Вы нашли то, что искали?
Главная Разделы

Добавить страницу в закладки ->

7. Компоненты современного персонального компьютера. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

7. Компоненты современного персонального компьютера

7.1. Материнская плата

7.1.1. Процессорный разъем

7.1.2. Периферийные интерфейсы

7.1.3. USB - Universal Serial Bus

7.1.4. IEEE 1394 FireWire

7.1.5. PCI Express

7.1.6. Видео интерфейсы

7.1.6.1. Интерфейс DVI

7.1.6.2. Интерфейс HDMI

7.1.6.3. Display Port

7.1.7. Микросхема BIOS

7.2. Процессор

7.2.1. Характеристики процессора определяющие его производительность

7.2.2. Современные процессоры архитектуры x86 компаний Intel и AMD

7.2.3. Оценка производительности современных процессоров

7.3. Оперативная память

7.3.1. Характеристики памяти DRAM

7.3.2. Типы памяти DRAM

7.4. Видео система

7.4.1. Базовые графические термины

7.4.2. Структура современной графическая платы

7.4.3. Характеристики графической платы

7.4.4. Влияние различных характеристик графической карты на ее производительность

7.4.5. Технологии SLI и CrossFire

7.4.5.1. Технология NVIDIA SLI

7.4.5.2. Технология ATI CrossFire

7.4.5.3. Принципы формирования изображения в режимах SLI и CrossFire

7.5. Накопитель на жестких магнитных дисках (HDD)

7.5.1. Устройство жесткого диска

7.5.2. Характеристики HDD

7.5.3. Технологии записи данных на HDD

7.5.3.1. Метод параллельной записи

7.5.3.2. Метод перпендикулярной записи

7.5.3.3. Метод тепловой магнитной записи

7.5.4. Логическая структура HDD

7.5.5. Понятие о RAID массивах

7.6. Оптические средства записи, чтения и хранения информации

7.6.1. Носители CD-ROM

7.6.2. Носители DVD

7.6.3. Носители BD

7.6.4. Носители HVD

7.7. Обеспечение питания ПК

7.7.1. Стандарт ATX версии 1.x

7.7.2. Стандарт ATX версии 2.0



7.1. Материнская плата

Материнская плата (MBMother Board) – основной компонент компьютера. При этом, максимальную функциональность конкретной материнской платы определяет чипсет используемый производителем при производстве.

Производитель может выпустить плату, которая будет не полностью реализовывать потенциал, заложенный в чипсет, или наоборот, дополнить функциональность чипсета за счет размещения на МВ дополнительных контролеров или устройств.

Конструктивно MB представляет собой печатную плату площадью 100-150 кв. см, на которой размещается большое число различных микросхем, разъемов и других элементов. В настоящее время самыми распространенными форм факторами системной платы является:

- ATX – размер 9,6 х 12 дюймов,

- Mini ATX (mATX) – размером 9,6 х 9,6 дюйма.

На материнской плате непосредственно расположены:

- разъем для подключения микропроцессора (современные разъемы: Socket 370, Socket 478, Socket LGA 775 для процессоров Intel и Socket A, Socket AM2 процессоров для AMD);

- набор системных микросхем (чипсет, chipset), обеспечивающих работу микропроцессора и других узлов машины;

- микросхема ПЗУ, содержащего программы базовой системы ввода-вывода (Basic input-output systemBIOS);

- микросхема энергонезависимой памяти (питается от автономного, расположенного на MB аккумулятора), по технологии изготовления называемая CMOS;

- микросхемы кэш-памяти 2-го уровня (если они отсутствуют на плате микропроцессора);

- разъемы (слоты) для подключения модулей оперативной памяти (в современных платах SDRAM, RD RAM, DDR, DDR II, DDR III);

- наборы микросхем и разъемы для системных, локальных и периферийных интерфейсов (COM, LPT, IDE, SATA, USB, PS/2, IEEE 1394, LAN и др.);

- микросхемы мультимедийных устройств (Audio, NET); и т. д.

В качестве примера на рис. 7.1 показано размещение основных компонентов на системной плате.


Рисунок 7.1 – Размещение чипов и интерфейсов на материнской плате ПК



7.1.1. Процессорный разъем

Основным слотом МВ является процессорный разъем, определяющий какой тип процессоров может быть установлен на данную МВ. В настоящее время используют следующие виды процессорных разъемов (socket-ов), по убыванию возраста.

Разъемы процессоров Intel

- Socket 7 – Intel Pentium, Pentium MMX, AMD K6;

- Slot 1 – Intel Pentium II, первые Pentium III, Celeron с частотой 233 МГц – 1.13 ГГц;

- Socket 370 – Pentium III с частотой 800 МГц – 1,4 ГГц, Celeron Cyrix III; VIA C3 (рис. 7.2);

- Socket 423 – процессоры Intel Pentium 4 и Celeron, основанные на ядре Willamette;

- Socket 478 – процессоры Intel Pentium 4 и Celeron, основанные на ядрах Northwood, Prescott и Willamette (рис. 7.3);

- Socket 479 – процессоры Intel Pentium M и Celeron M, основанные на ядрах Banias и Dothan;

- Socket 480 – процессоры Intel Pentium M, основанные на ядре Yonah;

- Socket T (LGA 775) – Intel Pentium 4, Pentium D, Celeron D, Pentium Extreme Edition, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Celeron, Xeon серии 3000, Core 2 Quad на ядрах Northwood, Prescott, Conroe, Kentsfield, Allendale и Cedar Mill (рис. 7.4);

- Socket M – Intel Core Solo, Intel Core Duo и Intel Core 2 Duo;

- Socket B (LGA 1366) – новый разъем для будущих процессоров с интегрированным контроллером памяти и соединением Intel QuickPath (рис. 7.5);

- Socket H (LGA 715) – будущая замена Socket T (LGA 775) без интегрированного контроллера памяти и соединения Intel QuickPatch;

- Socket P – замена Socket 479 и Socket M. Выпущен 9 мая 2007 года.

