Процессоры с умножением частоты

В марте 1992 года фирма Intel объявила о создании второго поколения микропроцессоров 486. Эти микропроцессоры, названные i486DX2, обеспечили новую технологию, при которой скорость работы внутренних блоков микропроцессора в два раза выше скорости остальной части системы. Тем самым появилась возможность объединения высокой производительности микропроцессора с внутренней тактовой частотой 50(66) МГц и эффективной по стоимости 25/33-мегагерцевой системой. Новые микросхемы по-прежнему включали в себя центральный процессор, математический сопроцессор и кэш-память на 8 Кбайт. Компьютеры, построенные на базе микропроцессоров i486DX2, работали приблизительно на 70% производительнее тех, что основаны на микропроцессорах i486DX первого поколения. Несколько позже появились процессоры i486SX2, в которых, как следует из названия, отсутствует встроенный сопроцессор.

Технология умножения частоты (не только в два, но и, например, в полтора, два с половиной или три раза) находила и находит широкое применение практически во всех современных процессорах. Так, после DX2, фирма Intel выпускала серию микропроцессоров с умножением частоты в три раза — DX4 (кодовое название Р24С). Процессоры этого семейства - 486DX4-75 и 486DX4-100 имели кэш-память 16 Кбайт и были предназначены для установки в системные платы, работающие на тактовой частоте 25 и 33 МГц. Напряжение питания этих процессоров составляло 3,3 В, количество транзисторов на кристалле — 1,6 миллиона.

В марте 1993 года фирма Intel объявила о начале промышленных поставок 66- и 60-Мегагерцевых версий процессора Pentium, известного ранее как 586 или Р5. Название нового микропроцессора является зарегистрированной торговой маркой корпорации Intel. Таким образом, в системах Intel Inside микропроцессор 586 фигурировать перестал. Системы, построенные на базе Pentium, были полностью совместимы со 100 миллионами персональных компьютеров, использовавших микропроцессоры 18088, i80286, i80386, i486.  Новая микросхема содержала около 3,1 миллиона транзисторов, имела 32-разрядную адресную и 64-разрядную внешнюю шины данных, что обеспечивало обмен данными с системной платой со скоростью до 528 Мбайт/с.
В отличие от процессоров семейства 486-х, для производства которых использовалась CMOS-технология,  для Pentium фирма Intel применяла 0,8-микронную BiCMOS-технологию. Pentium с тактовой частотой 66 МГц имел производительность около 112 MIPS (миллионов инструкций в секунду). Суперскалярная архитектура содержала два пятиступенчатых блока исполнения, работавших независимо и обрабатывавших две инструкции за один такт синхронизации. Pentium имел два раздельных 8-Кбайтных кэша: один для команд и один для данных. Одним из наиболее интересных новшеств, использованных в Pentium, являлась небольшая кэш-память, называемая Branch Target Buffer — ВТВ (буфер меток переходов), которая позволяет динамически предсказывать переходы в исполняемых программах. По скорости выполнения операций с плавающей точкой Pentium оставлял далеко позади всех своих "собратьев по классу" — 1486DX-33 (почти в 10 раз), 1486DX2-66 (2,5 раза). Это достигалось, в частности, благодаря реализации оптимизированных алгоритмов, а также специализированным аппаратным блокам сложения, умножения и деления с восьмиступенчатой конвейеризацией, что позволяло выполнять операции с плавающей точкой за один такт. Как известно, в процессорах i486 специального конвейера для устройств с плавающей точкой предусмотрено не было. В дальнейшем, выпускались версии процессоров второго поколения Pentium (P54C) с внутренним умножением частоты в 1,5 и 2 раза (кодовое название Р54С) на 75/50, 90/60, 100/66, 120/60, 133/66, 150/60 и 166/66 МГц. Объявление первых моделей этих процессоров произошло в марте 1994 года. Для снижения рассеиваемой мощности с 13 до 4 Вт напряжение питания для Р54С было снижено до 3,3 Вольт. Три режима энергопотребления были рассчитаны на максимальный ток 1 А, 50 мА и 100 мкА. Количество выводов возросло до 296 (рисунок 5). Размеры и тип корпуса также были изменены. Для производства кристалла была использована 0,6-микронная BiCMOS-технология. Количество транзисторов увеличено для 3,3 миллиона.

Рис. 5 Процессор INTEL PENTIUM 133 МГц

Процессы

Принято подразделять процессы на прикладные и системные. Прикладной процесс отождествляется с реализацией определенных процедур, связанных с обработкой информации при решении пользовательских задач. Системные же процессы определяют выполнение вспомогательных функций, связанных с обеспечением прикладных процессов. К системным процессам относятся: организация связи между прикладными процессами, управление каналами передачи данных, активизация терминалов и др. Процесс, как любой динамический объект, протекает во времени и состоит из этапов инициализации, выполнения и завершения. При этом процесс может порождаться пользователем, системой или другим процессом. Ввод данных, необходимых процессу, и вывод данных производится в форме сообщений через логические (программно-организованные) точки, называемые портами. Различают входные и выходные порты. Через входные порты осуществляется ввод данных для данного процесса, соответственно, через выходные порты текущий процесс выдает результаты обработки данных. Взаимодействие процессов осуществляется путем обмена сообщениями, которые представляют собой блоки данных определенной структуры. Промежуток времени, в течение которого взаимодействуют процессы, принято называть сеансом обмена или сессией. Во время сеанса обмена процесс формирует сообщение и необходимую для его передачи сопутствующую информацию. В зависимости от решаемой задачи взаимодействующие процессы могут генерироваться в одной или смежных системах.

Перейдем к рассмотрению модели взаимодействия открытых систем. Основу данной модели составляет концепция многоуровневой организации протоколов, которую можно рассматривать в качестве дальнейшего развития многоуровневой организации протоколов систем телеобработки. Существенной особенностью модели взаимодействия открытых систем является разработка и использование единого подхода к организации протоколов и интерфейсов различных уровней. В соответствии с данной концепцией каждому уровню ставится в соответствие набор определенных функций, связанных с решением конкретной задачи по организации взаимодействия открытых систем.

Нумерация уровней осуществляется относительно физических средств соединения, то есть первый номер присваивается физическому уровню, а наибольший номер — прикладному (пользовательскому) уровню. Каждый уровень с меньшим номером считается вспомогательным для смежного с ним более высокого уровня и предоставляет ему определенный набор услуг, называемых сервисам. Следует подчеркнуть, что эталонная модель не определяет средства реализации протоколов, а только специфицирует их. Таким образом, функции каждого уровня могут быть реализованы различными аппаратными и программными средствами. Основным условием при этом является то, что взаимодействие между любыми смежными уровнями должно быть четко определенным, то есть осуществляться через точки доступа посредством стандартного межуровневого интерфейса. Точка доступа является портом, в котором объект N-гo уровня предоставляет услуги (N+1)- уровню. Это достаточно важное условие определяет возможность изменения протоколов отдельных уровней без изменения системы в целом, что является одним из основных условий построения открытых систем. Заметим, что в случае программной реализации межуровневого интерфейса в качестве портов выступают адреса, по которым заносятся межуровневые сообщения.

В процессе построения любой многоуровневой структуры возникает задача определения оптимального числа ее уровней. Так при разработке эталонной модели число ее уровней определялось из следующих соображений:

разбивка на уровни должна максимально отражать логическую структуру компьютерной сети;

межуровневые границы должны быть определены таким образом, чтобы обеспечивались минимальное число и простота межуровневых связей;

считается, что большое количество уровней с одной стороны упрощает внесение изменений в систему, а с другой стороны увеличивает количество межуровневых протоколов и затрудняет описание модели в целом.

Работа сети

Работа сети заключается в передаче данных от одного компьютера к другому. В этом процессе можно выделить следующие задачи:

•     распознать данные;

•     разбить данные на управляемые блоки;

•     добавить информацию к каждому блоку, чтобы:

•     указать местонахождение данных;

•     указать получателя;

•     добавить информацию синхронизации и информацию для проверки ошибок;

•     поместить данные в сеть и отправить их по заданному адресу.

Сетевая операционная система при выполнении всех задач следует строгому набору процедур. Эти процедуры называются протоколами или правилами поведения. Протоколы регламентируют каждую сетевую операцию.

Стандартные протоколы позволяют программному и аппаратному обеспечению различных производителей нормально взаимодействовать. Существует два главных набора стандартов: модель OSI и ее модификация, называемая Project 802. Для изучения технической стороны функционирования сетей, необходимо иметь четкое представление об этих моделях.

Радиопередача в рассеянном спектре

При этом способе сигналы передаются, на нескольких частотах, что позволяет избежать проблем, присущих одночастотной передаче.

Доступные частоты разделены на каналы. Адаптеры в течение заданного промежутка времени настроены на определенный канал, после чего переключаются на другой. Переключение всех компьютеров в сети происходит синхронно. Данный способ передачи обладает некоторой «встроенной» защитой: чтобы подслушать передачу, необходимо знать алгоритм переключения каналов.

Если необходимо усилить защиту данных от несанкционированного доступа, применяют кодирование.

Скорость передачи в 250 Кбит/с (килобит в секунду) относит данный: способ к разряду самых медленных. Но есть сети, которые передают данные со скоростью до 2 Мбит/с на расстояние до 3,2 км (2 миль) — на открытом пространстве и до 120 м (393 футов) — внутри здания.

Это тот случай, когда технология позволяет получить по-настоящему беспроводную сеть.

Радиопередача в узком диапазоне (одночастотная передача)

Этот способ напоминает вещание обыкновенной радиостанции. Пользователи, настраивают передатчики и приемники на определенную частоту. При этом, прямая; видимость необязательна, площадь вещания составляет около 46 500 м2 (500 000 квадратных футов). Однако, поскольку используется, сигнал высокой частоты, он не проникает через металлические или железобетонные преграды.

Доступ к такому способу связи осуществляется через поставщика услуг. Связь относительно медленная (около 4,8 Мбит/с).

Расширение компьютерных сетей

Первые типы локальных сетей не могли удовлетворить потребностей крупных предприятий, офисы которых обычно расположены в различных местах. Но как только преимущества компьютерных сетей стали неоспоримы и все больше сетевых программ появлялось на рынке, перед корпорациями — для сохранения конкурентоспособности — встала задача расширения сетей. Так, на основе локальных сетей возникли более крупные системы.

Сегодня, чтобы соединить пользователей из разных городов и государств географические рамки сетей раздвигаются, и ЛВС перерастает в глобальную вычислительную сеть [ГВС (WAN)], где количество компьютеров уже может варьироваться от десятка до нескольких тысяч.

В настоящее время большинство организаций хранит и совместно использует в сетевой среде огромные объемы жизненно важных данных. Вот почему сети сейчас так же необходимы, как еще совсем недавно были необходимы пишущие машинки и картотеки. Теперь сети позволяют целому ряду пользователей одновременно «владеть» данными и периферийными устройствами. Если нескольким пользователям надо распечатать документ, все они обращаются к сетевому принтеру.

До появления компьютерных сетей сотрудники организаций обменивались информацией, например, так:

•     передавали информацию устно (устная речь);

•     писали записки или письма (письменная речь);

•     записывали информацию на дискету, несли дискету к другому компьютеру и копировали в него данные.

Компьютерные сети экономят бумагу и упрощают обмен информацией, предоставляя пользователям быстрый доступ к любым типам данных.

Расширения модели OSI

Два нижних уровня модели QSI, Физический и Канальный, устанавливают, каким образом: несколько компьютеров могут одновременно использовать сеть, чтобы при этом не мешать друг другу.

IEEE Project 802 относился именно к этим двум уровням и привел к созданию спецификаций, определивших доминирующие среды ЛВС.

IEEE, подробно описывая Канальный уровень, разделил его на два подуровня:

•    Управление логическим каналом (Logical Link Control, LLC) — установление и разрыв соединения, управление потоком данных, упорядочивание и подтверждение приема кадров;                       |

•    Управление доступом к среде (Media Access Control, MAC) — управление доступом к среде передачи, определение границ кадров, контроль ошибок, распознавание адресов кадров.

Подуровень Управления логическим каналом устанавливает канал связи и определяет использование логических точек интерфейса, называемых точками доступа к услугам (Service-Access Points, SAP). Другие компьютеры, ссылаясь на точки доступа к услугам, могут передавать информацию с подуровня Управления логическим каналом на верхние уровни OSI. Эти стандарты определены в категории 802.2.

Подуровень Управления доступом к среде — нижний из двух подуровней. Он обеспечивает совместный доступ плат сетевого адаптера к Физическому уровню. Подуровень Управления доступом к среде напрямую связан с платой сетевого адаптера и отвечает за безошибочную передачу данных между двумя компьютерами сети.

Категории 802.3, 802.4, 802.5 и т. д.  определяют стандарты как для этого подуровня, так и для первого уровня модели OSI — Физического.

 

Режимы работы памяти

Напомним, что для адресации к любому биту, например, 1-Мбитной микросхемы требуются 20 адресных линий, в то время как корпус такой микросхемы имеет только 18 выводов. Дело здесь в том, что для этой цели используется так называемое мультиплексирование адресов. Полный адрес ячейки данных делится на два компонента — адрес строки (row address) и адрес столбца (column address). Для сопровождения первого компонента служит сигнал RAS (Row Address Strobe), а второго — сигнал CAS (Column Address Strobe). Вообще говоря, под временем выборки для микросхемы памяти понимается длительность именно сигнала RAS.

В процессе обращения к микросхеме DRAM для записи или считывания информации необходимо сначала подать на ее адресные входы код адреса строки, и одновременно с ним (или с некоторой ненормируемой задержкой) сигнал RAS, затем через нормированное время задержки должен быть подан код адреса столбца, сопровождаемый сигналом CAS. Следующее обращение к этой микросхеме возможно только после промежутка времени, в течение которого происходит восстановление (перезарядка) внутренних цепей микросхемы. Это время называют временем перезарядки (prechargeitime), причем оно составляет почти 90% от общего времени выборки.

Одним из способов повышения быстродействия динамической памяти является метод управления памятью с чередованием адресов (interleaving mode). Дело в том, что, используя даже обычные микросхемы DRAM, задержки, связанной со временем перезарядки, можно избежать, если каждые последовательно выбираемые ячейки памяти будут относиться к разным банкам памяти. Таким образом, метод чередования адресов предусматривает деление памяти на блоки (банки), из которых процессор должен считывать данные попеременно. То есть пока считываются данные из одной группы микросхем, другая группа получает время на перезарядку.

Другим способом повышения быстродействия, требующим, как правило, небольших архитектурных добавок, является метод страничной выборки (paging mode). Он базируется на том, что повторения сигнала RAS также можно избежать, если адреса строк выбираемых ячеек памяти лежат в пределах одной страницы, то есть адрес их строк неизменен.
Напомним, что в микросхеме динамической памяти считывание в статический буфер происходит для всей строки целиком, конкретный же бит выбирается уже адресом столбца. Понятно, что если следующий подлежащий считыванию бит находится в той же строке, то нет смысла читать ее в буфер еще раз. Наиболее распространены две разновидности подобного режима: с повторением сигнала стробирования CAS при изменении младшей части адреса и без повторения. В последнем случае быстродействие, естественно, увеличивается.

В стремлении создавать все более быстрые чипы DRAM производители усовершенствовали их во многих аспектах. Каждый носит свое замысловатое название и имеет особые преимущества.

Микросхемы DRAM, реализующие страничный режим, часто называют FPM (Fast Page Mode). Их принцип работы основан на том, что обычно у микросхем DRAM только половина необходимых адресных линий. Одни и те же контакты используются для адресов строк и столбцов, а их назначение определяется временем поступления сигнала. Для ускорения работы, в случае если процессор обращается к нескольким последовательным или близко расположенным ячейкам, чипу памяти адрес строки сообщается только однажды, а затем осуществляется последовательный доступ к ячейкам, расположенным в указанных далее столбцах. Новый адрес строки передается только при переходе к новой строке. Тем не менее, использование даже подобных способов повышения быстродействия оперативной памяти, выполненной на стандартных DRAM, не давало требуемых результатов.

Другая стратегия (используемая в EDO DRAM), основана на том, что считанные данные некоторое время могут накапливаться на выходе. Подобный принцип, называемый ускоренным выводом данных (Extended Data Out), позволяет обращаться к значению некоторой ячейки, и в то время как результат предыдущего запроса еще считывается, чип может подготавливать следующий бит данных.

Двухпортовые DRAM позволяют обращаться сразу к двум ячейкам (по двум адресам). Это осуществляется с помощью двух полных наборов схем для чтения данных из битового массива.Когда миллионы битовых ячеек расположены на одном чипе, дополнительные расходы на это незаметны на фоне остальной, стоимости. Такие устройства несимметричны. То есть, в то время как один порт ввода-вывода позволяет обращаться к произвольной ячейке (и имеет схемы для записи данных в произвольные ячейки), второй используется только, для чтения данных и только всей строки за один раз. Такие двухпортовые чипы DRAM, называемые также видео RAM: (Video RAM, VRAM), особенно; полезны для кадровых видеобуферов, так как они изначально используются CPU для оперативного чтения и записи, а также для линейного чтения (схемой видеоизображения).

WRAM (Windows RAM) — это специальная версия VRAM, оптимизированная для типа доступа, обычного в ОС Windows и приложений Windows.

Столкновение сообщений

С целью своевременного обнаружения конфликтов абонентская система в процессе передачи информации постоянно контролирует передающую среду и при появлении "столкновения" прекращает передачу. Так; абонентская система А прекращает передачу в момент времени Т4, а абонентская система В — в момент времени Т5. Наличие конфликтов определяется путем сравнения передаваемой информации с информацией в канале передачи. При отсутствии посторонней передачи информация в канале должна соответствовать передаваемой информации, то же касается уровней сигналов. Через некоторый промежуток времени после прекращения передачи, конфликтующие абонентские системы осуществляют повторную попытку передачи информации. Время задержки определяется с помощью специальных алгоритмов, направленных на снижение вероятности повторного конфликта. Например, задержка может формироваться так, чтобы ее среднее значение увеличивалось примерно вдвое с каждой новой попыткой занять моноканал. Подобный режим передачи получил название множественного доступа с контролем несущей частоты и обнаружением столкновений (МДКН/ОС или CSMA/CD).

