаптеры, разработанные для использования в ра гьемах шины MCA, а впоследствии стал стандартом для карт и дисплеев, способных к разрешению до 1024 х 768 пикселей. SXGA (стандарт VESA) используется, чтобы описать следую- щий размер экрана 1280 х 1024. SXGA отличается отношением сторон — 5 : 4, в то время как VGA, SVGA, XGA и UXGA тради- ционно поддерживают 4 : 3. Цветовая глубина. Каждый пиксель изображения на экране создается, используя комбинацию трех различных цветовых сиг- налов Точное состояние каждого пикселя управляется интен- сивностью этих цветов и количеством информации, которая со- хранена о пикселе и определяет его цветовую глубину. Чем боль- ше битов используются в описании пикселя («битовая глубина»), тем более точны цветовые детали изображения Табл. 5.14 харак- теризует цветовую глубину в различных режимах экрана. Режим 256 цветов использует 8 бит для каждого пикселя, обычно 2 бита для синего и по 3 би га для зеленого и красного цветов. Из-за его относительно низких требований к видеопамя- ти этот режим широко используется, особенно в ПК для дело- вых приложений.
516 Глава 5. Периферийные jcmp^ucmea Таблица 5.14. Характеристики цветовой пубины Цветовая глубина, бит Наименование Число цветов Число байт на пиксель 4х Стандарт VGA 16 0,5 8 Режим 256 цветов 2о6 1.0 16 High colour 65536 2,0 24 True colour 16.тмлн 3'° .. —J Режим High colour использует по 2 байта информации на пиксель, занимая 5 битов для синего, 5 для красного и 6 для зе - ясного цветов. В результате достигаются 32 уровня интенсивно- сти для синего и красного и 64 уровня для зеленого цветов при небольшой потере качества видимого изображения, но более низких требованиях к видеопамяти и большем быс гродейс гвии. Наконец. True colour использует 256 оттенков каждого и з иве тов — 8 бит для каждого из трех, следовательно, всего 24 бита. Од нако некоторые графические карты фактически требуют 32 бита для каждого пикселя. Компоненты графических карт. Современная гоафическая карта ПК включает четыре ыавные компоненты (рис. 5.47): • графический процессор; • видеопамять. видеопроцессор Рис 5.47. Схема графической карты (адаптера)
5.6. Средства мультимедиа 517 • npoi раммируемый цифроаналоговый преобразователь (ПЦАП, или random access memory digital-to-analogue converter — RAMDAC); • npoi раммное обеспечение драйвера. Прежде чем стать изображением на мониторе, двоичные циф- ровые данные обрабатываются центральным процессором и про- ходят к монитору в четыре этапа: • из шины на видсосхему, где она обрабатывается (цифровая информация); • из видеосхемы в видеопамять, в которой будет храниться отображение экрана (цифровая информация); • из видеопамяти в ПЦАП; при этом образ экрана преобразу ется в форму, доступную монитору (цифровая информация): • из цифроаналогового преобразователя в монитор (аналого- вая информация). Как можно видеть, каждый этап, исключая передачу из ПЦАП в монитор, является узким местом, влияющим на произ- водительность графической системы в целом. Общее быстродей- ствие определяется скоростью самого медленного звена. Цифровые карты. Когда впервые появились плоскопанель- ные мониторы (ЖКД). они соединялись с графической картой через разъем VGA (см табл. 5 15) При этом графическая карта сначала преобразовывала сигнал в аналоговую форму посредст- вом ПЦАП. Так как ЖКД, в отличие от мониторов на ЭЛТ. имеет цифровую природу, аналоговый сигнал должен был затем немедленно преобразован в цифровую форму вну гренней схемой ЖКД, которая увеличивала стоимость устройства, влияла на ка- чество изображения (особенно в области цветопередачи). Появление на рынке все большего количества ЖКД к концу 1990-х гг. стало оказывать давление на изготовителей графиче- ских адаптеров, вынуждая их производить изделия, обеспечи- вающие новые интерфейсы — только цифровой, совме- щенный цифровой и аналоговый или аналого- вый с цифровыми добавлениями Однако разно!ласия относительно необходимых стандартов угрожали задержать этот прогресс. Кроме того, повсеместный переход на цифровые технологии дошел и до аналоговых видеомониторов Традиционный анало- говый канал передачи видеосигналов стал узким местом видео- системы. По пути от ЦАП к входам видеоусилителей монитора сигнал проходит через пару разъемов и кабель. Несогласован-
518 Глава 5. Периферийные устройства ность элемент ов, вызывающая отражения сигналов («звон»), и неравномерности частотных характеристик приводят к искаже- нию формы цветовых сигналов, что становится особо заметным на режимах с высоким разрешением и высокой частотой регене- рации. Повысить качество изображения можно, перенеся мик- росхемы ЦАП в монит ор, прямо на плату видеоусилителей и по- давая па них цифровые сигналы базисных цветов. Для решения перечисленных проблем i руппа DDWG (Digital Display Working Group — рабочая группа по цифровы м диспле- ям), в которую входит большое число ведущих фирм, разработа- ла спецификацию цифрового видеоинтерфейса DV1 ^Digital X ideo Interface). Интеофеис DVI предназначен для подключения дисплеев любого типа (ЭЛТ и матричных) к компьютеру, причем возмож- ны два варианта коннекторов и интерфейса: чисто цифровой и цифровой с традиционными аналоговыми сигналами. Во втором случае к разъему DVI через пассивный переходник может быть подключен монитор с обычным аналоговым VGA-интерфейсом (рис. 5.48, 5.49). Спецификация DVI предполагает, что во зможнос гь 1 юредэчи данных в течение всего периода кадра может появиться и у циф- ровых дисплеев, построенных на обычных ЭЛТ за счет внутрен- ней буферизации. При наличии буферизации экрана в дисплее можно пойт и и 1альше — вместо непрерывной регенерации эк- рана, которой загружены традиционные видеоадаптеры, переда- вать данные только при изменениях изображения, но это пока тишь возможная перспектива. Интерфейсы мониторов. Выше уже упоминалось о различ- ных способах подачи видеосигналов на монитор, здесь же этот вопрос будет рассмотрен подробнее. Разъем VGA Разъем DVI Рис. 5 48. Структура кар^ы с интерфейсом I Обычный ЭЛТ- мони гор Мпнитоп ЛСД
5.6. Средства мультимедиа 519 Рис- 5-49- Соединител!ныс разъемы видеооборудования (мониторов и мулыи- медиапроекторов): а — коннекторы типа BNC, б — разъем VGA D-Sub. 15 контактов, в — компо нентный RCA; г — 4 pin Mini DIN. д — 2 RCA. е — композитный RCA; ж — Molex DVI-D 24 контакта, з — Molex DV1-1, 29 контактоз RGB/VGA. Для того чтобы передать изображение на ЭЛТ-монитор, необходимы сигналы интенсивности для каждого из трех основных цветов — RGB. а также си1налы для управле- ния ходом электронного луча — так называемые сигналы син- хронизации горизонтальной (Н) и вертикальной (V) разверток. В итоге необходимо пять сигнальных пиний R—G—В—Н—V. Как правило, определенному интерфейсу соответствует опреде- ленный набор разъемов Для передачи си1 налов RGB использу- ют пять коннекторов типа BNC (рис 5.49, а). В интерфейс VGA, помимо сигналов RGB и синхронизации, добавляются еще си1 - налы передачи информации между монитором и видеоадаптером (DD( ). В качестве разъема используется HD D-Sub 15 pin (ино- гда его называют mini D Sub 15 pin) с 15 контактами, как это следует из его названия (рис. ‘'.49, б, табл. 5.15). Компонентное видео. При работе с видеоматериалом используется другая схема пере,гачи сигнала — набор сигнала яркости (Yi и двух цветоразнос гных сигналов (U и V). Y = 0.299R 10.587G + 0,114В:
520 Глава 5 Периферийные устройства Таблица 5.15. Ратьем VGA Контакт Г“ Видеоадаптер MCGA/VGA/SVGA/XGA Монитор Монохромный Цветной 1 Red - Red 2 Green Video Green 3 Blue Blue 4 Id2 —* - 5 GND / DDCReturn SelfTest / DDC Return SelfTes* / DDCReturn 6 Red Return Key Red Return 7 Green Return Video Return Green Return 8 Blue Return - Blue Return 9 Нет контакта - - 10 G\D GND GND 11 Idd - GND 12 Idl/SDA -/SDA GND/SDA 13 h.Sync / (H +V)Sync h.Sync / (H + VISync h.Sync / (H + VJSync 14 V.Sync VSync VSync 15 SCL SCL SCL U = R - Y; V В- V Нетрудно заметить, что, имея в наличии цветоразностные сигналы YUV, легко получить соответствующие исходные сигна- лы. При использовании прогрессивной развертки цветоразност- ные сигналы обозначаются как РЬ и Рг Сигналы синхроимпуль- сов, как правило, передаются вместе с сигналом яркости В каче- стве коннекторов для компонентного сигнала обычно используют три разъема BNC и ли три RCA разъема («тюльпан*) — рис. 5 49, в. С помощью коаксиальных кабелей возможно удаление монито- ра от компьютера на расстояние до 10- 15м при хорошем и тобра- жении. S-Video. В интерфейсе S-Video (или Separate Videos ис- пользуются две сигнальные линии — сигнал яркости (Y) и сиг- нал цветности (С). Сит нал цветности содержит в себе два цвето- разностных сигнала, преобразованных в один сигнал с помощью одной из систем цветового кодирования (PAL или NTSC, или
5.6. Средства мультимедиа 521 SECAM). Синхроимпульсы передаются вместе с сигналом ярко- сти. Среди возможных реализаций разъемов интерфейса S-Vidco — 4-штырьковый Mini DIN (рис. 5.49, г), 2 BNC и 2 RCA (рис. 5.49, d). Композитное видео и DVI. Композитный видеосигнал (другое название CVBS) передается по одному сигнальному про- воду и содержит в себе следующие компоненты: си> нал яркост и, сигналы синхронизации и сигнал цветности (закодированные в один-два цветоразностных сигнала). Для подключения композит- ного видео, как правило, используется разъем RCA (рис. 5.49. е). Почти все современные видеоадаптеры персональных компьюте- ров оборудованы цифровым видеовыходом — интерфейсом DVI (Digital Visual Interface). В настоящее время распространены две модификации DV1, в которых применяются 24-штырьковые (рис. 5.49, ж) или 29-штырьковые (рис. 5.49, з) разъемы. В по- следней модификации дополнительные пять штырьков использу- ются для передачи сигнала RGB Интерфейс DV1 обеспечивает неискаженную передачу цифрового видеосигнала, так как переда- ется напрямую после создания «картинки» с видеокарты ПК или ноутбука на проектор без двойного цифроаналоговою преобразо- вания. которое происходит при использовании аналоговых ин- терфейсов S-Video или композитного видео. Цифровое видео Известны три формы кодирования сигнала телевидения: • система PAL (использует большинст во стран Европы); • SECAM (используют Франция. Россия и некоторые вос- точно-европейские страны). SECAM отличается от систе- мы PAL только в тонкостях, однако этого достаточно, что- бы они были несовместимыми; . NTSC (США и Япония). В системе PAL (Phase-Alternation Line, чередование строк) каждый законченный кадр заполняется построчно, сверху дони зу. В Европе используется переменный электрический ток с час- тотой 50 Гц, и система PAL с этим связана тем что здесь выпол- няется 50 проходов экрана каждую секунду. Требуется два про хода, чтобы отобразить полный кадр, так что частота кадров равна 25 кадров/с. Нечетные строки выводятся при первом про- ходе. четные — при втором. Этот метод известен как «чересст-
522 Глава 5. Периферийные устройства рочная развертка» (interlaced), в противоположность чему изо- бражение на компьютерном мониторе, создаваемое за один про- ход, называется «без чередования с грок» (progressive). Компьютеры, наоборот, имеют дело с информацией в циф- ровой форме, и чтобы хранить визуальную информацию в ней, аналоговый видеосигнал должен быть переведен в цифровой эк- вивалент с использованием аналого-цифрового преобразователя (АЦП или ADC). Процесс преобразования известен как осуще- ствление оцифровки, или видеозахват Так как цифровая 1 рафи- ческая информация является естественным компьютерным представлением, не требуется никакой другой специальной об- работки данных для воспроизведения цифрового видео на ком- пьютерном мониторе. Однако чтобы отобразить цифровое видео на обычном телевизоре, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП или DAC) должен преобразовать двоичную информацию обрат- но в аналоговый сигнал. Кроме этого, источником видеоинфор- мации в цифровой форме являются цифровые видеокамеры. Цифровые видеокамеры. Введение Sony в 1995 г. формата DV и последующее почти повсеместное принятие интерфейса IEEE 1394 сделали цифровую видеокамеру почти столь же обычным атрибутом ПЭВМ как мышь. Широкие массы фото-, кинолюби- телей получили доступ к технологии, которая позволила им соз- давать видеоматериал в цифровом формате, качество которого далеко превосходило возможности аналоговых средств, доступ- ных в то время (вроде Hi-8 и S-VHS), и превращать его в профес- сионально выглядящее домашнее кино на настольном ПК. Светочувствительная матрица (ПЗС) цифровой видеокамеры (обычно размером 1/4") собирает и обрабатывает свет , приходя- щий от объектива, и преобразовывает его в электрический сиг- нал. В то время как видеокамеры среднего качества оборудованы единственной ПЗС, модели более высокого уровня используют три. В этом случае объектив содержит призму, которая расщеп- ляет поступающий свет на три основных цвета, причем каждый поступает на отдельную матрицу. Результатом являются высоко- качественные цветопередача и качество изображения, заметно лучшие, чем для моделей с единственной ПЗС, хотя и по суще- ственной дополнительной стоимости. Видеозахват и редактирование. До появления процессора Pentium в 1993 г. даже самые мощные ПЭВМ были ограничены захватом изображений размером не больше, чем 160 к 120 пиксе- лей. Для графических карт, имеющих разрешение 640 х 480. изо-
5.6. Средства мультимедиа 523 бражение 160 х 120 заполняет только ‘/1й экрана. В результате эти дешевые карты видеозахвата вообще рассматривались как немного больше чем игрушки, неспособные к любому заслужи- вающему внимания реальному применению. Поворотный момент для цифровых видеосистем наступил, когда процессоры превзошли частоту 200 МГц. На этой скоро- сти ПЭВМ могли обрабатывать изображения размером до 320 х 240 без потребности в дорогих аппаратных средствах сжа- тия. Появление Pentium II и более мощных средств привело к исчезновению видеокарт захвата, которые не обеспечивали спо- собность обработки полного экрана. Оцифровка аналогового сигнала телевидения выполняется видеокартой захвата, которая преобразует каждый кадр в ряд би- товых образов, которые могут быть обработаны и отображены на ПК Для системы PAL каждый кадр представлен в виде 576 строк по 76S цветных пикселей в каждой, при этом отноше- ние «ширина—высота» экрана составляет 3 : 4. Типичная система видеозахвата — совокупность аппаратных средств ЭВМ и программного обеспечения, которые вместе по- зволяют пользователю преобразовать видеосигнал в компьютер- ный формат, переводя в цифровую форму видеопоследователь- ности как к несжатому, так и более обычно — сжатому формату данных Несжатый видеосигнал приводит к громадным объемам файлов, так что некоторое сжатие должно использоваться, чтобы сделать процесс более управляемым Это возлагается на кодек (или «codec», сокращение от compression decompression — сжа- 1 ие-декомпрессия), который сжимает видео в процессе захвата и восстанавливает сигнал снова для воспроизведения; это может быть выполнено как на программном уровне, так и в аппарат- ных средствах ЭВМ Однако даже в эпоху, когда нейтральные процессоры ЭВМ достигли скорости в гигагерцы, для достиже ния цифровым видео качества телетрансляции необходимы ап- паратные кодеки. Большинство видеоустройств захвата использует аппаратные средства кодека M-Jpeg. который использует сжатие JPEG в ка- ждом кадре, чтобы достигнуть меньших размеров файла при со- хранении способностей редактирования Огромный успех видео- камер на основе цифрового видео (DV) в конце 1990-х гг. при- вел к появлению карт более высокого качества, использующих видеокодек DV.
524 Глава 5. Периферийные устройства После сжатия видеопоследовательность можно отредактиро- вать на ПЭВМ с использованием соответствующего программ- ного обеспечения видеоредактирования и получить результат ка- чества S-VHS для передачи на видеомагнитофон, телевизор, ви- деокамеру или компьютерный монитор. Чем выше качество видсовхода и чем выше скорость передачи данных ПЭВМ, тем лучше качество выходного видеоизображения Карты видеозахвата оборудованы рядом разъемов входа и выхода (рис. 5.50). Есть два главных формата видеоразъемов: композитный, стандартный для большинства бытовою видео, и S-видео, часто используемый более высококачественным обору- дованием. Большинство карт захвата содержит по крайней мере один входной разъем, который может принять любой тип видео- сигнала, осуществляя связь с любым видеоисточником (напри- мер, видеомагнитофон, видеокамера, телевизор или лазерный диск). Дополнительные гнезда могут иметь смысл, если при ре дактировании требуется несколько источников видео. Некото- рые карты спроектированы так, чтобы можно было подключить ТВ-тюнер, а некоторые и содержат ТВ-тюнер. Известны два типа видеоредактирова н ия. Первый за- ключается в редактировании при переписывании одной ленты на другую и называется линейным редактированием. Второй требует, чтобы редактируемые видеопоследовательности были вначале Комбинированный звуковой Композитный вход-выход видеовход Видеодекодер Водеокодес Вход S-видео Выход S-видео Композитный видес выход Звуковой кодер'декодер б Рис 5 50- Карта видеозахвата. а — схема; б — общий вид карты Pinnacle Studio DC 10 Plus ver Я
5.6. Средства мультимедиа 525 помещены на жесткий диск, а после редактирования возвращены на пленку. Этот метод известен как нелинейное редактирование (НЛР, NLE). Для нелинейного редактирования видеопередачи карты захвата переводят видео в цифровую форму на жесткий диск ПЭВМ, и при этом функция редактирования выполняется полностью на ПЭВМ почти так же, как редактируется документ в текстовом редакторе. Носители могут быть продублированы и многократно использоваться по мере необходимости, сцены мо- гут быть исправлены, вставлены или удалены в любое время в те- чение процесса редактирования (рис. 5.51). Рис. 5.51. Цифровое видеоредакгирование Широкое распространение HJJP началось в начале 1990 х гг., что было связано с появлением все более вместительных, быст- рых и дешевых НЖМД с разработкой все более мощного про- граммного обеспечения редактирования видео и получило мощ- ную поддержку в 1995 г. с появлением формата DV Sony. Сжатие видеоинформации. Видсосжатие — метод удаления настолько больших фрагментов данных, насколько это возмож- но без снижения качества. Методы видеосжатия обычно приво- дят к потерям, т. е. то есть результат расшифровки нс идентичен первоначально закодированному сигналу. MPEG-1. Стандарт MPEG-1 был принят в 19° 2 г. как ISO 11172. С точки зрения получаемого качества видеосигнала его можно назвать цифровым аналогом видеоформата VHS Раз- мер кадра в MPEG-1 составляет 325 х 288 при оцифровке си1 на- лов PAL и SECAM. и 352 х 240 — для NTSC Характерные зна- чения потоков лежат в диапазоне от 0,5 до 3 Мбит/с. Области применения стандарта MPEG-1 — производство VideoCD-дис- ков. архивация данных на CD ROM корпоративные отчеты, обучающие фильмы, презентации; системы видеонаблюдения,
526 Глава 5. Периферийные устройства промышленный мониторинг, медицина, Internet, видеокиоски, видео по запросу, а также музыка МРЕG - 2. Стандарт MPEG-2, принятый в 1994 г. предна- значен для получения более качественного изображения при бо- лее высокой скорости передачи. MPEG-2 не всегда лучше MPEG-1 — картинка MPEG-2 при скоростям передачи MPEG-1 выглядит хуже сравнительно с MPEG-1. Однако при рекомендо- ванных потоках 3—10 Мбит/с с полным разрешением, состав- ляющим 720 х 576 для PAI, и 720 х 480 для NTSC, качество изо- бражения сопоставимо с видеофильмами формата S-VHS и Hi-8. Еще одним плюсом MPEG-2 является совместимость сверху вниз с MPEG 1 — файлы MPFG-1 можно проигрывать на деко- дирующих устройствах MPEG-2. В последнее время популяр- ность MPEG -2 растет в связи с тем. что он был принят стандар- том для DVD. МРEG -3. Стандарт MPEG-3 начинали разрабатывать для кодирования сигналов телевидения высокой четкости (ТВЧ, HDTV). Однако после двухлетней работы над MPEG-2 было принято решение о расширении его возможностей и в нею были включены алгоритмы для кодирования изображения ТВЧ, после чего MPEG-3 как самостоятельный стандарт перестал использо- ваться. MPEG-4. В 1993 г. была начата работа над MPEG-4, фор- матом мультимедиа узкой полосы пропускания, который родст- венен QuickTime и может поддерживать смешивание сигналов, позволяя сочетать видео- (и аудио ) запись с их машинно-гене- рчруемыми аналогами Стандарт MPEG-4 предназначен для передачи видеоданных в низкоскоростных системах мультимедиа и видеоконференций по цифровым телефонным каналам В этом случае используется стандарт развертки с четкостью, в 4 ра«а меньшей, чем в стан- дарте MPEG-1 — 144 активных строки в кадре и 176 отсчетов в активной части строки, чго позволяет снизить скорость цифро вого потока до 64 Кбит/с. MPEG-4 нс предназначен для кодиро- вания программ вещательного телевидения MPEG-7 формально называется «Мультимедиа-интерфейс для описания содержимою» (Multimedia Content Description Interface) и имеет цепью стандартизовать описание мультиме- дийного материала, поддерживающего некоторый уровень ин- терпретации смысла информации, которая может быть передана для обработки на ЭВМ Стандарт MPEG-7 не ориентирован на
5.6. Средства мультимедиа 527 какое-то конкретное приложение, он стандартизует некоторые элементы, которые рассчитаны на поддержку как можно более широкого круга приложений. Элементы технологии алгоритмов MPEG. Стандарт MPEG-2 Рассмотрим более подробно в качестве примера стандарт MPEG-2, который состоит из трех основных частей — систем- ной, видео и звуковой. Системная часть описывает форматы кодирования для мультиплексирования звуковой, видео и другой информации, рассматривает вопросы комбинирования одного или более пото- ков данных в один или множество потоков, пригодных для хра- нения или передачи. Системное кодирование в соответствии с синтаксическими и семантическими правилами, налагаемыми данным стандартом, обеспечивает необходимую и достаточную информацию, чтобы синхронизировать декодирование без переполнения или «недо- полнения» буферов декодера при различных условиях приема или восстановления потоков. Видеочасть стандарта описывает кодированный битовый поток для высококачественного цифрового видео. MPEG-2 яв- ляется совместимым расширением MPEG-1, он поддерживает чересстрочный видеоформат и содержит средства для поддержки ГВЧ (телевидение высокой четкости) Стандарт MPEG-2 определяется в терминах расширяемых профилей, каждый из которых, являясь частным случаем стан- дарта, имеет черты, необходимые всем классам приложений Иерархические масштабируемые профили могут поддержи- вать такие приложения, как совместимое наземное многопро- граммное 1В (ТВЧ), пакетные сетевые видеосистемы, обратную совместимость с другими стандартами (MPEG-1 и Н.261) и при- ложениями, использующими многоуровневое кодирование Звуковая часть стандарта MPEG-2 определяет кодирование многоканального звука MPEG-2 поддерживает до пята полных широкополосных каналов плюс дополнительный низкочастот- ный канал и (или) до семи многоязычных комментаторских ка- налов. Он также расширяет возможности кодирования моно и стереозвуковых сигналов в MPEG-1 за счет использования по