Рисунок 7.2 – Socket 370

Рисунок 7.3 – Socket 478

Рисунок 7.4 – Socket LGA 775

Рисунок 7.5 – Socket LGA 1366

Разъемы процессоров фирмы AMD:

- Socket 7 – для ЦП AMD K6;

- Super Socket 7 – для ЦП AMD K6-2, AMD K6-III; Rise mP6;

- Socket A (Socket 462) – для семейства ЦП AMD K7: Athlon, Athlon XP, Sempron и Duron (рис. 7.6);

- Socket 563 – для семейства ЦП Athlon XP-M с низким потреблением энергии;

- Socket 754 – для процессоров AMD Athlon 64 нижнего уровня и процессоров Sempron с поддержкой только одноканального режима работы с памятью (рис. 7.7);

- Socket 939 – для процессоров AMD Athlon 64 и AMD Athlon FX с поддержкой двухканального режима работы с памятью (рис. 7.8);

- Socket AM2 – новый разъем для процессоров AMD.

- Socket AM2+ – замена для Socet AM2, прямая и обратная совместимость с сокетом AM2 для всех планируемых материнских плат и процессоров (рис. 7.9);

- Socket AM3 – перспективная замена для S-AM2+;

- Socket S1 – сокет для процессоров Mobile Sempron.

Рисунок 7.6 – Socket A

Рисунок 7.7 – Socket 754

Рисунок 7.8 – Socket 939

Рисунок 7.9 – Socket AM2+



7.1.2. Периферийные интерфейсы

Системные платы поддерживают разные виды интерфейсов системных, локальных и периферийных шин. От состава поддерживаемых шин, количества слотов для этих шин, имеющихся на материнской плате, существенно зависит эффективность работы ПК в целом.

C МВ на внешнюю сторону ПК выводятся основные интерфейсные разъемы впоследствии используемые при подключении внешних устройств к ПК (рис. 7.10). Рассмотрим более подробно интерфейсные разъемы и периферийные шины наиболее часто используемые в ПК.


Рисунок 7.10 – Основные интерфейсные разъемы материнской платы



7.1.3. USB - Universal Serial Bus

USB (англ. Universal Serial Bus) – универсальная последовательная шина, предназначенная для подключения периферийных устройств. Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств.

Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырех проводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приема и передачи данных, а два провода – для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания, USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания. К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств через цепочку концентраторов (они используют топологию «звезда»).

Спецификация USB 2.0 выпущенная в апреле 2000 года отличается от USB 1.1 введением режима Hi-speed. Для устройств USB 2.0 регламентировано три режима работы:

- Low-speed, 10—1500 Кбит/c (используется для интерактивных устройств: клавиатуры, мыши, джойстики);

- Full-speed, 0,5—12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства);

- Hi-speed, 25—480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации).

Существует три типа USB-разъемов:

- разъем "тип A": обычно присутствует у ПК (рис. 7.11);

- разъем "тип B": обычно находится на самом USB-устройстве, если кабель съемный (рис. 7.11);

- разъем мини-USB: обычно используется цифровыми видеокамерами, внешними жесткими дисками и т.д. (рис. 7.12).

USB

USB

Рисунок 7.11 – USB "тип A" (слева) и USB "тип B" (справа)

Рисунок 7.12 – Разъемы мини-USB обычно встречаются на цифровых камерах и внешних жестких дисках

Перспективные модификации стандарта USB:

USB OTG (аббр. от On-The-Go) – дальнейшее расширение спецификации USB 2.0, предназначенное для легкого соединения периферийных USB-устройств друг с другом без необходимости подключения к ПК.

USB Wireless –технология USB (официальная спецификация доступна с мая 2005 года). Позволяет организовать беспроводную связь с высокой скоростью передачи информации (до 480 Мбит/с на расстоянии 3 м и до 110 Мбит/с на расстоянии 10 м).

USB 3.0 сохраняет полную совместимость с уже существующим оборудованием стандарта USB 2.0 и поддерживает скорость передачи до 5 Гбит/с.



7.1.4. IEEE 1394 FireWire

IEEE 1394 (FireWire, i-Link) – последовательная высокоскоростная шина (рис. 7.13 – 7.16), предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами.

IEEE-1394 / FireWire / i.Link

Рисунок 7.13 – 6-контактный разъем с питанием

Рисунок 7.14 – Кабель FireWire с 6-контактной вилкой на одном конце и 4-контактной на другом

Рисунок 7.15 – 4-контактный разъем без питания – обычно используется на HD видеокамерах и ноутбуках

Рисунок 7.16 – Карта FireWire обеспечивающая два больших 6-контактных порта и один маленький 4-контактный

В цифровых камерах Sony интерфейс IEEE 1394 появился раньше принятия стандарта и под названием iLink. Интерфейс первоначально позиционировался для передачи видеопотоков, но пришелся по нраву и производителям внешних накопителей, обеспечивая высокую пропускную способность для современных высокоскоростных дисков. Сегодня многие системные платы, а также почти все современные модели ноутбуков поддерживают этот интерфейс.

Преимущества IEEE 1394:

- различная высокая скорость передачи данных – 100, 200 и 400 Мбит/с (800, 1600 Мбит/с IEEE 1394b) длина кабеля до 4,5 м;

- гибкая топология – равноправие устройств, допускающее различные конфигурации (возможность взаимодействия устройств без компьютера);

- высокая скорость – возможность обработки мультимедиа-сигнала в реальном времени;

- наличие питания прямо на шине (маломощные устройства могут обходиться без собственных блоков питания). До полутора ампер и напряжение от 8 до 40 В;

- подключение до 63 устройств.

Шина IEEE 1394 может использоваться с:

- компьютерами;

- аудио и видео мультимедийными устройствами;

- принтерами и сканерами;

- жесткими дисками, массивами RAID;

- цифровыми видеокамерами и видеомагнитофонами.

Перспективные модификации стандарта IEEE 1394:

В 2002 году появляется стандарт b c новыми скоростями: S800 – 800 Мбит/с и S1600 – 1600 Мбит/с. Также увеличивается максимальная длина кабеля до 50-70 м, а при использовании высококачественных оптико-волоконных кабелей до 100 м. Соответствующие устройства обозначаются FireWire 800 или FireWire 1600, в зависимости от максимальной скорости.