Методы детерминированного доступа можно разделить на методы разделения времени и методы передачи полномочий.

Сущность методов разделения времени заключается в разделении времени работы канала связи на отдельные временные интервалы, каждый из которых, согласно определенному правилу, предоставляется какой-либо абонентской системе. Большинство методов разделения времени предусматривает наличие в сети диспетчера, основной функцией которого является контроль и планирование времени доступа. При этом появляется возможность учитывать приоритеты и необходимое время взаимодействия абонентских систем.

Наиболее простым среди методов разделения времени является метод синхронного (циклического) разделения времени. В этом случае цикл (Т) обмена с абонентскими системами разбивается на несколько временных интервалов (t), количество которых соответствует числу (n) абонентских систем. Во время цикла обмена каждой абонентской системе предоставляется фиксированный интервал времени, в течение которого она может передавать сообщение.
Если у абонентской системы в данный момент времени отсутствует информация для передачи, то выделенный ей временной интервал не используется. При неравномерном распределении интенсивности обращения абонентских систем к передающей среде эффективность использования канала связи относительно низкая. Она может быть повышена за счет разделения цикла обмена на небольшие интервалы с представлением абонентской системе одного или нескольких интервалов в зависимости от интенсивности обращения абонентской системы к каналу связи.

Эффективность использования моноканала может быть также повышена за счет реализации методов асинхронного разделения времени, основанных на прогнозировании интенсивности запросов доступа к моноканалу со стороны абонентских систем. С помощью специальной процедуры накапливается статистика обращений, на основе которой прогнозируется интенсивность потоков заявок и распределяются временные интервалы между абонентскими системами. Как показывает практика, данный метод временного разделения эффективен лишь при небольшом числе абонентских систем. В локальных сетях с большим числом абонентов достаточно широко; используется метод детерминированного доступа, получивший название множественного доступа с передачей полномочий (метод маркерного доступа).

В общем виде, алгоритм маркерного доступа достаточно прост: в локальной сети последовательно от одной абонентской системы к другой передается специальная управляющая информация — маркер, при поступлении которого абонентская система получает разрешение на передачу информации. После окончания передачи абонентская система обязана передать маркер следующей абонентской системе. При отсутствии необходимости в передаче сообщения абонентская система, получившая маркер, немедленно передает его следующей абонентской системе. Последняя абонентская система передает маркер первой абонентской системе, образуя таким образом, логическое кольцо (рис. 46) передачи маркера. При этом передача кадров данных осуществляется в обоих направлениях, только получателем на основании сравнения адреса, указанного в передаваемом кадре, с адресом абонентской системы.



Данный способ доступа имеет ряд преимуществ:

• обеспечивает достаточно эффективное использование ресурсов канала передачи данных; предоставляет возможность реализации режима работы в режиме реального времени;

абонентские системы

	Логическое кольцо передачи маркера

Рис. 46 Организация логического кольца передачи полномочий (маркера)

•      исключает столкновения сообщений;

•      позволяет достаточно просто реализовать приоритетный доступ.

К недостаткам метода следует отнести зависимость работы сети от физических характеристик передающей среды, в частности, потеря маркера или его раздвоение приводит к неправильной работе сети. Поэтому необходимо с помощью специальных процедур постоянно отслеживать потерю маркера или появление нескольких маркеров.

RISC, CISC и тд

Исторически сложилось так, что набор инструкций, "понимаемых" (т. е. выполняемых) процессорами очень велик. Всего существует более 100 различных типов инструкций, причем многие из них принимают модификаторы, по существу превращающие один тип инструкций в целое семейство типов. В общем, процессор готов исполнить несколько сотен приказов программиста. Некоторые из них чрезвычайно просты, другие изрядно сложны. (Но не сложнее даже очевидной фразы на практически любом умеренно сложном человеческом языке.)

Длина инструкций процессоров, например, х86 варьируется от одного - до десятка байтов. Короткими инструкциями кодируются простые действия. Сложные — длинными, причем некоторые могут достигать со всеми модификаторами до 20 байт длины.

Все эти характеристики типичны для так называемого CISC-компьютера (Complex Instruction Set Computer, CISC — компьютер со сложным набором инструкций). С каждым новым поколением процессоров х86 CISC-компьютеры становятся все сложнее. Забавно, но одновременно они все больше напоминают RISC-машины (Reduced Instruction Set Computer, RISC — компьютер с уменьшенным набором инструкций). RISC-машины характеризуются относительно скудным набором инструкций одинаковой длины.

В научных кругах уже много лет ведутся дискуссии о сравнительных достоинствах подходов CISC и RISC к проектированию. Проблема выбора уступила место идее объединения двух подходов.

По мнению адвокатов RISC, хотя такой тип машин и не может выполнить много действий, реализуя одну инструкцию, зато каждая инструкция быстрее декодируется в набор операций для логического устройства процессора в силу их единого размера. В среднем, для выполнения RISC-инструкции требуется меньше тактов, чем для выполнения средней CISC-инструкции. Более того, обычно RISC-машинам под силу исполнение сразу нескольких инструкций за такт а на CISC-машинах есть инструкции, для выполнения требующие более 100 тактов.

Ha эти выпады защитники CISC спокойно отвечают, что любимый ими подход имеет перед RISC два больших преимущества.
Во-первых, заявляют они, программировать легче и естественнее под CISC-процессор, потому что он "знает" больше операций, элементарных с точки зрения программиста. А во-вторых, грамотно сделанный CISC- процессор может работать даже быстрее соответствующей RISC-машины, потому что сложные инструкции делают программы короче, а значит и быстрее. Банально, но истина опять где-то посередине. Всего 10 или 20 лет назад все высокопроизводительные рабочие станции, используемые инженерами, программистами, компьютерными художниками, были построены на базе RISC-процессора (или процессоров). Теперь же уровня RISC-станции можно достичь, купив CISC-персональный компьютер.

Просто создатели CISC-процессоров, наконец, позаимствовали некоторые идеи RISC-подхода. В некоторых случаях, примером чему AMD, процессор научился разбивать сложные инструкции х86, ,которые программист считает неделимыми, на множество меньших RISC-инструкций, и уже они выполняются логическим устройством процессора. По сути дела, имеет место эмуляция работы CISC-процессора RISC-процессором.

Что в свою очередь, очень неплохо, описывает работу процессоров Intel Pentium Pro, Pentium II, и последующих. Теперь даже Intel, до этого главный сторонник CISC-подхода, поумнела, и на микропрограммном уровне использует RISC подход, создавая уже RISC, но на программном уровне выглядящие как очень быстрые CISC-, машины.

Более простой пример заимствования — конвейерная обработка и продуманное исполнение, разработанные первоначально именно для RISC-машин.

Ho нашлись и те, которые не спорили, а пошли в третьем направлении, названном YLIW-обработкой (Very Long Computer Word, VLIW - очень длинное машинное слово). Основная идея здесь состоит в том, чтобы поместить несколько относительно простых инструкций в одну длинную, а затем построить процессор, выполняющий их все за один раз. Если все делать правильно, то может получиться нечто, имеющее лучшие черты и RISC-, и CISC-подхода. Сейчас Hewlett-Packard и Intel сотрудничают в этой области.

Семейство процессоров INTEL

Первый микропроцессор — I4004 — был изготовлен в 1971 году, и с тех пор фирма Intel (INTegrated ELectronics) прочно удерживает лидирующее положение на данном сегменте рынка. Стоит, пожалуй, напомнить, что максимальная тактовая частота этого прапрадедушки современных "числодробилок" составляла всего 750 кГц.

Реализация ряда следующих проектов фирмы Intel по разработке однокристальных микропроцессоров (i4040, i8008) возвестила о наступлении эры персональных компьютеров. Наиболее успешным был, пожалуй, проект разработки микропроцессора i8080. Кстати, впоследствии именно на этом микропроцессоре был основан компьютер "Альтаир", для которого молодой Билл Гейтс написал свой первый интерпретатор Бейсика. Этот 8-разрядный микропроцессор был выполнен по n - канальной МОП - технологии (n-MOS), а его тактовая частота не превышала 2 МГц. Не будет преувеличением сказать, что классическая архитектура i8080 оказала огромное влияние на дальнейшее развитие однокристальных микропроцессоров. Несмотря на заслуженный успех i8080, настоящим промышленным стандартом для персональных компьютеров стал другой микропроцессор фирмы Intel.

i8088

Микропроцессор i8088 был анонсирован Intel в июне 1979 года, а в 1981-м "Голубой Гигант", как иногда называют IBM, выбрал этот микропроцессор для своего первого персонального компьютера и, надо сказать, не ошибся. Новый чип содержал примерно 29 тысяч транзисторов. Одним из существенных достоинств микропроцессора i8088 была возможность (благодаря 20 адресным линиям) физически адресовать область памяти в 1 Мбайт. Здесь следует, правда, отметить, что для IBM PC в этом пространстве программам было отведено всего лишь 640 Кбайт. Хотя с внешними периферийными устройствами (дисками, видео) i8088 был связан через свою внешнюю 8-разрядную шину данных, его внутренняя структура (адресуемые регистры) позволяла работать с 16-разрядными словами. Как известно, на системной шине IBM PC для передачи данных было отведено 8 линий (1 байт).
Первоначально микропроцессор i8088 работал на частоте 4,77 МГц и имел быстродействие около 0,33 MIPS (Million Instruction Per Second), однако впоследствии были разработаны его модификации, рассчитанные на более высокую тактовую частоту (например, 8 МГц).

Но ровно на год раньше своего счастливого последователя, появился процессор 8086 (в июне 1978 года), ставший популярным в основном благодаря компьютеру Compaq DeskPro. Программная модель (доступные регистры) этого микропроцессора полностью совпадала с моделью i8088. Основное отличие данных микропроцессоров состоит в различной разрядности внешней шины данных: 8 разрядов у i8088 и 16 разрядов у i8086. Понятно, что более высокой производительности с новым микропроцессором можно было достичь только при использовании компьютера, на системной шине которого под данные предусмотрено 16 линий. Адресная шина микропроцессора i8086 по-прежнему позволяла адресовать 1 Мбайт памяти.

Опираясь на архитектуру i8086 и учитывая запросы рынка, в феврале 1982 года фирма Intel выпустила свой новый микропроцессор — i80286. На кристалле было реализовано около 130 тысяч транзисторов. Надо сказать, что этот чип появился практически одновременно с новым компьютером фирмы IBM — PC/AT. Наряду с увеличением производительности этот микропроцессор (i80286) мог теперь работать в двух режимах — реальном и защищенном. Если первый режим был (за рядом исключений) похож на обычный режим работы 18088/86, то второй использовал более изощренную технику управления памятью. В частности, защищенный режим работы позволял, например, таким программным продуктам, как Windows 3.0 и OS/2, работать с оперативной памятью выше 1 Мбайта. Благодаря 16 разрядам данных на новой системной шине, которая была впервые использована в IBM PC/ АТ286, микропроцессор i80286 мог обмениваться с периферийными устройствами 2-байтными сообщениями. 24 адресные линии позволяли в защищенном режиме обращаться уже к 16 Мбайтам памяти. В микропроцессоре i80286 впервые на уровне микросхем были реализованы мультизадачность и управление виртуальной памятью.


При тактовой частоте 8 МГц достигалась производительность 1,2 MIPS.

В октябре 1985 года фирмой Intel был анонсирован первый 32-разрядный микропроцессор i80386. Новый чип содержал примерно 275 тысяч транзисторов. Полностью 32-разрядная архитектура (32-разрядные регистры и 32-разрядная внешняя шина данных) в новом микропроцессоре была дополнена расширенным устройством управления памятью MMU (Memory Management Unit), которое помимо блока сегментации (Segmentation Unit) было дополнено блоком управления страницами (Paging Unit). Это устройство позволяло легко переставлять сегменты из одного места памяти в другое (свопинг) и освобождать драгоценные килобайты памяти. На тактовой частоте 16 МГц быстродействие нового процессора составило примерно 6 MIPS.

В реальном режиме (после включения питания) микропроцессор i80386 работал как "быстрый 18088" (адресное пространство 1 Мбайт, 16-разрядные регистры). Защищенный режим был полностью совместим с аналогичным режимом в i80286. Тем не менее, в этом же режиме i80386 мог выполнять и свои "естественные" (native) 32-разрядные программы. Вспомним, что 32 адресные линии микропроцессора позволяют физически адресовать 4 Гбайта памяти. Кроме того, был введен новый режим — виртуального процессора (V86). В этом режиме могли одновременно выполняться несколько задач, предназначенных для i8086.

Более дешевая альтернатива 32-разрядному процессору i80386, который впоследствии получил окончание DX, появилась только в июне 1988 года. Это был микропроцессор i80386SX. В отличие от своего старшего "собрата" новый микропроцессор использовал 16-разрядную внешнюю шину данных и 24-разрядную адресную (адресуемое пространство — 16 Мбайт). Это было особенно удобно для стандартных PC/AT, системная шина которых использует, как известно, только 16 линий данных. Благодаря дешевизне нового изделия многие производители "железа" стали заменять теперь уже устаревший микропроцессор i80286 на более производительный i80386SX.


Одним из решающих факторов для замены была полная совместимость 32-разрядных микропроцессоров: программное обеспечение, написанное для i80386DX, корректно работало и на i80386SX. Дело в том, что внутренние регистры их были полностью идентичны. Надо отметить, что уже к концу 1988 года микропроцессор 180386SX выпускался в количествах, существенно превосходящих рекордные показатели для 180386DX. Кстати, говорят, что индекс SX произошел от слова SiXteen (шестнадцать), поскольку разрядность внешней шины данных нового тогда процессора была именно такой. В дальнейшем, правда, для 486-х процессоров SX стал означать отсутствие математического сопроцессора.

На осенней выставке Comdex в 1989 году фирма Intel впервые анонсировала микропроцессор 486DX, который содержал более миллиона транзисторов (а точнее, 1,2 миллиона) на одном кристалле и был полностью совместим с процессорами ряда х86. Напомним, что на кристалле первого члена этого семейства — микропроцессора i8088 — насчитывалось около 29 тысяч транзисторов. В борьбе с микропроцессорами-клонами фирма Intel намеренно убрала из названия нового устройства число 80. Новая микросхема впервые объединила на одном чипе такие устройства, как центральный процессор, математический сопроцессор и кэш-память. Использование конвейерной архитектуры, присущей RISC-процессорам, позволило достичь четырехкратной производительности обычных 32-разрядных систем. Это связано с уменьшением количества тактов для реализации каждой команды. 8-Кбайтная встроенная кэш-память ускоряет выполнение программ за счет промежуточного хранения часто используемых команд и данных. На тактовой частоте 25 МГц микропроцессор показал производительность 16,5 MIPS. Созданная в июне 1991 года версия микропроцессора с тактовой частотой 50 МГц позволила увеличить производительность еще на 50%. Встроенный математический сопроцессор существенно облегчил и ускорил математические вычисления. Однако впоследствии стало ясно, что подобный сопроцессор необходим всего лишь 30% пользователей.



Появление нового микропроцессора i486SX фирмы Intel вполне можно было считать одним из важнейших событий 1991 года. Уже предварительные испытания показали, что компьютеры на базе i486SX с тактовой частотой 20 МГц работают быстрее (примерно на 40%) компьютеров, основанных на i80386DX с тактовой частотой 33 МГц. Микропроцессор i486SX, подобно оригинальному i486DX, содержал на кристалле кэш-контроллер и кэш-память, а вот математический сопроцессор у него был заблокирован. Значительная экономия (благодаря исключению затрат на тестирование сопроцессора) позволила фирме Intel существенно снизить цены на новый микропроцессор. Надо сказать, что если микропроцессор i486DX был ориентирован на применение в сетевых серверах и рабочих станциях, то i80486SX послужил отправной точкой для создания мощных настольных компьютеров. Вообще говоря, в семействе микропроцессоров i486 предусматривалось несколько новых возможностей для построения мультипроцессорных систем: соответствующие команды поддерживают механизм семафоров памяти, аппаратно реализованное выявление недостоверности строки кэш-памяти обеспечивает согласованность между несколькими модулями кэш-памяти и т.д. Для микропроцессоров семейства i486 допускалась адресация физической памяти размером 4 Гбайта и виртуальной памяти размером 64 Тбайта.

К концу 1991 года 32-разрядные микропроцессоры стали стандартными для компьютеров типа лэптоп и ноутбук, однако обычные микросхемы i80386DX/SX не полностью отвечали требованиям разработчиков портативных компьютеров. Для удовлетворения потребностей этого сегмента рынка в 1990 году фирмой Intel был разработан микропроцессор i80386SL, который содержал примерно 855 тысяч транзисторов. Данный микропроцессор представлял собой интегрированный вариант микропроцессора i80386SX, базовая архитектура которого была дополнена еще несколькими вспомогательными контроллерами. По существу, все компоненты, необходимые для построения портативного компьютера, сосредоточены в двух микросхемах: микропроцессоре i80386SL и периферийном контроллере i82360SL.В набор i386SL впервые было введено новое прерывание, называемое System Management Interrupt (SMI), которое использовалось для обработки событий, связанных, например, с управлением потребляемой мощностью. Вместе с математическим сопроцессором i80387SL данный набор микросхем позволял создать 32-разрядный компьютер на площади, не намного превышающей размер игральной карты.

Сети на основе сервера

Если к одноранговой сети, где компьютеры выступают в роли и клиентов, и серверов, подключить более 10 пользователей, она может не справиться с объемом поставленных перед ней задач. Поэтому большинство сетей имеет другую конфигурацию — они работают на основе выделенного сервера. Выделенным называется такой сервер, который функционирует только как сервер и не используется в качестве клиента или рабочей станции. Он оптимизирован для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и для повышения защищенности файлов и каталогов.

При увеличении размеров сети и объема сетевого трафика необходимо увеличивать количество серверов. Распределение задач среди нескольких серверов гарантирует, что каждая задача будет выполняться наиболее эффективно.

Шина

Топологию «шина» часто называют «линейной шиной» (linear bus). В ней используется один кабель, именуемый магистралью или сегментом, к которому подключены все компьютеры сети. Данная топология является наиболее простой и распространенной реализацией сети.