528 Глава 5. Периферийные устройства повинных частот дискретизации (16, 22,05 и 24 кГц) для улучше- ния качества при скоростях передачи 64 Кбит/с и ниже. Стандарт MPEG-2 не регламентирует методы сжатия видео- сигнала. а только определяет, как должен выглядеть битовый по- ток кодированного видеосигнала, поэтому конкретные алгорит- мы могут оставаться коммерческой тайной фирм-производите- лей оборудования Однако существуют общие принципы, и процесс сжатия цифрового видеосщнала может быть разбит на ряд последова тельных операций (рис. 5.52). Рис. 5.52. Блок-схема оборудования сжатия видеоизображения Предварительная обработка сигнала прои вводится после ана- лого-цифрового преобразователя (АЦП) и включает в себя сле- дующие преобразования: • удаление избыточной информации. Например, если фон изображения состоит из идентичных символов (пикселей), то совершенно не обязательно их все передавать Достаточ- но описать один пиксель и послать его с сообщением о том, как часто и где он повторяется в изображении; • если исходное изображение передается в виде чересстроч- ных полей, то они преобразуются в кадры с прогрессивной разверткой; • сигналы цветности (RGB) преобразуются в цветоразност- ные сигналы U и V и сигнал яркости Y;
5.6. Средства мультимедиа 529 • изображение дост раивается до кратного 16 количества пик- селей по строкам и столбцам, чтобы обеспечить разбиение изображения на целое число макроблоков; • производи к я преобразование из формата цветности 4 4: 4 в формат 4:2:2 (горизонтальная передискретиза- ция цветоразностных компонентов) или 4:2:0 (горизон- тальная и вертикальная передискретизация цветоразност- ных компонентов) Квантование. Изображение разбивается на последователь- ность макроблоков, каждый из которых состоит из шести блоков по 8 х 8 пикселей: • четыре образуют матрицу 16 х 16 и несут информацию о яркости; • по одному — определяют цветоразностные компоненты U и V, которые соответствуют области изображения, покры- ваемой матрицей 16 х 16 пикселей. Стандарт предусматривает два формата цветности, каждому из которых соответствует свой порядок блоков в макроблоке (рис. 5.53): • 4:2:0 — макроблок состоит из шести блоков — четыре блока яркости YD и два блока цветности CR и Св; • 4:4.4 - макроблок состоит из двенадцати б токов. Он со- держит четыре блока YD, четыре СР и четыре Св. Рис. 5.53. Разбивка изображения на блоки в MPEG 2
530 Глава 5. Периферийные устройства Кодирование. В некоторых случаях, например, при смене ви- деосцены в видеопоследовательности, временная корреляция между ближайшими кадрами очень низка. В таких случаях ре- шающую роль в достижении эффективного сжатия видеоинфор- мации играет внутрикадровая корреляция, т. е. пространствен- ная корреляция пикселей изображения. Однако, если корреля- ция между последовательными кадрами видеоданных высока, то в случае, когда два последовательных кадра имеют схожее или одинаковое содержание, желательно применение межкадровой корреляции пикселей с временным предсказанием. На практике для достижения высокого коэффициента сжатия видеоинформа- ции используется комбинация из двух подходов. В стандарте MPEG-2 используется три вида кодирования: внутри кадровое, межкадровое «вперед» с компенсацией движе- ния, межкадровое двунаправленное, также с компенсацией дви- жения: • опорные кадры, так называемые 1-кадры (Intra Frames), ко- торые являются основными и кодируются без обращения к другим кадрам, т. е. с использованием информации только этого кадра. Вид кодирования — внутрикадровый, обеспе- чивающий умеренное сжатие. Все остальные кадры анали- зируются процессором, который сравнивает их с опорны- ми, а также между собой; • Р-кадры (Predicted) — закодированные относительно пре- дыдущих I- или Р-кадров. Кодирование Р-кадров выполня- ют с использованием алгоритмов компенсации движения и предсказанием «вперед» по предшествующим I- и Р-кал- рам Они сжаты в 3 раза сильнее, чем 1-кадры, и служат опорными для последующих Р- и В-кадров Компенсация движения, применяемая к макроблокам Р-кадров, выраба- тывает два вида информации: векторы движения (разница между базовыми и колированными макроблоками) и зна- чения ошибок (разница между предсказанными величина- ми и действительными результа гами); • В-кадры (Bidirectionally Predicted) — закодированные отно- сительно предыдущих и последующих кадров, т. е. с двуна- правленным предсказанием и компенсацией движения. В кадры имеют наибольшее сжатие Полученные кадры объединяются в группы последова- тельных кадров (GOP — group of pictures). Каждая последо- вательность начинается с 1-кадра и состоит из переменного чис-
5.6. Средства мультимедиа 531 ла Р- и В-кадров. В описаниях алгоритмов кодирования MPEG и его реализаций не содержится никакой информации относи- тельно методов выделения I-, Р- и В-кадров в видеопоследова- тельности. В начале сцены должен стоять 1-кадр, в конце — Р-кадр. Увеличивать долю В кадров можно только в рамках одной сце- ны, иначе возникну! большие ошибки предсказания и компен- сации движения. Поскольку типичная длительность группы кад- ров (во временном представлении — примерно 0,5 с) значитель- но меньше характерного расстояния между границами сцен, то в большинстве случаев жесткое задание структуры группы кадров не приводит к существенным визуальным ошибкам из-за того, что смена сцен попадает внутрь группы кадров. На рис. 5.54 изображен порядок кодирования I-, Р- и В-кад- ров. Верхний ряд кадров демонстрирует исходную последова- тельность на входе кодера, нижний — после кодирования. Ос- новными параметрами GOP являются длина последовательности 7V и порядок чередования Р-кадров. Например, в последователь- ности кадров, представленной на рис. 3.17, N- 7, Л/= 3, т. е ка- ждый третий кадр в последовательности — типа Р. Рис. S.54. Порядок кодирования I-, Р- и В- кадров по стандарту MPEG 2: а последовательность кадров на входе кодера; б — последовательность кадров после кодирования
532 Глава 5. Периферийные устройства Обработка звука Звуковые платы. Звуковая плата ПК содержит несколько ап- паратных систем, связанных с производством и сбором аудио- данных, две основных аудиоподсистемы, предназначенные для цифровою «аудиозахвата», синтеза и воспроизведения музыки (рис. 5.55). Исторически, подсистема синтеза и воспроизведения музыки генерирует звуковые волны одним из двух способов. • через внутренний синтезатор (например, ЧМ-синтезатор); • проигрывая оцифрованный (sampled) звук. .. Микрофон вход ---- Линейный вход Аналого-цифро- вой выход - Телефонный автоответчик - Аудио-CD - Внешний коннектор Разъем CD SPDIF Инфракрасный порт Разъемы Оптический SPDIF рсд (цифровой звук) RCA SPDIF Наушники i ll Joystick MIDI Колонки . Линейный ^нейный-------- Регулятор J (млцрофон) I! ГрОМКОСТМ вход 2 вход 2 MIDI вход-выход наушников селектор Лилейный выход Аудморасширенме {цифровой ввод-вывод) Рис 5.55. Схема аудиоплаты The Platinum 5.1 Creative Секция цифровой звукозаписи звуковой платы состоит из пары 16-разрядных преобразователей — ЦАП и АЦП и содер- жит программируемый генератор частоты выборки, синхронизи- рующий преобразователи и управляемый от ЦП Компьютер пе- редает оцифрованные звуковые данные к преобразователям или обратно Частота преобразования обычно кратна (или составляет часть от; 44,1 кГц Большинство плат использует один или более каналов пря- мого доступа к памяти, некоторые платы также обеспечивают прямое цифровое подключение S/PD1F (или SPDIF) Кабель пе- редачи SPDIF (Sony/Phihps Digital InterFace — Цифровой Ин- терфейс Sony/Philips) может быть оформлен в двух видах коак- сиальный и оптический. Входы и выходы коаксиального SPDIF
5.6. Средства мультимедиа 533 выполнены на разъемах типа RCA. Оптический SPDIF исполь- зует для передачи данных оптический кабель, входы и выходы которого выполнены на разъемах типа Toslink. Генератор звука, установленный на плате, использует про- цессор цифровых сигналов (Digital Signal Processor — DSP), ко- торый проигрывает требуемые музыкальные ноты, объединяя их считывание из различных областей звуковой таблицы с различ- ными скоростями, чтобы получить требуемую высоту тона. Мак- симальное колииество доступных нот связано с мощностью DSP-процессора и называется полифонией платы. DSP-процессоры используют сложные алгоритмы для созда- ния эффектов наподобие реверберации, хорового звучания и за- паздывания. Реверберация вызывает впечатление, что инстру- менты играют в больших концертных залах; хор — что несколь- ко инструментов играют совместно, тогда как фактически есть только один. Добавление запаздывания к партии гитары, напри- мер, также может дать эффект пространства и стереозвучания Плата SoundBlaster. В 1998 г. Creative Technology был выпу- щен удачный образец звуковой платы SoundBlaster Live!, став- ший в дальнейшем стандартом де-факто. Версия Platinum 5.1 карты Creative SoundBlaster Live!, кото- рая появилась к концу 2000 г., имела следующие входы и выхо- ды (см рис. 5.55): • аналого-цифровой выход — либо сжатый сигнал в формате Dolby АС-3 SPDIF с 6 каналами для подключения внешних цифровых устройств или динамиков цифровых систем, либо аналоговая система громкоговорителей 5 1; • линейный вход — соединяется с внешним устройством типа кассетного, цифрового магнитофона, плейера и пр.; • микрофонное гнездо — соединяется с внешним микрофо ном для ввода голоса; • линейный выход — соединяется с динамиками или внеш- ним усилителем для аудиовывода или наушниками; • соединитель джойстика/MIDI соединяется с джойсти- ком или устройством MIDI; и может быть настроен так, чтобы соединяться с обоими одновременно, • CD/SPDIF-соединитель — соединяется с выводом SPDIF, расположенным на дисководе DVD или CD ROM. • дополнительный аудиовход — соединяется с внутренними аудиоисточниками типа тюнера, MPEG или других подоб- ных плат;
534 Глава 5. Периферийные устройства • соединитель аудио-CD — соединяется с аналоговым аудио- выводом на CD-ROM или DVD-ROM, используя кабель аудио-CD; • соединитель автоответчика — обеспечивает монофониче- скую связь со стандартным голосовым модемом и передает сигналы микрофона к модему. Аудиорасширение (цифровой ввод-вывод) — соединяется с цифровой платой ввода-вывода (может распола- гаться в свободной нише накопителя на 5,25", выходящей на пе- реднюю панель компьютера), иногда называемой Live!Dnve. Обеспечивает следующие соединения: • гнездо RCA SPDIF — соединяется с устройствами цифро- вой звукозаписи типа цифровой ленты и мини-дисков: • гнездо наушников — соединяется с парой высококачест- венных наушников; вывод динамика отключается; • регулировка уровня наушников — управляет i ромкостью сигнала наушников; • второй вход (линейный/микрофонный) — соединяется с высококачественным динамическим микрофоном или аудиоисточником (электро) итара, цифровое аудио или ми- нидиск); • переключатель второго входа (линейный/микрофон); • соединитель MIDI — соединяется с устройствами MIDI че- рез кабель Mini DIN-Standard DIN; • инфракрасный порт (сенсор) — позволяет организовать дистанционное управление ПК. • вспомогательные гнезда RCA — соединяются с оборудова- нием бытовой электроники типа видеомагнитофона, теле- визора или проигрывателя компак] -дисков; • оптический вход/выход SPDIF — соединяется с устройст- вами цифровой звукозаписи наподобие цифровой ленты или мини-дисков. Другие изготовители звуковых плат быстро восприняли идею относительно отдельного модуля разъемов ввода-вывода. Было разработано множество разновидностей — одни были размеше- ны в отсеке для накопителей подобно Live!Drive, другие были внешними модулями, некоторые из которых были разработаны, чтобы действовать как концентраторы USB. Современные аудиокарты поддерживаю! также ряд стандарт- ных возможностей моделирования, генерации и обработки зву- кового сигнала:
5.6. Средства мультимедиа 535 • DirectX — предложенная Microsoft система команд управ- ления позиционированием виртуального звукового источ- ника (модификации — DirectX 3, 5, 6); • A3D — разработанный в 1997 г NASA (Nalional Aeronautics and Space Administration) и Aureal для использования в лет ных тренажерах стандарт генерации таких эффектов, как густой туман или подводные звуки. A3D2 позволяет моде- лировать конфигурацию помещения, в котором раздаются и распространяются звуки, вычисляя до 60 звуковых отра - жений (как в ангаре, так и в колодце); • EAX (Environmental Audio Extensions) — предложенная Creative Technology в 1998 г. модель добавления ревербера- ций в A3D с учетом звуковых препятствий и поглощения звуков; • MIDI (Musical Instrument Digital Interface) — протокол, раз- работанный в 1980-х гг., в соответствии с которым коман- ды передаются по стандартному интерфейсу. В Windows МтDI-файлы могут воспроизводиться специальной про Iраммой-проигрывателем MIDI -Sequencer В этой об ласти синтеза звука также имеются свои стандарты. Основ- ным является стандарт МТ 32, разработанный фирмой Roland и названный в соответствии с одноименным моду- лем генерации звуков. Этот стандарт также применяется в звуковых картах LAPC и определяет основные средства для управления расположением инструментов, голосов, а также дтя деления на инструментальные группы (клавишные, ударные и т. д.). Форматы записи-воспроизведения аудиосигналов Формат MP3. MP3 — сокращение от «MPEG ЬауегЗ». Это один из основных цифровых форматов хранения аудио, разрабо- танный Fraunhofer IIS и THOMSON, позднее утвержденный как часть стандартов сжатого видео и аудио MPEG1 и MPEG2. Дан- ная схема является наиболее сложной схемой семейства MPFG Layer 1/2/3. Она требует наибольших затрат машинного времени для кодирования по сравнению с двумя другими и обеспечивает более высокое качество кодирования. Используется главным об- разом для передачи аудио в реальном времени по сетевым кана- лам и для кодирования Audio-CD.
536 Глава 5. Периферийные устрслс.тгва Высокая степень компактности MP3 при сохранении качест- ва звучания достигается с помощью дополнительного квантова- ния по установленной схеме, позволя ющей минимизирова гь по- тери качества. Последнее, в свою очередь, достигается учетом особенностей человеческого слуха, в том числе эффек-а маскирования слабого си! нала одного диапазона частот более мощным сигналом сосед- нею диапазона, когда он имеет место, или мощным сигналом предыдущего фрейма, вызывающего временное понижение чув- ствительности уха к сигналу текущего фрейма. Принимается во внимание также неспособность большинства людей различать ситналы, по мощности лежащие ниже определенного уровня, раз- ного для разных частотных диапазонов. Эта и ей подобные техни- ки называются адаптивным кодированием и позволяют эконо- мить на наименее значимых с точки зрения восприят ия челове- ком деталях звучания. Степень сжатия и, соответственно, объем дополнительною квантования, определяются не форматом, а самим пользовате- лем при задании параметров копирования. Ширина потока или битрейт (hitrate) может юменягься от наибольше!о для MP3 (320 Кбит/с) до 96 Кбит/с и даже ниже. Термин бит- рейт обозначает общую ширину потока, независимо от того, мо - нофонический или стереофонический сигнал он содержит. При испытаниях опытные эксперты, специализирующиеся на субъективной оценке качественности звучания, не смогли различить звучание оригинально! о тпека на CD и закодирован- ного в MP3 с коэффициентом сжатия 6:1. г. е. с битрейтом в 256 Кбит/с. Ботее низкие битрейты, несмотря на их популярность, не дают возможности обеспечить надлежащее качество кодирова- ния. Объективно и 256 Кбит/с не дает возможности осу ществить полностью обратимое кодирование, то же самое можно сказать у про наивысший битрейт - 320 Кбит/с, но отличия от CD Audio, по которому кодируется тестовый МР7. сравнимы с отличиями самого CD Audio от исходного высококачественного сигнала, из кот орего он был получен путем оцифровки. Поэтому самое большое на сегодня преимущество МГЗ перед дру гими подобными форматами состоит в том, что ни про один другой формат нель !Я пока уверение' сказать, что он полностью гаран тирует устойчивое сохранение качества звучания на доста
5.6. Средства мультимедиа 5J7 точно высоких битрейтах или что для него написано такое же множество удобного программного обеспечения как для MP3 Процесс кодирования. Перед кодированием исходным сигнал разбивается на участки, называемые фреймами, каж (ый из которых кодируется отдельно и помещается в конечный файл независимо от других. Последовательность воспроизведе- ния определяе гея порядком расположения фреймов. Каждь й фрейм может кодироваться с разными параметрами Информа- ция о них содержится в заголовке фрейма. Кодирование начинается с того, что исходный сигнал с по- мощью фильтров разделяется на несколько, представляющих от- дельные частотные диапазоны, сумма которых эквивалент на ис- ходному сигналу. Для каждого диапазона определяется величина маски- рующего эффекта, создаваемого сигналами соседних диа- пазонов и сигналом предыдущего Фрейма. Если она превышает мощность сигнала интересующего диапазона или мощность сш - нала в нем оказывается ниже определенного опытным прем по- рога слышимости, то для данного фрейма данный диапазон сш - нала не кодируется. Для оставшихся данных каждого диапазона определяется, сколькими битами на сэмпл можно пожертвовагь, чтобы потери от дополнительного квантования были ниже величины маски- рующего ффекта При этом учитывав гея. что потеря одного бита ведет к внесению шума кван гования величиной порядка 6 дБ. Посте завершения работы психоакустической модели фор- мируется итоговый поток, который дополнительно кодируется по Хаффману, на этом кодирование завершается. На практике схема несколько сложнее. Во-первых, необ- ходимо согласовываться с требованиями битрейта. В зависимо- сти от кодера это приводит при повышении битрейта к разного рода релаксациям при отборе сохраняемой части исходного сиг- нала, а при понижении — наоборот, к ужес точению критериев Во-вторых, после каждого изменения исходного сигнала (исключения сигнала какого-то одного диапазона) величина маскирующего эффекта меняется, и, проводя это исключение в разной последовательности, можно получать сильно о^лич но щиеся результаты. Это обстоятельство замедляет работу кодеров. Скорости передачи. На низких битрейтах всегда среза- ются мелкие, сравнительно тихие детали, наличие или отсутст- вие которых нередко серьезно меняет эмоциональную окраску
538 Глава 5. Периферийные устройства композиции, придает или лишает ее таких дффектов, как ощу- щение «кристальной чистоты» звука (в той мере, в которой она присутствует в CD Audio). Кроме того, в соответствии с психо- акусгической моделью, высшие (более 16 кГц; частоты на низ- ких битрейтах кодируются с очень низким приоритетом. Креме того, имеют место разные особенности кодеров. Так, у кодеров от FhG IIS на 128 Кбит/с могуз оказаться «смазанными» верхние частоты. наблюдается эффект «шепелявости». Узкое место всех схем компрессии класса MPEG — участ ки с ре жими и змене- ния ми сигнала. В случае MP3 затержка может достигать величин порядка 160 мс, теоре гическ ий минимум — 59 мс На высших битрейтах при последовательном применении психоакустической модели, разработанной FhG I1S. проблемы могут доставлять только ошибки, внесенные при написании кодера. В Internet, как правило, можно найти только MP3, закодиро - ванные с битрейтом 128 Кбит/с (оптимальным для использова- ния в Internet). В Xinglech был разработан кодер, использующий техник}’ переменного битрейта (VBR), при которой разные участки греке кодируются с разным битрейтом, исходя из степени их сложно- ст и дтя кодирования. Контрольные вопросы 1. Охарактеризуйте методы записи на магнитных носителях. 2. В «ем особенности технологий OIC? 3. Каковы характеоистикн А1Т? 4 Что такое Digital linear tape? 5. В чем заключается сущность зонной записи? 6 Перечислите основные характеристики НЖМД и их совоеменные значения 7. Что 'акое МР- и CMR-техногогии7 8. Перечней <те характеристики накопителей НЖМД и 2'р. 9. Какова структура CD? 10. В чем состоит особенность МО-технологий’ 11. Перечислите форматы DVD. 12. Назовите форматы перезаписываемых DVD. 13- В чем состоят различия LJVD-RW и DVD4-RW? 14 Охарактеризуйте параметры конструкций удагньх принтеров. 15. Каков принцип функцио“иревгн1-*’ струйного принтера с термическим приводом?
5.6. Средства мультимедиа 539 16. Опишите внутреннее устройство лазерного принтера. 17. Опишите устрой :тво и принципы функционирования сканеров. 18. Каков принцип функционирования перьевых плоттеров! 19. Каков принцип функционирования электромагни-ных дигитайзеров! 20. Перечислите типы терминалов и клавиатур. 21. Что такое теневая маска, апертурная решетка, щелевая маска? 22. Что такое ЖКД? 23. Опишите принципы работы плазменных дисплеев. 24. Какие типы сенсорных экранов существуют? 25. Дайте классификацию манипуляторов мышь. 26. Перечислите методы синтеза звука. 27. Какие характеристики имеют аудиоадаптеры? 28. Что такое ЧМ и WaveTable? 29. Перечислите возможности карты SoundBlaster. 30. Что такое LivelDrive? 31. Перечислите основные характеристики форматов аудиосигнала 32. Что такое видеозахват? 33. Перечислите форматы записи ииЪрового видео. 34. В чем заключается сущность М-JPEG сжатия видеоданных? 35. 4то такое GOP?
Заключение Вычислительная техника не сразу достигла сегодняшнего уровня. В ее развитии отмечают предыс горию и четыре поколе- ния ЭВМ. Предыстория начинается в глубокой древност и с ра з- (ичных приспособлений для счета (абак, счеты), а первая счет- ная машина появилась лишь в 1642 г. Ее изобрел французский математик Паскаль. Построенная на основе зубчатых колес, она могла суммировал ь десятичные числа. Все четыре арифметиче- ских действия выполняла машина, созданная в 1673 г. немецким математиком Лейбницем. Она стала прототипом арифмометров, использовавшихся с 1820 г. до 60-х гг. XX в. Впервые идея про- граммно управляемой счетной машины, имеющей арифметиче- ское устройство, устройства управления, ввода и печати (хотя и использующей десятичную систему счисления), была выдвинут а в 1822 г. английским математиком Бэббиджем. Проект опережал технические возможности своего времени и не был реализован Лишь в 40-х гг. XX в. удалось соз тать программируемую счетную машину, причем на основе электромеханических реле, которые могут пребывать в одном из устойчивых состояний — «включе- но» и «выключено» Это технически проще, чем пы гатьеч реали- зовать десять различных состояний, опирающихся на обработка информации на основе деечтичной системы счисления С каж- дым новым поколением ЭВМ увеличиваются быстродействие и надежное гь их работы при уменьшении стоимости и размеров, совершенсгвовались устройства ввода и вывела информации. В соответс гвии с трак говкой компьютера как техн ическОй моде- ли информационной функции человека, устройства ввода при ближаются к ес гественному для человека восприятию информа ции (зрительному, звуковому) и. следовательно, операции по вводу в компьютер становятся все более удобными для че ловека Можно утверждать, что развитие компьютерной и связанной с ней другой техники (напоимер. се левой техники и те сники связи), а также различных информационных техноло! ий проис
Заключение 541 ходит непрерывно, они тесно взаимосвязаны и все время взаим- но стимулируют процессы развития. Специалисты прогнозируют максимальный всплеск «прорыв ных» информационных технологий, начиная с 2003—2005 гг., от- мечая, что период бурного роста займет 30- 40 лет. На рубеже 2008 г. ожидается создание и широкое распространение карман- ных компьютеров, рост использования суперЭВМ с параллельной обработкой информации К 2017 г прогнозируется начало серий- ного выпуска биокомньютеров, встраиваемых в живые организ- мы. В сфере телекоммуникаций прогнозируется, что в ближай- шем будущем 80 % систем связи перейдут на цифровые с гандар- ты, произойдет су шест венный скачок в развитии микросотовой персональной телефонии — PSC. на которую будет приходиться до 10 % мирового рынка мобильной связи. Это обеспечит новее местную возможность приема и передачи информации любых форматов и объемов.