Изменились используемые кабели и разъемы. Для достижения максимальных скоростей на максимальных расстояниях предусмотрено использование оптики, пластмассовой – для длины до 50 м, и стеклянной – для длин до 100 м.

Несмотря на изменение разъемов, стандарты остались совместимы, чего можно добиться, используя переходники.

12 декабря 2007 года была представлена спецификация S3200 c максимальной скоростью – 3,2 Гбит/с.



7.1.5. PCI Express

PCI Express (или PCIe или PCI-E) – компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных.

Разработка стандарта PCI Express была начата фирмой Intel. Официально первая базовая спецификация PCI Express представлена в июле 2002 г.

В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных общую шину, PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда, устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором. Для подключения устройства PCI Express используется двунаправленное последовательное соединение типа точка-точка, называемое lane. Это существенно отличет PCI Express от технологии PCI, в которой все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной однонаправленной шине.

Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link, и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (2x, 4x, 8x, 12x, 16x и 32x) двунаправленных последовательных соединений lane. Каждое устройство должно поддерживать соединение 1x.

Использование подобного подхода имеет следующие преимущества:

- карта PCI Express помещается и корректно работает в любом слоте той же или большей пропускной способности (например, карта x1 будет работать в слотах x4 и x16);

- слот большего физического размера может использовать не все lane'ы (например, к слоту 16x можно подвести линии передачи информации, соответствующие 1x или 8x, и все это будет нормально функционировать; однако, при этом необходимо подключить все линии «питание» и «земля», необходимые для слота 16x).

Пропускная способность соединения lane составляет 2,5 Гбит/с. Для расчета пропускной способности соединения link необходимо учесть то, что в каждом соединении передача дуплексная, а также учесть применение кодирования 8B/10B (8 бит в 10).

Кроме того, шиной PCI Express поддерживается:

- горячая замена карт;

- гарантированная полоса пропускания (QoS);

- управление энергопотреблением;

- контроль целостности передаваемых данных.

Перспективные модификации стандарта PCI Express.

Группа PCI-SIG выпустила 15 января 2007 года спецификацию PCI Express 2.0. Основные нововведения в PCI Express 2.0:

- увеличенная пропускная способность – спецификация PCI Express 2.0 определяет максимальную пропускную способность одного соединения lane как 5 Гбит/с, при этом сохранена совместимость с PCI Express 1.1 таким образом, что плата расширения, поддерживающая стандарт PCI-E 1.1 может работать, будучи установленной в слот PCI-E 2.0;

- динамическое управление скоростью – для управления скоростью работы связи;

- службы управления доступом – опциональные возможности управления транзакциями точка-точка;

- переопределение предела по мощности – для переопределения лимита мощности слота при присоединении устройств, потребляющих большую мощность.

7 февраля 2007 года группа PCI-SIG выпустила спецификацию внешней кабельной системы PCI-E. Новая спецификация позволяет использовать кабели длиной до 10 м, работающие с пропускной способностью 2,5 Гбит/с.

К 2010 году ожидаются спецификации версии PCI Express 3.0, которая будет обладать пропускной способностью 8 ГT/с (Гигатранзакций/с). Этого удалось достигнуть благодаря более агрессивной схеме кодирования 128B/130B, когда 128 бит данных пересылаемых по шине кодируются 130 битами.

PCI Express 4.0. PCI Special Interest Group (PCI SIG) планирует стандартизацию PCI Express 4.0 до 2015 года. Он будет иметь пропускную способность 16 ГT/с или более, т.е. будет в два раза быстрее PCI-E 3.0.



7.1.6. Видео интерфейсы



7.1.6.1. Интерфейс DVI

Digital Visual Interface, сокр. DVI (англ. цифровой видеоинтерфейс) – разъем (рис. 7.19, 7.21), предназначенный для передачи видеоизображения на цифровые устройства отображения, такие как жидкокристаллические мониторы и проекторы. Разработан консорциумом Digital Display Working Group. Предыдущие стандарты видео разъемов, например, VGA (рис. 7.17 – 7.18) – были аналоговые и предназначены для мониторов на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ). Они передают сигнал построчно, при этом изменение напряжения означает изменение яркости.

Рисунок 7.17 – Порт VGA на графической карте

Рисунок 7.18 – Интерфейс VGA на кабеле монитора

Рисунок 7.19 – DVI разъемы на кабеле

Рисунок 7.20 – Переходник DVI-VGA

Рисунок 7.21 – DVI порты на видеокарте

Виды DVI:

- DVI-A – только аналоговая передача;

- DVI-I – аналоговая и цифровая передача;

- DVI-D – только цифровая передача.

Примечание. Видеокарты с DVI-A не поддерживают стандартные мониторы с DVI-D.



7.1.6.2. Интерфейс HDMI

High-Definition Multimedia Interface (HDMI) – мультимедийный интерфейс высокой четкости (рис. 7.22 – 7.24), позволяет передавать цифровые видеоданные высокого разрешения и многоканальные цифровые аудио-сигналы с защитой от копирования (HDCP).

Разъем HDMI обеспечивает цифровое DVI-соединение нескольких устройств с помощью соответствующих кабелей. Основное различие между HDMI и DVI состоит в том, что разъем HDMI меньше по размеру, интерфейс оснащен технологией защиты от копирования HDCP (High Bandwidth Digital Copy Protection), а также поддерживает передачу многоканальных цифровых аудио-сигналов. Является современной (на 2008 год) заменой аналоговых стандартов подключения.

Характеристики:

- HDMI имеет пропускную способность в пределах от 4,9 до 10,2 Гбит/с.

- длина кабеля – рекомендуется 1,5 м, возможно до 15 м.

Перспективы развития интерфейса HDMI. В перспективе для передачи видеосигналов будут использоваться только интерфейсы HDMI и IEEE 1394 (FireWire). HDMI – для передачи несжатых данных между телевизором, аудиосистемой, DVD-проигрывателем. Связь всех остальных звеньев осуществляется посредством IEEE 1394, через который будет передаваться сжатый сигнал, например, MPEG-2.