Взаимодействие компьютеров

В сети с топологией «шина» компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электрических сигналов. Чтобы понять процесс взаимодействия компьютеров по шине, Вы должны уяснить следующие понятия:

•     передача сигнала;

•     отражение сигнала;

•     терминатор.

Передача сигнала

Данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети; однако информацию принимает только тот компьютер, чей адрес соответствует адресу получателя, зашифрованному в этих сигналах. Причем в каждый момент времени вести передачу может только один компьютер.

Рис. 29 Данные посылаются всем компьютерам, но принимает их только адресат

Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером одномоментно, ее производительность зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем больше компьютеров, тем большее их число ожидает передачи, и тем медленнее сеть.

Однако вывести прямую зависимость между пропускной способностью сети и количеством компьютеров в ней нельзя, поскольку, кроме числа компьютеров, на быстродействие сети влияет множество других факторов, например:

•     тип аппаратного обеспечения сетевых компьютеров;

•     частота, с которой компьютеры передают данные;

•     тип работающих сетевых приложений;

•     тип сетевого кабеля;

•     расстояние между компьютерами в сети.

Шина — пассивная топология.- Это значит, что компьютеры только «слушают» передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если какой-либо компьютер выйдет из строя, то это не скажется на работе сети.
В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их дальше по сети.

Отражение сигнала

Электрические сигналы распространяются от одного конца кабеля к другому. Если не предпринимать никаких специальных мер, сигнал, достигая конца кабеля, будет отражаться и создавать помехи, не позволяя компьютерам осуществлять передачу. Поэтому на концах кабеля электрические сигналы необходимо гасить.

Терминатор

Для того чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают терминаторы (terminators), поглощающие эти сигналы.

К любому свободному, т.е. ни к чему не подключенному, концу кабеля нужно подсоединять терминатор.

Нарушение целостности кабеля

Нарушение целостности сетевого кабеля происходит при его разрыве или отсоединении одного из его концов. Возможна также ситуация, когда на одном или нескольких концах кабеля отсутствуют терминаторы, что приводит к отражению электрических сигналов и, как следствие, к выходу из строя сети. Компьютеры остаются полностью работоспособными, но до тех пор, пока сегмент разорван, они не могут взаимодействовать друг с другом.

Шина EISA

С появлением новых микропроцессоров, таких, как i80386 и i486, стало очевидно, что одним из вполне преодолимых препятствий на пути повышения производительности компьютеров с этими микропроцессорами является системная шина ISA. Дело в том, что возможности этой шины для построения высокопроизводительных систем следующего поколения были практически исчерпаны. Новая системная шина должна была обеспечить больший возможный объем адресуемой памяти, 32-разрядную передачу данных, в том числе и в режиме DMA, улучшенную систему прерываний и арбитраж DMA, автоматическую конфигурацию системы и плат расширения. Такой шиной для IBM PC-совместимых компьютеров стала EISA (Extended Industry Standard Architecture). В EISA-разъем на системной плате компьютера помимо, разумеется, специальных EISA-плат могла вставляться либо 8-, либо 16-разрядная плата расширения, предназначенная для обыкновенной PC/AT с шиной ISA. Это обеспечивалось простым, но поистине гениальным конструктивным решением. EISA-разъемы имеют два ряда контактов, один из которых (верхний) использует сигналы шины ISA, а второй (нижний) — соответственно EISA. Контакты в соединителях EISA расположены так, что рядом с каждым сигнальным контактом находится контакт "Земля". Благодаря этому сводится к минимуму вероятность генерации электромагнитных помех, а также уменьшается восприимчивость к таким помехам.

Шина EISA позволяла адресовать 4-Гбайтное адресное пространство, доступное микропроцессорам 180386/486. Стандарт EISA поддерживал многопроцессорную архитектуру для "интеллектуальных" устройств (плат), оснащенных собственными микропроцессорами. Поэтому данные, например, от контроллеров жестких дисков, графических контроллеров и контроллеров сети могли обрабатываться независимо, не загружая при этом основной процессор. Теоретически максимальная скорость передачи по шине EISA в так называемом пакетном режиме (burst mode) могла достигать 33 Мбайт/с. В обычном (стандартном) режиме она не превосходила, разумеется, известных значений для ISA.

На шине EISA предусматривался метод централизованного управления, организованный через специальное устройство — системный арбитр. Таким образом поддерживается использование ведущих устройств на шине, однако возможно также предоставление шины запрашивающим устройствам по циклическому принципу.

Рис. 8 Модуль переключателей

Для компьютеров с шиной EISA было предусмотрено автоматическое конфигурирование системы. Каждый изготовитель плат расширения для компьютеров с шиной EISA поставлял вместе с этими платами и специальные файлы конфигурации. Информация из этих файлов использовалась на этапе подготовки системы к работе, которая заключается в разделении ресурсов компьютера между отдельными платами. Для "старых" плат адаптеров пользователь должен сам подобрать правильное положение DIP-переключателей (рис.8) и перемычек, однако сервисная программа на EISA-компьютерах позволяла отображать установленные положения соответствующих переключателей на экране монитора и дает некоторые рекомендации по правильной их установке. Помимо этого в архитектуре EISA предусматривалось выделение определенных групп адресов ввода-вывода для конкретных слотов шины — каждому разъему расширения отводится адресный диапазон 4 Кбайта, что также позволяло избежать конфликтов между отдельными платами EISA.

Компьютеры, использовавшие системные платы с шиной EISA, были достаточно дороги. К тому же шина по-прежнему тактировалась частотой около 8—10 МГц, а скорость передачи увеличивалась в основном благодаря увеличению разрядности шины данных.

Шина ISA

Появление PC/AT, использующего микропроцессор i80286 с 16 разрядной шиной данных, потребовало разработки новой системной шины ISA (Industry Standard Architecture), полностью реализующей возможности упомянутого микропроцессора. Она отличалась наличием дополнительного 36-контактного разъема для соответствующих плат расширения. За счет этого количество адресных линий было увеличено на четыре, а данных — на восемь. Теперь можно было передавать параллельно уже 16 разрядов данных, а благодаря 24 адресным линиям напрямую обращаться к 16 Мбайтам системной памяти. Количество линий аппаратных прерываний в этой шине было увеличено с 7 до 15, а каналов DMA — с 4 до 7. Надо отметить, что новая системная шина ISA полностью включала в себя возможности старой 8-разрядной шины, то есть все устройства, используемые в PC/XT, могли без проблем применяться и в PC/AT 286. Системные платы с шиной ISA уже допускали возможность синхронизации работы самой шины и микропроцессора разными тактовыми частотами, что позволяло устройствам, выполненным на платах расширения, работать медленнее, чем базовый микропроцессор. Это стало особенно актуальным, когда тактовая частота процессоров превысила 10—12 МГц. Теперь системная шина ISA стала работать асинхронно с процессором на частоте 8 МГц. Таким образом, скорость передачи могла достигать 16 Мбайт/с.

Шина L обходной путь для повышения производительности центрального процессора

На рис. 10 показан другой способ, позволяющий повысить быстродействие PC. Этим способом является использование специальной шины от центрального процессора до, кэш-памяти второго уровня. Например, в процессоре Pentium Pro кэш-память второго уровня работала с тактовой частотой микросхемы центрального процессора. В Pentium II она работает на половине тактовой частоты центрального процессора. В любом случае она работает намного быстрее, чем внутренняя шина системы, шина AGP или шина оперативной памяти. На рис. 10 показан центральный процессор, тактовая частота которого составляет 300 МГц.

Шина кэш-памяти второго уровня не только имеет более высокую тактовую частоту, чем шина, связывающая центральный процессор и микросхему Northbridge, она еще и работает независимо от этой шины. Это означает, что различные данные могут одновременно передаваться по каждой из этих шин.

На рис. 10 приведена конфигурация системы с несколькими шинами PCI. Основная шина PCI подключена к микросхеме Northbridge, и в разъемы этой шины установлены три карты расширения в формате PCI. На другом конце этой шины расположена микросхема Southbridge, назначение которой будет вскоре рассмотрено.

Обратите внимание, что у шины PCI есть ответвление, идущее направо. Этот ответвление проходит через микросхему "моста от одной шины PCI к другой" к специальному разъему, разработанному для использования в составе порта стыковочной станции. Порт стыковочной станции имеет соответствующий разъем, через который в нее кратчайшим путем передаются сигналы основной шины PCI. Существуют два способа осуществления подобного соединения: один из них предполагает использование дополнительной микросхемы Southbridge; другой из них построен на увеличении числа разъемов шины PCI.

На "южном" конце шины PCI расположена микросхема Southbridge. Эта микросхема содержит всю необходимую Интерфейсную логику для передачи сигналов с шины PCI намного более медленной шине ISA и на другие интерфейсы, которые могут использоваться в PC.
Шина ISA, показанная на рисунке, имеет всего пару разъемов, поскольку большинство функций, которые раньше были возложены на карты расширения шины ISA, в настоявшее время реализуются соответствующими портами или картами расширения в формате PCI.

К микросхеме Southbridge подключаются дисководы гибких дисков. Эта микросхема обеспечивает поддержку двух EIDE-каналов (первичного и вторичного), к каждому из которых может быть подключено до двух EIDE-устройств. Кроме того, на ней реализована отдельная шина клавиатуры, шина мыши, стандартный (возможно ЕСР или ЕРР) параллельный порт и один или несколько стандартных последовательных портов.. В дополнение ко всем перечисленным интерфейсам на этой микросхеме может быть еще интерфейс шины, позволяющей осуществлять. связь с разъемами универсальной последовательной шины (USB) и с разъемами интерфейса IEEE 1394 (Firewire). И, наконец, микросхема Southbridge может иметь интерфейс для отсека подключения PC-карт, в приведенном на рисунке случае интерфейс Card Bus (32-разрядный) с шиной Zoomed Video подключается непосредственно к видеоподсистеме.

Интерфейсы ISA, IDE и PC-карт работают с тактовой частотой 8,33 МГц (это составляет ровно одну четверть тактовой частоты шины PCI). Другие порты работают с еще меньшими тактовыми частотами.

Конечно, главным событием, связанным с развитием PC за прошедшее десятилетие, явилась скорость, с которой росло их быстродействие, повышалась их сложность и снижалась их цена, по сравнению с предшествовавшими моделями. Одним из очевидных последствий этого процесса является то, что по мере того, как эти маленькие коробочки становились все более способными и все более доступными, все большее число людей желало их приобрести. Именно поэтому PC в настоящее время превратился в товар массового спроса. И большинство усилий людей, занятых в области разработки и производства PC, направлено на то, чтобы еще больше людей использовали компьютеры для решения все более широкого круга задач.

Но при этом назревает проблема.


Уже сейчас в PC насчитывается дюжина различных интерфейсов ввода-вывода специального назначения. Каждый из них отличается от всех остальных. И большинство из них, если не все, необходимы, чтобы обеспечить обмен PC информацией со всеми аппаратными средствами, которые вы собираетесь к нему подключить.

Создается впечатление, что перед рассветом тьма гуще. Мы сталкиваемся с агрессивной рекламой "объединения" PC с телефонами и другими "бытовыми электроприборами", такими как видеомагнитофоны, телевизоры, радиоприемники, стиральные машины, микроволновые печи, тостеры, — вы сами можете продолжить этот список. Возможно, в недалеком будущем вы сможете купить подобное устройство, которое будет работать под управлением PC или передавать в него информацию. Мы не можем создавать специальный интерфейс для каждого из этих бытовых приборов и при этом не можем использовать для их подключения имеющиеся в настоящее время интерфейсы ввода-вывода информации. Нужно что-то радикально иное. Решение, к которому пришли некоторые очень умные люди, состоит в замене всех существующих интерфейсов ввода-вывода специального назначения на один или два действительно универсальных интерфейса. Да, это один или два типа действительно универсальных интерфейсов.

Шина PCI как ось "Север — Юг" в PC

Рис. 9 Слоты расширения

Шина PCI представляет собой мощное средство взаимодействия различных компонентов PC, как расположенных внутри системного блока, так и находящихся за его пределами. Intel воспользовалась этим преимуществом, чтобы разделить различные функции, возложенные на чипсет материнской платы, на две группы. Она интегрировала одну группу функций в микросхему, назвав ее Northbridge (Северный мост). Другая группа функций была интегрирована (фирмой Intel и некоторыми из ее конкурентов) в микросхему под названием Southbridge (Южный мост). Эти микросхемы соединяются шиной PCI. Данное соединение (и многое другое) показано на рис.

Тщательный анализ, этого рисунка поможет вам глубже понять архитектуру современных PC. На этом рисунке показано, что наш гипотетический, современный PC (который может: быть как настольным компьютером, так и

23.Микросхема Southbridge 24.IDE, FDD и другие порты 25.Микросхема Northbridge Интерфейс CPU-PCI 26.32 Кбита 33 МГц; 27.64 Кбита; 66 МГц   5.Отсек PC Card 6.

лэптопом) соединен со "стыковочной" станцией. Смысл такой организации в том, чтобы компьютер сохранял работоспособность при отключении от этой стыковочной станции, но при подключении к ней его возможности существенно возрастали бы. Приведем подробное описание каждого устройства, изображенного на этом рисунке, начав с описания микросхемы Northbridge и новейшего способа подключения видеоподсистемы к центральному процессору.

Рис. 10. Архитектура PC

Во всех современных PC соединение: центрального процессора с оперативной памятью осуществляется через более быструю и более широкую шину данных, чем это может быть обеспечено при использовании для этого соединения шины PCI. Эта быстрая шина называется внутренней (system) или главной (host) шиной. Центральный процессор не может непосредственно подключаться к модулям памяти. Для этого, по крайней мере, необходимо использование буферов и декодеров адресов памяти.
Точно так же, он не может непосредственно подключаться к линиям шины PCI. (Все сигналы, необходимые для обеспечения взаимодействия со всеми остальными компонентами PC, присутствуют на контактах разъемов шины PCI, поэтому Intel решила подключать все эти компоненты к шине PCI, а не прямо к микросхеме Northbridge.

Электронные схемы интерфейса, необходимые для решения этих задач, иногда называемые частью связующей логики материнской платы (motherboard gluelogic), были интегрированы в один очень большой кристалл интегральной микросхемы (сложность которого сравнима со сложностью центрального процессора). Intel назвала, эту микросхему Northbridge. В процессе разработки этой микросхемы у разработчиков возникла идея реализовать на ней поддержку другой, очень быстродействующей шины данных специального назначения. Они назвали ее интерфейс передовым портом графики (Advanced Graphics Port, AGP).

Шина AGP представляет собой шину, способную работать с частотой внутренней шины материнской платы, имеющую то же количество линий для передачи данных (в настоящее время это означает параллельную передачу 32 бит данных с тактовой частотой 66 МГц) и осуществляющую соединение микросхемы Northbridge с графическим акселератором. Графический акселератор может быть установлен на материнской плате (как это показано на рис. 10) или реализован в виде съемной карты расширения, вставляемой в специальный разъем AGP.

В этом случае на графическом акселераторе установлен банк локальной памяти, к которому имеет доступ только сам акселератор, он является дополнением к буферу изображения, который все еще логически размещен в диапазоне адресов оперативной памяти. Кроме того, видеоадаптер может получить высокоскоростной доступ к оперативной памяти PC, используя для/этого шину AGP, микросхему Northbridge и шину оперативной памяти. Видеоакселератор может осуществлять обмен информацией со своей локальной памятью по шине такой ширины, какую выберет для этой цели производитель видеокарты (и многие из высококачественных графических акселераторов PC используют в настоящее время для этой цели локальные шины шириной до 128-разрядов), но передача данных по шине AGP теперь будет ограничена параллельной передачей 32 бит.

Шины VL-bus и PCI

Практически одновременно, появились две локальные шины, признанные промышленными: VL-bus (или VLB), предложенная ассоциацией VESA (Video Electronics Standards Association), и PCI (Peripheral Component Interconnect), разработанная фирмой Intel. Обе эти шины были предназначены, вообще говоря, для одного и того же - для увеличения быстродействия компьютера, позволяя таким периферийным устройствам, как видеоадаптеры и контроллеры накопителей, работать с тактовой частотой до 33 МГц и выше. Обе шины использовали разъемы типа МСА. На этом, впрочем, их сходство и заканчивалось, поскольку требуемая цель достигалась разными средствами.

Если VL-bus являлась, по сути, расширением шины процессора (вспомним шину IBM PC/XT), то PCI по своей организации более тяготеет к системным шинам, например к EISA, и представляет собой абсолютно новую разработку. Строго говоря, PCI относится к классу так называемых mezzanine-шин, то есть шин-"пристроек", поскольку между локальной шиной процессора и самой PCI находится специальная микросхема согласующего "моста" (bridge).

Так как VL-bus продолжает шину процессора без промежуточных буферов, ее схемная реализация оказывается более дешевой и простой. Первая спецификация VESA, в частности, предусматривала, что к шине, которая являлась локальной 32-разрядной шиной системного микропроцессора, могло подключаться до трех периферийных устройств. Некоторые изготовители, впрочем, были убеждены, что добиться устойчивой работы трех устройств на высоких частотах вообще невозможно, и устанавливали на свои платы только 2 слота. Ограничение на число устройств было связано с тем, что электрическая нагрузочная способность на сигнальные линии любого процессора весьма невелика, и по сути своей, любое новое подключаемое устройство являлось шунтом для предыдущих.

В качестве устройств, подключаемых к VL-bus, выступали контроллеры накопителей, видеоадаптеры и сетевые платы. Конструктивно VL-bus выглядит как короткий соединитель типа МСА (112 контактов), установленный, например, рядом с разъемами расширения ISA или EISA.
При этом 32 линии используются для передачи данных и 30 — для передачи адреса. Максимальная; скорость передачи по шине VL-bus теоретически может составлять около 130 Мбайт/с. Стоит отметить, что на VL-bus не был предусмотрен арбитр шины. К счастью, большинство подключаемых к ней устройств являлись "пассивными", то есть сами не инициировали передачу данных. Тем не менее во избежание возможных конфликтов между подключенными к шине устройствами в спецификации выделялись "управляющие" (master) и "управляемые" (slave) адаптеры. Для "управляющих" устройств на системных платах обычно были определены свои "мастер" слоты. По замыслу разработчиков, подобные "управляющие" устройства могли осуществлять арбитраж на шине.