Литература 1. Computing & Multimedia. Словарь. M.. Внешсигма, 1996. 2. PC 2001 System Design Guide. A Technical Reference for Designing PCs and Peripherals for the Microsoft® Windows® Family of Operating Systems. © 1999—2000 Intel Corporation and Microsoft Corporation. All rights reserved. 3 PC 99 System Design Guide, Microsoft Press®, 1998. 4. Айден К., Колесниченко О. и др. Аппаратные средства PC. 2-е изд., перераб. и доп СПб.. BHV-Санкт-Петербур!. 1998. 608 с. 5. Алферова 3. В. Теория алгоритмов. М Статистика, 1973. 162 с. 6. Аскеров Т. М. ЭВМ и программное обеспечение. Часть 1 Тех- нические средства ЭВМ: учеб, пособие / Под общ. ред К И. Курба- кова. М.. Изд-во Рос. экон. акад. им. Г. В. Плеханова, 1999. 338 с. 7. Боглаев Ю. П. Вычислительная ма тематика и программирова- ние. М.: Высш, шк., 1990 8 Информационные технологии: учеб, пособие / О Л. Голины на, Н В. Максимов, Т. Л. Партыка, И. И Попов. М. ФОРУМ: ИН- ФРА-М, 2006. 544 с. 9. Голицына О. Л., Попов И. И. Основы алгори гмизации и про- граммирования: учеб, пособие. М.: ФОРУМ: ИНФРА- М. 2002. 432 с. 10. Гусева А. И. Технология межсетевых взаимодействий. NetWare — Unix —Windows — Internet. M Диалог-МИФИ, 1997 272 с. 11. Каеан Б. М. Электронные вычислительные машины и систе- мы М : Энергоиздач, 1991. 591 с. 12. Казаков С. И. Основы сетевых технологий. 1998. 87 с.
Литература 543 13. Кай мин В. А. Информатика: учебник. М.: ИНФРА-М. 2001 232 с. 14. Основы информатики (учебное пособие для абитуриентов экономических ВУЗов) / К. И. Курбаков, Т. Л. Парт ыка, И И По- пов, В. П. Романов. М.. Экзамен, 2004. 320 с. 15. Максимов Н В.. ПартыкаТ.Л., Попов И. И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учеб, пособие. М ФОРУМ: ИН- ФРА М, 2004. 450 с. 16. Максимов Н. В . ПартыкаТ.Л., Попов И И. Технические ирецс^ва информатизации: учеб, пособие. М ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. 436 с. 17. Максимов Н. В, Попов И И. Компьютерные сети: учеб посо- бие. М.: ФОРУМ. ИНФРА-М, 2003. 336 с. 18. Малиновский Б. Н. История вычислительной техники в ли- цах. Киев- Фирма «КИТ»; ПТОО «А.С.К.», 1995. 383 с. 19 Наоточий А. И. Технические средства информатизации, учеб пособие / Под обш. рея К. И. Курбакова. М.. КОС-И НФ; Рос экон, акад., 2003. 180 с. 20. Нортон П, Сандлер К., Батпей Т. Персональный компьютер изнутри М Бином, 1995, 443 с. 21. Партыка Т. Л., Попов И. И. Операционные системы, среды и оболочки. М ФОРУМ: ИНФРА-М, 2003. 400 с. 22. Смирнов Ю. П. История вычислительной техники Становле- ние и развитие: учеб, пособие. Изл-во Чутваш ун-тат 1994 196 с. 23 Фролов А. В., Фролов Г. В. Локальные сети персональных компьютеров. Монтаж сети, установка программною обеспечен^ Т. 7. М. Диалог МИФИ. 1994. 176 с. 24. Фролов А В., Фронов Г. В Прокламирование модемов М : Диалог-МИФИ, 1993 233 с
Приложение 1 Глоссарий терминов и сокращений (русский язык) Абстрактная вычислительная машина — теоретическое построе • ние, с помощью которого лается математическое определение алго- ритма. Известны машины Тьюринга, Поста, Колмогорова и др. Адаптер (лаг. adaptare — прилаживать, короче говоря, — «при- способление»). Устройство сопряжения цен трального процессора и периферийных устройств компьютера, кроме этого, иногда осуще- ствляет функции управления периферийным устройством. Обычно выполнен в виде микросхемы и помещен на системную плат}', мо- жет быть представлен отдельной платой. Иногда называется картой или контроллером. Адаптер графический — устройство, управляющее дисплеем и обеспечивающее вывод графических изображений. Определяет раз- решающую способность дисплея (количество точек на единицу пло- щади экрана), количество цветов. Обычно включает в себя видеопа- мять и средства преобразования данных, находящихся в видеопамя- ти, в видеосигнал. Известны пять основных типов адаптеров; 1) MGA (Monochrome Graphics Adapter) — монохромный графиче- ский адаптер, иногда называемый Hercules Graphics Adapter; 2) CGA (Color Graphics Adapter) — цветной графический адаптер; 3) EGA (Enhanced Giaphics Adapter) — улучшенный графический адаптер; 4) VGA (Video Graphics Array) — видеографическая матрица; 5) SVGA (Super Video Graphics Array) — видеографическая матрица высокого класса. Адаптер локальной сети (Адаптер сетевой, Networking Adapter) — адаптер для подключения компьютера к локальной сети компьюте- ров. Например, для подключения персонального компьютера к сети Ethernet используется адаптер NE-2000. Адрес - номер конкретного байта оперативной памяти компь- ютера. Адрес ETHERNET (Ethernet Adress) - система описания компью тера и порта передачи данных в локальной сети Ethernet.
Глоссарий терминов и сокращений (русский язык) 545 Аккумулятор — 1) устройство, вырабатывающее электричества путем преобразования химической энергии в электрическую. Имс- егся возможность многократной перезарядки. Используются в на- стольных компьютерах как вспомогательное энергопитание, в ком- пьютерах переносного типа как основное, кроме этого — в устрой- ствах бесперебойного низания; 2) ячейка памяти, используемая для хранения результатов вычисления; обычно так называют один из регистров в арифметико-логическом устройстве продессора Аксессуар (фр. accesoire — принадлежность). Элемент компьюте- ра или программной среды, который может быть использован толь- ко вместе со всей системой, но приобрести и уст ановиз ь его можно отдельно. Например, к мультиметийным аксессуарам компьютера относятся компакз -диски, звуковые адаптеры и колонки и пр. Активное устройство — физическое или логическое устройство, с которым работает система в данный момент времени. Активным может быть также и некоторая программа, файл или база данных. Это означает, что в данный момент они готовы для ввода/вывода данных. Например, приглашение в MS-DOS — b:\> означает, что активным в данный момент является дисковод Ь:. Алгебра логики — раздел математики, изучающий высказывания, рассматриваемые со стороны их ло1 ических значений (истинности и, и ложности) и логических операций над ни ии. Алгоритм — поня гное и точное предписание (указание) испол- нителю совершить определенную послелоьательность действий, на- правленных на достижение указанной пели или решение постав- ленной задачи (приводящую от исходных данных к искомому ре- зультату). Алфавит — фиксированный для данного я зыка набор основ - ных символов, т. е. «букв алфавиза», из которых должен состоять любой з екст на этом языке. Никакие другие символы в тексте не допускаются. Аналоговая вычислительная машина - вычисзительная машина, которая оперирует данными, представленными в аналоговом виде. Аналоговые вычислительные машины практически всегда жес гко специализированы. Отпичаются от цифровых бо зьшей скоростью выполнения оп< р щий и простотой программирования. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, ADO — устройство, преобразующее аналоговый сигнал в цифровой и обратно. Напри мер. для передачи данных по цифровой гелефонной сети с помо- щью модема, между модемом и цифровым телефонным х аз а^ом ставится аналоге цифровой адаптер
546 Приложение 1 Апертура - действующее отверстие оптической системы, опре деляемое размерами линз, зеркал или диафрагмами. Угловая аперту- ра — угол а между крайними лучами конического светового пучка, входящего в систему. Числовая апертура равна п • sin у, где п — по- казатель преломления среды. Освещенность изображения пропор- циональна квадрату числовой апертуры. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — часть процессора, которая производит выполнение операций, предусмотренных дан- ным компьютером. Арифметические операции — четыре действия арифметики (+, -, *, /) и операция получения остатка от деления (%) образуют группу арифметических операций. Их выполнение но имеет каких-либо особенностей, кроме как преобразование типов переменных при их несовпадении. Если в одном выражении встречаются переменные разных типов, как правило, осуществляется преобразование (приве- дение) типов. Архитектура двойной независимой шины (DIB — Dual independent Bus) — архитектура построения процессора, при которой данные передаются по двум шинам независимо друг от друга, одновременно и параллельно. Наличие двух независимых шин дает возможность процессору получать доступ к данным, передающимся по любой из шин одновременно и параллельно, в отличие от последовательного механизма, характерного для систем с одной шиной. Архитектура открытая — архитектура, разработанная фирмой IBM для персональных компьютеров Основные признаки: наличие общей информационной шины, к которой возможно подключение различных дополнительных устройств через разъемы расширения; модульное построение компьютера; совместимое! ь всех новых уст- ройств и программных средств с предыдущими версиями по прин- ципу «сверху—вниз», т. е. последующие разработки должны поддер- живать более ранние. Архитектура процессора — комплекс его аппаратных и про- граммных средств, предоставляемых пользователю В это общее по- нятие входит набор программно-доступных регистров и исполни тельных (операционных) устройств, система основных команд и способов адресации, объем и структура адресуемой памяти, виды и способы обработки прерываний. Архитектура фон Неймана — архитектура компьютера, имеюще- го одно арифметико-логическое устройство, через которое проходит
Глоссарий терминов и сокращений (русский язык) 547 поток данных, и одно устройство управления, через которое прохо- дит поток команд. Архитектура ЭВМ — общее описание структуры и функции ЭВМ на уровне, достаточном для понимания принципов работы и системы команд ЭВМ. Архитекп ра не включает в себя описание де- талей технического и физического устройства компьютера. (Хно в- ные компоненты архитектуры ЭВМ: процессор, внутренняя (основ- ная) память, внешняя памя гь, ус гройства ввода, устройства вывода. Асинхронная передача данных — способ передачи и м гтод извле- чения данных из непрерывного потока сообщений, при которых пе- редающая сторона в каждое данное вводит стартовый и с оповый биты, указывающие, где данное начинается и где кончается. Аудиоадаптер (Sound Blaster, звуковая плата) — специальная электронная плата, которая позволяет записывать звук, воспроизво- дить его и создавать программными средствами с помощью микро- фона, наушников, динамиков, встроенного синтезатора и другого оборудования. Базовая система ввода/вывода (BIOS — англ. Basic Input/ Output System) — программы, предназначенные для выполнения следую- щих функций: тестирование основных устройств компьютера; рас- познавание типов устройств, установленных в компьютере; вызов блока начальной загрузки операционной системы, обслуживание системных прерываний. В большинст ве компьютеров BIOS записы- вается изготовит елем компьютера в постоянное запоминающее уст- ройс гво, и пользователь не имеет средств изменять ее В настоящее время выпускаются компьютеры, у которых BIOS записывают во флэш-память, и у пользователя появляется возможность и зменя' ь BIOS по мере необходимости. Некоторые источники считают BIOS частью операционной системы. Байт — машинное слово минимальной размерности, ar.pecve- мое в процессе обработки данных. Размерность байта (8 бит) приня- та не только а (я представления данных в большинстве компьюте- ров, но и в качестве стандарта для хранения даны ix на внешних но- сителях, для передачи данных по кана там связи, для представления текстовой информации Кроме тою, размерность всех форм пред ставления данных устанавливается кратной байту. Ппи этом машин- ное слово считается разбитым на байты которые нумеруются начи- ная с младших разрядов. Безусловная передача управления производится командой JMP. которая загружает в программный счетчик СчАК новое содержимое, являющееся адресом следующей выполняемой команды. Э.ол адрес
548 Приложение 1 либо непосредственно указывается в команде JMP (прямая адреса- ция), либо вычисляется как сумма текущего содержимого СчАК и заданною в команде смещения, которое является числом со знаком (относительная адресация). Бит (англ. Binary! digiT — двоичная единица) — единица измере- ния количества информации, равная количеству информации, со- держащемуся в опыте, имеющем два равновероятных исхода Это наименьшая единица информации в цифровом компьютере, прини- мающая значения «О» или «1». Блок-схема — I) графическое представление алгоритма, повы- шающее наглядность алгоритма. Составление блок-схем особенно полезно начинающим программистам; 2) графическое представле- ние состава технических средств, или структуры системы. Бод (baud), бит/с (bps) — единица измерения скорости передачи данных. Булева алгебра — раздел математической логики, изучающий высказывания и операции над ними. Частный случай алгебры логи- ки. Под высказываниями понимается любое утверждение, которое бывает либо истинным, либо ложным Над высказываниями воз- можны операции И (конъюнкция &, а); ИЛИ (дизъюнкция, v); «если..., то» (импликация, ->); двусторонняя импликация (эквива- лентность, ~); НЕ (отрицание, ->) Введено понятие функций, кото- рые могут задаваться таблицами (таблицы истинности). Логические операции подчиняются законам: коммутативности, ассоциативно- сти, поглощения, дистрибутивности, противоречия и исключенного третьего. Буфер — 1) дополнительная память для временного хоанения данных. Буфер предназначен для компенсации более низкой ско- рости работы выходного устройства, по сравнению со скоростями работы процессора и оперативной памяти. Буфер многих лазер- ных принтеров, например, составляет от I до нескольких Мбайт; 2) часть оперативной памяти, используемая системой для времен- ного хранения данных при выполнении операций копирования и переноса. Быстродействие накопителя — скорое гь чтения/записи данных в накопителе. Определяется двумя параметрами: средним временем доступа и скоростью передачи данных. Быстродействие процессора — скорость выполнения операций процессором Так как скорость выполнения отдельных операций j процессора разная, го за скорость работы всего процессора прини- мают либо скорость выполнения команд «регистр—регистр», либо
Глоссарий терминов и сокращений (русский язык) 549 скорость выполнения команд над числами с плавающей запятой. Последняя имеет специальное название — флопс (Flops — floating point operations per second). Обобщенным показателем скорости процессора является тактовая частота и тип процессора. Например, при тактовой частоте 66 МГц у процессора 486- DX скорость 54 млн команд/с; у Pentium при той же частоте — 112 млн команд/с. Ввод — считывание и передача информации с внешнего устрой- ства в память компьютера. Ввод речевой — процесс ввода данных с голоса пользователя. Для обеспечения речевого ввода необходим компьютер, оснащен- ный микрофоном, звуковой платой для превращения звуковых ко- лебаний в цифровые коды, базами данных (словарями), в которых собраны распознаваемые слова, и программами и которые ставят произнесенное слово в соответствие слову в словаре. Векторная графика — способ представления изображения как совокупности графических элементов (графических примитивов — отрезков, дуг и пр.), описанных любым способом, в том числе гра- фическими командами Векторная i рафика хранится в метафайлах, которые чаще всего представляются, как файлы в двоичном коде, но могут иметь вид ASCII-текста. В связи с техническим принци- пом представления данных на экране дисплея в виде точек, любая графика в конце концов — растровая. Величина аналоговая — величина, у которой значения изменяют- ся непрерывно, и ее конкретное значение зависит только от точно- сти прибора, производящего измерение. Например, температура воздуха. Величина дискретная — величина, значения которой изменяют ся скачкообразно Например, величина, характеризующая наличие или отсутствие тока в электрической цепи, является дискретной и может принимать значения «да» или «нет» («О» или «1»). Вещественное число — тип данных, содержащий числа, записан- ные с десятичной точкой и (или) с десятичным порядком. Видеоадаптер — электронная плата, которая обрабатывает ви- деоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содер- жит видеопамять, регистры ввода-вывода и модуль BIOS. Посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и chi налы развертки и юбражения. Видеопамять — дополнительная память для обеспечения каче- ственного изображения на дисплее. Является частью видеоадаптера, имеет объем до нескольких десятков мегабайт. В видеопамяти фор- мируются изображения одного или нескольких экранов, которые
550 Приложение 1 затем подаются на дисплей. В некоторых компьютера < видеопамять выделяется из оперативной памяти. Виртуальная память (ВП) — отличается от обычной ОП тем, что какие-то ее редко используемые фрагменты могут находиться на диске и подгружаться в реальную ОП по мере необходимости. Такая организация памяти позволяет снять ограничение, накладываемое объемом физической памяти, установленной на ЭВМ Для реализа- ции ВП используют, например, динамическую переадресацию. Внешние устройства (ВУ) — подключаются к системе с помо- щью интерфейсных устройств (ИУ), реализующих определенные протоколы параллельного или последовательного обмена. К ВУ от- носятся — клавиатура, монитор, внешние запоминающие устройства (ВЗУ), использующие гибкие или жесткие магнитные диски, опти- ческие диски (CD-ROM), магнитные ленты и другие виды носите- лей информации, датчики и преобразователи информации (анато- го-цифровые или цифроаналоговые), разнообразные исполнитель- ные устройства (индикаторы, принтеры, электродвигатели, реле и другие). Для реализации различных режимов работы к системе могут подключаться дополнительные устройства — контроллеры прерыва- ний, прямого доступа к памяти и другие, реализующие необходимые специальные функции управления. Во юконно оптический кабель — кабель, передающий данные с помощью света, что увеличивает скорость и качество передачи. Ис- пользуется в компьютерных сетях. В простейшем случае световод представляет собой волоконный (гибкий) диэлектрик, выполнен- ный на основе кварцевого стекла и окруженный оболочкой с пока - зателем преломления, меньшим, чем у сердцевины. Восьмеричная система счисления позиционная система счис- ления с основанием 8. Для записи чисел используются цифры О, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 Например, 123 в восьмеричной системе равно чис- лу 1 • 82 + 2 81 + 3 • 8° = 64 + 16 + 3 = 83 в десятичной системе. Вывод - результаты работы про] раммы. выдаваемые компьюте- ром пользователю, другому компьютеру' или во внешнюю память. Вызов подпрограммы. Обращение к подпрограмме реализуется при поступлении в процессор специальной команды CALL (в неко- торых процессорах эта команда имеет мнемоническое обозначение JSR — Jump -to-SubRoutine), которая указывает адрес первой ко- манды вызываемой полпрограммы. Высказывание — поня гие матемаз ической логики, определяемое как повествовательное предложение, которое может быть истинным или ложным, но не может быть истинным и ложным одновременно
Глоссарий терминов и сокращений (русский язык} 551 Над высказываниями возможно производить логические операции. Hs простых высказываний строятся сложные. Вычислительная сеть — комплекс компьютеров, вспомогатель- ного оборудования, каналов связи в специального программною обеспечения для передачи дайны к между элементами сет и. В зависи- мости от задач, типа оборудования и линий связи вычислительные сети разделяются на локальные, корпоративные, территориальные и глобальные сети. Сети создаются для более потного использования ресурсов или их перераспределения, для быстрой и автоматической связи с передачей больших объемов данных. Ресурсы бывают как вычислительные и технические (например, задача решается на i ie- скольких компьютерах, или несколькими компьютепами использу- ется один принтер), гак и информационные (например, абоненты сст и могут пользоваться одной ба юй данных). Гарвардская архитектура — характеризуется физическим ра зде- лением памяти команд (программ) и памяти данных. Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что позволяет одно- временно с чтением-записью данных при выполнении текущей ко- манды производить выборку и декодирование следующей команды Генератор тактовой частоты — устройство для выработки че- рез равные отрезки времени последовательности импульсов. Время между двумя последовательными импульсами называется тактом. Некоторые команды процессора выполняются за несколько тактов. Импульсы, проходя через все элементы компьютера, заставляют их работать в едином такте — синхронно. Частота генерации тактовых импульсов определяет быстродействие компьютера. Гибкий магнитный диск (ГМД. НГМД) — диск из гибкой пласт- массы в защитной плас гмас совой упаковке, в которой пр< >р< заны от- верстия лля подхода магнитных головок ввила/выводе Диск покры г магнитным составом. Часто называется флоппи-диском (floppy — своГю 1но висящий) или дискетой Распространены диски диаметром 5,25 и 3,5 цоймов. Предназначен дл л длительного хранения небозь- ших массивов данных, используется для хранения резервных копий и переноса данных с одного компьютера на другой. Для чтения 'записи требуются соответствующие дисководы. Данные записываются по концент рическим окружностям, называемым треками ил и дорожка ми. На дискетах обычно ставится следующая маркировка: DS-SD Doible Sided/single Density — двусгорончие/единичной плотноеги. DS/DD (2S/2D, 2DD) — Double Sided/Doublt D( nsity двусторон- ние/двойной плотности: DS/HD (2HD) — Double Side d,-High Density — двусторонние'высокой плотности. В настоящее время вы-
552 Приложение 1 пускаются дискеты 3,5 дюйма пол названием < Go anywhere» («Везде- ход»), предназначенные для работы в условиях повышенной запы- ленности и влажности. Кроме того, разрабт ана 3,5-дюймовая диске- та емкостью 120 Мбайт. Гигабайт (Гбайт) — единица измерения количества данных или объема памяти, 230 = 1 073 741 824 байта. Иногда считают, что 1 Гбай1 = 109 = 1 000 000 000 байт. Расхождение составляет около 7 %. Главная (внутренняя, оперативная) память компьютера — упо- рядоченная последовательность байтов или машинных слов (ячеек памяти), проще говоря — массив. Номер байга или слова памяти, через который оно доступно как из команд компьютера, так и во всех других случаях, называется адресом. Если в команде непосред- ственно содержится адрес памя ги, то такой доступ этому слову па- мяти называется прямой адре< ацией. Глобальная компьютерная сеть — совокупное ь отдельных ком- пьютеров и локальных сет ей. расположенных в разных странах, со- единенных различными канал тми связи и работающг х в разн1 ix поотоаммных средах. Данная совокупность имеет coi пасованные протоколы взаимодействия. Графика — наиболее общий способ визуального представлен ия данных в компьютере, в котором объединяются текстовые данные и графические образы. Способы или формат ы представления самого графического изображения на машинных носителях бывают двух типов; растровая и векторная графики. Графопостроитель (плоттер, plotter) — устройство для вывода из компьютера информации в виде графиков и ч< рт< жеи на неподвиж- ную или вращающуюся на барабане бумагу. Датчик — устройство, обеспечивающее регистрацию какой-ли- бо физической величины, преобразование ее в сигналы (обычно электрические) и передачу >тих сигналов для обработки в систему управления. Например, в прин гере стоит датчик конпа листа бума- ги. Если лист кончается, принтер перестает печатать и звуковым сигналом сообщает об этом. Двоичная система счисления — позиционная система счисления с основанием 2. Для записи чисеп испотьзуются двоичные цигрры 0 и! Например, 101101 в двоичной системе равно чисчу. 1 2' т 0 24ч + 1 23 г 1 - 22 + 0 2‘ ч 1 • 2° - 45 в десятичной системе. Яв гяе гея о< новной в вычислительной технике, так как приборы, имеюшие льа устойчивых состояния, проше, чем приборы с любым др’т им числом
Глоссарий терминов и сокращений (русский язык) 553 состояний. Используются производные системы счисления (степе- ни 2) — восьмеричная и шестнадцатеричная. Двойная точность (Double) — числовое данное (с фиксирован- ной или плавающей точкой), размещенное в двух машинных словах, требует наличия операций специальной арифметики Двойное слово - машинное слово двойной длины — использует- ся для увеличения диапазона представления целых чисел. Двойные слова обрабатываются либо отдельными командами процессора, либо программно (эмуляция). Дефрагментация диска — процесс размещения файлов на смеж- ных секторах диска. Файлы при записи на диск ра сбиваются на фрагменты — кластеры, которые могут располагаться в разных час- тях диска Это связано с работой файловой системы ОС. Разбитые на куски файлы затрудняют доступ, увеличивают время обращения к файлам. Считается, что следует выполнять процедуру дефрагмен- тации диска раз в 1—2 недели. Соответствующие утилит ы имеются в любой операционной системе. В MS-DOS и Windows это программа defrag.exe. Джойстик (англ, joy stick — веселая палочка) — устройство ввода данных в компьютер. Представляет собой рычаг, выполненный в виде ручки, от поворота которой изменяется положение курсора на дисплее, и кнопки, которая фиксирует положение курсора. Часто применяется в компьютерных играх. Диалоговый режим — режим непосредственного взаимодействия между человеком и компьютером, компьютерами в сети или между компьютером и периферийным устройством, при котором связь ме- жду взаимодействующими системами не прерывается. Часто назы- вается интерактивным режимом или режимом «on-line». Дигитайзер (или диджитайзер, англ, digitizer — оиифровыва тель) — устройство для ввода графических данных в компьютер, которое может основываться на различных технических принципах. Как правило, при использовании любого из них контур изобра Ке- ния обводится специальным пером. Динамическая оперативная память (англ. Dynamic Random Access Memory — DRAM) — динамическая память с произвольным досту- пом — тип полупроводниковой оперативной памяти. Каждый дво- ичный разряд (бит) хранится в схеме, состоящей из транзистора и конденсатора. Если конденсатор заряжен, то это соответствует 1. раз- ряженный конденсатор соответствует 0. Транзистор управляет досту- пом к конденсатору. Микросхема ДОП содержит, как правило, 220 I 048 576 бит, и из них набирается оперативная память. В 1003 г.