Рисунок 7.22 – Порт HDMI

Рисунок 7.23 – Разъемы HDMI

Рисунок 7.24 – Переходник HDMI/DVI



7.1.6.3. Display Port

Display Port – это новый стандарт сигнального интерфейса для цифровых дисплеев (рис. 7.25). Принят VESA (Video Electronics Standart Association) в мае 2006, текущая версия 1.1 – принята 2 апреля 2007. DisplayPort предполагается к использованию в качестве наиболее современного интерфейса соединения аудио и видеоаппаратуры, в первую очередь для соединения компьютера с дисплеем, или компьютера и систем домашнего кинотеатра. Поддерживает HDCP версии 1.3 и имеет пропускную способность вдвое большую, чем Dual-Link DVI, низкий вольтаж питания и низкие посторонние наводки, размеры разъема примерно равны USB.

Рисунок 7.25 – Разъем DisplayPort

Технология, реализованная в Display Port, позволит передавать одновременно как графические, так и аудио сигналы. Его отличие от HDMI – более широкий канал для передачи данных (10,8 Гбит/с вместо 5 Гбит/с), что обеспечит более высокие разрешения. Максимальная длина кабеля DisplayPort в три раза больше, чем у HDMI – 15 м против 5 м. Вместо защиты от копирования HDCP, будет реализована технология шифрования DPCP (DisplayPort Content Protection) с 128-битным ключом.



7.1.7. Микросхема BIOS

На системной плате располагается микросхема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), содержащая программы BIOS, необходимые для управления многими компонентами компьютера. BIOS доступна постоянно, независимо от работоспособности внешних компонентов. В BIOS находится программа, которая называется System Setup – именно с ее помощью пользователь управляет самыми глубокими настройками системы.

В современных материнских платах используются, как правило, микросхемы Flash BIOS (располагающейся в CMOS-памяти), в которые могут перезаписываться при помощи специальных средств, что облегчает модернизацию этих программ при появлении новых устройств, которым нужно обеспечить поддержку (например, новых типов микросхем оперативной памяти).

CMOS-память питается от своего локального аккумулятора (батарейки) и поэтому является энергонезависимой (сохраняет информацию при отключении компьютера от сети). Память хранит информацию о параметрах многих устройств, входящих в ПК.



7.2. Процессор

В современных компьютерах центральные процессоры (ЦП) выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см) вставляющегося в zif-сокет. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов.



7.2.1. Характеристики процессора определяющие его производительность

Центральный процессор имеет следующие важнейшие характеристики, определяющие его производительность:

- частота ЦП;

- кеш;

- технический процесс;

- поддержка новых технологических решений;

- наличие встроенного контроллера памяти.

Рассмотрим данные характеристики более подробно.

Частота ЦП. Довольно большое время основной характеристикой указывающей на производительность ЦП была его частота. Но когда основные компании-производителя пошли разными путями в разработке новых поколений процессоров, то тактовая частота перестала быть мерилом производительности. Измеряется частота в герцах (мегагерцах, гигагерцах). Но надо учитывать, что «количество частоты» не соответствует количеству операций. Продуктивность ЦП в отношении на герц может варьироваться в широких пределах, в зависимости от архитектуры процессора. Если ранее архитектура была довольна схожа между процессорами конкурентов, и их можно было сопоставлять по частоте, то сейчас архитектуры компаний различаются гораздо сильней.

Кеш. Центральный процессор постоянно работает с памятью. Но скорость оперативной памяти не особо велика, чтобы процессор, при работе с ней, раскрывал полностью свой вычислительный потенциал. Поэтому, у процессоров существует своя собственная небольшая, но быстрая память. Ее именуют "Кеш". Обычно, такой памяти на процессоре от 256 Кб до 2 Мб. Кеш хранит в себе те данные, которые могут понадобиться процессору в ближайший момент. Поэтому, перед тем как выполнить операцию с данными, процессор ищет их сперва в кеше. Кеш разделяют на уровни: обычно, в процессорах используется двухуровневая система (т.н. Кеш L1 и L2). Кеш первого уровня отличается малым размером (но большой скоростью), а второго уровня – большим размером. Кеш третьего же уровня очень велик, но медленен и встречается только в отдельных моделях ЦП.

Кеш во многом обусловливает стоимость процессора, т.к занимает значительную (иногда и большую) часть кремниевой подложки ЦП. Чем больше кеш, тем быстрее работает процессор. Зачастую, разница производительности между процессором с кешем 128 Кб и ЦП с кешем в 1 Мб L2 несоизмерима мала, в сравнении с увеличившейся стоимостью процессора.

Технический процесс. Производители вынуждены уменьшать нормы производства процессоров еще и для того, чтобы снизить тепловыделение процессора. Обычно пользователю достаточно знать: чем меньше тех. процесс (и подаваемое на ЦП напряжение), тем меньше нагрев процессора. Все современные процессоры выпускаются по нормам 0,09 мкм, на подходе массовое распространение 0,065 мкм. Для производителей процессоров, внедрение новых технологий – не только снижение площадей чипов, но и важный фактор на пути увеличение производительности ЦП.

Поддержка технологий. Для оптимизаций выполнения определенных задач, производители ЦП внедряют в свои процессоры специальные наборы инструкций. Например, SSE (SSE2, SSE3), 3DNow!, Extended 3DNow! и т.п. Эти инструкции не вносят каких-то изменений в саму исполнительную часть ядра процессора, но позволяют описывать сложные последовательности команд, более короткими командами и упрощать работу процессору. В основном, такие дополнительные наборы инструкций созданы для увеличения производительности в программах, которые используют данные наборы инструкций.

Встроенный контроллер памяти. Долгое время, этот термин не был применим к ЦП. Однако, компания AMD в своем новом поколении процессоров К8 встроила контроллер памяти в процессор. ЦП все время работает с ОЗУ и скорость его работы с оперативной памятью – это важнейший параметр на пути обеспечения высокой производительности. Раннее существовала схема работы ЦП с ОЗУ: "Процессор – Чипсет – ОЗУ". Этот путь сократили и "перенесли" контроллер памяти из чипсета – в ЦП. Тем самым схема упростилась до "Процессор – ОЗУ". В ЦП Intel пока применяется традиционная схема, в которой участвует чипсет. Однако в процессорах Core i7 компания Intel использует встроенные контролеры памяти позволяющий работать с 3 каналами памяти DDR3.