После появления процессора Pentium ассоциация VESA приступила к работе над новым стандартом VL-bus (версия 2). Он предусматривал, в частности, использование 64-разрядной шины данных и увеличение количества разъемов расширения (предположительно три разъема на 40 МГц и два на 50 МГц). Ожидаемая скорость передачи теоретически должна была возрасти до 400 Мбайт/с.

Спецификация шины PCI обладает несколькими преимуществами перед основной версией VL-bus. Так, использовать PCI можно вне зависимости от типа процессора. Специальный контроллер заботится о разделении управляющих сигналов локальной шины процессора и PCI-шины и, кроме того, осуществляет арбитраж на PCI. Именно поэтому данная шина может использоваться и в иных компьютерных платформах. Следует отметить, что гибкость и быстродействие этой шины предполагают и большие аппаратные затраты, чем для VL-bus. Тем не менее, шина PCI стала практическим стандартом для систем на базе Pentium и не менее успешно используется в других компьютерах, даже и не РС совместимых.

В соответствии со спецификацией PCI к шине могут подключаться до 10 устройств. Это, однако, не означает использования такого же числа разъемов расширения — ограничение относится к общему числу компонентов, в том числе расположенных на системной плате.


Поскольку каждая плата расширения PCI может разделяться между двумя периферийными устройствами, то уменьшается общее число устанавливаемых разъемов. В отличие от VL-bus шина PCI работает на фиксированной тактовой частоте 33 МГц и предусматривает напряжение питания для контроллеров как 5, так и 3,3 В, а также обеспечивает режим их автоконфигурации (plug and play — "включай и работай"). Заметим, что, например, PCI-карты, рассчитанные на напряжение 5 В, могут вставляться только в соответствующие слоты, которые конструктивно отличаются от слотов для напряжения 3,3 В. Впрочем, имеются и так называемые универсальные PCI-адаптеры, которые работают в любом из слотов. Шина PCI может использовать 124-контактный (32-разрядная) или 188-контактный разъем (64-разрядная передача данных), при этом теоретически возможная скорость обмена составляет соответственно 132 и 264 Мбайта/с.

Вообще говоря, многие изготовители системных плат часто предусматривали в своих изделиях разнообразные комбинации системных и локальных шин от ISA плюс VL-bus до EISA плюс AGP.

 Примерный вид такой платы приведен на рис 9. Тем не менее в "войне" локальных шин несомненную победу одержала PCI.

Системные и локальные шины

Основным функционалом системной шины является передача информации и данных между базовым микропроцессором и остальными электронными компонентами компьютера. По этой шине осуществляется также адресация устройств и происходит обмен специальными служебными сигналами. Таким образом, упрощенно системную шину можно представить как совокупность сигнальных линий, объединенных по их назначению (данные, адреса, управление). Передачей информации по шине управляет одно из подключенных к ней устройств или специально выделенный для этого узел, называемый арбитром шины.

Системная шина IBM PC и IBM PC/XT была предназначена для одновременной передачи только 8 бит информации, так как используемый в компьютерах микропроцессор 18088 имел 8 линий данных. Кроме того, системная шина включала 20 адресных линий, которые ограничивали адресное пространство пределом в 1 Мбайт. Для работы с внешними устройствами в этой шине были предусмотрены также 4 линии аппаратных прерываний (IRQ) и 4 линии для требования внешними устройствами прямого доступа в память (DMA, Direct Memory Access). Для подключения плат расширения использовались специальные 62-контактные разъемы. Системная шина и микропроцессор синхронизировались от одного тактового генератора с частотой 4,77 МГц. Таким образом, теоретически скорость передачи данных могла достигать более 4,5 Мбайта/с.

 Сканеры

Сканером называется устройство, позволяющее вводить в компьютер образы изображений, представленных в виде текста, рисунков, слайдов, фотографий или другой графической информации. Кстати, несмотря на обилие различных моделей сканеров, в первом приближении их классификацию можно провести всего по нескольким признакам (или критериям). Во-первых, по степени прозрачности вводимого оригинала изображения, во-вторых, по кинематическому механизму сканера (конструкции механизма движения), в-третьих, по типу вводимого изображения и, в-четвертых, по особенностям программного и аппаратного обеспечения сканера.)

Сопроцессоры

Важнейшей характеристикой любого компьютера является его быстродействие. Причем для ряда решаемых на компьютере задач одним из самых критичных параметров выступает скорость выполнения операций с плавающей точкой. Даже самые мощные универсальные микропроцессоры тратят на такие вычисления достаточно много времени. Поэтому вполне логичным было создание для этой цели специального устройства — микросхемы математического сопроцессора. До недавнего времени математический сопроцессор представлял собой специализированную интегральную схему, работающую во взаимодействии с центральным микропроцессором. Данная микросхема была предназначена только для одного — выполнения математических операций. Во всех микропроцессорах Intel от 486DX и выше сопроцессор интегрирован на кристалл основного процессора.

С другой стороны, хотя одно из значений слова "computer" и определяется как "тот, кто вычисляет", масса современных программных приложений, используемых на персональных компьютерах, вовсе не требует выполнения сложных математических операций. Впрочем, и интуитивно понятно, что для решения одних задач можно вполне обойтись без математического сопроцессора, для других же его отсутствие будет крайне нежелательным. Если не затрагивать специальных физических или математических (наверное, не очень сложных) задач моделирования, решаемых на персональных компьютерах, можно однозначно сказать о необходимости установки в компьютер математического сопроцессора для работы, например, с 3-мерной графикой, издательскими пакетами, электронными таблицами, пакетами САПР, специальными математическими пакетами и т. п. При работе же с небольшими базами данных или обычными текстовыми редакторами, использование сопроцессора не даст никаких ощутимых результатов. Бесполезным окажется сопроцессор в вашем компьютере и при работе с сетевыми операционными системами. Компания Intel, например, публикует справочник по математическим сопроцессорам — The Intel Math Coprocessor Product Guide, в котором приводятся названия более 20 тысяч программ, способных использовать математический сопроцессор. По некоторым оценкам, только треть всех владельцев персональных компьютеров эффективно используют математические сопроцессоры.

Первым математическим сопроцессором для персональных компьютеров IBM был NDP (Numerical Data Processor или МСР, Math Coprocessor) i8087 фирмы Intel, который появился еще в 1980 году, то есть за год до рождения первой "писишки" IBM. Отношение самой фирмы IBM к "собрату" i8088 было на первых порах достаточно прохладным — панелька (chip socket) для i8087 на системной плате компьютера, как правило, пустовала. Но со временем помимо "чисто интеловских" сопроцессоров в персональных компьютерах появились математические сопроцессоры и ряда других фирм, например ULSI (Ultra Larges Scale Integration), AMD или Cyrix.

Специализированные серверы

Круг задач, которые должны выполнять серверы, многообразен и сложен. Для того, чтобы серверы отвечали современным требованиям пользователей, в больших сетях их делают специализированными (specialized). Например, в сети могут работать различные типы серверов:

•   Серверы файлов и печати.

Серверы файлов и печати управляют доступом пользователей соответственно к файлам и принтерам. Так, чтобы работать с текстовым процессором, прежде всего Вы должны запустить его на своем компьютере. Документ текстового процессора, хранящийся на сервере файлов, загружается в память вашего компьютера, и теперь Вы можете работать с этим документом на своем компьютере. Другими словами, сервер файлов предназначен для хранения данных.

•   Серверы приложений.

На серверах приложений выполняются прикладные части клиент-серверных приложений, а также находятся данные, доступные клиентам. Например, чтобы ускорить поиск данных, серверы хранят большие объемы информации в структурированном виде. Эти серверы отличаются от серверов файлов и печати. В последних файл или данные целиком копируются на запрашивающий компьютер. А в сервере приложений на клиентский компьютер пересылаются только результаты запроса.

Приложение-клиент на удаленном компьютере получает доступ к данным, сохраняемым на сервере приложений. Однако вместо всей базы данных на Ваш компьютер с сервера загружаются только результаты запроса. Например, вместо полного перечня сотрудников Вы можете получить список только тех, кто родился в ноябре.

•   Почтовые серверы.

Почтовые серверы управляют передачей сообщений электронной почты между пользователями сети.

•   Серверы факсов.

Серверы факсов управляют потоком входящих и исходящих факсимильных сообщений через один или несколько факс-модемов.

•   Коммуникационные серверы.

Коммуникационные серверы (серверы связи) управляют проходящим через модем и телефонную линию потоком данных и почтовых сообщений между своей сетью и другими сетями, мэйнфреймами или удаленными пользователями.

•   Серверы служб каталога.

Каталог (directory) содержит данные о структуре сети, позволяя пользователям находить, сохранять и защищать информацию в сети. Windows NT Server объединяет компьютеры в логические группы — домены (domains), система защиты которых обеспечивает различным пользователям неодинаковые права доступа к сетевым ресурсам.

В большой сети использование серверов разных типов требует особого внимания. Необходимо учитывать все возможные нюансы, которые могут проявиться при разрастании сети, с тем, чтобы изменение специализации какого-либо сервера в дальнейшем не отразилось на работе всей сети.

Стандарт PCMCIA

Устройства, соответствующие первой версии стандарта PCMCIA, задумывались как альтернатива относительно тяжелым и энергоемким приводам флоппи-дисков в портативных компьютерах. "Загадочная" аббревиатура PCMCIA означает не что иное, как Personal Computer Memory Card International Association. Кстати, принятая этой ассоциацией спецификация была сразу поддержана такими фирмами, как IBM, AT&T, Intel, NCR и Toshiba. Сегодня данный стандарт поддерживают уже более 300 производителей. PCMCIA-устройства размером с обычную кредитную карточку являются альтернативой обычным платам расширения, подключаемым к системной шине. Сегодня в этом стандарте выпускаются модули памяти, модемы и факс-модемы, SCSI-адаптеры, сетевые карты, звуковые карты, винчестеры и т.д. Особой популярностью пользуются PCMCIA-карты флэш-памяти, которые не теряют информацию при выключении питания, обладают высоким быстродействием и могут быть использованы в качестве винчестера без движущихся частей.

Кстати, и для настольных компьютеров разработаны уже адаптеры для PCMCIA-устройств. Под адаптером PCMCIA понимается плата расширения, которая вставляется обычно в слот системной шины и соединяется с разъемом PCMCIA ленточным кабелем. Сам разъем PCMCIA размещается в стандартном отсеке с форм-фактором 3,5 или 5,25 дюйма.

Первая версия стандарта PCMCIA (release 1.0) была введена в августе 1990 года. Уже в сентябре 1991 года появилась вторая версия спецификации (release 2.0), которая включала в себя новые особенности, такие, как поддержка устройств ввода-вывода, дополнительный сервис для модулей флэш-памяти, поддержка модулей с "двойным" напряжением питания (5 и 3 В) и так называемый XIP-механизм (eXecute-In-Place). Заметим, что XIP-механизм обеспечивает выполнение программ непосредственно в пространстве PCMCIA-модуля памяти, экономя тем самым системную память компьютера. Более высокий уровень программных операций (так называемый Card Services) с PCM CIA-модулями был предложен только в начале 1992 года.
Новая версия спецификации позволяет называть PCMCIA-модули просто PC Card(s). Итак, стандарт PCMCIA для связи между PC Card и соответствующим устройством (адаптером или портом) компьютера определяет 68-контактный механический соединитель. На нем выделены 16 разрядов под данные и 26 разрядов под адрес, что позволяет непосредственно адресовать 64 Мбайта памяти. Хотя некоторые выводные контакты предназначены для сигналов, необходимых при работе с памятью, эти же контакты могут использоваться и для иных сигналов, рассчитанных на работу с устройствами ввода-вывода. Разумеется, перед этим происходит так называемая переконфигурация выводов.

На стороне модуля. PC Card расположен соединитель-розетка (female), а на стороне компьютера — соединитель-вилка (male). Кроме того, стандарт определяет три различные длины контактов соединителя-вилки. Такое решение легко объяснимо. Поскольку подключение и отключение PC Card может происходить при работающем компьютере (так называемое горячая замена), то для того, чтобы на модуль сначала подавалось напряжение питания, а лишь затем напряжение сигнальных линий, соответствующие контакты выполнены более длинными. Понятно, что при отключении PCMCIA-модуля все происходит в обратном порядке. (см.         рис. 11)

Слот

PC Card

Рис. 11. Слот PCMCIA

Помимо габаритных размеров стандарт PCMCIA предписывает размещение переключателя защиты записи, внутреннего источника тока, марки изготовителя, в случае если таковые имеются. Надо отметить, что "теплолюбивые" PC Cards должны нормально функционировать при температуре от 0 до 55 градусов по Цельсию.

 

 

 

Стримеры

Носители на магнитной ленте применяются в компьютерах еще с начала 50-х годов. В те времена подобные устройства стали приходить на смену "бумажным" носителям информации — перфолентам и перфокартам. Как устройство длительного хранения данных магнитная лента до сих пор сохраняет свое значение. В настоящее время чаще всего применяется несколько типов устройств, использующих в качестве носителя информации магнитную ленту. Более всего известны, конечно, накопители, использующие полудюймовые ленты, намотанные на бобины или катушки (half-inch reel-to-reel). Остальные типы устройств (кстати, более современные) используют для намотки ленты не отдельные бобины, а специальные кассеты — картриджи, или компакт - кассеты. Как известно, полудюймовые ленты, используемые в соответствующих накопителях, называют также девятидорожечными. Накопители на полудюймовых лентах в основном используются в составе мини и универсальных ЭВМ (mainframes).

Под стримером (streamer) понимается просто лентопротяжный механизм, работающий в инерционном режиме, и не более того. Так что то, намотана лента на бобину или заключена в кассету (картридж), к названию "стример" ровно никакого отношения не имеет. Но поскольку практически во всех лентопротяжных механизмах современных средств резервного копирования используется именно этот режим работы, сами накопители и называют стримерами (иногда "потоковыми" лентами).

 Струйные принтеры

Итак, струйные принтеры относятся к безударным печатающим устройствам. Обычно безударными принтерами называются такие устройства, у которых носитель печатаемой информации не касается бумаги. Не требуется, конечно, пояснять, что данные устройства работают практически бесшумно, что является одним из их несомненных преимуществ по сравнению с ударными. Струйные чернильные принтеры относятся, как правило, к классу последовательных матричных безударных печатающих устройств. Если продолжить уточнение признаков принадлежности печатающих устройств к отдельным группам, можно сказать, что последовательные безударные матричные струйные чернильные (liquid ink jet) принтеры в свою очередь подразделяются на устройства непрерывного (continuous drop, continuous jet) и дискретного (drop-on-demand) действия. Последние в своей работе опять же могут использовать либо "пузырьковую" технологию (bubble-jet или thermal ink-jet), либо пьезоэффект (piezo ink-jet). Кстати, "первопроходцами" этих технологий стали фирмы Canon и Epson. Почти все современные устройства этого класса используют именно две последние технологии печати. У чернильных устройств, как, впрочем, и у ударных матричных принтеров, печатающая головка движется только в горизонтальной плоскости, а бумага подается вертикально. Сопла (канальные отверстия) на печатающей головке, через которые разбрызгиваются чернила, соответствуют "ударным" иглам. Количество сопел у разных моделей принтеров, как правило, может варьироваться от 12 до 64. Поскольку размер каждого сопла существенно меньше диаметра иглы (тоньше человеческого волоса), а количество сопел может быть больше, то и получаемое изображение (теоретически) должно быть четче. Как правило, максимальная разрешающая способность достигает значения около 360 точек на дюйм. К сожалению, реальная картина часто отличается от теоретической, поскольку очень многое зависит от качества используемой бумаги.

Тактовый генератор

Большинство логических элементов компьютера разработано таким образом, чтобы работать синхронно, то есть по определенным тактовым сигналам. Именно генератор тактовой частоты вырабатывает специальные импульсы, служащие отсчетами времени для всех электронных устройств на системной плате. В качестве главного элемента генератора используется кристалл кварца, который на своей резонансной частоте обладает стабильностью 10-6.

Итак, для получения стабильной опорной частоты на системной плате компьютера могут находиться один или два кварцевых генератора. Генерируемая ими тактовая частота используется, в частности, для синхронизации работы микропроцессора и системной шины. Хотя частота тактовых импульсов определяет скорость (быстродействие) работы микропроцессора, увеличивать ее можно лишь до определенного предела. Как правило, имеются фиксированные величины тактовых частот для каждой модели микропроцессора. Например, существуют модели микропроцессоров, работающие на внешних тактовых частотах 33, 40, 50, 60  66, 100, 133 МГц. Повышение частоты свыше установленного предела может привести к возникновению ошибок и сбоям в работе, причем не только микропроцессора. Кстати, заметим, что для многих микропроцессоров существует и нижний уровень ограничения на тактовую частоту. Дело в том, что отдельные узлы микропроцессора могут быть построены по принципу динамической памяти и требовать постоянной регенерации.

Системная шина компьютера может тактироваться сигналом либо CLK2IN, либо CLK2IN/2, либо ATCLK (BBUSCLK). Для каналов прямого доступа в память DMA на системной плате используется еще один тактовый сигнал — SCLK, который зависит от частоты сигналов CLK2IN и ATCLK. Для часов же реального времени на системной плате используется свой "часовой" кварц (обычно 32 768 кГц).

Тенденции развития микропроцессоров семейств INTEL-AMD

Зачем изучать историю? – Это неинтересно! Зачем знать, в каком году был выпущен тот или иной микропроцессор? Скажете Вы. И будете не правы. Ибо, только изучая историю можно понять и предугадать будущее. Обратите внимание- процессор с 16-ти разрядной шиной данных i8086 появляется на год раньше процессора с 8-ми разрядной шиной данных i8088. Случайность – скажете Вы. А появление 32-х разрядного i80386DX на год раньше 16-ти разрядного i80386SX? А появление 486 SX позже 486DX? Просто на момент появления i8086 не существовало 16-ти разрядных приложений. Другими словами у появившегося процессора попросту не было потребителя на тот момент. Точно также большинству задач для 486 процессора не требовался сопроцессор. Таким образом, налицо тенденция развития рынка микропроцессоров – сначала появляется новый процессор, а затем более дешевый упрощенный его вариант, совместимый с существующими программными продуктами и аппаратным обеспечением. Вторая тенденция- это «поддержка программного и аппаратного обеспечения сверху вниз». Это означает, что любой новый процессор, например PENTIUM IV или DURON должен поддерживать весь набор инструкций более ранних процессоров, например i8088. Это связано со стремлением разработчиков «привязать» потребителя к конкретной платформе. И пусть этот набор инструкций морально устарел, зато потребителю не приходится переходить на другое программное обеспечение. Обратная сторона этой медали - невозможность кардинальных перемен, ведущих к значительному улучшению архитектуры процессоров, и, следовательно, невозможность существенного ускорения работы программных продуктов.