554 Приложение 1 разработана микросхема емкостью 256 Мбит Пг мять называется ди- намической пот ому, что конденсаторы не могут долго храп ить заряд и их необходимо каждые несколько миллисекунд подзаряжать. Диск — носитель данных в форме круглой пластины, на кото- рую осуществляется запись разными способами. Часто под диском подразумеваются несколько дисков, объединенных в пакет. Устрой- ство, которое записывает (читает) данные на/с диск,'а, называется накопителем данных. Диски ра сличаются по способу записи1 ч гения данных, возможности их замены, плотности записи. По способу за- писи/чтения диски делятся на магнитные, лазерные (оптические), магнитооптические. Дисковод — устройство, управляющее вращением магнитного диска, чтением и записью данных на нем. Дисплей на ЭЛТ — дисплей, на экране которого изображ» ние создается с помощью электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) В дисплее на ЭЛТ изображение создается бомбардировкой флуоресцирующею экрана электронным лучом. Луч движется по экрану слева направо и сверху вниз, за один проход формирутотся все горизонтальные строки. Важными показателями являются: строчная частота дис- плея — число строк, формируемое дисплее и за 1 с; частота обновле- ния кадров (кадровая частота) Дисплеи на ЭЛ Г характеризуются размерами экоана по диагонали в дюймах (чем больше, тем лучше), и расстоянием между точками растра (шаг точки) в мм (чем мень- ше, тем лучше); для дисплея с диагональю — 14" нормальный шаг точки - 0,28 мм. Дисплеи на ЭЛТ должны быть безопасными с точ - ки зрения радиоизлучения, такие дисплеи маркируются LR (Low Radiation — низкое излучение). Дисплейная панель — дисплей, пост роенный на плазме нн< >й или жидкокристаллической технологии, в отличие от дисплея на ЭЛТ. Основные достоинства — отсутствие жесткою излучения. низкое энергопотребление, плоская констрмкция. Дисциплина обслуживания FIFO (First In First Out) — в поряпке пост упления: «первый пришел — первый обслуткивается». Все заяв- ки на обслуживание поступают в конец очереди. Первыми обе .ужи - ваются заявки, находящиеся в начале очереди Дисципгина обслуживания LIFO — ь порядке, обратном порядку пост упления: «последний ппишел перьый обслуживается* (Last In First Out). Является основой для построения стековой памяти. Дополнительный кпд — беззнаковая форма представлен ия чисе t со шаком В двоичной системе счисления дополнение к< ждой циф- ры выглядит как инвертирование двоичного разряда, т. е. замена 0
Глоссарии терминов и сокращений (русский язык) 555 на 1 и наоборот. Если же знак числа предст автяется старшим р< зря - дом машинного слова, то получается прос гой способ представления отрицательного числа: взять абсолютное значение числа в двоичной системе; инвертировать вес разряды, включая знаковый; добавит ь 1. Дорожка — концентрическая окружность на ма1 нит ной поверх - ности диска, где располагается информация. Дорожки нумеруются с 0-й (дорожка с самым большим радиусом). Доступ — возможность чтения/записи данных в любых типах памяти. Различают методы прямого (произвольного) и последова- тельного доступа, которые тесно связаны с устройствами. Прямой доступ означает, что чтение/запись конкретных данных возможна без чтения/записи других данных. Последовательный доступ пред- полагает просмотр многих, если не всех, данных, для тоге чтобы прочита гь/записат ь необходимые данные. На дисковых устройствах может быть организован как прямой, так и последовательный доступ к данным, поэтому дисковод называется устройством прямого дос- тупа. Магни гную лен гу в худшем случае надо перемотать всю, чтобы найти конкретное данное, поэтому магни гофон называется уст рой- ством последовательного доступа. Таким образом, методы доступа отличаются временем доступа: прямой — быстгый, последовате ть- ный — медленный. Драйвер (Driver) — резидентный программный модуль, осушест - вляющий управление внешним устройством и свя гь с операционной системой и прикладными программами. Драйвер может входить в состав библиотек операционной системы. При подключении к ком- пьютеру нового устройства необходимо иметь драйвер, который обеспечит работу гтого устройства. Разработка драйвера, если он не поставляется с устройством, возможна программистом. Дуплексное соединение — логическое или физическое соединение двух точек сети, между которыми может осушествлятьс* передача данных одновременно в обоих направлениях. Единая система ЭВМ (ЕС ЭВМ) — семейство компьютеров, объединенное единой идеологией, предназначенное охватить прак- тически все виды деятельности вычислительными услугами, кроме управления технологическими процессами. Разработку и производ- ство осуществляли с начала 80 х гг. группы институтов и заводов СССР Программно совместимы с компьютерами серий IBM-ЗбО и IBM-570. Выпускались машины от очень мошных — ЕС106С до перс онал ьных ЕС 1845. Жесткий магнитный диск (ЖМД. НЖМД) — диск .для долговре- менного хранения данных на компьютерах В отличие от гибкого
556 Приложение I магнитного диска, который является съемным, жесткий маюитный диск никогда не снимается, он составляет единое целое с дисково- дом, Поэтому жесткий магнитный диск и накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД) являются для пользова' еля совпал тощи- ми понятиями. Как правило, в накопителе имеется несколько дис- ков, образующих пакет. Сам диск сделан из алюминиевого сплава и магнитного покрытия. Диски вместе с высокоскорос гным двигате- лем и тонкопленочными головками чтения/записи помещается в герметический корпус. Существуют переносные жесткие магнитные диски, которые подключаются к параллельным портам компьютера Запоминающее устройство (ЗУ) — устройство для записи, хра- нения и выдачи данных. Различают устройства; долговременного и оперативною хранения данных, они же энергонезависимые и знер гозависимые; только дтя чтения данных (пос гояннос запоминающее устройство, компакт-диски) и как цля чтения, так и для записи. В зависимости от физических при нципов хранения данны < различа- ют; магнитные, магнитооп гические, оптические и полупроводнико- вые (схемные) устройства. Защита памяти — осуществляется путем блокировки доступа к памяти других процессов, а также блокировки достутта к памяти ядра. Один из способов — вся память делится на страницы, и у каж- дой есть замок - 4-битовый признак, который можно установить только привилегированной командой. В процессоре есть 4-6 ттовый регистр — ключ, который i акже можно установить i олько привиле- гированной командой. При обращении происходит сравнение замка и ключа. С появлением многозадачности появилась проблема рас- пределения памяти. Защищенный режим (protected mode) — режим работ ы процессо- ра Intel 386, при котором он выполняет множество проверок кор- ректности обращений к памяти, вы ювов функций, досту па к пос- там ввода-вывода и т. д. Такая защищенность позволяет операцион- ной системе обрабатывать ошибочные операции. Звезда — способ сое тинения компьютеров в сет ь. при котором один компьютер выделяется и объявляется главным (юловным), а все остальные соединены с ним напрямую. Передан ь данные от од- ного периферийного компьютеоа к доугому можно только через го- ловной компьютер При выходе из строя юловиого компьютера вся сеть становится неработоспособной. Интегральная схема — реализация электронной схемы, выпот няюшей некоторую функцию, в виде единого полупроводникового кристалла, в котором изготовлены все компоненты, необходимые
Глоссарий терминов и сокращении (русский язык) 557 для осуществления этой функции. Включает совокупность транзи- сторов, диодов, конденсаторов, резисторов и др. связанных между собой микропроводниками. По количеству элементов интегральные схемы условно делят на малые (МИС) — с количеством элементов в кристалле до 10? (100), средние (СИС) — до 103 (1000), большие (БИС) — до Ю4 (10 000), сверхбольшие (СБИС) — до 106 (I 000 000), ультрабольшие (УБИС) — до 109 (1000 000 000) и гигабольшие (ГЬИС) — более 109 элементов в кристалле. В литературе можно ветре гит ь другое название интегральной схемы — чип, от англ, chip — тонкий кусочек. Интерфейс (англ, inter — между и face — лицо) — 1) взаимодей- ствие между элементами системы или системами; 2) совокупность средств, стандартов, сигналов, обеспечивающая обмен данными ме- жду устройствами; 3) взаимодействие между человеком и компью- тером. Информация, единицы измерения — элементарной единицей ин- формации является бит — это один двоичный разряд. 8 бит образует 1 байт. Информация в памяти ЭВМ измеряется в следующих еди- ницах: килобайт (Кбайт), который равен 1000 байтам (1 Кбайт = = 1024 байта (210)); мегабайт (Мбайт), который равен 1000 килобай- там (1 Мбайт = 1024 Кбайт); гигабайт (Г) равен 1000 мегабайт (1 Гбайт = 1024 Мбайт). Исключения (exception) нештатные ситуации (ошибки), возни- кающие при работе процессора. При выявлении таких ошибок co- ot ветствующие блоки, контролирующие работу процессора, выраба- тывают внутренние сишалы запроса, обеспечивающие вызов необ- ходимой подпрограммы обслуживания. Исполняемый модуль —- модуль, содержащий готовую к выполне- нию программу, может быть двух видов: точный образ памяти про- граммы с привязкой к абсолютным адресам (в MS-DOS — формат файла *.СОМ); перемещаемый исполняемый формат. Источник бесперебойного питания (ИЫ1) — система, которая обеспечивают защиту электронных поиборов, в том числе: компью- теров и сетей, от бросков напряжения, перекоса фаз или внезапного прекращения подачи энергии. Обычно такие сбои приводят к порче или потере данных Существует много видов ИБП — от простых до самонастраивающихся. Как правило, ИБП состоит из электронных схем и батарей аккумуляторов, которые при нарушениях в питании переходят на автономное питание, обеспечивающее сохранение дан- ных в системе
558 Приложение 1 Итерационный цикл — вид цикла, для которого число повторе- ний операторов тела цикла заранее неизвестно. На каждом шаге вы- числений происходят последовательное приближение и проверка условия достижения искомого результата. Выход из цикла осущест- вляется в случае выполнения заданного условия. Канал связи — технические устройства и физическая среда, обес- печивающие передачу данных. Каналы связи разделяются на анало- говые и цифровые, на телефонные, телеграфные, радиола л стгые, телевизионные, инфракрасные и оптические. Кроме этого, каналы связи бывают выделенные и коммутируемые. Дуплексный канат — канал, по которому передача данных происходит в оба направления одновременно. Симплексный канал — канал, по которому передача данных в каждый момент времени происходит только в одном на- правлении. Основной характеристикой канала является его пропуск- ная способность. Картридж ^англ. cartrige — патрон, кассета) — сменяемая часть устройства. Обычно это кассета, в кот орой хранится красящая лента для принтеров, тонер для лазерных принтеров или множительных аппаратов, чернила для струйных принтеров и пр Картридж полно- c. ью готов к работе, для этого его достаточно вставить на месте. Каталог файлов — логическое разбиение дисковой памяти (для операционных систем UNIX, MS DOS, Windows и ряда других» на части, в которых могут храниться файлы и другие каталей. Сово- купность каталогов создает дерево каталогов с корневым каталогом Все каталоги, кроме корневого, называются подкаталогами, но так как свойст ва у каталога и подкатало! а одинаковы, то применяют об- щее название — кагало!. В каждом катало! е могут быть др, гие ката- логи и файлы. В одном каталоге не может быть непосредстве» ных подкаталогов и-файлов с одинаковыми именами. Чтобы с_етать доступным какой-либо файл, необходимо указать последовательно все промежуточные каталоги, начиная с корневого, и разделить их символом «\»; последним указывается имя требуемого файла. Килобайт (Кбайт) — елинипа измерения количества данных или обьема памяти, равная 210 = 1024 байтов. Иногда считают что 1 Кбайт = IО3 = 1000 байтов. Расхождение составляет 2 4 %. Пра- вильнее говорить "Кбайт", потому что 'кило* обычно означает 1000. Клавиатура — устройство, предназначенное для ручного ввода данных в компьютер Клавиатуры различаются количеством кла- виш Стандартным для IBM-подобных компьютеров является кла- виатура со 101 клавишей, где выделены блоки функциональных клавиш; букв, цифр и вспомогательных символов, к гавиш упранле-
Глоссарии терминов и сокращении (русский язык) 559 ния курсором; цифровой клавиатуры (дублируется для удобства вво- да). При каждом нажатии клавиши в память посылается не код сим- вола, который нарисован на клавише, а код клавиши, который за- тем программным путем связывается с символом. Кластер (англ, cluster — группа) — единица хранения данных на гибких и жестких дисках. Кластер содержит несколько рядом стоя- щих секторов. Клиент (Client) — программно-технический комплекс, обеспе- чивающий интерфейс с пользователем (другой активной стороной) при отправлении и получении запросов от сервера. Клиент-сервер архитектура (Client-Server) — распределенная обработка запросов в сети, реализуемая на двух взаимодействующих программно-технических комплексах (клиент и сервер). Коаксиальный кабель (лат. со — совместно и axis — ось) — ка- бель, состоящий из двух соосных проводников, между которыми расположен и золятор. Используется в каналах связи компьютерных сетей. Применяется для передачи сигналов с несущей частотой до 3 1О10 Гц. Коаксиальный кабель, предназначенный для работы на частотах ниже 105 Гц, называется экранированным проводом. Код ASCII (англ. American Standard Code for Information Interchange — Американский стандартный код для обмена информаци- ей) — стандарт кодирования символов латинского алфавита, цифр и вспомогательных символов или действий в виде однобайтового дво- ичного кода (1 байт = 8 бит). Первоначально стандарт определял только 128 символов, используя 7 битов (от 0 до 127). Использова- ние всех восьми битов позволяет кодировать еще 128 символов. В этом случае говорят о расширенном ASCII-коде Дополнительные символы могут быть любыми, им отводятся коды от 128 до 255. Рус- ские символы кодируются именно в этой части ASCII кода. Напри- мер, служебное действие «ввод» (клавиша <Enter>) имеет код — 13, символ «1» имеет кол 49, символ «W» — 87, символ «w» — 119, рус- ские символы «Б» и «б» — соответственно, 129 и 161 (при альтерна- тивной кодировке). Другие обозначения - 1А-5, ANSI X 34, ISO-7 (код ISO-"7 отличается десятью кодовыми комбинациями, зарезер- вированными для национальных применений). Код EBCDIC (EBCDIC code) — внутренний 8 -битовый код хра- нения символьной информации в больших машинах (mainframes) фирмы IBM и ряда других — Extended Binary Coded Decimal Interchange Code. Код Unicode — стандарт для представления символов с использо- ванием )6-разрядных кодов (2 байта). Допускает 65 536 символов.
560 Приложение 1 Стандарт должен в перспективе заменить ASCII, так как удобнее пользоваться одним кодом для разных языков, чем менять переко- дировочные таблицы в ASCII-коде. Код Бодо (Baudot code) международный телеграфный код IA-I (International Aphabet 1), предшественник IA-2 (М-2, МККТТ-2, CCITT-2). Код МККТГ-2 (CCITT-2 code) — телеграфный код, предложен- ный Международным Консультативным комитетом по телефонии и телеграфии (МККТТ), бинарный, 5-разрядный, трехрегистровый; он же IA-2 (International Alphabet 2). Код Холлерита (Hollerith code) — код, используемый для пред- ставления информации на 80-колонных перфокартах, 12-разряд - ный, избыточный. Кодек (англ. CODEC — COmpress — DECompress — сжимать — восстанавливать) — аппаратно-программный комплекс, обеспечи- вающий работу персонального компьютера с видеоинформацией. Кодек позволяет добиваться качества работы видеомагнитофона за счет использования аппаратных и программных методов сжатия данных. Кодирование (Coding) - установление согласованного (узаконен- ного) соответствия между набором симво юв и сигналами или бито- выми комбинациями, представляющими каждый символ для целей передачи, хранения или обработки данных. Кодовая таблица (Code Page) — таблица, устанавливающая стандарт изованное соответствие графических символов и бинарных кодов, определяемое применением (алфавит, программы, устройст- ва ЭВМ). Кольца — способ соединения компьютеров в сеть, когда данные в сети передаются последовательно от одной станции к другой. Как правило, данные передаются только в одну сторону, поэтому, чтобы передать сообщение рядом стоящему, но находящемуся против дви- жения данных компьютеру, нужно пройти все компьютеры в сети. Преимущество - простота управления, недостаток — возможность отказа всей сети при сбое в канале между двумя узлами Команда представляет собой многоразрядное двоичное число, которое состоит из двух частей (полей) — кода операции (КОП) и адресной части (АДЧ). Код операции КОП задает вид операции, вы- полняемой данной командой, а АДЧ определяет выбор операндов (способ адресации), над которыми производится заданная операция В зависимости от типа микропроцессора команда может содержать различное число разрядов (байтов). Например, команды процессе-
Глоссарии терминов и сокращений (русский язык) 561 ров Pentium содержат от 1 до 15 байтов, а большинство процессоров с RISC-архитектурой использует фиксированный 4-байтный формат для любых команд. Командный язык модема (Modem AT-command (Hayes AT com- mand)) элемент командного языка, управляющего работой Hayes- совместимого модема Команды арифметических операций. Основными в этой группе являются команды сложения, вычитания, умножения и деления, которые имею! ряд вариантов. Команды сложения add и вычитания SUB выполняют соответствующие операции с содержимым двух ре- гистров, регистра и ячейки памяти или с использованием непосред- ственного операнда. Команды ADC, SBB производят сложение и вы- читание с учетом значения признака с, устанавливаемого при фор- мировании переноса или заема в процессе выполнения предыдущей операции. Команда neg изменяет знак операнда, переводя его в до- полнительный код. Операции умножения и деления могут выпол- няться над числами со знаком (команды imul, idiv) или без знака (команды MUL, Div). Один из операндов всегда размещается в реги- стре, второй можез находиться в регистре, ячейке памяти или быть непосредственным операндом. Результат операции располагается в регистре. При умножении (команды mul, IMUL) получается резуль- тат удвоенной разрядности, для размещения которого используется два регистра. При делении (команды DIV, IDIV) в качестве делимо- го используется операнд удвоенной разрядности, размещаемый в двух регистрах, а в качестве результата в два pei истра записывается частное и остаток. Команды битовых операций. Эти команды производят установку значения признака С в регистре состояний в соответствии со значе- нием тестируемого бита Ьп в адресуемом операнде. В некоторых микропроцессорах по результату тестирования бита производится установка признака Z. Номер тестируемого бита п задается либо со- держимым указанного в команде регистра, либо непосредственным операндом. Команды ввода IN и вывода OUT реализуют пересылку данных из регистра процессора во внешнее устройство или прием данных из внешнего устройства в регистр В этих командах задается номер ин- терфейсного устройства (порта ввода-вывода), чере з которое произ- водится передача данных. Многие процессоры не имеют специаль- ных команд для обращения к внешним устройствам. В этом случае ввод и вывод данных в системе выполняется с помощью команды MOV, в которой задается адрес требуемого интерфейсного устройст-
562 Приложение 1 ва. Таким образом, внешнее устройство адресуе гея как ячейка па- мяти, а в адресном пространст вс выделяется опретеленный раздел, в котором располагаются адреса подключенных к системе интер фейсных устройств (портов). Команды логических операций. Практически все процессоры про- изводят логические операции И. ИЛ И. исключающее ИЛ И, которые выполняются над одноименными разрядами операндов с помощью команд and, од, XOR. Операции выполняются над содержимым двух регистров, регистра и ячейки памяти или с использованием непо- средственного операнда. Команда NOT инвертирует значение каж- дого разряда операнда. Команды организации программных циклов осуществляют услов- ный переход в зависимост и от значения содержимого заданного ре- гистра, который используется как счетчик циклов. Например, в процессорах Pentium для организации циклов используется команда loop и регистр есх. Команда loop уменьшает содержимое есх на 1 (декремент) и проверяет полученное значение. Если содержимое FCX * 0, то выполняется переход к команде, адрес которой опреде- ляется с помощью относительной адресации (смещение задана в команде LOOP) Если ЕСХ = 0, то выполняется следующая команда программы. Команды пересылки. Основной командой этой группы является команда MCV, которая обеспечивает пересылку данных мехду двумя регистрами или между регистром и ячейкой памяти. В некоторых процессорах реализует ся Пересы, [ка между двумя ячейками п змия и, а также групповая пересылка содержимого нескольких регистров в память или их загрузка из памяти Команды прерываний INT обеспечивают переход к одной из про- грамм обслуживания исключений и прерываний (обработчику’ пре- рываний 0) При этом текущее содержимое PC и pel истра состояния заносится в стек. Каждая из ппограмм обработки соответствует оп- ределенному’ типу исключения или прерывания. Например. в про- цессорах Pentium выбор программы обработки определяется 8-рьз- рядным операндом, задаваемым во вт ором байте команды INT. Вы- зов соответствующей upoi раммы обслуживания производится с помощью таблицы в которой содержатся векторы исключений (пре рываний) — адреса первых команд программ обслуживания. Команды расширения SIMD ("Single Instruction- Multiple Da‘a» — "Одна команда — Множество данных»). Такие операции широко используются для обработки изображений, звуковых сип н мюв и в других приложениях. Дл« исполнения этих операций в состав про-
Глоссарий терминов и сокращений (русский язык) 563 цессоров введены специальные блоки, реализующие соответствую- щие наборы команд, которые в различных типах процессоров (Pentium, Athlon) получили название ММХ («Milti-Media Extcn sion») — Мультимедийное расширение; SSE («Streaming SIMD Extension») — Потоковое SIMD-расширение; «3D — Extension» — Трехмерное расширение. Команды сдвига. Процессоры осуществляют арифметические, логические и циклические сдвши адресуемых операндов на один или несколько разрядов. Сдвигаемый операнд может находиться в регистре или ячейке памяти, число разрядов сдвига задается с помо- щью непосредственного операнда, содержащегося в команде, или определяется содержимым заданного регистра. В реализации сдвига обычно участвует признак переноса С в регистре состояний (SB или EFLAGS), в котором располагается последний разряд операнда, вы- двигаемый из регистра или ячейки памяти. Команды сравнения и тестирования. Сравнение операндов обыч- но осуществляется с помощью команды СМР, которая производи! вычитание операндов с установкой значений признаков N (знака), Z (ноля), V (переполнения), с (переноса) в регистре состояния в со- ответствии с полученным результатом. При этом результат вычита- ния не сохраняется и значения операндов не изменяются. После- дующий анализ полученных значений признаков позволяет опреде- лить относительное значение (>, <, =) операндов со знаком или без знака Использование различных способов адресации позволяет производить сравнение содержимого двух регистров, регистра и ячейки памяти, непосредственно заданного операнда с содержимым регистра или ячейки памяти. Команда тестирования TST — является однооперандным вари- антом команды сравнения. При выполнении этой команды устанав- ливаются признаки N, Z в соответствии со знаком и значением (рав- но или не равно нулю) адресуемого операнда. Команды управления признаками обеспечивают запись-чтение со держимого регистра состояния, в котором хранятся признаки, а так- же изменение значений отдельных признаков. Например, в процес copax Pentium реализуются команды LAHF и SAHF, которые выпол- няют загрузку младшего байта, где содержатся признаки, из регистра состояния EFLAG в младший байт регистра ЕАХ и заполне- ние младшего байта eflags из регистра еах. Команды управления проиессором — команды останова, отсутст- вия операции и ряд команд, определяющих режим работы процес- сора или его отдельных блоков. Команда HLT прекращает выполне-
564 Приложение 1 ние программы и переводит процессор в состояние останова, выход из которого происходит при поступлении сигналов прерывания или перезапуска (Reset). Команда NOP («пустая» команда), которая не вызывает выполнения каких-либо операций, служит для реали тации программных задержек или заполнения пропусков, образовавшихся в программе. Специальные команды сы, st i запрещают и разре шают обслуживание запросов прерывания, устанавливая соответст- вующее значение бита управления I в регистре состояния процессе • ра. В процессорах Pentium для этого используется бит управления (флаг) if в регистре eflags. Команды условных переходов (ветвлений программы) прои зволят загрузку в СчАК нового содержимого, если выполняются опреде- ленные условия, которые обычно задаются в соответст вии с теку- щим значением различных признакоь в регистре состояния. Если условие не реализуется, то выполняется следующая команда про- граммы. Коммутация — 1) процесс соединения или переключения вы- числительных систем, в том числе компьютеров; 2) раз тичают ком- мутацию пакетов сообщений, под которой понимают объединение некоторых данных и их передачу по каналам связи. Коммутируемые каналы связи — каналы связи общего назначе- ния, которые используются конкретной сетью только на момент связи. В территориальных и глобальных компьютерных сетях, как правило, используются телефонные каналы общего назначения, ко- торые по вызову подключаются (коммутируются) к данной сети Коммутируемые каналы являются низкоскоростными в отличие от выделенных каналов. Компакт диск — диск для постоянного хранения данных, прел - ставляющий собой круг из пластика или алюминиевого сплава, по- кры гый защитной прозрачной пленкой. Запись производится по ол - ной спиралевидной, очень длинной дорожке настолько плотно, что на 5-дюймовый диск помешается до 700 Мбайт данных. Осз шест в- ляется запись в стапионаоных условиях на специальных устройст- вах. и затем для массового потреб юния ш гампуются компакт-диски только для чтения (CD ROM - С ornpact D’sk Re id Only Mi mory). Компьютер — программируемое электронное устройство, спо- собное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнят ь другие задачи манипулирования символами. Основу компьютеров образует аппара гура (hardware), построенн: ч, в основ- ном, с использованием элект ронных и электромехаг ичсских Эш- ментов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в вы
Глоссарии терминов и сокращений (русский язык) 565 полпенни программ {software) — заранее заданных, четко определен- ных последовательностей арифметических, логических и других операций. Конечный пользователь (End User) — пользователь, на обслужи- вание которого ориентирована система (информационно-поиско- вая, операционная и пр.). Контроллер (англ, control — управлять) — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с цен тральным процессором, освобождая процессор от непосредственно- го управления функционированием данного оборудования. Кон- троллер выполняет интерпретацию команд процессора для отдель- ных устройств. Косвенная адресация — случай, когда машинное слово содержит адрес другого машинного слова. Тогда доступ к данным во втором машинном слове через первое называется косвенной адресацией Команды косвенной адресации имеются в любом компьютере и яв- ляются основой любого регулярного процесса обработки данных. Действительно, содержимое первого машинного слова можно фор- мировать программно, работая с различными (например, последо- вательно расположенными) словами памяти. Курсор — светящийся участок на экране дисплея, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак. Кэш-память — сверхоперативная память, обращение к которой намного быстрее, чем к оперативной, и в которой хранятся наибо- лее часто используемые участки последней. При обращении к памя- ти сначала нужные данные ищутся в кэш-памяти. При отсутствии производится обращение к оперативной памяти, в результате общее время доступа к памяти сокращается. Логические операции — над значениями условных выражений можно выполнить логические операции И (&, AND). ИЛИ (|, OR) и НЕ (!, NOT), которые объединяют по правилам логики несколько условий в одно. Благодаря тому, что любая логическая операция может быть представлена с помощью трех основных логических операций, набора элементов И, ИЛИ и НЕ в принципе достаточно для построения любого устройства процессора компьютера, а также для описания любых алгоритмов. Логический элемент (вентизь) — часть электронной логической схемы, выполняющая элементарную логоческую функцию. Логическое высказывание любое предложение, в отношении которого можно однозначно сказать, истинно оно или ложно.