7.2.2. Современные процессоры архитектуры x86 компаний Intel и AMD

В настоящее время в составе ПК можно встретить процессоры, приведенные на рис. 7.26 – 7.31.

Intel Pentium 4 – одноядерный x86-совместимый микропроцессор компании Intel, представленный 20 ноября 2000 года. Архитектура NetBurst (рабочее наименование – P68), лежащая в основе процессоров Pentium 4, разрабатывалась компанией Intel, в первую очередь, с целью достижения высоких тактовых частот процессоров. NetBurst не является развитием архитектуры P6, использовавшейся в процессорах Pentium III, а представляет собой принципиально новую по сравнению с предшественниками архитектуру. Характерными особенностями архитектуры NetBurst являются гиперконвейеризация и применение кэша последовательностей микроопераций вместо традиционного кэша инструкций.

Intel Pentium D построен по микроархитектуре NetBurst, как и все модели Pentium 4. Буква «D», в названии, расшифровывается как Dual – двойной, и указывает на наличие двух ядер.

Intel Core – это название, используемое для процессоров с кодовым именем Yonah, представленных 5 января 2006 года. Они производились с использованием техпроцесса 65 нм, основанных на архитектуре Banias/Dothan Pentium M, с добавленной технологией защиты LaGrande. Общая производительность была увеличена за счет добавления поддержки SSE3 расширений и усовершенствования поддержки расширений SSE и SSE2. Но при этом производительность немного снижается в связи с более медленным кэшем (а точнее, в связи с его высокой латентностью). Процессор Core Duo является лучшим в мире двуядерным процессором с архитектурой x86 с точки зрения энергопотребления (меньше 25 Вт).

Intel Core Duo имеет два ядра, 2 Мб кэш 2-го уровня, на оба ядра, и шину управления для контроля над кэшем 2-го уровня и системной шиной.

Intel Core Solo использует то же двойное ядро, что и Core Duo, но рабочим является только одно ядро.

Pentium 4 (Socket 423)

Рисунок 7.26 – Pentium 4 (Socket 423)

Рисунок 7.27 – Pentium 4 (Socket 478))

Рисунок 7.28 – AMD Athlon 64 X2

Рисунок 7.29 – Pentium D 820

Рисунок 7.30 – Intel Core 2 Duo E6600 «Conroe»

Рисунок 7.31 – AMD Phenom

Intel Core 2 – восьмое выпущенное корпорацией Intel поколение микропроцессоров архитектуры x86, основанное на совершенно новой процессорной архитектуре, которая называется Intel Core. В отличие от процессоров архитектуры NetBurst (Pentium 4 и Pentium D), в архитектуре Core 2 ставка делается не на повышение тактовой частоты, а на улучшение других параметров процессоров, таких как кэш, эффективность и количество ядер. Особенностями процессоров Intel Core 2 являются EM64T (поддержка архитектуры EM64T), технология поддержки виртуальных x86 машин Vanderpool (en), NX-бит и набор инструкций SSSE3. Кроме того, впервые реализованы следующие технологии: LaGrande Technology, усовершенствованная технология SpeedStep (EIST) и Active Management Technology (iAMT2).

Первые процессоры Core 2 официально представлены 27 июля 2006 года. Процессоры Intel Core, они делятся на модели Solo (одноядерные), Duo (двухъядерные), Quad (четырехъядерные) и Extreme (двух- или четырехъядерные с высочайшей скоростью и разблокированным множителем).

AMD Athlon 64 – первый 64-битный процессор для домашних пользователей и мобильного применения компании AMD, который был представлен 23 сентября 2003 года. Процессор построен на архитектуре AMD 64 и относится к восьмому поколению (K8) и доступен для Socket 939 и Socket AM2. Данные процессоры построенные на архитектуре AMD 64 и способны работать с 32-битным x86, 16-битным и 64-битным кодом.

Основным качеством процессоров Athlon 64 является интегрированный в ядро контроллер памяти, чего не было в предыдущих поколениях ЦПУ. Не только то, что данный контроллер работает на частоте ядра процессора, но также и то, что из связки процессор-память исчезло лишнее звено – северный мост, позволило существенно уменьшить задержки при обращении к ОЗУ.

AMD Athlon 64 X2 компании AMD является первым двухъядерным ЦПУ для настольных компьютеров. Этот процессор содержит два ядра Athlon 64, объединенных на одном кристалле с помощью набора дополнительной логики. Ядра имеют в своем распоряжении двухканальный контроллер памяти HyperTransport, базирующийся на Athlon 64 степпинга E, и в зависимости от модели содержит от 512 до 1024 Кб Кэша 2-го уровня на каждое ядро. Athlon 64 X2 поддерживают набор инструкций SSE3 (которые ранее поддерживались только процессорами компании Intel), что позволило запускать с максимальной производительностью код, оптимизированный для процессоров Intel.

AMD Phenom – многоядерный центральный процессор фирмы AMD предназначенный для использования в стационарных персональных компьютерах. В под данной маркой выходят трех- (AMD Phenom X3) и четырехъядерные (AMD Phenom X4) процессоры, базирующийся на архитектуре K10. Основным отличием процессоров поколения K10 от своих предшественников на базе K8 является объединение четырех ядер на одном кристалле, обновления протокола Hyper-Transport до версии 3.0 (один 16-битный канал имеет скорость 4000 Mб/с), общий для всех ядер кэш L3, а также перспективная поддержка контроллером памяти DDR3 (пропускная способность до 17.1 Гб/с). Сами ядра также были модернизированы по сравнению с ядрами K8.