Вообще, производительность процессора можно повысить тремя способами: увеличивая разрядность, повышая тактовую частоту, совершенствуя архитектуру. Разрядность современных микропроцессоров (РС совместимых) в настоящее время достигла стабильных величин – шины адреса 32 (4 Гб адресного пространства), шины данных 64. Действительно, сложено представить себе компьютер с более чем 4 Гб оперативной памяти.
Работы в области увеличения тактовых частот процессоров в настоящее время ведутся очень активно, но это экстенсивный путь развития: увеличение тактовой частоты в 2 раза дает при прочих равных увеличение производительности на 70%, да и увеличение тактовой частоты имеет  физический и технологический предел. Например, на сегодняшний (или уже вчерашний) день это 1,5 –2 ГГц. Следовательно, основной путь развития – оптимизация структуры процессора, и за счет этого увеличение его производительности. Тенденций здесь несколько:

а.       увеличение количества потоков, по которым могут производиться конвейерные вычисления,

в.       увеличение внутренней кэш памяти и деление ее на несколько уровней, что позволяет держать в «быстрой» памяти основные и наиболее часто используемые данные,

с.       и, наконец, разбиение «больших» команд на несколько более мелких и удобных для процессора.

Кроме того, есть ряд характерных тенденций в технологии производства микропроцессоров. Это:

Увеличение производительности требует дальнейшего снижения теплоотдачи процессора, а достигнуть этого можно в основном за счет снижения напряжения питания (с 5 В в 1991 году до 1,5 В в 2002).

Дальнейшее увеличение производительности возможно только за счет увеличения количества транзисторов на кристалле, а это требует совершенствования технологии производства и уменьшение расстояния между транзисторами на кристалле (с 0,6 микрон у Pentium I до 0,1 микрон у Pentium IV).

Совершенствование системы охлаждения микропроцессоров.

Таким образом, можно уже сейчас предположить каким будет процессор через 2-3 года:

Технология изготовления 0,1- 0,05 микрон,

Тактовая частота 3-5 ГГц,

Внутренний кэш 4-го уровня,

Внешняя шина 200-500 МГц,

Шина данных 128 (256?) разрядов,

Набор инструкций RISC процессора, впрочем, эмулирующий все предыдущие версии.

При этом ошибочно было бы предполагать, что нельзя предугадать примерную цену на новый процессор. Дело в том, что цены на все высокотехнологичное оборудование меняются очень быстро.


Связано это как с инфляцией, так и с необходимостью продвижения на рынке новых изделий. Таким образом, при себестоимости 5-10 долларов, продажная цена процессора может достигать величин 500-2000 долларов.

Рисунок 6 зависимость цены микропроцессора от его производительности.

График зависимости цены микропроцессора в зависимости от его производительности представлен на рис:6. На этом графике специально нет координатной сетки, поскольку цена меняется практически каждую неделю, и следовательно, каждый может построить такой график сам для конкретного момента времени, используя любой индекс оценки производительности процессора (например iCOMP). Данную кривую можно аппроксимировать тремя прямыми, первая из которых, почти параллельная оси абсцисс, характеризует процессоры, выпускавшиеся 2-5 лет назад, и уже снятые с производства. Цена на них почти равна себестоимости. Третья, почти параллельная оси ординат, характеризует процессоры, выпускаемые в последнее время, а также только что выпущенные. Цена на них резко завышена. И, наконец, вторая прямая характеризует процессоры, производящиеся более года, но не более двух. Именно эти процессоры и являются оптимальными по соотношению цена/качество.

Следует заметить, что штрих - пунктирной  линией на этом же графике можно отметить то, что будет через какой-либо промежуток времени, например пол года. Те процессоры, которые стоили «бешеных» денег потеряют в цене, зато появятся новые, которые будут стоить столько же, сколько и их предшественники пол года назад. Таким образом, во все времена, современный производительный процессор стоил и будет стоить от 70 до 200 долларов, поскольку цена его связана не с себестоимостью производства (напомню, 5-10 долларов), а с реальным спросом населения.

Теплообмен

Проблема теплообмена стала особенно актуальной с повышением рабочей тактовой частоты процессоров и ужесточением технологических норм при производстве самих кристаллов. Заметим, что микросхема, рассеивающая более 4 Вт мощности, уже требует охлаждения. Имеются данные, показывающие, что снижение рабочей температуры процессора на 10 градусов ведет к удвоению времени его безотказной работы, при этом скорость движения электронов в полупроводниках также повышается почти вдвое.

Стандартным решением для охлаждения микропроцессоров является малогабаритный вентилятор, установленный на радиаторе (Cool-CPU). Двигатель вентилятора запитывается от блока питания компьютера через переходной разъем. Сам радиатор может снизить температуру микросхемы примерно на 20 градусов, а вентилятор позволяет довести эту цифру до 40. Например, за 1994 год было произведено около 40 миллионов подобных устройств, из которых приблизительно 75% изготовлено на Тайване.

Кроме обычных малогабаритных вентиляторов для охлаждения процессоров ряд фирм предлагают несколько оригинальных решений, например охлаждающие устройства, использующие термоэлектрический эффект Пелтье (Peltier). Данный эффект заключается в том, что прохождение слабого электрического тока через контакт двух специально подобранных материалов сопровождается поглощением тепла. Подобные термоэлектрические устройства способны снизить температуру на 50—70 градусов. Другим техническим решением являются устройства, использующие летучие жидкости (метанол, ацетон), которые абсорбируют тепло от микросхемы и затем рассеивают его. Данные устройства весьма миниатюрны и идеально подходят, например, для охлаждения процессоров в портативных компьютерах. Кроме того, термоперенос через жидкость происходит гораздо быстрее, чем через металл. Известны также миниатюрные вентиляторы, которые, используя вихревой, или турбулентный, эффект, могут понижать температуру до 50—55 градусов. В свою очередь, так называемые активные охлаждающие устройства благодаря постоянному контролю нагрева радиатора и регулировке скорости вращения двигателя вентилятора, позволяют поддерживать строго определенную температуру.

Типы беспроводных сетей

В зависимости от используемой технологии беспроводные сети можно разделить на три типа:

•     локальные вычислительные сети;

•     расширенные локальные вычислительные сети;

•     мобильные сети (переносные компьютеры).

Основные различия между этими типами сетей — параметры передачи. Локальные и расширенные локальные вычислительные сети используют передатчики и приемники, принадлежащие той организации, в которой функционирует сеть. Для переносных компьютеров средой передачи служат общедоступные сети, например телефонная сеть или Интернет.

Локальные вычислительные беспроводные сети

Типичная беспроводная сеть выглядит и функционирует практически так же, как кабельная, за исключением среды передачи. Беспроводной сетевой адаптер с трансивером установлен в каждом компьютере, и пользователи работают так, будто их компьютеры соединены кабелем.

Точки доступа

Трансивер, называемый иногда точкой доступа (access point), обеспечивает обмен сигналами между компьютерами с беспроводным подключением и кабельной сетью. В беспроводных ЛВС используются небольшие настенные трансиверы. Они устанавливают радиоконтакт с переносными устройствами. Наличие этих трансиверов и не позволяет назвать такую сеть строго беспроводной.

Беспроводные локальные сети используют четыре способа передачи данных:

•   инфракрасное излучение:

•   лазер;

•   радиопередачу в узком диапазоне (одночастотная передача);

•   радиопередачу в рассеянном спектре.

Рис. 43   Переносной компьютер, подключенный к точке доступа

Топология сети

Термин «топология» (topology), или «топология сети», обозначает физическое расположение компьютеров, кабелей и других сетевых компонентов. Топология — это стандартный термин, который используется профессионалами при описании базовой схемы сети. Кроме термина «топология», для описания физической компоновки сети употребляют также следующие:

•     физическое расположение;

•     компоновка;

•     карта;

•     схема.

Характеристики сети зависят от типа устанавливаемой топологии. В частности, выбор той или иной топологии влияет на:

•     состав необходимого сетевого оборудования;

•     возможности сетевого оборудования;

•     возможности расширения сети;

•     способ управления сетью.

Если Вы поймете, как используются различные топологии, то будете знать, какими возможностями обладают различные типы сетей.

Чтобы совместно использовать ресурсы или выполнять другие сетевые задачи, компьютеры должны быть подключены друг к другу. Для этой цели в большинстве сетей применяется кабель.

Однако просто подключить компьютер к кабелю, соединяющему другие компьютеры, недостаточно. Различные типы кабелей в сочетании с различными сетевыми платами, сетевыми операционными системами и другими компонентами требуют и различных методов реализации. Кроме того, каждая топология сети при установке выдвигает ряд условий. Например, применения не только конкретного типа кабеля, но и способа его прокладки. Топология может также определять способ взаимодействия компьютеров в сети. Различным видам топологий соответствуют различные методы взаимодействия, и эти методы оказывают большое влияние на работу сети.

 TV-тюнеры

Эти устройства, выполненные обычно в виде карт или бокса (небольшой коробочки), преобразуют аналоговый видеосигнал, поступающий по сети кабельного телевидения от антенны, видеомагнитофона или камкодера (camcorder). Если одни устройства сами выполняют дискретизацию поступающего видеосигнала, то другие требуют для этого отдельной карты. Функции TV-достаточно тюнера могут реализовываться и другими устройствами, такими, как MPEG-плейеры или фрелм-грабберы.

Обычно в комплект с TV-тюнерами входит программное обеспечение для Windows, которое включает в себя систему дистанционного управления, позволяющую переключать каналы, устанавливать время таймера, настраивать яркость, контрастность, звук и т.д.

 USB (Universal Serial Bus)

Физически USB представляет из себя две скрученные пары проводов для передачи данных в каждом направлении (дифференциальное включение) и линию питания (+5 В). Структура стандарта USB была описана выше. Один порт может адресовать до 63 устройств через цепочку концентраторов (hubs). Передача данных может осуществляться как в асинхронном, так и в синхронном режимах. USB может обеспечить скорость до 12 Мбит/с. Одним из преимуществUSB является, в частности, возможность соединения с цифровой телефонной линией без дополнительных, плат. Все подключенные к USB устройства должны конфигурироваться автоматически.

 Услуги различных уровней модели OSI

          На сеансовом уровне предоставляются услуги, связанные с обслуживанием сеансов и обеспечением передачи данных в диалоговом режиме; установление сеансового соединения; обмен данными; управление обменом; синхронизация сеансового соединения; сообщения об исключительных ситуациях; отображение сеансового соединения на транспортный уровень; завершение сеансового соединения.

         Представительный уровень обеспечивает следующие виды услуг: выбор вида представления данных; интерпретация и преобразование передаваемых данных к виду, удобному для прикладных процессов; преобразование синтаксиса данных; формирование данных.

         Прикладной уровень обеспечивает широкий набор услуг: управление терминалами; управление файлами; управление диалогом; управление задачами; управление сетью в целом; целостность информации; ряд дополнительных услуг. К дополнительным услугам уровня относятся ус     луги по организации электронной почты, передачи массивов сообщений и т.п.

          Услуги различных уровней определяются с помощью, протоколов эталонной модели взаимодействия открытых систем, которые представляют собой правила взаимодействия объектов одноименных уровней открытых систем. При этом по функциональному назначению все протоколы целесообразно разделить на три группы.

Первую группу составляют протоколы абонентской службы, соответствующие прикладному, представительскому и сеансовому уровням модели взаимодействия открытых систем. Протоколы этой группы являются сетенезависимыми, то есть их характеристики и структура не зависят от используемой сети передачи данных. Они определяются лишь структурой абонентских систем и поставленными перед ними задачами обработки информации. Две другие группы протоколов описывают транспортную службу компьютерной сети и различаются между собой процедурой доступа к передающей среде. Одна из этих групп определяет систему передачи данных с маршрутизацией информации, а другая — с селекцией информации.

Маршрутизация, представляет собой процедуру определения пути передачи информации в сетях передачи данных и характерна для глобальных и региональных компьютерных сетей, в рамках которых и рассматривается соответствующая группа протоколов.

Под селекцией в компьютерных сетях подразумевается процесс выбора очередной абонентской системы, для подключения ее к сети передачи данных с целью обмена информацией. Селекция информации в основном используется в системах передачи данных локальных компьютерных сетей, где и рассматривается третья группа протоколов.

Важные определения

Прежде чем далее говорить о микропроцессорах, необходимо запомнить некоторые важные определения, которые пригодятся в дальнейшем:

Периферийным устройством называется любое внешнее устройство, совершающее по отношению к микропроцессору операции ввода-вывода.

Регистр -  совокупность бистабильных устройств (то есть имеющих два устойчивых состояния), предназначенных для хранения информации и быстрого доступа к ней. В качестве таких устройств в интегральных схемах используют триггеры. Триггер в свою очередь выполнен на транзисторных переключателях (электронных ключах). В регистре из N триггеров можно запомнить слово из N бит информации.

Порт — это некая схема сопряжения, обычно включающая в себя один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющая подключить, например, периферийное устройство к внешним шинам микропроцессора. Практически каждая микросхема использует для различных целей несколько портов ввода-вывода. Каждый порт в персональном компьютере имеет свой уникальный номер. Номер порта — это, по сути, адрес регистра ввода-вывода, причем адресные пространства основной памяти и портов ввода-вывода не пересекаются.

Прерывание - сигнал, по которому процессор узнает о совершении некоего асинхронного события. При этом исполнение текущей последовательности команд приостанавливается (прерывается), а вместо нее начинает выполняться другая последовательность, соответствующая данному прерыванию. Прерывания можно классифицировать как:

аппаратные,

логические,

программные.

Аппаратные прерывания обычно связаны с запросами от периферийных устройств (например, нажатие клавиши на клавиатуре), логические возникают при работе самого микропроцессора (например, деление на ноль), а программные инициируются выполняемой программой и используются для вызова специальных подпрограмм. Кроме того, прерывания могут быть:

маскируемыми, то есть при определенных условиях (например, запрете на определенные прерывания) микропроцессор не обращает на них внимания;

немаскируемыми, то есть не игнорируемыми ни при каких условиях. В этом случае, как правило, должны обрабатываться почти катастрофические события (падение напряжения питания или ошибка памяти).

В режиме прямого доступа (DMA, Direct Memory Access) периферийное устройство связано с оперативной памятью непосредственно, минуя внутренние регистры микропроцессора. Наиболее эффективна такая передача данных в ситуациях, когда требуется высокая скорость обмена при передаче большого количества информации (например, при загрузке данных в память с внешнего накопителя).

Довольно часто для адресов, номеров портов, прерываний и т.п. используется шестнадцатеричная система счисления. В этом случае после соответствующего числа стоит буква "h" (hexadecimal).

 Важные параметры

Итак, наиболее важными для монитора являются следующие параметры: частота вертикальной синхронизации (кадровая развертка), частота горизонтальной синхронизации (строчная развертка) и полоса пропускания видеосигнала. Кадровая частота измеряется обычно в герцах и во многом определяет устойчивость изображения (отсутствие мерцаний). Как известно, человеческий глаз воспринимает смену изображений с частотой выше 20—25 Гц практически как непрерывное движение. Чем выше частота кадров, тем устойчивее изображение. Так, организация VESA (Video Electronics Standards Association) рекомендовала использовать для разрешения 640x480 и 800x600 частоту кадровой развертки не ниже 72 Гц, а для разрешения 1024x768 — 70 Гц. В настоящее время речь уже идет о частоте 100 Гц. Однако повышение частоты требует увеличения частоты строчной развертки, так как уменьшается время, отводимое на формирование каждой точки изображения. Частота строк в килогерцах, вообще говоря, определяется произведением частоты вертикальной развертки на количество выводимых строк в одном кадре (разрешающая способность по вертикали). Полоса видеосигнала, измеряемая в мегагерцах, определяет самые высокие частоты в видеосигнале. Приблизительно эта величина может быть рассчитана как произведение количества точек в строке (разрешающая способность по горизонтали) на частоту строчной развертки. Иными словами, этот параметр отражает число точек в строке, которое монитор может воспроизвести за одну секунду.

Не менее значимым фактором, чем частота кадровой развертки, является способ формирования изображения на экране монитора в режимах высокого разрешения — построчный (прогрессивный) или чересстрочный. При построчном способе формирования изображения все строки кадра выводятся в течение одного периода кадровой развертки, при чересстрочном — за один период кадровой развертки выводятся четные строки изображения, а за следующий — нечетные. Таким образом, говорят, что один кадр делится на два поля. Последний способ, кстати, используется и в телевидении.
Совершенно нетрудно заметить, что в случае чересстрочной развертки эквивалентная частота кадров снижается вдвое. Это позволяет достаточно легко увеличивать разрешающую способность монитора, хотя и в ущерб качеству изображения.

Цветной монитор работает примерно так же, как и монохромный (черно-белый). Вообще говоря, монохромные мониторы могут использовать люминофор не только белого, но и, например, янтарного цвета. Итак, в случае цветного монитора имеются уже три электронные пушки с отдельными схемами управления, а на поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: R (Red, красный), G (Green, зеленый) и В (Blue, синий). Таким образом, каждая пушка должна "стрелять" только по своей "цели". Для этого в каждом цветном кинескопе имеется либо теневая маска, либо (в кинескопах Trinitron) так называемая апертурная решетка. Они служат для того, чтобы лучи электронных пушек попадали только в точки люминофора соответствующего цвета. Если теневая маска содержит систему отверстий, то апертурная решетка образует систему щелей, выполняющих ту же функцию. В современных мониторах используется так называемая усовершенствованная теневая маска (advanced shadow mask). Обычно маска для монитора делается из специального сплава — инвара, который имеет очень маленький коэффициент температурного линейного расширения. Таким образом, даже при нагревании маски четкость изображения сохраняется. Тем не менее, в мониторах используются специальные схемы динамической фокусировки и сведения лучей. Отверстия маски соответствуют точкам люминофора, нанесенным на обратной стороне плоскости экрана. Величина точки люминофора, необходимая для обеспечения требуемого разрешения, зависит от размеров экрана. Чем больше нужно разместить точек и чем меньше экран, тем плотнее приходится располагать точки.