566 Приложение 1 Логическое устройство — устройство, созданное программным способом, но функционально работающее как физическое. Одному логическому устройству может соответствовать несколько физиче- ских и наоборот. Например, один физический жесткий диск может быть поделен на несколько логических дисков. Лэптоп (наколенник) — laptop — портативный компьютер, по своим размерам близкий к портфелю. По бысгродействию и памяти примерно соответствует настольным персональным компьютерам. Магистрально-модульная структура — распространенная струк- тура микропроцессорных систем, в которой отдельные устройства (модули), входящие в состав системы, обмениваются информацией по общей системной шине — магистрали. Магнитооптический накопитель — накопитель для работы с маг- нитооптическими дисками. Магнитооптический диск (МО-диск) изготавливается из алюминиевого сплава и заключен в пластиковую оболочку. Технология записи данных: лазерный луч нагревает точку на диске, а электромагнит изменяет магнитную ориентацию этой точки в зависимости от того, что необходимо записать — «О» или «1». Считывание производится лазерным лучом меньшей (чем при записи) мощности, который, отражаясь от этой точки, меняет свою полярность. Время доступа к данным составляет около 50 мс. Манипулятор (лаз. manus — рука) — устройство, позволяющее управля гь состоянием компьютера, в том числе и вводи гь данные с помощью рук. К манипуляторам относятся джойстик, мышь, трек- бол, сенсорная панель, перо, трекпойнт, J-клавиша. Маршрута атор — электронное устройство, иногда с программ- ным блоком, определяющее оптимальный путь (маршру-i) пакета сообщений в компьютерных сетях. Масштабируемость — свойство системы или ее отдельных час- тей, характеризующее возможность системы приспосабливаться к уменьшению или увеличению ее отдельных параметров. Например, операционные системы Windows имеют масштабируемый пользова- тельский интерфейс, который обеспечивает одинаковый внешний вид при использовании дисплеев разных размеров. Математический сопроцессор — интегральная схема, дополни- тельная к главному (центральному процессору), которая выполняет команды, работающие с числами, представленными в форме с пла- вающей точкой (запятой). За счет использования сопроцессора ско- рость работы ПК увеличивается в 4—20 раз. Этот выигрыш получа- ется не только при решении вычислительных задач, но и при работе с графикой. При работе с текстами сопроцессор не используется
Глоссарий терминов и сокращений (русский язык) 567 Для микропроцессора 18O86 выпускался сопроне» сор i8087, для i80286 — i80287. С микропроцессором i80386 moi ут использоваться сопроцессоры 180287 и 180387. М икропроцессоры i486 выпушены со встроенным сопроцессором, однако в клоне i486SX сопроцессор за- блокирован. Матричный принтер — принтер, у которого печатающий узел представляет собой металлическую пластину с отверстиями (матри - цу), в которых свободно двигаются штырьки (иголочки). Штырьки, управляемые магнитом, бьют по красящей ленте (такой же. как у пишущей машинки), и на бумаге точками создается символ. Мат- ричный принтер обеспечивает приемлемую скорость печати и каче- ство. Ос новной нелостаток — значительный шум при печати. Ино- гда говорят: игольчатая печать, печать ударного типа. Машинное слово — упорядоченное множество двоичных ра зря- дов, используемое для хранения команд программы и обраба гывас- мых данных. Каждый разряд, называемый битом, — это двоичное число, принимающее значения только 0 или 1. Р< 1ряды в слове обычно нумеруются справа налево начиная с 0. Количество разря- дов в слове называет ся размерностью машинного слова или его раз- рядностью. Машинный язык — совокупность машинных команд компыоте - ра. отличающаяся количеством адресов в команде, назначением ин формации, з сдаваемой в адресах, набором операций, которые может выполнить машина, и др МДП-структура — структура «металл диэлектрик—полупровод - ник», используемая при создании электронных приборов, в том чис- ле микропроцессоров, памяти для компьютеров Представляет собой упорядоченную совокупное] ь очень тонких (менее 1 мкм' с тоев ме- талла и диэлектрика, ншесенных на полупроводниковую пластин^. Если в качест ве диэлектрика используются оксиды (оксид алюминия, диоксид кремния), то образуется МОП-струкгура (< металл— ок- сид— полупооволник»). Метод со щания приборов на основе л аких с тру ктур называете я МД11 технологией или МОП технологией. Мегабайт (Мбайт) — единица измерения количества данных или объема памяти, равная 2*° = 1 04е 576 байт. Hnoiaa считают, что 1 Мбайт - I')6 - 1 000 000 байт Ра< хождение составляет более 4.8 %. Медленная связь — подключение через модем (бне гродействие от 9600 до 28 800 бит/с) Микрокоманда — элементарное действие, обеспечивающее вы- полнение заданной операции. УУ процессора генерирует последова тельное гь микрокоманд в соответ» твии с кодом поступившей ко-
5Ь8 Приложение 1 манды. Каждая микрокоманда выполняется в течение одного ма- шинного такта — периода тактовых импульсов, задающих рабочую частоту всех внутренних узлов и блоков микропроцессора. Таким образом, тактовая частота микропроцессора определяет время вы- полнения отдельных микрокоманд, последовательность которых обеспечивает получение необходимого результата операции (посту- пившей команды). Микрокомпьютер — компьютер, в котором в качестве управляю- щего и арифметического устройства используется микропроцессор. Микрометр (мкм) — 10 6 м, 1000 нанометров (нм). Микропроцессор — программно-управляемое устройство для об- работки цифровой информации и управления процессом обработ- ки, реализованное в виде большой (БИС) или сверхбольшой (СБИС) интегральной микросхемы. Микропроцессоры встраивают - ся в устройства управления и входят основной частью в компьютер. Известны микропроцессоры для персональных компьютеров фирмы Intel. Например, в автомобиле марки «БМВ» установлено 51 инте- гральные схемы, которые управляют тормозами с антиблокировкой и воздушными подушками безопасности, в доме средней американ- ской семьи используется около 50 интегральных схем, управляющих бытовыми приборами Микропроцессор содержит устройстве управления (УУ), операционное устройство (ОУ) и регистровое за- поминающее устройство (РЗУ) — внутреннюю память, реализован- ную в виде набора регистров. Микросекунда (мс) — 10* с, 1000 наносекунд (нс) Многозадачность — режим одновременного решения несколь- ких задач на компьютере. Под задачей в данном случае понимается часть работы, выполняемой процессором Модем (Modem) — устройство преобразования цифровой ин- формации в аналоговую и обратно посредством модуляции/демоду- ляции несушей частоты для передачи данных по телефонным лини - ям. Дискрет ные (двоичные) данные из компьютера попадают в мо- дем. где кодируются соответствующим образом (модулируются} и передаются в линию связи. На другом конце линии они попадают в другой модем, где преобразуются (демодулируются) в двоичные сиг- налы и поступают в принимающий компьютер. МОП-структура — структура материала, из которо! о изготовля- ются транзисторы, конденсаторы и др электронные приборы Со- кращение от «металл—оксид—полупроводник». Мультимедиа — собирательное понятие для различных компью- терных технологий, при которых используется несколько информа-
Глоссарий терминов и сокращений (русский язык) 569 ционных сред, таких, как графика, текст, видео, фотография, движу- щиеся образы (анимация), звуковые эффекты, высококачественное звуковое сопровождение. Мультимедиа-компьютер — это компью- тер, снабженный аппаратными и программными срецся вами, реали- зующими технологию мультимедиа Мультиплексирование линий адреса и данных — используется в некоторых системах для уменьшения числа необходимых линий связи и соответствующих выводов и контактов. В этом случае «ля передачи адреса и данных используются одни и те же линии связи, на которые сначала выдается адрес, а затем поступают данные. На- пример, 16-разрядные микроконтроллеры семейства MCS-196. вы- пускаемые компанией Intel, имеют мультиплексированную 16-раз- ря тную шину адреса данных AD. Мышь (mouse) — манипулятор, позволяющий выбирать данные на дисплее, вводить графические данные. Представляет собой шар и две или три кнопки. Шар заставляет курсор перемещаться по экра- ну, а кнопки играют роль клавиш <.Enter> (ввод) и <Esc> (выход) Удобство применения мыши заключается в непосредственном До- ступе к каждой точке экрана. Название устройство получило за свое сходство с настоящей мышью, за счет «хвоста» — провода, соеди- няющего устройство с процессорным блоком Мэйнфрейм (анг. i. main — главный, frame — сооружение, буксир, гягач) — большой очень мощный компьютер общего назначения, используемый для работы в качестве суперсерверов в мощных сетях и объемных научных расчетах. М шнфреймы занимают промежуточ- ное место между персональными и суперкомпьютерами Набор импульсный/тональный (Dialing Pulse/Tone) — операции установления соединения по коммутируемым телефонным канал тм, выполняемые модемом. Накопитель на гибком магнитном диске (НГМД) — устройс гво для записи/чтения данных на гибкий плас гиковый диск, покры гыи магнитным слоем. Устройство состоит из двух двигателей, один из которы < вращает диск (360 об/мин), а другой (шаговый) передвига- ет головки ч^ения/записи по конценгричсским окружностям (тре кам). Диски свободно вставляются в устройство. НГМД часто назы вают 'дисководом. Различают тва типа НГМД по размеру рабочего диска 5,25" (называются пятидюймовые) и 3,5" (называются трех- дюймовые) Количество записываемых данных зависит как от нако- пителя так и самого диска. На 5-дюймовых записывают дан пне объемом от IКбайт до 1 2 Мбайт Нэ 3 дюймовых — 720 Кбайт - 1,44 Мбяй г На ПК обычно устанавливают ощн ^-дюймовый и
570 Приложение 1 один 3-дюймовый дисководы. В последнее время от 5-дюймовых дисководов отказываются. Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД) - устройст- во для записи/чтения данных на жестком диске (иногда называют «винчестером»). НЖМД впервые использован в персональном ком- пьютере в 1983 г. фирмой IBM Наиболее массовое запоминающее устройство большой емкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины — платтеры, обе поверх- ности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения больших объемов информации. На каж- дый диск приходится две (на каждую сторону) головки чтения/за- писи. Имеется два двигателя, один из которых вращает диски (3600—7200 об/мин), второй перемешает головки по трекам (в по- следнее время вместо двигателя ставят электрома! нит). Двигатели, и головки, и диски помещены в металлический герметический кор- пус. За счет герметичности и постоянства дисков достигается высо- кая плотность записи и, следовательно, возможность хранить боль- шие объемы данных (до 100 Гбайт). Есть несколько версий проис- хождения названия «винчестер». Приведем две из них: от названия города Winchester в Англии, в котором филиалом фирмы IBM раз- работан данный тип накопителя; от маркировки первого жесткого диска, сходной с калибром знаменитой винтовки Winchester (30/30). Здесь тоже 2 легенды: 1) диск имел емкость 30 Мбайт , время досту- па 30 миллисекунд; 2) накопитель состоял из двух дисков по 30 Мбайт каждый. Накопитель на компакт-диске (CD-ROM) — накопители также называют оптическими Технологию CD ROM изобрел в 1965 г Джеймс Рассел (James Russell). Устройство позволяет только считы- вать данные с компакт-диска, именно поэтому на английском язы- ке он называется CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory’ — Память только для чтения на компактном диске). Содержит двига- тель для вращения диска, генератор лазерного луча и преобразова - тель отраженного лазерного луча в электрические сигналы, соответ- ствующие «0» и «1». На компакт-диск предварительно в стационар- ных условиях записываются данные в виде микроскопических меток, отражающих или рассеивающих лазерные лучи и располо- женных последовательно на одной спиралевидной дорожке. Про- цесс чтения происходит следующим образом: на дисковод устанав ливается носитель (компакт-диск), этот диск начинает вращаться относительно лазерной головки; луч лазера попадает на диск и от- ражается с разной интенсивностью в зависимости от того, попал ли
Глоссарий терминов и сокращений (русский язык) 571 на отражающую или рассеивающую поверхность; отраженный луч попадает на фотодиод, с помощью которого импульсы света пре вращаются в нули и единицы. Накопитель CD-ROM имеет высо- кую скорое ть передачи данных. За единицу скорости такого нако- пителя принимают 150 Кбайт/с, в настоящее время выпускаются 50-скорост ные (150 х 50 = 7,5 Мбай г/с) накопители. Накопитель на компакт-диске (CD-ROM) Технологию оптиче- ских накопителей CD-ROM изобрел в 1965 г. Джеймс Рассел (James Russell). Накопитель CD-ROM имеет высокую скорость передачи данных. За базовую единицу скорости такого накопителя принима- ют 150 Кбайт/с, отношение скорости к базовой называют х-факто- ром. В настоящее время выпускаются 50х-скоростные (150x50 = - 7.5 Мбайт/с) накопители. Накопитель. Ус гройство для записи/чтения данных на/с опреде ленный носитель. Накопители относятся к внешним запоминаю- щим устройствам. Различают накопители на дисках, лентах, картах. Ра сличают также накопители: со съемными носителями (в этом слу - чае носитель данных можно поменять — например, гибкие магнит - ные диски, магнитные ленты); с постоянными носителями (в этом случае носитель встроен в накопитель и его нельзя сменить, напри- мер, жесткий магнитный диск). Существуют переносные накопите- ли, которые можно свободно и быстро менять, например, специаль- ные съемные накопители на жестком машитном диске (НЖМД) Переносные накопи гели обычно подключаются к порту 1_РТ. Каж- дому накопите пю должен соот ветствовать адаптер, который ино1 да рассматривают как часть накопителя, а иногда как самостоятельное устройство, например, в компьютерах PS/2 адаптеры накопи геля на гибких магнитных дисках и НЖМД встроены в системную плату. Нанометр (нм) — 10 9 м = 0,001 микрометра (мкм) Наносекунда (нс) — 10 4 с = 0,001 микросекунды (мс). Нанотехнология — технология изготовления интегральных схем для процессоров в компьютерах, основанная на работе на уровне молекул и атомов Базируется на величинах, соответствующих нано- метрам и наносекундам. Например, выражение «технология (про цесс) 130 нм (ити 0,13 мкм)» означает, что размеры структурного элементов микросхемы не превосходят 130 нм. Нит — единица яркости (кандела на квадратный метр, кд/м2) Ноутбук (блокнот) — портативный компьютер, по своим ра ше- рам близкий К книге Крупного формата помещается в порт-
572 Приложение 1 фель-дипломат. Обычно комплектуется модемом и снабжается при- водом CD-ROM Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) служит для хране- ния выполняемой программы (или ее фрагментов) и данных, подле- жащих обработке В простейших микропроцессорных системах объ- ем ОЗУ составляет десятки и сотни байт, а в современных персо- нальных компьютерах, серверах и рабочих станциях он достигает сотен Мбайт и более. Так как обращение к ОЗУ по системной шине требует значительных затрат времени, в большинстве современных высокопроизводительных микропроцессоров дополнительно вво- дится быстродействующая промежуточная память (кэш-памя гь) ог- раниченного объема (от нескольких Кбайт до сотен Кбайт). Операции управления программой. Для управления программой используется большое количество команд, среди которых можно выделить: команды безусловной передачи управления; команды ус- ловных переходов; команды организации программных циклов; ко- манды прерывания; команды изменения признаков. Основание системы счисления — количество различных цифр, используемых для изображения чисел в данной системе счисления. Открытых систем взаимодействие (OS1) — совокупность требо- ваний ISO для установления взаимодействия открытых систем в се- тях (Open system Interconnection reference model). Палмтоп (наладонник — palmtop) — самый маленький современ- ный персональный компьютер. Уметается на ладони, магнитные диски в нем заменяет энергонезависимая электронная память Пеиджинг — механизм виртуальной памяти, при котором стра- ницы вытесняются на диск или «подкачиваются» с диска. Поколения компьютеров — условная, нестрогая классификация вычислительных систем по степени развития аппаратных и про- граммных средств, а также способов общения с ними. Порты устройств — электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать пе- риферийные устройства компьютера к внешним шинам микропро- цессора Последовательный порт обменивается данными с процес- сором побайтно, а с внешними устройствами — побитно. Парад дельный порт получает и посылает данные побайтно. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) служит для хра - нения констант и стандартных (неизменяемых) программ В ПЗУ обычно записываются программы начальной инициализации (за- грузки) систем, тестовые и диагностические программы и другое
Глоссарий терминов и сокращении (русский язык) 573 служебное программное обеспечение, которое не меняется в про- цессе эксплуатации систем. В микропроцессорных системах, управ- ляющих определенными объемами с использованием фиксирован- ных или редко изменяемых программ, для их хранения также обыч- но используется ПЗУ (память ROM — Read -Only Memory) или репрограммирусмое ПЗУ (память EEPROM — Electrically Erased Programmable Read-Only Memory, или флэш-память). Прерывания (interruption) — ситуации, возникающие при поступ- лении соответствующих команд (программные прерывания) или сигналов от внешних устройств (аппаратные прерывания). При этом процессор останавливает всякую другую деятельность и вызы - вает программу обработчик прерывания. По окончании ее работы он продолжает прерванную работу с то> о места, где она остановилась. Иногда аппаратные прерывания генерируются устройством в случае некорректной работы программы, например деление на 0; про- граммные — генерируются программой для вызова различных под- программ из ОЗУ и ПЗУ. Принстонская архитектура (часто называется архитектурой Фон-Неймана) — характеризуется использованием общей опера- тивной памяти для хранения программ, данных, а также для орга- низации стека. Для обращения к этой памяти используется общая системная шина, по которой в процессор поступают и команды, и данные. Принтер — печатающее устройство, преобразует закодирован- ную информацию, выходящую из процессора, в форму, удобную для чтения на бумаге. Принципы фон- Неймана - включают в себя: Принцип программ- ного управления. Программа состоит из набора команд, которые вы- полняются процессором автоматически друг за другом в определен- ной последовательности; Принцип адресности. Основная память со- стоит из перенумерованных ячеек; процессору времени доступна любая ячейка; Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не рахтича- ет, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или ко- манда Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Протокол коммуникации — согласованный набор конкретных правил обмена информацией между разными устройствами переда- чи данных. Имеются протоколы для скорости передачи, форматов данных, контроля ошибок и др.