Процессор существует в двух вариантах: Phenom для настольных систем, Opteron серий 83хх и 23хх для серверов а так же серии 13хх для сокета Socket AM2+. Все процессоры серии Phenom построены на Socket AM2+ обратно совместимом с Socket AM2. При использовании процессоров Phenom на материнских платах с поддержкой Socket AM2 он лишается поддержки шины Hyper-Transport 3.0, раздельного тактования контроллера памяти (северного моста), кэша L3 и ядер, а так же некоторых энергосберегающих функций.

Сравнительный анализ характеристик современных процессоров приведен в таблице 7.1.

Таблица 7.1 - Сравнительный анализ характеристик современных процессоров

CPU

Производ-ство

Частота ЦП

Частота FSB

Особенности, платформа

Наборы инструкций

Pentium 4

с 2000 по 2007 год

1,3 - 3,8 ГГц

400 - 1066 МГц

NetBurst,
180—65 нм,
Socket 478,
Socket 423,
Socket T (LGA 775)

IA-32, MMX, SSE, SSE2, SSE3, EM64T

Pentium D

с 2005 по 2007

2,66 - 3,6 ГГц

533 - 800 МГц

NetBurst,
90 -65 нм,
Socket T (LGA 775)

IA-32, MMX, SSE, SSE2, SSE3, EM64T

Intel Core

с 2006

667 T/s

Intel Core,
Socket T (LGA 775)

MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, EM64T

Intel Core 2

с 2006

1 - 3,20 ГГц

533 - 1600 МГц

Intel Core
Socket T (LGA 775)

MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4, x86-64

Athlon 64

К8+
Socket 754
Socket 939

MMX, Extended 3DNow!, SSE, SSE2, AMD64, Hyper-Transport

Athlon 64 X2

с 2006

2 - 3,2 ГГц

Hyper-Transport 1000 МГц

К8+
Socket AM2

MMX, Extended 3DNow!, SSE, SSE2, SSE3, AMD64, Cool'n'Quiet, NX-Bit, , Hyper-Transport

AMD Phenom

с 2008

1,8 - 2,6 ГГц

Hyper-Transport 2000 МГц

K10
Socket AM2+

MMX, Extended 3DNow!, SSE, SSE2, SSE3, AMD64, Cool'n'Quiet, NX-Bit, Hyper-Transport



7.2.3. Оценка производительности современных процессоров

Производительность процессоров существенно зависит от архитектуры, тактовой частоты, размера КЭШа и других параметров. Однако, производительность также определяется программным обеспечением которое выполняется на данном процессоре. Так, одни и те же процессоры могут показывать различное быстродействие в различных программах.

На рис. 7.32 – 7.35 приведены сравнительные оценки производительности двух ядерных процессоров Intel (Core 2 Duo E xxx) и двух ядерных (Athlon 64 X2), трех ядерных (Phenom X3) и четырех ядерных (Phenom X4) процессоров AMD в различных программах.

Рисунок 7.32 – Оценка общей производительности пакетом SYS Mark 2007

Рисунок 7.33 – Оценка производительности в игре Half-Life

Рисунок 7.34 – Оценка производительности при обработке видео

Рисунок 7.35 – Оценка производительности при моделировании в пакете 3D Max



7.3. Оперативная память

Наиболее широко используемой в качестве оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) современных компьютеров является DRAM (Dynamic Random Access Memory) – один из видов компьютерной памяти с произвольным доступом (RAM).

Конструктивно память DRAM состоит из «ячеек» размером в 1 или 4 бит, в каждой из которых можно хранить определенный объем данных. Совокупность «ячеек» такой памяти образуют условный «прямоугольник», состоящий из определенного количества строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком. Весь набор «ячеек» условно делится на несколько областей.

В современных компьютерах физически DRAM-память представляет собой электрическую плату – модуль, на котором расположены микросхемы памяти и разъем, необходимый для подключения модуля к материнской плате.


Рисунок 7.36 – Структурная схема модуля оперативной памяти

Роль «ячеек» играют конденсаторы, расположенные внутри микросхем памяти. Конденсаторы заряжаются в случае, когда в «ячейку» заносится единичный бит, либо разряжаются в случае, когда в «ячейку» заносится нулевой бит. При отсутствии подачи электроэнергии к оперативной памяти, происходит разряжение конденсаторов, и память опустошается. Это динамическое изменение заряда конденсатора является основополагающим принципом работы памяти типа DRAM.



7.3.1. Характеристики памяти DRAM

Основными характеристиками оперативной памяти ПК является:

- объем оперативной памяти – определяет количество информации, которая может быть одновременно доступной процессору;

- тайминги памяти;

- рабочая частота.

Для обращения к ячейке контроллер задает номер банка, номер страницы в нем, номер строки и номер столбца, на все запросы тратится время, помимо этого довольно большой период уходит на открытие и закрытие банка после самой операции. На каждое действие требуется время, называемое таймингом.

Основными таймингами DRAM являются:

- задержка между подачей номера строки и номера столбца, называемая временем полного доступа (англ. RAS to CAS delay);

- задержка между подачей номера столбца и получением содержимого ячейки, называемая временем рабочего цикла (англ. CAS delay);

- задержка между чтением последней ячейки и подачей номера новой строки (англ. RAS precharge).

Тайминги измеряются в наносекундах, и чем меньше величина этих таймингов, тем быстрее работает оперативная память. Рабочая частота измеряется в мегагерцах, и увеличение рабочей частоты памяти приводит к увеличению ее быстродействия.



7.3.2. Типы памяти DRAM

Основной движущей силой развития памяти было развитие ЭВМ и центральных процессоров. Постоянно требовалось увеличение быстродействия и объема оперативной памяти.

Основными типами современной оперативной памяти применяемой в ПК являются разновидности синхронной DRAM.

SD RAM (англ. synchronous DRAM, SDRAM). Особенностями этого типа памяти являлись использование тактового генератора для синхронизации всех сигналов и использование конвейерной обработки информации. Также память надежно работала на высоких частотах системной шины (100 МГц и выше). Рабочие частоты этого типа памяти могли равняться 66 МГц, 100 МГц или 133 МГц, время полного доступа – 40 нс и 30 нс, а время рабочего цикла – 10 нс и 7.5 нс.