При прочих равных условиях четкость изображения на мониторе тем выше, чем меньше размеры точек люминофора на внутренней поверхности экрана. Обычно говорят не о размерах самих точек, а о расстоянии между ними (dot pitch).


Этот параметр для различных моделей мониторов может лежать в диапазоне от 0,41 до 0,18 мм, однако для хороших моделей диапазон существенно сужается — от 0,25 до 0,18 мм. Интересно отметить, как примерно определяется расстояние между точками. Для обычного 14-дюймового монитора размер экрана в ширину составляет около 265 мм. Режим 640x480 требует отображения 640 точек на одну линию. Следовательно, расстояние между точками должно быть не более 0,41 мм: 265/640 (табл. 4).

Таблица 4. Зависимость между разрешением и расстоянием между точками люминофора

Размер экрана, дюйм	64ОХ480	8ООХ6ОО	1О24Х768	128ОХ1О24
14	0,32	О.28	О,22	0, 18
15	0,38	0,30	О.24	0, 19
17	6,43	0,34	0,27	0,22
21	0,50	О,4О	0,31	0,25

Мультичастотные (мультисканирующие) мониторы, именуемые иногда Multisync — по названию мониторов, выпускаемых фирмой NEC, обладают способностью настраиваться на произвольные значения частот синхросигналов из некоторого заданного диапазона, например 30—64 кГц для строчной и 50—100 Гц — для кадровой развертки.

Основным управляющим сигналом для мониторов является видеосигнал, поступающий с платы видеоадаптера.

 

Видеоадаптеры

Все современные видеоподсистемы могут работать в одном из двух основных видеорежимов: текстовом или графическом. В текстовом режиме, называемом иногда символьным, экран монитора разбивается на отдельные символьные позиции, в каждой из которых может выводиться один символ. Для преобразования кодов символов, хранимых в видеопамяти адаптера, в точечные изображения на экране служит так называемый знакогенератор, который обычно представляет из себя ПЗУ, где хранятся изображения символов, "разложенные" по строкам. При получении кода символа знакогенератор формирует на своем выходе соответствующий двоичный код, который затем преобразуется в видеосигнал.

В графическом режиме для каждого пиксела отводится от одного (монохромный режим) до нескольких бит (обычно цветной). Графический режим часто называют режимом с адресацией всех точек, поскольку только в этом случае имеется доступ к каждой точке изображения. Исторически сложилось так, что начальные адреса в видеобуфере для текстовых и графических режимов не совпадают. Большинство текстовых режимов имеют стартовый адрес памяти BSOOOh, а графические — AOOOOh.

Максимальное разрешение и количество воспроизводимых цветов конкретной видеоподсистемы в первую очередь зависят от общего объема видеопамяти и количества бит, приходящихся на один элемент изображения. Так, если для отображения одного пиксела отводится один бит, то понятно, что можно обеспечить только монохромный режим (0 или 1, есть точка или нет точки); если более одного, то имеется возможность воспроизводить либо оттенки серого за счет изменения яркости (00 — черный цвет, 01 — слабое свечение, 10 — обычное, 11 — яркое), либо цвета. Например, четырехцветный графический режим может включать поддержку черного, зеленого, красного и коричневого цветов. Разумеется, возможна и смена палитры.

Как известно, для формирования цвета элемента изображения на экране монитора обычно используются три основных цвета — R, G и В. Кроме них некоторые видеоадаптеры, работающие с уровнями ТТЛ, вырабатывают также сигнал интенсивности (яркости) изображения— Intensity.
Это дает возможность реализовать так называемую 16-цветную палитру IRGB. Другие адаптеры (также с цифровыми уровнями сигналов) кодируют каждый цвет не одним, а двумя независимыми сигналами — основным (R, G или В) и дополнительным с меньшей интенсивностью (r, g или b). Все возможные комбинации позволяют отображать уже 64 цвета, хотя одновременно по-прежнему только 16, поскольку для кодирования цвета отводится всего 4 бита. Видеоадаптеры с выходным аналоговым сигналом подают на соответствующий монитор сигналы R, g| В и, разумеется, сигналы синхронизации.

Введем еще одно понятие — "видеостраница" (далее просто страница). Размер памяти, необходимой для заполнения экрана, особенно в текстовых режимах, намного меньше возможной емкости видеобуфера (128 Кбайт). Например, в текстовом режиме 3 необходимо всего около 4 Кбайт: 80x25x2 = 4000 байт (помним о том, что каждый символ занимает два байта). Именно эта величина и определяет размер страницы для режима 3. Для режима, определяющего 25 строк при 40 столбцах, размер страницы будет составлять уже около 2 Кбайт: 40x25x2 = 2000 байт. Если реальная емкость видеобуфера превышает размер одной страницы, в нем можно организовать несколько страниц, причем в любой момент времени на экран может выводиться содержимое только одной, активной (или текущей), страницы. Впрочем, остальные страницы в любой момент времени остаются доступными процессору. Например, в режиме 3 средства ROM BIOS позволяют работать с 8 страницами (0—7). Заметим, что концепция разбиения видеопамяти на страницы сохраняется и в графических режимах.

Одной из существенных особенностей некоторых видеоадаптеров является поддержка загружаемых символьных наборов, определенных, например, самим пользователем.

Как известно, в первой IBM PC на экране монитора могла отображаться только алфавитно-цифровая информация. Ни возможности вывода графики, ни тем более изменения цветов предусмотрено не было. Первый видеоадаптер имел полное название Monochrome Display and Parallel Printer Adapter (MDPPA), которое чаще использовалось в сокращенном виде — MDA.


Разрешающая способность адаптера MDA позволяла отображать на мониторе 720 точек по ширине и 350 точек (пикселов) по высоте экрана. Поскольку, как уже было сказано, графического режима в адаптере предусмотрено не было, то алфавитно-цифровая информация отображалась на экране в 25 строк по 80 символов в каждой. Возможность использования таких атрибутов, как негативное изображение, повышенная яркость, подчеркивание и мерцание, в некоторой степени компенсировала отсутствие цветов.

Тем не менее, спустя всего несколько месяцев после выпуска первой "писишки" с MDA фирма IBM разработала видеоадаптер, который поддерживал не только графическое изображение, но и цвета, что, кстати, особо подчеркивалось даже в его названии. Адаптер CGA (Color Graphics Adapter) обеспечивал отображение четырех цветов при разрешающей способности 320 на 200 пикселов. Заметим, кстати, что именно в то время и появились первые игры для IBM PC.

Чуть позже стало понятно, что графика на CGA, даже цветная, не всегда удовлетворяет решаемым задачам, в частности, из-за низкой разрешающей способности. Первый видеоадаптер для IBM PC, в какой-то мере отвечавший этим нуждам, был создан на фирме Hercules в 1982 году. Этот адаптер — HGC (Hercules Graphics Card) — поддерживал на монохромном мониторе разрешение 720на 350 точек.

Новой разработкой фирмы IBM стал улучшенный графический адаптер EGA (Enhanced Graphics Adapter), который появился на свет уже в 1984 году. Этот адаптер не только позволял полностью эмулировать все режимы работ предыдущих адаптеров (MDA, CGA), но и, разумеется, обладал дополнительными возможностями. Например, при разрешающей способности 640 на 350 пикселов он мог, одновременно воспроизводить 16 цветов из палитры в 64 цвета (именно для этого адаптера использовались сигналы RrGgBb).

Несколько незаметно, по крайней мере в нашей стране, начал и закончил свое существование видеоадаптер PGA (Professional Graphics Adapter), который сделал следующий шаг в развитии возможностей адаптера EGA.


Так, при разрешающей способности 640 на 480 пикселов на экране могло одновременно воспроизводиться 256 цветов из 4096 возможных.

Видеоадаптер VGA (Video Graphics Array) был объявлен фирмой IBM еще в 1987 году, и до недавнего времени он по-прежнему оставался одним из самых распространенных. При создании этого устройства была обеспечена его полная совместимость сверху вниз с адаптером (EGA, что позволило сохранить преемственность существующего программного обеспечения. Немудрено поэтому, что вскоре VGA стал фактическим стандартом, включающим в себя все режимы предыдущих адаптеров и расширяющим их возможности по разрешающей способности и количеству воспроизводимых цветов. Так, при использовании адаптера VGA обеспечивается разрешение 640 на 480 пикселов и на экране монитора может воспроизводиться 16 цветов. Все режимы, исключая графические с разрешением 640 на 480 пикселов, используют вертикальную развертку c частотой 70 Гц, что существенно снижает ощущаемое пользователем мерцание экрана. Частота развертки для режима 640 на 480 точек составляет только 60 Гц. Частота строчной развертки равняется 31,5 кГц, что, кстати, вдвое больше американского телевизионного стандарта NTSC (15,7 кГц). Основными узлами VGA-адаптера являются собственно видеоконтроллер (как правило, заказная БИС — ASIC), видеоBIOS, видеопамять, специальный цифро-аналоговый преобразователь с небольшой собственной памятью (RAMDAC, Random Access Memory Digital to Analog Converter), кварцевый осциллятор (один или несколько) и микросхемы интерфейса с системной шиной.

Создание клонов коснулось не только персональных компьютеров фирмы IBM, но и разработанных ею видеоадаптеров. Тем не менее, копирование было достаточно точным, то есть можно сказать, что соблюдался некий стандарт "по умолчанию".

 Видеоадаптеры SVGA

После того как стало ясно, что стандарт VGA практически полностью себя исчерпал, большинство независимых разработчиков начали его улучшать как за счет увеличения разрешающей способности и количества воспроизводимых цветов, так и введения дополнительных возможностей. Например, некоторыми отличительными особенностями видеоадаптеров SVGA принято считать следующие:

-  использование 16- и 256-цветных режимов с разрешением 1024 на 768 точек;

-  применение новых цифро-аналоговых преобразователей RAMDAC (8 разрядов на цвет вместо 6);

-  от 512 Кбайт до 4 Мбайт видеопамяти;

-  поддержка аппаратного курсора;

-  16-разрядная шина данных (у VGA обычно 8);

-  16-разрядный видеоBIOS (у VGA обычно 8);

-  двухпортовые микросхемы памяти (VideoRAM);

-  программируемый кварцевый генератор и т.д.

Вообще говоря, прародителем SVGA можно считать фирму NEC, разработавшую VGA-совместимый графический адаптер, который имел дополнительный режим с разрешением 800 на 600 точек и одновременным отображением 256 (из 256 К возможных) цветов (табл. 5). Хотя все производители обеспечивали совместимость своих изделий с VGA, дополнительные видеорежимы и возможности адаптеров зачастую не совпадали, поскольку каждый считал нужным делать это по-своему. Немудрено, что уже само понятие SVGA, не связанное жестко с конкретными режимами работы адаптера, вносило серьезную неразбериху. В октябре 1989 года ассоциация VESA предложила свой стандарт на новые видеоадаптеры — VESA BIOS Extension, который в настоящее время поддерживается большинством фирм-производителей. Сначала VESA рекомендовала использовать режим с разрешением 800 на 600 точек и поддержкой 16 цветов как стандартный. Затем последовали 256-цветные режимы с разрешением 640 на 480, 800 на 600 и 1024 на 768 точек, а также 16-цветный режим с разрешением 1024 на 768 пикселов и т.д.

Таблица 5 Зависимость количества воспроизводимых цветов от типа видеоадаптера

Количествоцветов

Разрешения

320x200

640x200

640x350

640x480

800x600

1024x768

2

CGA

CGA

EGA

VGA

SVGA

SVGA

4

CGA

EGA

EGA

VGA

SVGA

SVGA

16

EGA

EGA

EGA

VGA

SVGA

SVGA

256

VGA

SVGA

SVGA

SVGA

SVGA

SVGA

 

 Видеокабели

Кабели монитор-видеоадаптер различаются в зависимости от уровня применяемых сигналов (ТТЛ или аналоговый). Имеется два стандарта на соединители в таких кабелях; 15-контактный DB-shell для мониторов, использующих аналоговые сигналы (VGA, Super VGA), и 9-контактный DB-shell для мониторов, использующих ТТЛ-сигналы (MDA, CGA и EGA). Как правило, на всех таких кабелях имеются специальные фильтры (выглядят обычно как утолщения), уменьшающие высокочастотные помехи в сигналах изображения. Длина кабелей не превышает обычно одного метра.

Теперь несколько практических советов.

Помните, что размер изображения на экране будет немного меньше, чем заявляемый изготовителем диагональный размер. Правда, ряд современных моделей избавлен от этого недостатка, например SyncMaster фирмы Samsung. При покупке монитора после его включения по возможности расфокусируйте изображение и введите достаточный уровень яркости. После этого с небольшого расстояния посмотрите, видны ли на экране мерцания и пульсации. Чем меньше они заметны, тем меньше вы будете уставать, работая за таким монитором.

Фокусировку монитора лучше всего проверять, загрузив Windows. Поскольку практически все модели мониторов имеют в центре экрана более четкое и резкое изображение, чем по краям, то многочисленные "иконки" в Windows отобразят это достаточно наглядно. Если разница в качестве изображения в центре и на периферии достаточно велика, то покупать такой монитор не стоит. Заметим, что некоторые погрешности изображения (например, "ломаные" линии) могут быть связаны и с подключенным видеоадаптером, поэтому для более объективной оценки следует по возможности его поменять.

Если видеоадаптер приобретается вместе с монитором, то следует проверить видеоподсистему во всех поддерживаемых режимах и убедиться, что изображение является четким и неподвижным.

Как известно, ни один монитор, основанный на электроннолучевой трубке, не имеет абсолютно плоской поверхности экрана, но о некоторых моделях говорят уже как о мониторах с плоским экраном. Это следует также иметь в виду. Более того, монитор, как известно, не зеркало, поэтому антибликовое покрытие его экрана позволяет обходиться без дополнительных защитных средств и препятствует утомлению глаз, что имеет существенное значение для комфортной работы.

В ряде случаев (отсутствие антибликового покрытия, несоответствие стандарту MPR II и т.д.) вместе с монитором необходимо использовать специальные защитные фильтры.

Видеокарты

В настоящее время имеется большое количество устройств, предназначенных для работы с видеосигналами на IBM PC-совместимых компьютерах. Условно все эти устройства можно разбить на следующие группы: устройства для ввода и захвата видеопоследовательностей (capture-play), фрейм-грабберы (frame grabber), TV-тюнеры, преобразователи сигналов VGA-TV и MPEG-плейеры.

Видеопамять

Видеоподсистеме нужна какая-то память, где она могла бы строить изображение, впоследствии выводимое на экран монитора. Эту память называют буфером видеокадра (video frame buffer). (Если мониторов два, то у каждого из них, скорее всего, будет свой кадровый буфер.) Кроме того, видеосистемы обычно имеют в своем распоряжении еще и дополнительную (по отношению к кадровому буферу) память.

В современных видеосистемах с высоким разрешением и большой глубиной цветов вполне обычным уже является кадровый видеобуфер размером 8 - 32 Мб. Еще больше памяти используется в высококачественных (high-end) системах.

И наконец, видеосистема может использовать свою память, не привлекая к этому CPU. Основное назначение кадрового буфера в видеосистеме — это сохранение изображения, находящегося в данный момент на экране, и постоянная подкачка пикселов к монитору, чтобы он мог перерисовывать изображение. Но системе может понадобиться место для временного размещения узора какого-либо шрифта или некоторое рабочее пространство для проведения различных действий графического ускорения. Обычно именно для этого используется незанятая кадровым изображением часть кадрового буфера памяти.

Видеоподсистемы

Одной из наиболее важных составных частей любого персонального компьютера является его видеоподсистема, под которой обычно подразумевают монитор, плату видеоадаптера и набор соответствующих программ-драйверов, поставляемых в комплекте с адаптером или в составе прикладных пакетов. Оба устройства (монитор-видеоадаптер) очень плотно взаимодействуют друг с другом, поэтому говоря одном из них, часто приходится упоминать и другое.

Винчестеры

За редким исключением, практически все IBM PC-совместимые компьютеры имеют в своем составе хотя бы один накопитель на жестких несменных дисках, иначе называемый винчестером. История появления этого устройства такова: В 1973 году на фирме IBM по новой технологии был разработан первый жесткий диск, который мог хранить до 16 Кбайт информации. Поскольку этот диск имел 30 цилиндров (дорожек), каждая из которых была разбита на 30 секторов, то поначалу ему присвоили незамысловатое название — 30/30. По аналогии с автоматическими винтовками, имеющими калибр 30/30, такие жесткие диски получили прозвище "винчестер".

Витая пара

Самая простая витая пара (twisted pair) — это два перевитых вокруг друг друга изолированных медных провода. Существует два типа витой пары:

•    неэкранированная (unshielded) витая пара (UTP)

•    экранированная (shielded) витая пара (STP).

Экран

Рис. 39   Экранированная витая пара

Несколько витых пар проводов часто помещают в одну защитную оболочку. Их количество в таком кабеле может быть разным. Завивка проводов позволяет избавиться от электрических помех, наводимых соседними парами и другими внешними источниками, например двигателями, реле и трансформаторами.

¾   Неэкранированная витая пара

Неэкранированная витая пара (спецификация l0 BaseT) широко используется в ЛВС; максимальная длина сегмента составляет 100 м (328 футов).

Неэкранированная витая пара состоит из двух изолированных медных проводов. Существует несколько спецификаций, которые регулируют количество витков на единицу длины — в зависимости от назначения кабеля. В Северной Америке UTP повсеместно используется в телефонных сетях.

Неэкранированная витая пара определена особым стандартом — Electronic Industries Association and the Telecommunications Industries Association (EIA/TIA) 568 Commercial Building Wiring Standard. EIA/TIA 568, предлагая нормативные характеристики кабелей для различных случаев, гарантирует единообразие продукции. Эти стандарты включают пять категорий UTP.

•   Категория 1.

Традиционный телефонный кабель, по которому можно передавать только речь, но не данные. Большинство телефонных кабелей, произведенных до 1983 года, относится к категории 1.