574 Приложение 1 Протокол модема (Modem data transfer protocol) — протоколы пе- редачи данных при межмодемном обмене, использующие сжатие и коррекцию данных. Протокол модуляции (Modulation protoi ol) — протокол греобразо вания импульсного сигнала в аналоговый с использованием ампли- тудной, частотной, фазовой и смешанных типов модуляции. Протокол передачи файлов (File transfer protocol) — протоколы, ориентированные на длительную передачу (импорт и экспорт фай- лов) с помощью модемов. Протокол сжатия и коррекции ошибок (Compression protocol) протокол, использующий методы сжатия данных при обмене ин- формацией между модемами Процессор — центральное устройство компьютера. Назначение процессора: управлять работой ЭВМ по заданной программе; вы- полнять операции обработки информации Во зможности компьюте- ра как универсального исполнителя по работе с информацией опре- деляются системой команд процессора. Эта система команд пред- ставляет собой язык машинных команд (ЯМК). Прямой доступ к памяти DMA (Direct Memory Access) — ис- пользуется для пересылки значительного массива информации меж- ду ОЗУ и каким-либо внешним устройством, которое подает в сис- тему соответствующий запрос. Реализация такой пересылки с помо- щью соответствующей программы обмена требует выполнения отдельной команды пересылки для передачи каждого байта или сло- ва. При этом необходим определенный объем памяти для хранения программы и требуется значительное время для ее выполнения. Реальный режим (real mode) — режим работы процессора Intel 386, совместимый с процессором Intel 8086 В реальном режиме не- возможны доступ к виртуальному адресному пространству процессора 386 или такие возможности, как замещение страниц по требованию Регистр — специальная запоминающая ячейка, выполняющая функции кратковременного хранения числа или команды и выпол- нения над ними некоторых операций. Отличается оз ячейки памяти тем, что может не только хранить двоичный код. но и преобразовы - вать его. Регистр команд — регистр УЗ7 для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения Регистр состояния SR (State Register, в микропроцессорах Pentium называется eflags) определяет текущее состояние процес- сора при выполнении программы Регистр содержит биты управле-
Глоссарий терминов и сокращений (русский язык) 575 ния, задающие режим работы процессора, и биты признаков (фта- ги), указывающие характеристики результата выполненной опера- ции: N — признак знак (старший бит результата), N = 0 — при положительном результате, N = 1 — при отрицательном результате; С — признак перенос, С = 1, если при выполнении операции образо- вался перенос из старшего разряда результата; V — признак пере- полнения, v=l, если при выполнении операций над числами со знаком произошло переполнение разрядной сетки процессора; Z — признак нуля, z = 1. если результат операции равен нулю Некото- рые микропроцессоры фиксируют также другие виды признаков. Свопинг — алгоритм реализации виртуальной памяти. Fro мож- но разбить на три части: управление пространством на устройстве выгрузки, выгрузка процессов из основной памяти и подкачка про- цессов в основную память В качестве устройства выгрузки исполь- зуют раздел на устройстве типа жесткого (swap-partition) или диско- вый файл (swap-file) на таком устройстве. Сектор — каждая дорожка, размещенная на диске, делится на секторы (блоки). Для MS DOS каждый сектор имеет размер 512 байт. Сервер (server) — сетевой компьютер, на котором находятся до- ступные клиентам ресурсы Ресурсами сервера могут быть файлы, принтеры или приложения-серверы (такие, как многопользователь- ские базы данных). Сервер файловый (File Server) — выделенная машина с установ- ленным программным обеспечением, поддерживающим общие ин- формационные ресурсы в локальной сети. Сеть компьютерная — совокупность компьютеров, соединен- ных с помощью каналов связи и средств коммутации в единую сис- тему для обмена сообщениями и доступа пользователей к программ- ным, техническим, информационным и организационным ресурсам сети. По степени географического распространения сети делятся на локальные, городские, корпоративные, глобальные и др. Локальная сеть (ЛВС) связывает ряд компьютеров в зоне, ограниченной преде- лами одной комнаты, здания или предприятия. Глобальная сеть (ГВС) соединяет компьютеры, удаленные географически на большие расстояния друг от друга. Отличается от локальной сети более про- тяженными коммуникациями (спутниковыми, кабельными и др.) Городская сеть обслуживает информационные потребности большо- го города. Сеть локальная (Local Area Network (LAN)) — оборудование и программное обеспечение, предназначенные для комплексирования
5"6 Приложение 1 малых и средних ЭВМ для совместного использования локальных ресурсов. Сеть передачи данных (Data Transfer Network) — комплексы средств связи и управляющих компьютеров, обеспечивающие пере- дачу данных для различных приложений. Символьное данное (Character) — тип данных, предназначенный для ввода и отображения алфавитной, цифровой и спецсимвольной информации; типу соответствуют определенные операции над пере- менными и функции (строичые). Система команд. Процессоры выполняют набор команд, кс го- рые реализуют следующие основные группы операций: операции пересылки; арифметические операции; ло1 ические операции; опе- рации сдвига; операции сравнения и тестирования; битовые опера- ции: операции управления программой; операции управления про- цессором. Система счисления — совокупность правил наименования и изображения чисел с помощью набора символов, на тыкаемых циф- рами, Системы счисления делятся на позиционные и негозицион- ные. Пример непозиционной системы счисления — римская, к по- зиционным системам счисления относится двоичная, десятичная, восьмеричная, шестнадцатеричная. Здесь любое число записывается пос тедовательностью цифр соответствующего алфавита, причем значение каждой цифры зависит от места (позиции!, которое она занимает в этой последовательности В непозициончых системах счисления не представляются дробные и отрицательные числа. Системная шина содержит несколько десятков (в сложных сис- темах более 100) проводников (линий), которые в соответствии с их функциональным назначением подразделяются на отдельные шины — адреса 4, данных D и управления С. Шина А. служит для передачи адреса, который формируется микропроцессором и позво- ляет выбрать необходимую ячейку памяти ОЗУ (ПЗУ) или требуе- мое ПУ при обращении к внешнему устройству. Шина D служит для выборки команд, поступающих из О ЗУ или ПЗУ в УУ микро- процессора. и д 1я пересылки обрабатываемых данных (операндов) между микропроцессором и О’У или ИУ (внешним устройство*'! Пи шине С перелаются разнообразные управляющие сигна ты. оп- ределяющие режимы работы памяти (запись или считывание). ин- терфейсных устройств (ввод или вывод информации) и микропро- цессора (запуск, запросы внешних устройств на обелх живание, ин формация о текущем режиме работ ы и другие сигналы)
Глоссарий терминов и сокращений (русский язык) 577 Сканер — устройство для ввода в компьютер документов — тек- стов, чертежей, графиков, рисунков, фотографий. Создает оииф рованное изображение документа и помещает его в память компь- ютера. Стандартное машинное слово — машинное слово, размерность которого совпадает с разрядностью процессора Большинство ко- манд процессора использует для обработки данных стандартное ма шинное слово. Стек — среда для размещения данных для возвра га из подпро грамм, а также их аргументы и автоматические данные Все это мо- жет потребовать достаточно большого размера стека. Как правило, программист может определять размер стека в программе. Страничная организация памяти — организация, при которой адресное пространство памяти разбивается на малые участки-стра- ницы. Используется для управления памятью в системах, работаю- щих в защищенном режиме. Как правило, такая организация памя- ти подразумевает пейджинг Стример — устройство для резервного копирования больших объемов информации В качестве носителя применяются кассеты с магнитной лентой емкостью 1—2 Гбайта и больше. Структура микропроцессора — состав и взаимодействие основ- ных устройств и блоков, ра мешенных на его кристалле В эту струк- туру входят: центральный процессор (процессорное ядро), состоя- щее из устройства управления (УУ). одного или нескольких опера- ционных устройств (ОУ); внутренняя память (РЗУ, кэш-память, блоки оперативной и постоянной памяти); интерфейсный блок, обеспечивающий выход на системную шину и обмен данными с внешними устройствами через параллельные или последовательные порты ввода/вывода, периферийные устройства (таймерные модули, аналого-цифровые преобразователи, специализированные контро 1- леры); различные вспомогательные схемы (генератор тактовых им пульсов, схемы для выполнения отладки и тестирования, стороже- вой таймер и ряд других). Сумматор — электронная логическая схема, выполняющая сум- мирование двоичных чисел. Суперкомпьютер — очень мощный компьютер с производитель- ностью свыше 100 моафлопов (Гмегафлоп (Мфлоп Mflop) — мил- лион операций с плавающей точкой в секунду) Представляет собой многопроцессорный и (или) многомашинный комплекс, рабозаю ший на общую память и общее поле внешних устройств. Архитек гу- ра основана на идеях параллелизма и конвейери гации вычислений
578 Приложение 1 Суперскалярная структура процессора — обеспечивает повыше- ние производительности процессора путем введения в структуру процессора нескольких параллельно включенных операционных устройств, обеспечивающих одновременное выполнение нескольких операций. В таких процессорах реализуе гея параллельная работа не- скольких исполнительных конвейеров, в каждый и з которых посту- пает для выполнения одна из выбранных и декодированных команд. Схема алгоритма (блок-схема) графическое представление ал горитма в виде последовательности блоков, соединенных стрелками. Счетчик адреса команд (СчАК) регистр адреса команд (РАК), или программный счетчик PC IProgram Counter) — pej истр процес- сора, который служит для хранения адреса очередной команды и содержимое которого автоматически увеличивается на 1 после вы - борки следующего байта команды. Таким образом, обеспечивается последовательная выборка команд в процессе выполнения програм- мы. При выборке очередной команды содержимое PC поступает на шину адреса, обеспечивая считывание из ОЗУ следующей команды выполняемой программы При реализации безусловных или услов- ных переходов (ветвлений) или других изменений последовательно- сти выполнения команд выполняется загр} зка р PC нового со тер - жимого,. в результате чего производи гея переход к дру1 ой ветви про- граммы или подпрограмме. Счетчик является устройством, которое на своих выходах выда- ет (в двоичной форме) сумму числа импульсов, подаваемых на его единственный вход. Максимальное число импульсов, которое счет- чик может подсчи гать, называется его емкостью. Таблица истинности — табличное представление логической схемы (операции), в котором перечислены все во зможные сочетг ния значений истинност и входных сигналов (операндов) вместе со значением ист инности выходного сигнала (результата операции) для каждого из этих сочетаний. Терминал (Terminal) — терминальное устройство — сочетание устройств ввода и вывода данных в ЭВМ Тип данных — форма представления данных, которая характери- зуется: способом организации данных в памяти: множеством допус- тимых значений; набором операций. Иначе говоря, тип данных — это схема определенного вида переменных, заложенная в т рансля- тор. Сама переменная — это не что иное, как область памяти про- граммы, в которой размещены данные в соответствуют ей форме предс гавления, т. е. определенного типа. Поэтому любая переме н- ная в языке имеет раз и навсегда заданный тип. Обл к гь памяти
Глоссарии терминов и сокращений (русский язык) 579 всегда ассоциируется в трансляторе с именем переменной. Тип данных integer, (int, FIXED и пр.) задает свойства целой пере- менной: она может принимать только целые значения в определен- ном диапазоне, зависящем от ра ^рядности процессора, например -32767.. .+32767. Все арифметические операции чад цетыми чис- лами не выходят за рамки этого представления, т. е дают также це- лый результат. Тип данных REAL (double, FLOAT и пр.) задаст свойства переменной с плавающей точкой. Число с плавающей точкой (или вещественное, действительное число) может прини- мать значения десят ичной дроби (например, 287,3) и имеет ограни- чения на количество значащих цифр (точность представления). Все операции над переменными данного типа не выходят за рамки этой формы представления. Если же в операции присутств} ют перемен- ные обоих типов, то первый тип преобразуется во второй (целое число в вещественное). Топология компьютерной сети — логический и физический спо- собы соединения компьютеров, кабелей и дру1 их компонентов, в целом составляющих сеть Топология характеризует свойства сетей, не зависящие от их размеров. При этом не учи гывается производи- тельность и принцип работы этих объектов, их типы, длины к зча- лов, хотя при проектировании эти факторы очень важны. Наибо тее распространенные виды топологий: линейная, кольцевая, звездооб- разная (а также комбинированные — древовидная, ячеистая, полно- связная). Трекболл — устройство управления курсором. Небогьшая i ороб- ка с шариком, встроенным в верхнюю часть ее корпуса Пользова- тель рукой вращает шарик и перемещает соответственно курсор Триггер — электронная схема, применяемая в регистрах компью- тера для запоминания одного бита информации. Имеет два устой- чивых состояния, которые соответствуют двоичным «1а и «О*. Устройство управления (УУ' — часть процессора, выполняющая функции управления устройствами компьютера. Файл (File) — именованный организованный набор данных опре- деленного типа и назначения, находящийся под управлением опера- ционной сис гемы. Это однородная по своему составу и назначению совокупность информации, хранящаяся на носите_е информации и имеющая имя. Правила образования имен файлов и объединения файлов в файловые системы зависят от конкретной операционной системы. Например, в операционной системы MS DOS 6.Л имя фай- ла состоит из двух частей: собственно имени и расширения имени (т. е типа файла). Собственно имя Ф<ь ia состоит из не более чем
580 Приложение 1 восьми символов, исключая знаки арифметических операций, пробе - лов, отношений, пунктуации. В качес гве имен файлов запрещены имена, являющиеся в MS DOS именами у< тройств, напри мер con, Iptl, lpt.2. Расширение имени может состоять не более чем из трех символов, в том числе может отсутствовать Если расширение есть, то от основного имени оно отделяется точкой, например pi ct. bmp, lett.txt, doc.doc. По имени файла можно судить о его назначе- нии, так как для расширений установились некоторые соглашения, фиксирующие для ОС тип обработки файлов. Расширение con или ехе имеют файлы npoi рамм, предназначенные для исполнения по вызову пользователя: doc — файлы с документами, подготовленные в текстовом редакторе Microsoft World; bak — резервные копии и т. д. Файловая система (File management system) — динамически под- держиваемая информационная структура на устройствах прямого доступа (диски) и обеспечивающая функцию управления данными ОС путем указания связи «имя—адрес». Фиксированная точка (Fixed) — простейший тип числовых дан- ных, когда число размешено в машинном слове, и диапазон зн аче- ний зависит только от разрядности слова Флоппи-диск (дискета) — съемный гибкий магнитный диск. Хост-машина (Host computer) — шавная ЭВМ (в сети или авто- номно). поддерживающая информационные и вычислительные ре- сурсы и предоставляющая их удаленным пользователям. Цилиндр — объединение дорожек с одним и тем же номером, расположенных на разных поверхностях диска (для флоппи-диска под цилиндром подразумеваются две дорожки). Цилиндр — про- странство. доступное для записи-считывания при фиксированном положении блока головок дисковода. Числа с плавающей точкой (Float) — числовое данное, ра вмещен- ное в машинном слове в форме мантиссы и порядка, ч го позволяет представлять широкий диапазон значений; предполагает наличие встроенной или эмулируемой арифметики (операции с плавающей точкой). Лля испольювания чисел с дробной частью, а также для расширения диапазона используемых числовых данных вводится форма представления вещее гвенных чисел или чисел с плавающей точкой: ! = 1 (У, например, 25,4 = 0,254 * 102, где 0,1 < т < 1 — шачащая часть числа приведенная к интервалу 0 1 1, называемая ман гиссой, ар — целое число, называемое порядком. Аналогично если взять основание степени — 2, то получим. А т х 2Г, где 0.5 < т < 1 — мант исса. ар двоичный порядок.
Глоссарий терминов и сокращении (русский язык) 581 Чувствительный (сенсорный) экран — позволяет осуществлял общение с компьютером путем прикосновения пальцем к опреде- ленному месту экрана монитора. Шина (bus) — устройство, способное управлять, по крайней мере, еще одним устройством. К шине подключаются платы адапте- ров. С точки зрения подсистемы Plug & Play, шиной является вся- кое устройство, способное обеспечивать ресурсы. Язык ассемблера — система обозначений, используемая для представления в удобочитаемой форме программ, записанных в ма- шинном коде. Перевод программы с языка ассемблера на машин- ный язык осуществляется специальной программой, которая назы- вается ассемблером и является, по сути, простейшим транслятором.
Приложение 2 Глоссарий терминов (английский язык) lOBaseT— Twisted-Pair Ethernet — Ethernet на витой паре Кабель выполнен на неэкранированной витой паре UTP 3—5 категории, топология — звезда, в цент ре которой находится хаб (Hub) Преиму- щества по сравнению с шиной: к каждому узлу подходит только один гибкий кабель; повреждение одного лучевого кабеля приводит к отказу соединения только одного узла; несанкционированное «прослушивание» пакетов в сети затруднено, ACPI (Advanced Configuration and Power Interface) — современ- ный интерфейс конфи курирования и управления энергопотреблени- ем — стандарт, разработанный фирмами Intel, Microsoft и Toshiba для унификации функций управления энергопотреблением компью тера. Является ключевым элементом Operating System Directed Power Management (OSPM — непосредственное управление энергопотреб- лением операционной системой). ADC tAnalogue-to-Digital Converter) — аналогово-цифровой пре- образователь (АЦП) — устройство, преобразующее непрерывный аналоговый сигнал, который поступает от физического датчика и соответствует скорости, температуре, интенсивности звука, света и пр., в бинарный код для ввода в компьютер — каждому значению напряжения входного аналогового сигнала соответствует определен- ное значение выходного цифрового кода. ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) — модемная техноло- гия. превращающая стандартные абонентские телефонные аналого- вые линии в линии высокоскоростного доступа. ANSI (American National Standards Institute) — неправительствен- ная организация, создающая и публикующая стандарты для добро- вольного использования в США API (Applications Programmer's Interface) — интерфейс приклад- ного программирования — спецификация набора функций, кото- рую должны выдержать разработчики программного обеспечения для совместимости своих программ с соответствующими операци- онными системами Arcnet - сеть магистральной или иерархической топологии, ско- рость — 2,5 Мбит/с, макс, число узлов — 255, макс, длина — 6600 м.
Глоссарии терминов (английский язык) 583 ARLL (Advanced RLL) — усовершенствованный RLL (метод за- писи на диск). ASCII (American Standard Code for Information Interchange) — разработанный American National Standards Institute (ANSI) стандарт представления символьной информации в ЭВМ. Символы ASCII содержат 128 символов с кодами от 0 до 127 и включают цифры, знаки пунктуации, буквы и управляющие коды, такие, как коней строки или перевод страницы. ASPI (Advanced SCSI Programming Interface) — усовершенство- ванный программируемый SCSI-интерфейс. AT (Advanced Technology) — улучшенная технология. ATX- (AT extension) — расширение формата AT — конструктив корпуса персонального компьютера. Начал массово использоваться после появления процессоров Pentium II, гак как системные платы для этого процессора выпускаются только в формате АТХ (за очень редким исключением) Основные различия: плата крепится только на винтах, что повышает надежность и жесткость ее крепления; разъемы всех портов ввода/вывода (принтерный, СОМ1, COM2 и т. д.) жестко крепятся на системной плате в ее правом верхнем углу, причем Moiyr устанавливаться друг над другом; процессор (процессоры) и его «обвязка» устанавливаются справа от интерфейс- ных разъемов, что позволяет устанавливать полноразмерные платы расширения; блок питания запускается/выключается от специально- го сигнала, который может быть выработан как кнопкой включения компьютера, так и BIOS через соответствующую схему на системной плате. Это позволяет программно выключать блок питания. АРА (All Points Adressable) — возможность адресации любого адреса. Bandwidth — полоса пропускания — количество информации, которое может быть передано через конкретный интерфейс за дан- ный период времени, например шина памяти SDRAM в 64 бит и 100 МГц имеет полосу пропускания 800 Мбайт/с. Bank Switching — переключение банков (в EMS-памяти). Banks — банки (памяти). BEDO DRAM (Burst EDO DRAW — EDO DRAM с групповым способом чтения. BIOS (Plug & Play BIOS) — базовая система ввода-вывода пер- сонального компьютера. BIOS обеспечивает интерфейс самого низ- кого уровня с такими устройствами, как системные часы, жесткий диск и монитор. Plug & Play BIOS дополняет функции BIOS рядом
584 Приложение 2 процедур, поддерживающих некоторые действия подсистемы Plug & Play, например перечисление устройств. BIOS Setup — (установка BIOS) программа-утилита конфигура- ции системы. Bit — двоичная единица, базовая мера для измерения количест - ва данных. Имеет значение «1» или « 0». Для размещения I байта требуется 8 бит. BIU (Bus Interface Unit) — интерфейсный блок Boot Strap — начальная правка. BPI (Bits Per Inch) — бит на дюйм — мера измерения плотности информации на запоминающем устройстве. BR (Boot Record) — загрузочная запись. Buffered Write Through — буферизированная сквозная запись (в кэш памяти). Bus — шина — линия передачи информации посредством элек- трических сигналов от одной микросхемы (устройства) к другой. Наиболее часто упоминается в контексте коммуникации между про- цессором и другими компонентами системы. Известны различные типы шин, включающие ISA, EISA. MCA и стандарты локальных шин PCI и VI. Byte — восемь бит, рассматриваемые как единое целое и пред- ставляющие, например, символ кода ASCII ВРВ (BIOS Parameter Block) — блок параметров BIOS (в загру- зочной записи — Boot -сектор). Cache Level 1 (LI) — кэш первого уровня (внутренняя память процессора). Cache Level 2 (L2) — кэш второго уровня (внешняя память на системной плате) Cache Memory (кэш-память) — память, необходимая для того, чтобы центральный процессор меньше простаивал из-за низкого быстродействия основной памяти, расположена между процессором и основной памят ью. Объем и быстродействие кэш-памяти являют- ся определяющими параметрами быстродействия системной платы и/или центрального процессора для подавляющего большинства за- дач, решаемых на компьютере. Cache-line — строка кэша. Call Par — дальний вызов (в ассемблере). CAS (Column Address Strobe) — сигнал выборки столбца адреса в DRAM
Глоссарии терминов (английский язык) 585 CCIA (Computer and Communications Industry Association) — ас- социация фирм-производителей компьютеров и средств коммуни- кации, представляющая их интересы в зарубежной и национальной торговле, а также разрабатывающая соответствующие стандарты. CCIR (Consultative Committee for International Radio commu- nications) — Консультативный комитет по международной радио- связи. CCS (Common Command Set) — набор общих команд (в SCSI-2). CD Plus — музыкальные мулы имедиа-диски, содержащие две сессии — аудио (воспроизводится также на любом стандартном ау- диоплейере) и CD-ROM. CD-DA ^Digital Audio) — классический аудиолиск. Поддержива- ется практически всеми приводами. CD-I (CD Interactive) — видеозапись со звуковым сопровожде- нием для воспроизведения на видеоплейере со стандартным телеви- зором Некоторыми приводами не поддерживается. CD-R (Recordable) — CD-WORM — Write Once Read Many times — CD WO -Wnte Once — устройства, записывающие данные на CD Технология записи на золотое напыление отличается от мас- совой (штамповки), что теоретически не влияет на считывание, од- нако некоторые приводы CD ROM не читают диски с многократ- ными сеансами записи. CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory) — устройство для считывания компакт-дисков (CD). Диск диаметром 5 дюймов емко- стью 640—700 Мбайт имеет одну спиральную дорожку Время досту- па относительно велико (у лучших моделей — 80 нс), чувст вителен к вибрациям при работе. Интерфейсы: SCSI. IDE (E-IDE, IDE Al API). Исполнение — внутреннее и внешнее (SCSI, LPT-порт). Могут отличаться как по поддержке различных форматов, так и по следующим возможностям Multisession CD-ROM — позволяют счи- тывать данные, записанные за несколько сеансов на записывающем CD ROM (не более 9). В противном случае читаются данные только первой сессии. ХА-Ready CD ROM позволяют читать ХА-диски, но не имеют собственного ADPCM-декодера. Caddy-Type — приводы, у которых CD укладывается в специальную защитную кассету, ана логичную защитному чехлу дискеты. Сохраняет диски от внешних повреждений, но при частой смене диска желательно иметь не сколько кассет. CD-changer (juke box) — устройства, в которые мож но одновременно установить несколько CD, текущая работа воз
586 Приложение 2 можна только с одним, смена текущего диска — автоматическая (1—5 секунд). CD-ROM ХА (extended Architecture) — расширенная архитекту- ра, совместима с ISO 9660 и High Siena дисками. При создании оригинала используется Interleaving — чередование сегментов дан- ных, аудио- и видеоинформации. Аудиосигнал сжимается по методу ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation). CD-RW (CD Rewritable) — перезаписываемые диски — оптиче- ские диски, допускающие многократную запись информации. Как правило, возможно выполнить до 1000 циклов записи на один диск CeBIT — выставка компьютеров и оборудования, ежегодно про- водимая весной, начиная с 1986 г. в Ганновере (Германия). Chipset — набор микросхем (обычно для системной платы). CHS Standard (Cylinder, Head. Sector Standard) — формат физи- ческого адреса на магнитных накопителях. CISC (Complex Instruction Set Computer) — архит ектура, для ко- торой характерен большой набор разноформатных команд с исполь- зованием многочисленных способов адресации Эта классическая архитектура процессоров, которая начала свое рашитие в 1940-х го- дах с появлением первых компьютеров. Типичным примером CISC-проиессоров являются микропроцессоры семейства Pentium. Они выполняют более 200 команд разной степени сложности, кото- рые имеют размер от 1 до 15 байт и обеспечивают более 10 различ- ных способов адресации. Clone — компьютерные системы, совместимые со стандартом IBM PC CMOS RAM (Complimentary Metal Oxide Semiconductor Memo- ry) — КМОП-память. COM Port — разъем и соответствующие электрические цепи, ко- торые позволяют последовательным устройствам (таким, как мо- дем), присоединяться к ЭВМ Коммуникационный порт также на- зывается последовательным портом и в операционных системах обозначается именами, начинающимися с СОМ (например, СОМ1 или COM2). COMDEX (COMputer Dealers Exposition) — торговая выставка компьютерного оборудования, проводящаяся в СЩА 2 раза в гол (весной в Атланте, а осенью в Лас Вегасе) Первая выставка (осень 1979 г.) представляла 157 экспонентов (около 4000 посетителей). В конце тысячелетия — более 2000 фирм (более 200 гыс. посети- телей).