DDR SD RAM (от англ. Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory – удвоенная скорость передачи данных синхронной памяти с произвольным доступом). При использовании DDR SDRAM достигается удвоенная скорость работы, нежели в обыкновенной SDRAM, за счет считывания команд и данных не только по фронту, как в SDRAM, но и по срезу тактового сигнала. За счет этого удваивается скорость передачи данных, не увеличивая при этом частоты тактового сигнала шины памяти. Таким образом, при работе DDR на частоте 100 МГц мы получим эффективную частоту 200 МГц (при сравнении с аналогом SDR SD RAM).

DDR SD RAM конструктивно представляет собой модуль памяти DDR со 184 контактами и работает на частотах в 100 МГц и 133 МГц, ее время полного доступа – 30 нс и 22.5 нс, а время рабочего цикла – 5 нс и 3.75 нс.

Спецификация чипов памяти DDR SD RAM:

- DDR200: память работает с частотой 100 МГц;

- DDR266: память работает с частотой 133 МГц;

- DDR333: память работает с частотой 166 МГц;

- DDR400: память работает с частотой 200 МГц;

- DDR533: память работает с частотой 266 МГц;

- DDR666: память работает с частотой 333 МГц;

- DDR800: память работает с частотой 400 МГц.

Direct RDRAM, или Direct Rambus DRAM. Тип памяти RDRAM является разработкой компании Rambus. Высокое быстродействие этой памяти достигается рядом особенностей, не встречающихся в других типах памяти. Первоначальная очень высокая стоимость памяти RDRAM привела к тому, что производители мощных компьютеров предпочли менее производительную, зато более дешевую память DDR SDRAM. Рабочие частоты памяти – 400 МГц, 600 МГц и 800 МГц, время полного доступа – до 30 нс, время рабочего цикла – до 2.5 нс.

DDR2 SD RAM. Новый тип оперативной памяти DDR2 SDRAM был выпущен в 2004 году и в настоящее время является основным типом оперативной памяти используемой в современных ПК.

Основное отличие DDR2 от DDR – вдвое большая частота работы шины, по которой данные передаются в буфер микросхемы памяти. При этом работа самого чипа осталась такой-же, что и в DDR, то есть с теми же задержками, но при большей скорости передачи информации. Время полного доступа DDR2 – 25 нс, 11.25 нс, 9 нс, 7.5 нс. Время рабочего цикла – 5 нс, 3.75 нс, 3 нс, 3.5 нс.

Спецификации наиболее распространенных модулей памяти DDR2 приведены в таблице 7.2.

Таблица 7.2 - Спецификации наиболее распространенных модулей памяти DDR2

Название модуля

Частота шины

Тип чипа

Пиковая скорость передачи данных

PC2-3200

200 МГц

DDR2-400

3.2 Гб/с

PC2-4200

266 МГц

DDR2-533

4.2 Гб/с

PC2-5300

333 МГц

DDR2-667

5.3 Гб/с

PC2-6400

400 МГц

DDR2-800

6.4 Гб/с

PC2-7200

450 МГц

DDR2-900

7.2 Гб/с

PC2-8000

500 МГц

DDR2-1000

8.0 Гб/с

PC2-8500

533 МГц

DDR2-1066

8.5 Гб/с

Память DDR2 не является обратно совместимой с DDR, поэтому ключ на модулях DDR2 расположен в другом месте по сравнению с DDR и вставить модуль DDR2 в разъем DDR, не повредив последний, невозможно. Для использования в ПК, DDR2 SDRAM поставляется в модулях DIMM с 240 контактами и одним ключом (пробелом в полосе контактов). Более скоростные модули DDR2 совместимы с более медленными, при этом работа возможна на частоте самого медленного модуля системы.

DDR3 SD RAM (от англ. double-data-rate three synchronous dynamic random access memory – удвоенная скорость передачи данных синхронной памяти с произвольным доступом) – тип оперативной памяти используемой в компьютерах, разработанный как последователь DDR2 SDRAM.

DDR3 обещает сокращение потребления энергии на 40% по сравнению с модулями DDR2, благодаря применению 90-нм технологии производства, что позволяет снизить эксплуатационные токи и напряжения (1,5 В, по сравнению с 1,8 В для DDR2 и 2,5 В для DDR). Спецификации отдельных распространенных модулей памяти DDR2 приведены в таблице 7.3.

Таблица 7.3 - Спецификации наиболее распространенных модулей памяти DDR3

Стандартное название

Частота памяти

Время цикла

Частота шины

Передач данных в секунду

Название модуля

Пиковая скорость передачи данных

DDR3-800

100 МГц

10 нс

400 МГц

800 млн

PC3-6400

6 400 МБ/с

DDR3-1066

133 МГц

7.5 нс

533 МГц

1066 млн

PC3-8500

8 533 МБ/с

DDR3-1333

166 МГц

6 нс

667 МГц

1333 млн

PC3-10600

10 667 МБ/с

DDR3-1600

200 МГц

5 нс

800 МГц

1600 млн

PC3-12800

12 800 МБ/с

DDR3-1800

225 МГц

4.44 нс

900 МГц

1800 млн

PC3-14400

14 400 МБ/с

DDR3-2000

250 МГц

4 нс

1000 МГц

2000 млн

PC3-16000

16 000 МБ/с

DDR3-2133

266 МГц

3.75 нс

1066 МГц

2133 млн

PC3-17000

17 066 МБ/с

DDR3-2400

300 МГц

3.33 нс

1200 МГц

2400 млн

PC3-19200

19 200 МБ/с

Преимущества памяти DDR3 по сравнению с DDR2:

- более высокая полоса пропускания (до 2400 МГц);

- увеличенная эффективность при малом энергопотреблении (более длительное время работы батарей в ноутбуках);

- улучшенная конструкция, способствующая охлаждению.

Недостатки по сравнению с DDR2:

- обычно более высокая CAS-латентность, но компенсируемая высокой полосой пропускания, что позволяет увеличить производительность в определенных приложениях;

- стоит дороже, чем эквивалентная память DDR2.