•   Категория 2.

Кабель, способный передавать данные со скоростью до 4 Мбит/с. Состоит из четырех витых пар.

•   Категория 3.

Кабель, способный передавать данные со скоростью до 10 Мбит/с. Состоит из четырех витых пар с девятью витками на метр.

•     Категория 4.                                                                       .

Кабель, способный передавать данные со скоростью до 16 Мбит/с.
Состоит из четырех витых пар.

•     Категория 5,

Кабель, способный передавать данные со скоростью до 100 Мбит/с. Состоит из четырех витых пар медного провода.

Большинство телефонных систем использует неэкранированную витую пару. При чем обычно, при строительстве новых зданий UTP кабель прокладывают в расчете на будущие потребности. Если установленные во время строительства провода рассчитаны на передачу данных, то их можно использовать и в компьютерной сети. Однако надо быть осторожным, так как обычный телефонный провод не имеет витков, и его электрические характеристики могут не соответствовать тем, которые требуются для надежной и защищенной передачи данных между компьютерами.

Одной из потенциальных проблем для любых типов электрических кабелей являются перекрестные помехи. Перекрестные помехи — это электрические наводки, вызванные сигналами в смежных проводах. Неэкранированная витая пара особенно страдает от перекрестных помех. Для уменьшения их влияния используют экран.

Рис. 40  Перекрестные помехи — это электрические наводки со стороны соседних линий

¾   Экранированная витая пара

Кабель экранированной витой пары (STP) имеет медную оплетку, которая обеспечивает более надежную защиту от помех. Кроме того, пары проводов STP обмотаны фольгой (Рис. 41). В результате экранированная витая пара прекрасно защищает передаваемые данные от внешних помех.

Все это означает, что STP, по сравнению с UTP, меньше подвержена воздействию электрических помех и может передавать данные с более высокой скоростью и на большие расстояния.



Рис. 41  Экранированная витая пара

¾   Компоненты кабельной системы

Оборудование для подключения.

Для подключения витой пары к компьютеру используются телефонные коннекторы RJ-45. На первый взгляд, они похожи на RJ-11, но в действительности между ними есть существенные отличия.

Во-первых, вилка RJ-45 чуть больше по размерам и не подходит для гнезда RJ-11. Во-вторых, коннектор RJ-45 имеет 8 контактов, a RJ-11 —.


только 4.

 Рис. 42   Вилка RJ-45

Построить сложную кабельную систему и в то же время упростить работу с ней Вам поможет ряд очень полезных компонентов.

•     Распределительные стойки и полки (distribution racks, shelves). Распределительные стойки и полки предназначены для монтажа кабеля. Они позволяют централизованно организовать множество соединений и при этом занимают сравнительно мало места.

•     Коммутационные панели (patch panels).

Существуют разные типы коммутационных панелей. Они поддерживают до 96 портов и скорость передачи до 100 Мбит/с.

•  Соединители.

Соединители — это одинарные или двойные гнезда RJ-45 на панелях расширения или настенных розетках. Они обеспечивают скорость передачи до 100 Мбит/с.

•  Настенные розетки.

Настенные розетки имеют одно или несколько гнезд RJ-45.

Вспомогательные микросхемы

Хотя микропроцессор и память являются главными компонентами системной платы, но сами по себе они — еще не компьютер. Для создания полновесной микропроцессорной системы необходимы вспомогательные микросхемы, такие, как тактовый генератор, таймер, различные контроллеры, буфера адреса и данных и т.п.

 Выбор интерфейса винчестера

Немаловажный вопрос — это интерфейс приобретаемого винчестера. Сразу заметим, что про интерфейс ST506/412 нужно забыть.

Итак, какой из интерфейсов предпочтительней использовать в IBM PC-совместимых компьютерах? Ответ на этот вопрос не так прост, как кажется на первый взгляд. Хотя теоретически интерфейс SCSI может обеспечить скорость обмена несколько выше, нежели АТА, на практике все обстоит немного сложнее. Не следует забывать, например, тот факт, что АТА-интерфейс использует в основном программный ввод-вывод, а SCSI-винчестеры в большинстве случаев — передачу данных по прямому доступу к памяти. В однопользовательских системах программный ввод-вывод часто оказывается гораздо эффективнее. Это особенно четко проявляется для каптированных адаптеров при использовании улучшенных алгоритмов кэширования. Преимущество SCSI-адаптеров неоспоримо, в первую очередь в многозадачных и многопользовательских системах. Дело в том, что команды для SCSI-устройства могут быть построены в очередь, что освобождает процессор для выполнения других операций.

Использование такого преимущества SCSI-интерфейса, как общение устройств минуя процессор, часто бывает затруднительно. Как правило, SCSI-устройства разных фирм-производителей "не знают", какой набор команд имеет каждое из них. Несмотря на то, что спецификация SCSI-3 определила минимально необходимый список команд, однако это не дает гарантии полной совместимости. Что же касается стоимости, то большинство современных IBM PC-совместимых компьютеров уже имеют АТА-адаптер, чего не скажешь о SCSI.

Установка нового (или второго) АТА-привода достаточно проста. В большинстве случаев справедлив принцип "включай и работай". Для нормальной работы в файлы конфигурации системы компьютера обычно, не требуется добавлять никаких дополнительных программных драйверов. Об этом мы поговорим чуть ниже.

Для SCSI-адаптера процесс установки более сложен. Во-первых, стоит помнить о разделяемых системных ресурсах: портах ввода-вывода, прерываниях IRQ, каналах прямого доступа к памяти DMA, областях в верхней памяти UMB. Во-вторых, требуется верно определить SCSI ID для конкретного устройства, в-третьих, помнить о сигнале четности (запретить или разрешить), установке терминаторов и т.д. Кроме того, файлы конфигурации обязательно должны быть дополнены соответствующими программными драйверами адаптера и устройств. Определенным преимуществом SCSI над АТА является возможность одновременного подключения до семи различных устройств, поскольку АТА-2 только отчасти решает эту проблему. Тем не менее, если вы все-таки планируете приобрести SCSI-контроллер, обратите внимание на поддержку ASPI и SCAM.

Реальные скорости передачи данных по интерфейсам весьма далеки от теоретических значений, поэтому не стоит особенно обольщаться количеством мегабайт в секунду.

Выбор подходящего ИБП

В настоящее время на отечественном рынке предлагаются средства защиты по электропитанию, выпускаемые, например, фирмами American Power Conversion, Fiskars Power Systems, Victron, Upsonic, Leadman Electronics, Para Systems, Tripp Lite, Exide Electronics и рядом других. Для того, чтобы выбрать наиболее подходящую для Вас модель, необходимо знать ответы на некоторые вопросы.

Во-первых, какие проблемы с электропитанием необходимо решить. При минимальных требованиях вполне можно обойтись ограничителем перенапряжения, а при самых жестких условиях вам понадобятся непрерываемые аккумуляторные батареи. Таким образом, первое, что нужно сделать, это определить уровень защиты.

Если Вы решили, что без ИБП не обойтись, следующим шагом должен быть выбор топологии UPS. Очень редко, только когда требуется бесперебойное электропитание измерительных устройств, Вам будет необходим постоянно включенный ИБП. Это обусловлено возможной потерей невосполнимой информации при переключении режимов работы. В большинстве случаев вполне достаточным оказывается выбор интерактивного ИБП.

Немаловажным вопросом является мощность подключаемой к ИБП нагрузки. Требуемую величину можно определить, просуммировав мощности всех подключаемых к ИБП устройств. Как известно, потребляемая мощность подобных устройств обычно определяется в ваттах (Вт), а мощность UPS – в вольт-амперах (ВА). Для вычислительной техники пересчет этих значений производится следующим образом: ВА=Вт х (1,5 или 1,6).

Замечание: принтеры, особенно лазерные, подключать к ИБП не рекомендуется. Мощность, которую они потребляют - велика, а бесперебойная их работа не так уж и важна.

Следующий вопрос - время автономной работы (то есть, при отключении напряжения в электросети) на нагрузке определенной мощности, которое может обеспечить данная модель UPS. Обычно мощность ИБП выбирают таким образом, чтобы она превышала потребляемую на 25-30%. В таком случае время работы от аккумуляторов должно, как минимум, составлять 5-6 минут. В некоторой литературе общую мощность рекомендуют увеличивать вдвое.

Необходимо обратить внимание на форму выходного питающего напряжения, обеспечиваемого конкретным ИБП (лучше всего – “чистый синус”). В случае почти прямоугольной формы генерируемого напряжения (как правило, это дешевые модели) от покупки такого устройства лучше всего воздержаться.

Как известно, все аккумуляторы имеют свой срок службы, по истечении которого их следует заменить. В современных ИБП чаще всего используют различные модели кислотных и никель-кадмиевых аккумуляторов, срок службы которых составляет 3-5 лет и выше. Фирма Fiskas Power Systems предложила технологию АВМ (Advanced Battery Management), которая позволяет осуществлять контроль за аккумуляторной батареей, и подзаряжать ее только в случае необходимости. Применение АВМ позволяет увеличить срок службы батарей более чем на 50%.

Выбор системной платы

Тип материнской платы определяют прежде всего базовый микропроцессор и системная шина. От типа материнской платы и используемого набора вспомогательных микросхем зависит наличие той или иной локальной шины. Системная плата имеет конечное число не только разъемов расширения, но и установочных мест для строго определенных модулей памяти. Стоит обратить внимание на то, какие разъемы предназначены для модулей памяти (количество выводов, частота шины, другие параметры).

Тип системной платы определяет возможность замены одного микропроцессора на другой, либо обновления только самого микропроцессора, либо всего процессорного модуля (например, с внешней кэш-памятью). Поскольку системные платы типа А11-In-One интегрируют на себе как контроллер жесткого диска, так и видеоадаптер, то в минимальной конфигурации все имеющиеся слоты расширения остаются свободными. Более того, использование встроенных адаптеров позволяет избежать проблем, связанных с совместимостью оборудования разных производителей, а также повысить надежность. Ряд системных плат включают в себя, например, встроенный звуковой модуль и/или сетевую карту и даже в ряде случаев встроенный SCSI-адаптер.

Не стоит приобретать системную (да, впрочем, и любую) плату, если вы увидите на ней соединения, выполненные навесными проводниками. Это говорит о ее низком качестве. Некоторые системные платы поддерживали несколько типов процессоров от разных производителей, например Intel и AMD. Такие платы называли обычно универсальными или наращиваемыми (upgradable).

Среди производителей системных плат типа brand name можно отметить, например, такие компании, как Intel, Micronics, Ivill, ASUSTek. Неплохо зарекомендовали себя подобные изделия от фирм Acer, FIC, DataExpert и других.

Что касается системных плат на базе процессоров Pentium или AMD, то здесь замена процессора на более производительный также выполняется относительно просто. Гнездо ZIF позволяет легко удалить старую и вставить новую микросхему. Единственно на что следует обратить особое внимание, это предельная тактовая частота процессора и верная установка соответствующих перемычек.

Таким образом, фирмы- производители материнских плат можно разбить на три категории:

Первая, так называемые «brand name», к ним относятся:

- ASUS Technology (Тайвань).

          Их отличительные особенности:

                   Специальная микросхема аппаратного мониторинга системы,

                   Хорошая сервисная поддержка (обновления драйверов на сайте и т.д.),

                   Использование более качественных элементов,

                   Возможность всегда развести прерывания по слотам расширения.

- ABiT (Тайвань).

                   Полностью программная настройка всех параметров режим (soft menu),

                   Наличие резервной микросхемы BIOS (Dual BIOS),

- INTEL

                   Хорошее качество изготовления, хотя и невысокая скорость.

Продукция указанных фирм отличается высоким качеством изготовления, высокой надежностью и хорошими службами технической поддержки.

Вторая категория – «средний класс»

-         Giga Bite GA , Chain Tech, ACORP, и др.

Представители этой категории как правило достаточно высокого качества, недорогие.

К третьей категории относятся фирмы, выпускающие продукцию дешевую и не всегда качественную. Это Lucky Star (Formoza), Tomato Board и т.д.

Выбор топологии

Существует множество факторов, которые необходимо учитывать при выборе топологии для каждой конкретной сети. Эта таблица поможет Вам осуществить правильный выбор.

Таблица 7 Различия топологий построения сети

Топология		Преимущества		Недостатки
Шина		Экономный расход кабеля. Сравнительно недорогая и несложная в использовании среда передачи-. Простота, надежность. Легко расширяется;		При значительных объемах трафика уменьшается пропускная способность сети. Трудно локализовать проблемы. Выход из строя кабеля останавливает работу многих пользователей
Кольцо		Все компьютеры имеют равный доступ. Количество пользователей не оказывает сколько-нибудь значительного влияния на производительность		Выход из строя одного компьютера может вывести из строя всю сеть. Трудно локализовать проблемы. Изменение конфигурации сети требует остановки всей сети
Звезда		Легко модифицировать сеть, добавляя новые компьютеры. Централизованный контроль и управление. Выход из строя одного компьютера не влияет на работоспособность сети.		Выход из строя центрального узла парализует всю сеть

Взаимодействие уровней модели OSI

Задача каждого уровня — предоставить услуги вышележащему уровню, «маскируя» детали реализации этих услуг. При этом каждый уровень на компьютере-отправителе работает так, будто он напрямую связан с таким же уровнем на компьютере-получателе. Однако в действительности связь осуществляется между смежными уровнями одного компьютера — программное обеспечение каждого уровня, реализует определенные сетевые функции в соответствии с набором протоколов.

Перед подачей в сеть данные разбиваются на пакеты. Пакет (packet) — это единица информации, передаваемая между устройствами сети как единое целое. Пакет проходит последовательно через все уровни программного обеспечения. На каждом уровне к пакету добавляется некоторая информация, форматирующая или адресная, которая необходима для успешной передачи данных по сети.

На принимающей стороне пакет проходит через все уровни в обратном порядке. Программное обеспечение на каждом уровне читает информацию пакета, затем удаляет информацию, добавленную к пакету на этом же уровне отправляющей стороной, и передает пакет следующему уровню. Когда пакет дойдет до Прикладного уровня, вся адресная информация будет удалена, и данные примут свой первоначальный вид.

Таким образом, за исключением самого нижнего уровня сетевой модели, никакой иной уровень не может непосредственно послать информацию соответствующему уровню другого компьютера. Информация на компьютере-отправителе должна пройти через все уровни. Затем она передается по сетевому кабелю на компьютер-получатель и опять проходит сквозь все слои, пока не достигнет того же уровня, с которого она была послана на компьютере-отправителе. Например, если Сетевой уровень передает информацию с компьютера А, она спускается через Канальный и Физический уровни в сетевой кабель, далее по нему попадает в компьютер В, где поднимается через Физический и Канальный уровни и достигает Сетевого уровня.

Примером информации, переданной Сетевым уровнем компьютера А Сетевому уровню компьютера В, могли бы служить адрес и, очевидно, информация контроля ошибок, добавленные к пакету.

Взаимодействие смежных уровней осуществляется через интерфейс. Интерфейс определяет услуги, которые нижний уровень предоставляет верхнему, и способ доступа к ним. Каждому уровню одного компьютера «кажется», что он непосредственно взаимодействует с таким же уровнем другого компьютера.

Далее описывается каждый из семи уровней модели OSI, и определяются услуги, которые они предоставляют смежным уровням.

Прикладной уровень,

Уровень 7, Прикладной (Application), — самый верхний уровень модели OSI. Он представляет собой окно для доступа прикладных процессов к сетевым услугам. Этот уровень обеспечивает услуги, напрямую поддерживающие приложения пользователя, такие, как программное обеспечение для передачи файлов, доступа к базам данных и электронная почта. Нижележащие уровни поддерживают задачи, выполняемые на Прикладном уровне. Прикладной уровень управляет общим доступом к сети, потоком данных и восстановлением после сбоев связи.

Представительский уровень,

Уровень 6, Представительский (Presentation), определяет формат, используемый для обмена данными между сетевыми компьютерами. Этот уровень можно назвать переводчиком. На Представительском уровне компьютера-отправителя данные, поступившие от Прикладного уровня, переводятся в общепонятный промежуточный формат. На этом же уровне компьютера-получателя происходит обратный перевод: из промежуточного формата в тот, который используется Прикладным уровнем данного компьютера. Представительский уровень отвечает за преобразование протоколов, трансляцию данных, их шифрование, смену или преобразование применяемого набора символов (кодовой таблицы) и расширение графических команд. Представительский уровень, кроме того, управляет сжатием данных для уменьшения общего числа передаваемых битов.

На этом уровне работает утилита, называемая редиректором (redirector). Ее назначение — перенаправлять локальные операции ввода/вывода на сетевой сервер.

Сеансовый уровень,

Уровень 5, Сеансовый (Session), позволяет двум приложениям на разных компьютерах устанавливать, использовать и завершать соединение, называемое сеансом.


На этом уровне выполняются такие функции, как распознавание имен и защита, необходимые для связи двух приложений в сети.

Сеансовый уровень обеспечивает синхронизацию между пользовательскими задачами посредством расстановки в потоке данных контрольных точек (checkpoints). Таким образом, в случае ошибки потребуется заново передать только данные, следующие за последней контрольной точкой. Этот уровень управляет диалогом между взаимодействующими процессами, т.е. регулирует, какая из сторон когда, как долго и т.д. должна осуществлять передачу.

Транспортный уровень,

Уровень 4, Транспортный (Transport), располагается ниже Сеансового уровня. Транспортный уровень гарантирует доставку пакетов без ошибок, в той же последовательности, без потерь и дублирования. На этом уровне компьютера-отправителя сообщения переупаковываются: длинные разбиваются на несколько пакетов, а короткие объеди­няются в один. Это увеличивает эффективность передачи пакетов по сети. На Транспортном уровне компьютера-получателя сообщения распаковываются, восстанавливаются в первоначальном виде, и обычно посылается сигнал подтверждения приема.

Транспортный уровень управляет потоком сообщений, проверяет ошибки и участвует в решении проблем, связанных с отправкой и получением пакетов.