Глоссарий терминов (английский язык) 587 Controller — контроллер, специализированный процессор управ- ления обменом с внешними устройствами. Conventional Memory — стандартная (базовая) память. СР-866 — стандарт IBM для интерпретации 2-й половины (128—256) кода ASCII, таблица предназначена для русской кирил- лицы. CPL (Current Privilege Level) — текущий уровень привилегий. CPS (Characters Per Second) — знаков в секунду (скорость прин- тера). CPU (Central Processing Unit) — центральный процессор. CR (Carriage Return) — возврат каретки. CRC (Cyclical Redundancy Check) — циклическая контрольная сумма — математический метод, позволяющий обнаружить ошибку в длинном блоке данных с высокой точностью. CS (Code Segment) — код сегмента (содержит начальный адрес сегмента памяти). CYL (CYLinders) — цилиндры. DA (Data Area) — массив (область) данных. DAC (Digital-to-Analogue Converter) — цифроаналоговый преоб- разователь (1 (АП) — устройство (как правило, на одной микросхеме), которое преобразует цифровые данные в аналоговый сигнал. Обычно содержатся в графических картах, видеокартах, модемах и др. DAT (Digital Audio Таре) — цифровая аудиолента. Data Sharing — распределение данных. Daughter Board (дочерняя плата) — печатная плата, которая под- ключается к другой плате (обычно к системной, «материнской») и которая аналогична плате расширения, однако содержит компонен- ты. характерные для системной платы (ЦП, ОЗУ и пр.). DD (Double Density) — двойная плотность записи (на дискетах). DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) — SDRAM с удвоен- ной скоростью обмена данными — вид памяти. Как видно ит назва- ния . пропускная способность DDR SDRAM в 2 раза выше обычной. Этот вид памяти также иногда называется SDRAM II Device — устройство. Device Driver — драйвер устрой с гва. Программное обеспечение, соединяющее внешнее устройство с операционной системой. Каж дое устройство воспринимает специфический набор команд, управ- ляющий его работой. Наоборот, прикладные программы выдают высокоуровневые команды общего назначения. Драйвер выступает в
588 Приложение 2 качестве «переводчика» между командами устройства и программ ных приложений. DIMM (Dual In-line Memory Module) — двухсторонний модуль памяти — конструктив модуля памяти, ставший с 1997 г. фактиче- ским стандартом для компьютеров. Имеет по 84 вывода с каждой стороны. Собственно память, размещенная на модуле, может быть как FPM или EDO, так и SDRAM. Память в DIMM имеет разряд- ность 64 (с четностью 72) бита и может использоваться поодиночке, а нс парами, как обычные SIMM. DIN Connector — европейский (точнее, германский) стандарт разъема, используемый в основном для подключения устройств за- писи-воспроизведения звука. Разъемы DIN используются для под- соединения к компьютеру клавиатуры, мыши, PS/2, устройств MIDI и принтеров Apple. Direct-mappad cache — кэш прямого отображения DMA (Direct Memory Access) — прямой доступ к памяти — ре- жим обмена данными между памятью и устройством ввода/вывода, управляемый специальным устройством (контроллером DMA) и вы- полняемый без участия центрального процессора. Использование этого режима значительно ускоряет пересылку данных, так как ис ключает пересылки данных в процессор и обратно Dot Positions — точечные позиции (на поверхности машитного диска). Douhle-Sided - двусторонние (о дискетах). DPI (Dots Per Inch) — разрешающая способность устройств ото - бражения и печати, обозначается также как тнд — «точек на дюйм» Drag-and-Drop («захватить-и-перетащит ь». «переташить-и-от- пустить», «буксировать» и пр.) — элемент технологии интерфейсов W1MPD, состоящий из следующих действий — «захват» экранного объекта (ярлык, имя файла и пр.) с помощью указателя «мыши», «буксировка» к месту назначения на экране при нажатой клавише, «сбрасывание» объекта при отпускании клавиши DRAM (Dmamic Random Access Memory) — динамическая па- мять прямого доступа — память, схемотехнически выполненная в виде двумерной матрицы (строки х столбцы) конденсаторов Очень дешева, но требует постоянной регенерации (refresh) заряда на кон- денсаторах. Регенерация выполняется как «пустое» чтение памяти, Этот процесс отнимает значительное время, так как в этот период никакое устройство не может получить доступ к памяти, кроме кон- троллера регенерации.
Глоссарий терминов (английский язык) 589 DTR (Data Transfer Rate) — скорость передачи данных, обычно указываемая в KBps (Кбайт/с) или MBps (Мбайт/с), иногда — в MB/min (Мбайт/мин). Чаще всего характеризует максимальную (пиковую) пропускную способность. DVD (Digital Versatile Disk) — цифровой универсальный диск — современный стандарт хранения информации на оптическом (ла- зерном) диске. Отличается оз обычного CD ROM увеличенной поч- ти в 30 раз емкостью (до 17 Гбайт). Возможны следующие варианты изготовления DVD-дисков: односторонний однослойный с емко стью 4,7 Гбайт; односторонний двухслойный с емкостью 8,5 Гбайт двухсторонний однослойный с емкостью 9,4 Гбайт; двухсторонний двухслойный с емкостью 17 Гбайт. DVD-1 — условное название первого поколения приводов для DVD дисков. Имеют скорость чтения обычных CD-ROM дисков нс выше 8-х, и, кроме этого, не могут чита гь CD-R и CD RW диски. DVD-2 — условное название второго поколения приводов для DVD дисков. Имеют скорость чтения обычных CD-ROM дисков до 24-х, и, кроме этого, могут читать CD R и CD-RW диски. DVD-Audio — стандарт на аудиодиски — за счет увеличенной емкости диска увеличена частота дискрез изации и разрядность. Кроме этого, звук может быть записан объемным (трехмерным) DVD ROM — диск, доступный только для чтения; может считы- вазься только на приводе DVD DVD-Video — предназначен для за писи видеофильмов и может воспроизводиться как в приводах DVD в компьютерах, так и в DVD плейерах. DVI (Digital Video Interactive) система аппаратного сжатия движущихся видеоизображений с коэффициентом сжатия до 160: 1 и записи звукового сопровождения по методу сжатия ADPCM. ECC (Error Control Correction) — режим контроля функциониро- вания памяти с восстановлением ошибок. Применяется в некоторых системных платах с соответствующими наборами микросхем для особо критичных к надежности функционирования компьютеров ECP (Enhanced Capability Port) порт с расширенными возмож- ностями — отличается от стандартного принтерного порта с интер фейсом Centronics тем. что передаваемая информация разделяется на команды и данные с поддержкой режима DMA и кодирования по методу R1 Е (Run-Length Encoding — кодирование повторяющихся последовательностей данных) ED (Extra High Density) — сверхвысокая плотность записи (на дискетах).
590 Приложение 2 EDO DRAM (Extended Data Output DRAM) — DRAM с умень- шенным временем доступа к данным. Extended Data Output DRAM при работе на запись не дает никаких преимуществ по сравнению с FPM DRAM, но требует существенно меньше времени при чтении за счет того, что данные удерживаются на выходе микросхемы LDO DRAM дольше, чем в ГРМ DRAM EDO (как и FPM) не дает ника- ких преимуществ при произвольной выборке данных из памяти, но такая ситуация возникает крайне редко. На микросхемах EDO DRAM указывается время доступа в наносекундах к данным в слу- чайном порядке. EDRAM (Enhanced DRAM) — усовершенствованная DRAM EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) — электриче- ски стираемое программируемое ПЗУ EIA (Electronic Industries Association) — ассоциация производите- лей, представляющих высокотехнологичные производства США, основанная в 1924 г. как Radio Manufacturers Association. EIA, в ча- стности, разработаны такие стандарты последовательных устройств, как RS-232, RS-422 and RS-423. E/DE-контроллер (Enhanced IDE) — улучшенный EIDF-кон- троллср. EISA (Extended Industry Standard Architecture) — устройство ши- ны, которое позволяет использовать 32-разрядные адаптеры и до- пускает некоторое автоматическое распознавание и конфигурирова- ние устройств. ЕРР (Enhanced Parallel Port) — расширенный параллельный порт — двунаправленный вариант принтерного порта с максималь- ной скоростью приема/передачи данных до 2 Мбайт/с. Стала воз- можной адресация нескольких устройств, ввод 8- разрядных данных. Для буферизации данных используется память с Fl FO организацией объемом в 16 байт. EPROM (Erasable Programmable ROM) — вид программируемого ПЗУ, стираемого ультрафиолетовым излучением. ESDI1 контроллер (Enhanced Small Device Interface) - улучшен- ный интерфейс малых устройств. Ethernet — сеть с обшей шиной, скорость — 10 Мбит/с, макси- мальная длина сегмента — 500 м, максимальная длина сети — 2500 м, максимум 100 компьютеров на сегмент. Expansion Card — карта расширения Плата с электроцепями и микросхемами, которая встав гяется в разъем расширения ПК и реа
Глоссарии терминов (английский язык) 591 лизует определенную добавочную функцию (например, модем, зву- ковая карта, интерфейс SCSI и пр ). ЕР (Even Parity) — четный бит контроля четности. ЕРА (Environment Protection Agency) — агент во защиты окру- жающей среды. ECP (Extended Capabilities Port) — порт с расширенными воз- можностями для лазерных принтеров. FAT (File Allocation Table) — таблииа pa смешения файлов. FDD (Hoppy Disc Drive) — накопитель на гибких магнитных дисках. FDDI (Fiber Distributed Data Interface) — стандартизированная спецификация ANSI X3T9.5 для сетевой архигекгуры высокоскоро- стной передачи данных в основном по оптоволоконным линиям. Скорость передачи — 100 Мбит/с. Топология — либо кольцо (двой- ное), либо гибридная (включение звездообразных или древовидных подсетей в i лавную сеть через концентратор). Метод доступа — мар- керный с возможностью одновременного циркулирования множест- ва кадров в кольце. Максимальное количество станций — 1000, рас- стояние между станциями до 2 км при многомодовом и до 45 км при одномодовом кабеле, затухание сигнала между станциями 11 дБ, длина кольца до 100 км (может увеличиваться за счет приме- нения дополнительных повторителей). В некоторых случаях вторич- ное кольцо используется для удвоения пропускной способности Реализация сети в настоящее время стоит достаточно дорого. Feature Connector — разъем для подключения дочерних плат. FH (Full Height) — один из параметров форм-фактора. FIFO (First Input First Output) — «первый вошел — первый вы- шел» — способ организации памяти, при котором записанные дан- ные сдвигаются вперед при поступлении новых данных. Как прави- ло, память с такой организацией используется в качестве буферной при приеме/передаче данных Firmware — массив данных и команд, который встроен в микро- схему (ПЗУ — постоянное запоминающее устройство). Flash Memory — флэш-память, хранящая информацию при вы ключенном питании. Flops (FLoating point operation per second) — быстродействие в количестве операций с плавающей точкой, выполняемых в секунду. Производные единицы — Mflops (106 оп/с). Gflops (10° оп/с), Tflopx (1012 оп/с). Употребляются также транслитерации: флопс, Мфлопс, Гфлопс, Тфлопс.
592 Приложение 2 Form-factor — стандартизированные габаритные размеры (гори- зонтальные, вертикальные) и форма периферийного устройства, раз- мещаемого в корпусе ПК (НГМД, НЖМД, CD/DVD и пр ) По отно- шению к устройству НМД, например, форм-фактор соответствует диаметру пластин магнитного диска (в частности, 3,5" или 5,25"). FPM (Fasl Page Mode) - быстрый страничный метод (вид памя - ти DRAM) FPU (Floating Point Unit) — устройство для арифметических опе- раций с плавающей точкой. Frame Grabbing — оцифровка и сохранение отдельного кадра. Fully associative cache — полностью ассоциативная кэш-память. g («же») — ускорение свободного падения на уровне поверхно- сти Земли (981 см/с2). Соответствует однократному значению зем- ного тяготения, поэтому иногда g (не совсем точно, но более кра- сочно) называют «ускорение силы тяжести». GB, Gigabyte — гигабайт — единица измерения, содержащая 1000 Мбайт. GBps (Gigabytes pei second) — гигабайт в секунду, скорость пере дачи информации. GOPS (Giga Operations Per Second) — скорость обработки дан- ных. равная 10г операций в секунду. Hayes — система команд для обмена данными между модемами, названная по имени фирмы, ее разработавшей HD (High Density) — высокая плотность записи (на дискетах). HD-CD (High Density CD) — CD высокой плотности. HDD (Hard Disc Drive) — накопитель на жестких магнитных дисках (винчестер) Heads (HD) — магнитные головки в накопите пях на магнитных дисках. High Sierra Format — HSF, или HSG — High Sierra Group — фак- тический стандарт на доступ к данным из среды DOS, UNIX и дру- гих ОС Начальная дорожка содержит информацию об организации диска — VTOC (Volume Table Ot Content). Huh — хаб является обя «тельным (кроме двухточечной сети) соединительным элементом сети на витой паре и средством расши- рения топологических, функциональных и скоростных возможно- стей для любых сред передачи Простейшие хабы являются много- портовыми повторителями. Хабы могут иметь набор разъемов BNC, RJ-45. AUI, обеспечивая выбор кабеля для перслачи от источв’ика к
Глоссарии терминов (английский язык) 593 приемнику. К порту хаба можно подключить как отдельный узел, так и другой хаб. Huffman Coding — код Хаффмана, основанный на испо тьзова- нии коротких кодовых последова гельностей для бо тее часто появ- ляющихся символов и более длинных для редких Код Хаффмана минимизирует среднее количество битов для представления задан- ного потока символов текста. Hz — Гц (герц) — мера частоты в циклах в секунд] (1/с) IBM PC — фирма IBM явилась одним из основателей индустрии ПК, выпустив IBM PC в 1981 г. Затем были разработаны PC XT. АТ и пр. iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance) — тест для вычисления производительности микропроцессоров ICW (Г nitialization Command Words) — слова команд инициали- зации (ICW1-ICW4) в контроллере прерываний IDE контрол iep (Integrated Drive Election cs) — интегрирован- ная электроника накопителя. IEEE (institute of Electrical and Electronics Engineer;) — общест- венная организация, которая объединяет специалистов, ученых, студентов и др. лиц, заинтересованных в электроника и смежных областях. Известна более как разработчик и популяризатор стан ’ар- тов в вычисли гельной технике и связи, например — IEEE 80? — стандарт для локальных сетей. IFS (Inst diable File System) — инета тлируемая файтовая система (в Windows 9Ч). Impact — ударный (принтер). Interleaving — интерливинг (чере ювание. перекрытие — стан дарт вывода изображения на экран, система PAL) IP (Instruction Pointer) — указате гь команды (peineгр в МП. хранящий адрес выполняемой команды). IPL2 (Initial Program Loading 2) - программа начальной загруз ки (инициализации). IPM (Images per Minute) — число изображений в минуту — мера прои шодит е тьнос ги быстродействиющих сканеров (обычно — дву сторонних). IrDA (Infrared Dara Association) — инфракрасный порт прие ма -передачи данных. ISA (Industry Standard Architecture) стандарт системной шины.
594 Приложение 2 ISO (International Standards Organisation) — Международная ор- ганизация по стандартизации (МОС) — международный орган, от- ветственный за создание и контроль деятельности различных коми- тетов по стандартизации и рабочих групп, работающих над стандар- тами обработки данных (например, сжатия изображений и пр.). ISO 9660 — первый стандарт (1988 г.) для хранения данных на CD ROM. файловая система аналогична MS DOS, имена файлов по схеме: 8 символов — имя, 3 — расширение имени, глубина вло- женности ката, югов до 8 JPEG (Joint Photographic Expert Group) — метод сжатия непод- вижных изображений, основанный на одновременной обработке информации матрицы пикселей (например, 8 х 8) в пространстве Y-U-V с приоритетом сохранения яркостной информации. Изобра- жение восстанавливается с некоторыми небольшими потерями ка- чества. Степень сжатия зависит от характера изображения и ра змера матрицы квантования. Этот формат стал фактическим стандартом в Internet для обмена изображениями, в основном фотографиями. КВ (Kilobyte, Кбайт) — килобайт, мера количества информации в 1000 байт. Kbit IKilobit, Кбит) — килобит, единица измерения объема дан- ных, равная 1000 бит, часто употребляемая для измерения скорости передачи данных (кбит/с). KBps (Kilobytes per second) — килобайт в секунду, мера скорости передачи данных. LAN (Local Area Network) — локальная сеть. Latin-1 — международный стандарт (ISO-8859-1) для интерпре- тации 2-й половины (128—256) кода ASCII, таблица предназначена для латиницы Latin-C — международный стандарт (ISO-8859) для интерпрета- ции 2-й половины (128—256) кода ASCII, таблица предназначена для кириллицы. LCD (Liquid Crystal Display) — жидкокристаллический дисплей. LDT( Logical Drive Table) — таблица логического диска (при раз- биении HDDV LED-принтеры (Light Emitting Diode) — светодиодный принтер. LF (Line Feed) — перевод строки. LIFO (Last Input First Output) — «последний вошел — первым вышел» (дисциплина обслуживания стековой памяти). LQ (Letter Quality) — машинописное качество (печати).
Глоа арий терминов (английский язык) SQ5 Macintosh (Мас). Выпущенный Apple Computer в 1984 г., ПК Macintosh явился торговой маркой для ПК. использующего графи- ческий интерфейс пользователя (GUI), который включает окна, яр- лыки и манипулятор «мышь»'. Успех Macintosh GUI открыл новый период развития интерфейсов и ОС. базирующихся на графике. В дальнейшем Microsoft в своей ОС Windows скопировала многие во гможности Мас. MB (Megabyte) — мегабайт (Мбайт) — единица измерения, рав- ная 1000 Кбайт. MBps (MegaBytes per second) — мегабайт в секунду I Мбайт/с) — мера скорости пере гачи данных. MBR (Master Boot Record) — главная загруточная запись (при ра (биении дисков на раз гелы). MDRAM (Multibank DRAM) — мультибанковая DRAM Memory Refresh — регенерация памяти. Mflops (Megaflops) — мера производительности ЭВМ, 1 миллион операций с плавающей точкой (запятой) в секунду. MHz (Megahe^z) — мегагерц (МГц) мера частоты в 1 миллион циклов в секунду (1/с). Microcode (микрокод, микрокоманда) — система команд нижне- го (аппаратурного) уровня, которая напрямую Управляет микропро- цессором Огдсльная машинная команда (инстру кция) обычно пе- реводится на несколько микрокоманд. В современных ПК микроко- манды встроены в ПЗУ и не могут модифицироваться. Micron (pm, микрон, микрометр, мкм) — единица измерения, равная одной миллионной доле метра. Microsecond (ps, микросекунда, мкс) — одна миллионная доля секунды (0,000001 с). MIDI (Music Instrument Digital Interface) — стандарт на язык и аппаратуру представления звуков различных инструментов. Коман- ды MIDI сообщают аппаратуре, у какого инструмента, на какой ок- таве и какая нота должна звучать. Поэтому запись мелодии в коман- дах MIDI очень компактна. Millisecond (ms мил гисекунда, мс) — одна тысячная секун. гы (0,001 с). MIPS (Millions of Instructions Per S< cond) - миллиом операций в секунду — мера производите гьности, используемая для сопостав- ления различных процессоров.
596 Приложение 2 M-JPEG (Motion JPEG) — метод сжатия для обработки движу- щихся изображений. Используется в ряде устройств среднего (по стоимости) уровня для ввода в компьютер видеоинформации. Moore's Law (закон Мура) Гордон Мур в 1965 г., за 3 года до ос- нования Intel Corporation (где он был соучредителем) высказал зна- менитое предсказание о том, что количество транзисторов в микро- схемах будет удваиваться каждые 18 месяцев. Movie Grabbing — оцифровка и сохранение «живого» видео. MPEG (Motion Picture Expert Group) — организация-разработ- чик стандартов на типы кодирования видео- и аудиосигналов. MPEG-1 —стандарт ISO/IES 11172 — тип кодирования видео- изображения и/или звука, позволяющий при потоке данных на уровне 1,5 Мби г/с (170 Кбайт/с) передавать изображение с качест- вом бытового кассе! ного видеомагнитофона стандарта VHS (Video Home System) со стереофоническим звуковым сопровождением. Ис- ходное изображение — 352 х 240 пикселей, 30 кадров в секунду. В стандарт также входит программная реализация кодера и декодера на я зыке С Низкая скорость потока данных по зволяет использовать в качестве носителя видеоинформации обыкновенный четырех- и более скоростной CD-ROM. Диски в формате MPEG-1 обычно обозначаются как Video CD MPEG-2 — 1SO/IEC 13818 — стандарт на кодирование для вы- сококачественной передачи и хранения изображений в вещательном формате (720 х 480 пикселей), аудиоинфюрмации и данных при по- токе 28 Мбит/с (3,5 Мбайт/с). Стандарт предусматривает одновре- менную передачу множества lV-каналов с возможностью шифрова- ния для ограничения доступа к инфопмации. Допускается многока- нальная передача аудиоданных (2 канала аудиопотока MPFG-2 эквивалентны потоку MPEG-I). Этот стандарт пока не имеет массо- вого применения, но с появлением DVD-накопителей CD-ROM на- чалось расширение сферы его использования. MPR-II — Стандарт безопасности мониторов, ра зрабозанный Национальной лабораторией измерения и тестирования Швеции в 1987 г. Стал активно поддерживаться производителями мониторов с 1990 г Этим стандартом устанавливается максимальный уровень из- лучения на расстоянии 50 см от монитора — 2,5 V/m Multiword DMA Mode — метол многословного прямого доступа к памяти Nanometre (от греч nanos — карлик, nm, vm, нанометр, нм) - одна миллиардная доля метра (10-4 м).