Сетевой уровень,

Уровень 3, Сетевой (Network), отвечает за адресацию сообщений и перевод логических адресов и имен в физические адреса. Одним словом, исходя из конкретных сетевых условий, приоритета услуги и других факторов здесь определяется маршрут от компьютера-отправителя к компьютеру-получателю. На этом уровне решаются также такие задачи и проблемы, связанные с сетевым трафиком, как коммутация пакетов, маршрутизация и перегрузки.

Если сетевой адаптер маршрутизатора не может передавать большие блоки данных, посланные компьютером-отправителем, на Сетевом уровне эти блоки разбиваются на меньшие. А Сетевой уровень компьютера-получателя собирает эти данные в исходное состояние.

Канальный уровень,

Уровень 2, Канальный (Data Link), осуществляет передачу кадров (frames) данных от Сетевого уровня к Физическому.


Кадры — это логически организованная структура, в которую можно помещать данные. Канальный уровень компьютера-получателя упаковывает «сырой» поток битов, поступающих от Физического уровня, в кадры данных. Управляющая информация используется для маршрутизации, а также указывает на тип пакета и сегментацию. Данные — собственно передаваемая информация. CRC (остаток избыточной циклической суммы) — это сведения, которые помогут выявить ошибки, что, в свою очередь, гарантирует правильный прием информации.

Канальный уровень обеспечивает точность передачи кадров между компьютерами через Физический уровень. Это позволяет Сетевому уровню считать передачу данных по сетевому соединению фактически безошибочной.

Обычно, когда Канальный уровень посылает кадр, он ожидает со стороны получателя подтверждения приема. Канальный уровень получателя проверяет наличие возможных ошибок передачи. Кадры, поврежденные при передаче или не получившие подтверждения о приеме, посылаются заново.

Физический уровень,

Уровень 1, Физический (Physical), — самый нижний в модели OSI. Этот уровень осуществляет передачу неструктурированного, «сырого», потока битов по физической среде (например, по сетевому кабелю). Здесь реализуются электрический, оптический, механический и функциональный интерфейсы с кабелем. Физический уровень также формирует сигналы, которые переносят данные, поступившие от всех вышележащих уровней.

На этом уровне определяется способ соединения сетевого кабеля с платой сетевого адаптера, в частности, количество контактов в разъемах и их функции. Кроме того, здесь определяется способ передачи сигналов по сетевому кабелю.

Физический уровень предназначен для передачи битов (нулей и единиц) от одного компьютера к другому. Содержание самих битов на данном уровне значения не имеет. Этот уровень отвечает за кодирование данных и синхронизацию битов, гарантируя, что переданная единица будет воспринята именно как единица, а не как ноль. Наконец, Физический уровень устанавливает длительность каждого бита и способ перевода бита в соответствующие электрические или оптические импульсы, передаваемые по сетевому кабелю. Простое перечисление уровней недостаточно для определения правил взаимодействия, систем, поэтому в рамках эталонной модели также определяются услуги, которые должны обеспечивать ее уровни.


Услуги, по сути дела, представляют собой функции, выполняемые на заданном уровне.

:               В частности, физический уровень должен обеспечивать такие виды услуг как: установление и идентификацию физических соединений, организацию последовательностей передачи бит информации; оповещение об окончании связи.

          Канальный уровень предоставляет следующие виды услуг: организацию требуемой последовательности блоков данных, и их передачу; управление потоками между смежными узлами; идентификацию конечных пунктов канальных соединений; обнаружение и исправления ошибок; оповещение об ошибках, которые не исправлены на канальном уровне.

          Сетевой уровень в числе основных услуг осуществляет: идентификацию конечных точек сетевых соединений; организацию сетевых соединений; управление потоками блоков данных; обеспечение последовательностей доставки блоков данных; обнаружение ошибок и формирование сообщений о них; разъединение сетевых соединений.

          Транспортный уровень обеспечивает следующие виды услуг: установление и разъединение транспортных соединений; формирование блоков данных; обеспечение взаимодействия сеансовых соединений с транспортными соединениями; управление последовательностью передачи блоков данных; обеспечение целостности блоков данных во время передачи; обнаружение и устранение ошибок, сообщение о неисправленных ошибках; предоставление приоритетов в передаче блоков; передачу подтверждений о принятых блоках; ликвидацию тупиковых ситуаций.

Замена микропроцессора

Как правило, гнездо для установки процессора (Socket) конструктивно выполнено так, что позволяет удалять корпус микросхемы при помощи специального рычажка практически без усилий, отсюда и его название — ZIP (ZeroInsertion Рогсе). Стандартное гнездо в противоположность ему называется LIF (Low Insertion Force).

 "Зеленые" мониторы

Напомним, что оборудование, удовлетворяющее программе Energy Star (обычно называемое "зеленым"), должно потреблять в среднем (в режиме холостого хода) не более 30 Вт, не использовать токсичных материалов и допускать 100-процентную утилизацию после истечения срока службы. Требования агентства ЕРА учитываются при разработке различных промышленных стандартов. Так, например, ассоциация VESA приняла стандарт на систему управления энергопотреблением дисплея DPMS (Display Power Managament Signaling).

Данная спецификация, во-первых, описывает метод выведения монитора из режима активной работы, причем эта операция осуществляется в несколько последовательных этапов, на каждом из которых происходит определенное сокращение потребляемой мощности. Во-вторых, этот же стандарт предлагает метод опознавания частотных сигналов строчной и кадровой разверток, используемый для переключения из режима в режим при снижении расходуемой мощности.

Итак, спецификация DPMS устанавливает 4 режима потребления мощности для монитора: On (максимальной нагрузки), Standby (ожидания, или резервный), Suspend (приостановки работы) и Off (отключения). Режимы перечислены в порядке убывания потребляемой мощности. Кстати, напомним, что, по оценкам экспертов, например, на 14-дюймовый монитор приходится до 60% расходуемой компьютером энергии.

В режиме On компьютер включен и активно работает, а энергопотребление определяется характеристиками используемого оборудования. В режиме Standby отключаются видеосигнал и горизонтальная синхронизация, а контрастность и яркость удерживаются на минимальном уровне. Нажатие любой клавиши или движение мышью возвращает монитор в режим On. Потребление энергии в режиме Standby снижается примерно на 20%. В режиме Suspend включается горизонтальная, но отключается вертикальная синхронизация. Высокое напряжение в мониторе отключается. В режим On монитор может вернуться только спустя несколько секунд после соответствующей команды. Потребление энергии в Suspend-режиме снижается примерно на 70%. Режим Off обеспечивает максимум сохранения энергии. В мониторе отключены все блоки, за исключением DPMS-контроллера. Уровень потребления падает примерно до 5% от состояния On. Время возвращения к нормальной работе более продолжительное, чем из режима Suspend.

Кстати, реализация спецификации DPMS не является единственным способом уменьшения энергопотребления монитора. Более простой и не требующий специальных аппаратных средств способ — так называемое гашение экрана. В этом случае монитор реагирует на пропадание одного из сигналов основных цветов (обычно синего) переходом в один из режимов энергосбережения.

 Жидкокристаллические экраны

Как известно, обычные кристаллы обладают симметрией атомной структуры и анизотропией физических свойств, то есть неодинаковостью этих свойств в зависимости от направления. Анизотропия характерна, например, для упругих, тепловых и оптических свойств различных кристаллов. Поскольку жидкости, газы и аморфные тела в отличие от кристаллов не имеют симметричной структуры молекул, то обладают поэтому изотропией свойств.

Современная наука определяет жидкий кристалл как некоторое мезоморфное состояние, в котором вещество обладает свойствами жидкости (текучестью) и некоторыми свойствами твердых кристаллов (например, анизотропией).

В конце 1966 года американской фирмой RCA (Radio Corporation of America) был продемонстрирован первый LC-дисплей. Английское название Liquid Crystal (сокращенно LC) соответствует русскому "жидкий кристалл" — ЖК. В 1971 году учеными США были предложены так называемые Twisted-Nematic-ячейки (TN-элементы).

Заметим, что для изготовления ЖК-экранов используют так называемые нематические кристаллы, молекулы которых имеют форму палочек или вытянутых пластинок. Допустим, между двумя стеклами с прозрачными электродами находятся молекулы жидких кристаллов (слой вещества составляет приблизительно 5—10 мкм). В отсутствие электрического поля молекулы этого вещества образуют спирали, скрученные на 90 градусов (кстати, отсюда и их название Twisted). В результате такой ориентации молекул плоскость поляризации проходящего через ЖК-элемент света поворачивается примерно на этот же угол. Если на входе и выходе этого элемента поместить поляризаторы, смещенные относительно друг друга также на угол 90 градусов, то свет беспрепятственно может проходить через этот элемент. Если же к прозрачным электродам приложено напряжение, спираль молекул распрямляется (они просто ориентируются вдоль поля). Поворота плоскости поляризации уже не происходит, и, как следствие, выходной поляризатор не пропускает свет. Кстати, если несколько изменить конструкцию элемента (используя зеркало на выходе второго поляризатора), то темный или светлый сегмент можно увидеть и в отраженном свете.
Примером в данном случае может служить ЖК- индикатор наручных электронных часов.

Молекулы элемента Super-Twisted-Nematic (STN) закручены на угол от 180 до 270 градусов, за счет чего несколько улучшается контраст изображения. Если при использовании TN-элементов контраст определяется как 3:1, то есть освещенная точка в три раза светлей темной, то для STN-элементов это соотношение может составлять уже 10:1 и даже выше. Однако в STN-элементах из-за эффекта эллиптической поляризации проявляется некоторый сдвиг цветов. В этом случае чисто белый цвет может становиться, например, бледно-оранжевым, а черный — зелено-голубым (цвет циан). Зачастую дисплеи, использующие STN-элементы, называют поэтому также Blue-Mode-STN-LCD.

В настоящее время в ЖК- технике нашли широкое применение TSTN-элементы (Triple STN), называемые также FSTN-элементами (Film STN). Для устранения цветовых ошибок они используют специальную полимерную пленку между стеклом и поляризатором. Поскольку всего имеется три слоя, то в названии и фигурирует слово "Triple". Дисплеев, использующих эти элементы, становится все больше и больше. Они достаточно легкие и могут реализовать практически белый цвет изображения, поэтому их иногда и называют Paper-White-дисплеями.

Экран ЖК-дисплея имеет, как правило, либо заднюю подсветку (backlight, или просто backlit), либо боковую (sidelight, или просто sidelit). Для экономии заряда гальванических элементов могут использоваться ЖК- экраны без подсветки, которые работают только в отраженном свете (reflective LCD).

Таким образом, каждая точка изображения на ЖК-дисплее представляет из себя Соответствующий TSTN-элемент, а весь экран ЖК-дисплея — по сути, матрица этих элементов. В настоящее время существуют два основных метода, используемых для адресации ЖК-элемейтов: прямой (или пассивный) и косвенный (или активный).

При прямой адресации элементов матрицы каждая выбираемая точка изображения активируется подачей напряжения на соответствующий адресный (прозрачный) проводник-электрод для строки и соответственно для столбца.


При таком способе управления точкой изображения говорят также, что используется пассивная матрица (passive matrix) ЖК- элементов. Очевидно, что такому методу управления присущи определенные недостатки. В частности, практически невозможно достичь высокого контраста изображения, так как электрическое поле возникает не только в точке пересечения адресных проводников, но и на всем пути распространения тока. Эта проблема вполне разрешима при использовании так называемой активной матрицы (active matrix) ЖК- элементов, когда каждой точкой изображения управляет свой электронный переключатель. Информация об изображении (видеосигнал) выдается построчно на все соответствующие столбцы матрицы экрана, а выбор необходимой точки изображения в Строке происходит через соответствующий электронный переключатель.

Каждую ячейку такого экрана можно представить в виде простой схемы замещения, представляющей собой RC-цепочку. Благодаря видеосигналу конденсатор заряжается, а через очень большое параллельно включенное сопротивление достаточно долго разряжается. Поскольку время разряда в несколько раз превышает время, через которое видеосигнал повторяется, то изображение получается устойчивым и контрастным. Возможность изменения амплитуды напряжения видеосигнала позволяет использовать в воспроизводимом изображении оттенки цвета. Следует, конечно, помнить о том, что стоимость реализации активной матрицы экрана существенно выше, нежели пассивной. Обычно активные матрицы реализованы на основе тонкопленочных полевых транзисторов (TFT, Thin Film Transistor), хотя это и не единственно возможное решение.

При применении активных матриц дисплеев большое значение имеют такие параметры, как малое время отклика (Response Time) и большой угол зрения (Viewing Angle). При использовании пассивных матриц ЖК- элементов значение первого параметра лежит в пределах 250—300 мкс, тогда как у активных матриц его значение составляет около 25 мкс. Изображение на экране с TFT-матрицей можно различить даже под углом 75 градусов, а, например, на дисплее с пассивной матрицей этот угол не превышает 45 градусов.

В цветных ЖК-дисплеях с активной матрицей, как обычно, каждый элемент изображения (или пиксел) состоит из трех точек — синей, зеленой и красной. Соответственно для каждой точки, составляющей элемент изображения, используются свой TFT-транзистор и фильтр (Red, Green или Blue). Общее количество транзисторов в случае VGA-дисплея (640 на 480 на 3) составляет 921 600. Кстати, надо заметить, что поскольку цветные фильтры поглощают свет от лампы подсветки довольно существенно, то ее (или их) мощность должна быть раз в пять выше, чем для обычных монохромных дисплеев.

Звезда

При топологии «звезда» (рис. 30) все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту — концентратору (hub). Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным. Эта топология возникла на заре вычислительной техники, когда компьютеры подключались к центральному, главному, компьютеру.

Рис. 30   Сеть с топологией «звезда»

В сетях с топологией «звезда» подключение компьютеров к сети выполняется централизованно. Но есть и недостатки: так как все компьютеры подключены к центральной точке, для больших сетей значительно увеличивается расход кабеля. К тому же, если центральный компонент выйдет из строя, то остановится вся сеть.

А если выйдет из строя только один компьютер (или кабель, соединяющий его с концентратором), то лишь этот компьютер не сможет передавать или принимать данные по сети. На остальные компьютеры в сети этот сбой не повлияет.

 Звуковые карты

Как явствует из названия, звуковые карты используются для записи и воспроизведения различных звуковых сигналов: речи, музыки, шумовых эффектов. Любая современная звуковая карта может использовать да обычно и использует несколько способов для воспроизведения звука. Одним из простейших способов является преобразование ранее оцифрованного непрерывного (аналогового) сигнала снова в аналоговый. Для этого используются микросхемы ЦАП (цифро-аналоговых преобразователей). Цифровые выборки реального звукового сигнала хранятся в памяти компьютера (например, в виде WAV-файлов) и преобразуются в аналоговый сигнал через ЦАП по мере необходимости. Кстати, для записи сигнала применяются микросхемы аналого-цифровых преобразователей (АЦП), то есть устройства, способные формировать из аналогового эквивалентный цифровой сигнал.

Качество записываемого и воспроизводимого сигналов зави­сит от разрядности (бит) и частоты преобразования (кГц) применяемых АЦП и ЦАП. В зависимости от разрядности АЦП-ЦАП карты условно подразделяются на 8- и 16-разрядные (вообще говоря, АЦП-ЦАП бывают также 10- и 12-разрядными). 8-разрядное преобразование может обеспечить качество звучания кассетного магнитофона, а 16-разрядное ассоциируется обычно с качеством аудио компакт-диска. Аппаратные средства, необходимые для прямой записи и воспроизведения сигнала, часто называют цифровым аудиоканалом (digital audio channel).

Другой способ воспроизведения звука заключается в его синтезе. При поступлении на синтезатор некоторой управляющей информации по ней формируется соответствующий выходной сигнал. В настоящее время применяются две основные формы для синтеза звукового сигнала. Это синтез с использованием частотной модуляции, или FM-синтез, и синтез с применением таблицы волн (WaveTable) — так называемый табличный, или WT-синтез. Разумеется, поскольку синтез в звуковых картах может быть только цифровой, то для преобразования выходной информации в непрерывный сигнал также используются микросхемы ЦАП. Совокупность микросхемы синтезатора и ЦАП называют набором.
Так, если набор OPL 3 обеспечивает только FM-синтез, то OPL 4 поддерживает как FM-, так и WT-синтез. В последнем случае звучание наиболее приближено к естественному.

Кстати, управляющие команды для синтеза звука могут поступать на звуковую карту не только от компьютера, но и от другого, например MIDI-, устройства. Собственно MIDI (musical instruments digital interface) определяет протокол передачи команд по стандартному интерфейсу. Вообще говоря, MIDI-сообщение содержит ссылки на ноты, а не запись музыки как таковой. В частности, когда звуковая карта получает подобное сообщение, оно расшифровывается (какие ноты каких инструментов должны звучать) и отрабатывается на синтезаторе. В свою очередь компьютер может через MIDI управлять различными "интеллектуальными" музыкальными инструментами с соответствующим интерфейсом.

Отдельные узлы звуковой карты (фильтры, выходной усилитель) могут использоваться при воспроизведении звука с аудио-компакт-диска, при этом интерфейс соответствующего привода CD-ROM может располагаться также на звуковой карте.

Некоторые звуковые карты оснащают сигнальными процессорами DSP (Digital Signal Processor). Это обеспечивает существенное увеличение скорости работы при компрессии и декомпрессии звуковых файлов для звукового аудиоканала, так как они обычно занимают много места. Небесполезным оказывается использование DSP и при WT-синтезе. Как правило, настоящий DSP — достаточно дорогое устройство, поэтому сразу устанавливается только на профессиональных музыкальных картах. Большинство пользователей пока могут спокойно обходиться без DSP таким же образом, как масса людей, не использующих в своей работе математического сопроцессора в компьютере

Стереозвучание —, далеко не предел в стремлении к естественному звучанию. Одним из путей реализаций этого стремления стала технология так называемого объемного, или трехмерного звучания (иначе, 3D-звучания), названного так по аналогии с трехмерным изображением. Например, карты серии Sound Blaster 16 ASP (со встроенным довольно специализированным DSP) могут загружать специальное программное обеспечение (по лицензии фирмы Q-Sound), которое и позволяет получить объемное 3D-звучание.Стоит отметить, что программные приложения должны быть специально ориентированы на Q-Sound. В последнее время стали появляться звуковые карты, оснащаемые дочерними платами, которые обеспечивают для большинства приложений так называемый псевдо ЗD-эффект.

---

---