Глоссарии терминов (английский язык) 597 Nanosecond (ns, vs, наносекунда. нс) — одн 1 миллиардная доля секунды (0,000000001 с). Свет проходит около 8” за 1 нс. NIC (Network Interface Card) — сетевая интер Ьейсная карта (для сетевых лазерных принтеров). NLQ (Near Letter Quality) — почти машинописное качество (хуже, чем машинописное). NorthBridge — «северный мост» — принятый среди изготовите- лей наборов микросхем (chipset) термин, обозначающий системный контроллер, в который входит контроллер системной шины шин AGP и РС1, памяти и кэш памяти (для наборов под обычный Pent ium). Как правило, это одна микросхема и именно по ней назы- вается весь набор. OEM (Original Equipment Manufacturer) — изготовитель ориги- нального оборудования. OP \Odd Parity) — нечетный би г контроля четности. OTROM (One Time Programmable ROM) — однократ но програм- мируемая ROM. Paging Mode — страничный режим. Partition Table — таблииа разделов (MBR. HDD). PCB (Printed Circuit Board) — печатная схема (п. гата), на кото- рую нанесены слои металлических проводников, соединяющих установленные на ней микросхемы. PCI bus — ра (работ ан ная Intel шина, которая предназначена для поддержки высокоскоростного 32-разрядного обмена данными ме- жду устройствами, памятью и процессором Режим plug & play пол- ное гью поддерживает PCI. PCL (Printer Control Language ! — язык уппавления принтером. PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) — консорциум производителей ЭВМ и оборудования, которые ввели стандарт на карту-адаптер (размером с обычную кре дитную карту) для ноутбуков и карманных ПК РСМ< ТА определяет 3 типа карт - тип I может иметь толщину до 3,3 мм и обычно пре. - назначается для карт расширения, содержащих ОЗУ (RAM) или ПЗУ (ROM); тип II — толшину ло 5.5 мм и может содержать модем (факсмодем); карты типа III могут иметь толшину до 10.5 мм и прел- на значены для ф. ош-накопи гелей миниа гюгных НЖМД (Micro- Drive) Карты PC VIC IA также известны как < PC Cards». PD/CD — комбиниоованный накопитель, записывающий ли^ки на специальный носитель (и их же считывающий) по методу из менения фа (ы вещества. Пока ’н ‘чительного распрос ”р тения не
598 Приложение 2 имеет и вряд ли будет иметь. Устройство также может читать и обычные CD PDA (Personal Digital Assistant) — карманный персональный компьютер, или КПК, который включает собственно компьютер, факс/телефон и сетевые интерфейсы. Некоторые КПК имеют ми- ниатюрную клавиатуру, другие — сенсорный экран и карандаш для ввода данных. Peer to peer — одноранговая сеть. Peripheral — внешнее устройство, такое, как НГМД. НЖМД, стример, принтер или модем. PhotoCD — разработан фирмой Kodak для хранения высококаче - ст венных изображений. Pipeline Burst — конвейеоная пакетная (тип кэш-памя ги) Pits — впадины, углубления (на оптических дисках CD'DVD). Pixel (Picture Element) — пиксель (точка экрана монитора в гра- фическом режиме). РпР (Plug and Play, Р&.Р) — «включил и работай» — предложен- ная Microsoft и Intel спецификация самоконфигурирования компь- ютера и периферии. ПК с РпР требует следующие компоненты — РпР BIOS, адаптеры и периферия РпР. ОС РпР. Добавление РпР-устройства к П К требует не больше усилий, чем электрическое подключение — операционная система совместно с BIOS и устрой- ством осуществляет назначение адреса прерывания (IRQ), буферов ввода-вывода и дпугие технические действия, гарантирующие, что устройство не будет конфликтовать с ранее установленными. Primary - первичный (раздел в HDD) Processor Performance Rating (Р-решпинг) — используется для оценки производительности процессоров (обозначение РЮОч, на- при мер, символизирует производительность, эквивалентную Pentium с частотой 100 МГц). Programmable ROM — npoi раммируемая ROM. Protected Mode — защищенный режим (в МП) Систем! алреса ции памяти, поддерживающая 32-битовые команды процессора. Па- мять разделена между неско. шкими програм нами, которые работ а ют одновременно и ра >мещены внутри выделенных ра щелов. Proximity — головки баи жого расположения. PS/2 — серия персональных компьютепов IBM, выпушенная в 1987 г. для замещения PC (ХТ/АТ). Впервые введены — НГМД на 3,5", графический адаптер VGA и шина Mfcro Channel (MCA), кото- рая в дальнейшем была заменена на PCI.
Глоссарий терминов (англиискии язык) 599 PSRAM — псевдостатическая память. QIC (Quartet Inch Cartridge) — четвертьдюймовая катушка. RAM (Random Access Memory) — оперативное запоминающее устройство (с произвольным доступом). RAS (Row Address Strobe) — строб адреса строки в микросхеме DRAM или же сигнал в памяти. RDRAM (Rambus DRAM) — одна из разновидностей DRAM Read-write head — головка считывания-записи. Real Mode — реальный режим (в МП). Remote Boot ROM — удаленный загрузчик. Repeater — репитер (устройство для удлинения сети) Resolution — разрешающая способность Resource Sharing — распределение ресурсов. Ret Far — дальний возврат. RISC (Reduced Instruction Set Computer) — архитектура, характе- ризующаяся ограниченным набором команд фиксированного фор- мата. Современные RISC-процессоры обычно реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта. Также значительно сокращается число используемых способов адресации. Обычно в RISC процессорах все команды обработки данных вы- полняются только с регистровой или непосредственной адресацией. RLL (Run Length Limited) — ограниченная длина неперемагни- чиваемых участков дорожки (в накопителях на жестком диске). ROM (Read Only Memory) — постоянное запоминающее устрой- ство (только для чтения). RPM (Revolutions Per Minute! — частота вращения (об/мин. 1/мин). RS-232 порт (RS-232-C serial рог) — стандарт (протокол, фор- мат) соединения ЭВМ с последовательными внешними устройст- вами. RTC (Real Time Clock) — часы реального времени (один из бло ков информации, хранимый в CMOS RAM). S'C4M(SCSI Configuration AutoMatically) — автоматизированная настройка SCSI SCSI (Small Computer System Interface) интерфейс малых компьютерных систем. SD (Single Density) — одинарная плотность записи (на лис кетах).
600 Приложение 2 SDRAM (Synchronous DRAM) — синхронная DRAM, вид памя- ти, который имеет преимущества только при последовательной вы- борке данных из памяти. Но при последовательной выборке (или потоке, конвейере — burst) чтение/запись выполняются в 2 раза быстрее, чем для EDO DRAM На микросхемах SDRAM указывает- ся время доступа в наносекундах к данным при последовательной выборке. Реально же цифры на корпусах микросхем синхронной памяти фактически сообщают максимальную тактовую частоту сис- темной шины, на которой данная память может работать SDRAM выпускается сейчас только в 168 ми выводных 64-разрядных моду- лях DIMM В отличие от обычных модулей SIMM, эти могут уста- навливаться на системной плате поодиночке. В соответствии с JEDEC стандартом на модуле DIMM должна быть установлена спе- циальная микросхема SPD устройства. Некоторые современные системные платы, например фирмы Intel на наборе 440LX, не за- пускаются, если установлена планка памяти без SPD Микросхемы SDRAM также широко используются в качестве локальной памяти видеокарт. Semi-contact — полуконтактные магнитные головки Set-associativecache — наборно-ассоциативная кэш-память. Setup — установка, программа установки, программа CMOS Setup. StjRAM — синхронная графическая память — разновидность обычной синхронной памяти, применяемая в качестве локальной памяти на видеокартах. Отличается наличием регистра страницы, который позволяет выполнять запись по нескольким адресам одно- временно, что даст возможность быстрого заполнения областей эк- рана или же их очистки. SIMD (Single Instruction Multiple Data) — одна команда с мно- жеством данных — основной принцип построения ММХ команд для микропроцесоров. Эти команды в качестве операндов использу- ют регистры сопроцессора, предназначенные для хранения операн- дов в 80-разрядной сетке. SIMM (Single In-line Memory Module) — односторонний модуль памяти. Имеет 72 вывода с каждой стороны, но пары выводов с од - ной и другой стороны замкнуты между собой, поэтому они счита ются односторонними. Собсз венно память, размещенная на модуле, может быть как FPM, так и EDO Память в SIMM имеет разряд ность 32 (с четностью — 36) бита и может использоваться в компь- ютерах с процессорами Pentium только парами.
Глоссарий терминов (английский язык) 601 SMP (Symmetric Multi Processing) — симметричная многопро- цессорная обработка — метод, позволяющий более чем одному про- цессору распределять между собой вычислительную нагрузку. В на- стоящее время Intel Pentium и Pentium II поддерживают такой пе- жим только для двух процессоров, Intel Pentium Pro — для четырех. SMT (Surface Mounting Technology) — технология поверхностно- го монтажа. SOHO (Small Office/Home Office) — сегмент рынка ПК и обору- дования, предназначенных для малого бизнеса и домашнего ис пользования. SouthBridge — «южный мост» — обозначение периферийного контроллера в chipset (наборе микросхем), включающего обычно контроллер EIDE, клавиатуры, моста PCI-to-PCI, последователь- ных/паралельного портов, шины USB и других подобных устройств. SP (Stack pointer) — указатель стека (один из регистров-указате- лей в МП). SPD (Serial Presence Detect) — устройство определения присут- ствия с последовательным доступом — изготавливается на специ- альной микросхеме (как правило, это электрически перепрограмми- руемая память), содержащей информацию о типе устройства и его основных характеристиках. Объем такой памяти — 512 байт. SPP (Standard Parallel Port) — стандартный параллельный порт — классический принтерный интерфейс, на ?ываемый, как пра - вило, Centronics, по имени давно ликвидированной фирмы, разрабо- тавшей этот интерфейс. Интерфейс позволяет передавать данные по байту со скоростью до 80 Кбайт/с При необходимости приема дан- ных можно использовать четыре линии сигнала от принтера (обрыв бумаги, буфер принтера полон и т. д.). SPT (Sectors per Track) — количество секторов на дорожку. SRAM (Static RAM; — статическая RAM stack — стековая память. Stackable Hub — наращиваемый хаб — имеет специальные сред- ства соединения нескольких хабов в стек, выступающий в роли еди- ного целого При этом обычно интеллектуальность одного хаба де- лает интеллектуальным весь стек. Расстояние между хабами в стеке может быть коротким (локальный стек) и длинным, до сотен метров (распределенный стек, более гибкий элемент для оптимизации ка- бельной системы). SVGA (Super VGA) — развитие стандарта VGA.
602 Приложение 2 Switched Hub — коммутирующий хаб — дальнейшее развитие тех- нологии, повышающей производительность работы сети. В этом случае управление доступом к среде практически переносится с уз- лов в центральное коммутирующее устройство, обеспечивающее ус- тановление виртуальных выделенных каналов между парами пор- тов — источниками и получателями пакетов. От узлов-передатчиков коммутирующий хаб почти всегда готов принять пакет либо в свой буфер, либо практически без задержки передать его в порт назначе- ния (коммутация с таким хабом двух компьютеров, обменивающие- ся «на лету» — On-the-fly Switching) Используя обмен данными ме- жду собой через коммутирующий хаб, компьютеры не будут загру- жать общий трафик. Такие хабы также применяются для соединения между собой сетей Fast Etet. Synchronous Burst — синхронная пакетная (тип кэш-памяти). Tag — тег (ярлык, признак). Target Buffer - буфер кэширования блоков. ТВ (Terabyte) — терабайт, единица измерения емкости памяти, содержащая I 000 000 000 000 (1 триллион) байт, или 1 000 000 (I миллион) Мбайт или 1000 (1 тыс.) Гбайт. ТСО 92. 95 — стандарты, утвержденные Федерацией профсою- зов Швеции (Ihe Swedish Confederation of Professional Employees). По сравнению c MPR.-I1 устанавливают более жесткие нормы на из- лучение от мониторов. Максимально допустимый уровень излуче- ния установлен в 1 В/м на расстоянии в 30 см. Это в несколько раз более жесткие требования, чем в MPR-1L Стандарт ТСО 95 предъ- являет такие же требования по излучению, но обязывает также из- готавливать монитор из материалов, подлежащих вторичной перера- ботке и не наносящих вред окружающей среде. Еше более жесткие требования по излучению введены в новом стандарте ТСО «9, в ко- тором по сравнению с ТСО 95 ужесточены следующие требования: минимально допустимая частота кадров не менее 85 Гц, уменьшен вдвое уровень потребления электроэнергии в режиме Standby; время восстановления из Standby в рабочий режим — не более 3 секунд. Стандарт впервые предъявляет жесткие требования к качеству само- го изображения - должна быть минимазьной расфокусировка изо- бражения по углам экрана по отношению к центру, оговаривается уровень отражения света от экрана (блики) и т. п. Token Ring сеть кольцевой топологии, максимальная ско- рость — 4 Мбит/с, максимальное число узлов — 260. TouchPad — панель, чувствительная к касанию — специальная панель, размером приблизительно 6 х 6 см, заменяющая мышь. Па-
Глоссарий терминов (английский язык) 603 нель отслеживает как перемещение пальца, так и нажатие им (щел- чок). Применяется в мобильных компьютерах и встраивается в не- которые модели клавиатур. TPI (Track Per Inch) — количество дорожек на дюйм. Track — дорожка (на магнитном диске). TrackBall — шар с отслеживаемым перемещением — специаль- ное устройство в виде шара и двух или трех кнопок, служащих для замены мыши. Вращение шара пальнем эквивалентно перемещению мыши. Transceiver — устройство для подключения ПК к толстому кабе- лю Ethernet. UMA (Unified Memory Architecture) — унифицированная архи- тектура памяти — используется в недорогих видеокартах, размещен- ных, как правило, на системных платах. Принцип действия основан на использовании видеокартой обычной памяти компьютера как па- мяти экрана и, соответственно, удешевлении компьютера. При этом выделенная для видеокарты память не видна операционной системе типа DOS и доступ к ней возможен только через BIOS видеокарты поэтому такие видекарты значительно медленнее обычных PCI карт Под операционными системами типа Windows разница суще- ственно меньше, но она все равно есть. UNIX — операционная система универсальных ЭВМ коллектив- ного пользования. UPS (Uninterruptible Power Supply) — устройство, обеспечиваю- щее бесперебойное питание ПК UV-EPROM (Ultra Violet Erasable PROM) — стираемая ультра- фиолетом перепрограммируемая память. VESA (Video Electronics Standards Association) — международная некоммерческая организация, созданная в 1989 г. для создания и поддержки стандартов интерфейсов, применяемых в ПК. рабочих станциях и друшх вычислительных устройствах. Пример — VESA l ocal Bus (VL-Bus) — стандарт 32-битовой локальной шины, со- вместимой с картами ISA и EISA, введенный в 1992 г. и широко ис- пользовавшийся до появления PCI. VGA (Video Graphics Array) — видео! рафический массив (назва- ние стандарта). Video CD — высококачественная цифровая видеозапись в М PEG-формате, может воспроизводиться на компьютере с про- граммным или аппаратным MPEG-декодером VideoRAM RAM видеоадаптера (двухвхоловая !.
604 Приложение 2 VLIW(Very Large Instruction Word) — архитектура, использующая очень длинные команды (до 128 бит и бо iee). отдельные по in кото- рых содержат коды, обеспечивающие выполнение различных опера- ций. Таким образом, одна команда вызывает выполнение сразу не- скольких операций параллельно в различных операционных устрой- ствах, входящих в структуру микропроцессора. При трансляции профамм, написанных на языке высокого уровн ч, соответствующий компилятор прои {водит формирование «длинных» VLIW-команд, каждая из которых обеспечивает реал изацию процессором целой процедуры или группы операций Данная архитектура реализована в некоторых типах современных микропроцессоров (РА8500 компа- нии Hewlett-Pae kard, Itanium — совместная разработ ка Intel и Hewlett-Packard). Volume — том, или логический носитель данных, со держащий множество файлов. В случае НЖМД, обычно том размещается в разделе диска, форматируется для поддержки файловой системы (FAT или NTFS) и ему назначается идент* фикатор (буква — С:, D: и пр.) Как правило, на одном физическом диске ра умещают не- сколько логических томов, однако том может занимать и несколько дисков. В соответст вии со стандартом ISO 9660 < том» — это единич- ный диск CD-ROM. VTOC (Volume Table ol Contents) — таблицы со ьержаь ия тома (системная часть CD ROM). Wavetable- памя гь — ROM для хранения образцов звуковых сиг- налов (в звуковых картах). WRAM СИ mdow RAM) — двухвходовая оконная RAM (использу- ется в видеосистема к) Write Back — обратная запись — термин применяется при оли сании ус гройств кэш-памяти. Если установлен режим обратной за- писи то в случае изменения данных, находящихся в кэш-памяти, процессор меняет их только в кэше, нс не в основной памяя и. Только при замене одной области данных в кэше на другую процес сор сохраняет данные из кэш-памяти в основную память. Peaj ызо это означает, что данные кэшируются на запись и на чтение, и именно такой рс ким применяется сейчас в подавляюще и большин- стве компьютеров. Write Combining — объединенная запись - термин применяется при описании устройст в кэш памяти и означает накош ение запи - сываем<>й информации в кэш-памяти с последующим «выстрелива- нием» готового пакета данных на шину. Этот режим позволяет ускори гь запись информации, напримеп, в память видеокарты
Глоссарий терминов (английский язык) 605 Write Through — сквозная запись — термин применяется при описании устройств кэш-памяти. Если установлен режим сквозной записи, го в случае изменения данных, находящихся в кэш-памяти. процессор одновременно меняет их как в кэше, так и в основной памяти. Реально это означает, что данные кэшируются только по чтению, поэтому этот способ кэширования применяется в редких случаях при сознательной необходимости. WT Music Synthesizer — синтезаторы с табличным синтезом (Wave Table), хранящие в своей постоянной памяти образцы (вол- новые таблицы — цифровые последовательности выборок) сигналов настоящих «живых» инструментов для нескольких нот диапазона по каждому инструменту. Как правило, минимальный объем табли- цы — 1 Мб. На многих звуковых картах возможна установка допол- нительной памяти для загружаемых таблиц, которые могут быть созданы самим пользователем Качество волнового синтеза высо- кое, но при более высокой цене xDSL — ряд технологий, принцип работы которых аналогичен ADSL, одни из которых предназначены для оконечных пользовате- лей, другие — для транзитной передачи высокоскоростных потоков Включают High Data Rate Digital Subscriber Line (HDSL), обеспечи- вает передачу на скорости 1,536 или 2,048 Мбит/с в обоих направле- ниях. Протяженность линии может дос1 игать 3.7 км. А/Р-механизм (eXecute In Place) — исполнять на месте (в PC Card). XMS (extended Memory' Specification) — спецификация рас- ширенной памяти. Zone bit Recording — зонно-секторная запись (на жестких дисках).
Оглавление Введение .............................................. 3 Глава 1. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ.......................................7 1 1 Вычислительные устройства и приборы, история вопроса..................................8 1.2. Информация, кодирование, обработка в ЭВМ .... 20 1.3. Логические основы и элементы ЭВМ .... 51 1.4. Узлы ЭВМ......................................73 1.5. Технологии электронных схем . . . ............90 1.6. Алгоритмы и программы....................... 105 Глава 2. АРХИТЕКТУРА И СТРУКТУРА СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ................................116 2.1. Классы вычислительных машин и систем.........118 2.2 Базовые представления об архитектуре ЭВМ .... 131 2.3. Классы и архитектуры вычислительных систем и суперкомпьютеров.................................137 2.4. Компьютерные сети и телекоммуникационные технологии: основные понятия, элементы и структуры ................................. . 159 Глава 3. ПРОЦЕССОРЫ ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ................176 3.1 Структура и архитектура процессоров..........176 3.2. Процессоры Intel . 198 3.3. Процессоры других производителей.............207 3 4 Технологии нейтральных процессоров для мобильных ПК . . .........-............222 3.5. Организация оперативной памяти...............233
Оглавление 607 3.6. Конкретные системы памяти...................250 3.7. Набор микросхем системной платы (чипсет) .... 272 3.8. Система команд реального режима процессоров 180x86. Макроассемблер...............277 Глава 4. ИНТЕРФЕЙСЫ..................................329 4.1. Коммутаторы. Классификация интерфейсов......329 4.2. Внутренние интерфейсы .... 336 4.3. Интерфейсы периферийных устройств ..........352 4.4 Внешние интерфейсы..........................361 4.5. Средства коммуникации. Модемы...............381 4.6. Системы беспроводной мобильной связи . . 400 4.7. Некоторые технологии локальных сетей....... 409 Глава 5. ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА.....................425 5.1 Магнитные накопители....................... 425 5.2. Оптические технологии.......................446 5.3. Средства массового вывода информации. Принтеры. Плоттеры.............................. 460 5.4. Средства ввода. Сканеры, фотокамеры. Дигитайзеры......................................475 5.5. Интерактивные устройства....................490 5 6. Средства мультимедиа.................. . 514 Заключение...........................................540 Литература ..........................................542 Приложение 1. Глоссарий терминов и сокращений (русский язык).......................................544 Приложение 2. Глоссарий терминов (английский язык) . . 582
Партыка Татьяна Леонидовна Попов Игорь Иванович Вычислительная техника Учебное пособие Редактор А. В. Волковиикая Корректор А. В Алешина Компьютерная верстка И. В. Кондратьевой Оформление серии А. Никулина Рисунок на обложке Н Скотаренко Сдано в набор 19.07.2006. Подписано в печать 30.08 200b. Формат 60x90/16 Печать офсетная. Гарнитура «Таймс» Усл. печ. л 38,0 Уч.-идд. л 38,6 Бумага типографская № 2. Тираж 4000 экз. Заказ № 3551. Издательство «ФОРУМ» 101000 Москва — Центр, Колпачный пер , д. 9а Тел./факс (495) 625-32-07, 625-39-27 E-mail: mail@forum-books ru ЛР№ 070824 от 21.01.93 Издательский Дом «ИНФРА М» 127282, Москва, ул. Полярная, д. 31в Гел.: (495) 380-05-40 Факс (495) 363-92-12 E-mail: books@infra-m.ru Http://ww'A infra-m.ru Отпечатано с электронных носителей издательства. ОАО "Тверской полиграфический комбинат". 170024, г Тверь, нр-i Ленина. 5. Телефон: (4822)44-52-03,44-50-34, Телефон/факс (4822)44-42-15 Home page - wwwtverpk.ru Электронная почта (Е mail) - sales@tverpk.ru *
ISBN 5-91134-050-Х 978591 340506