Конструктивные особенности исполнения типов памяти DRAM (особенности расположения ключей) приведены на рис. 7.37.

Рисунок 7.37 – Конструктивные особенности исполнения типов памяти DRAM



7.4. Видео система



7.4.1. Базовые графические термины

Частота обновления (Refresh Rate). Как в кинотеатре или на телевизоре, ваш компьютер симулирует движение на мониторе, выводя последовательность кадров. Частота обновления монитора указывает на то, сколько раз в секунду на экране будет обновляться картинка. Например, частота 75 Гц соответствует 75 обновлениям в секунду.

Пиксель (Pixel). Слово "Pixel" расшифровывается как "picture element" – элемент изображения. Он представляет собой крошечную точку на дисплее, которая может светиться определенных цветом (в большинстве случаев оттенок выводится сочетанием трех базовых цветов: красного, зеленого и синего). Если разрешение экрана составляет 1024x768, то на нем можно заметить матрицу из 1024 пикселей по ширине и 768 пикселей по высоте.

Вершина (Vertex). Все объекты на 3D-сцене состоят из вершин. Вершина – точка в трехмерном пространстве с координатами X, Y и Z. Несколько вершин можно сгруппировать в полигон: чаще всего это треугольник, но возможны и более сложные формы. Затем на полигон накладывается текстура, что позволяет объекту выглядеть реалистично. 3D-куб, показанный на иллюстрации выше, состоит из восьми вершин. Более сложные объекты имеют кривые поверхности, которые на самом деле состоят из очень большого числа вершин.

Пиксель (Pixel)

Вершина (Vertex)

Рисунок 7.38 – Пиксель

Рисунок 7.39 – Вершина

Текстура (Texture)

Шейдер (Shader)

Рисунок 7.40 – Текстура

Рисунок 7.41 – Пиксельные программы-шейдеры позволяет видеокарте выдать эффекты воды

Текстура (Texture) – это просто 2D-картинка произвольного размера, которая накладывается на 3D-объект, чтобы симулировать его поверхность. Например, наш 3D-куб состоит из восьми вершин. До наложения текстуры он выглядит как простая коробка. Но когда мы нанесем текстуру, то коробка становится окрашенной.

Шейдер (Shader). Сегодня существует два вида шейдеров:

- вершинные программы-шейдеры могут изменять или трансформировать 3D-объекты;

- пиксельные программы-шейдеры позволяют менять цвета пикселей на основе каких-либо данных. Представьте себе источник света на 3D-сцене, который заставляет светиться освещаемые объекты ярче, и в то же время, приводит к отбрасыванию тени на другие объекты. Все это реализуется с помощью изменения цветовой информации пикселей.

Пиксельные шейдеры используются для создания сложных эффектов в играх. Например, код шейдера может заставить пиксели, окружающие 3D-меч, ярче светиться. Еще один шейдер может обработать все вершины сложного 3D-объекта и симулировать взрыв. Разработчики игр все чаще прибегают к помощи сложных программ-шейдеров для создания реалистичной графики. Практически любая современная игра с богатой графикой использует шейдеры.

Графическая карта (известна также как графическая плата, видеокарта, видеоадаптер от англ. videocard) – устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора.

Обычно видеокарта является платой расширения и вставляется в специальный разъем (PCI, AGP, PCI-Express) для видеокарт на материнской плате, но бывает и встроенной в материнскую плату или процессор, иначе говоря, интегрированной.

Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом изображения, они имеют встроенный графический микропроцессор, который может производить дополнительную обработку, разгружая от этих задач центральный процессор компьютера.



7.4.2. Структура современной графическая платы

Графический процессор (или GPU - Graphics processing unit – графическое процессорное устройство) – занимается расчетами выводимого изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор, производит расчеты для обработки команд трехмерной графики. Является основой графической платы, именно от него зависят быстродействие и возможности всего устройства. Современные графические процессоры по сложности не уступают центральному процессору компьютера, а зачастую и превосходят его.

Архитектура современного GPU обычно предполагает наличие нескольких блоков обработки информации, а именно:

- блок обработки 2D-графики;

- блок обработки 3D-графики, в свою очередь, разделяющийся на:

- геометрическое ядро (плюс кэш вершин);

- блок растеризации (плюс кэш текстур);

- и др.

Структура современного графического процессора приведена на рис. 7.42 на примере графического чипа AMD R7xx (серия AMD 48xx) на момент 2008 г. наиболее производительного.

Рисунок 7.42 - Структура современного графического процессора на примере графического чипа AMD R7xx (серия AMD 48xx)

Видеоконтроллер отвечает за формирование изображения в видеопамяти, дает команды RAMDAC на формирование сигналов развертки для монитора и осуществляет обработку запросов центрального процессора.

Кроме видеоконтроллера, обычно присутствуют:

- контроллер внешней шины данных (например, PCI или AGP);

- контроллер внутренней шины данных;

- контроллер видеопамяти.

Ширина внутренней шины и шины видеопамяти обычно больше, чем внешней (64, 128 или 256 разрядов против 16 или 32), во многие видеоконтроллеры встраивается еще и RAMDAC. Современные графические адаптеры (ATI, nVidia) обычно имеют не менее двух видеоконтроллеров, работающих независимо друг от друга и управляющих одновременно одним или несколькими дисплеями каждый.

Видеопамять (рис. 7.44) - кадровый буфер, в котором хранится изображение, генерируемое и постоянно изменяемое графическим процессором и выводимое на экран монитора (или нескольких мониторов). В видеопамяти хранятся также промежуточные невидимые на экране элементы изображения и другие данные.

Видеопамять бывает нескольких типов, различающихся по скорости доступа и рабочей частоте. Современные видеокарты комплектуются памятью типа DDR, DDR2, GDDR3, GDDR4 и GDDR5. Следует также иметь в виду, что помимо видеопамяти, находящейся на видеокарте, современные графические процессоры обычно используют в своей работе часть общей системной памяти компьютера, прямой доступ к которой организуется драйвером видеоадаптера через шину AGP или PCIE.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, RAMDAC – Random Access Memory Digital-to-Analog Converter) – служит для преобразования изображения, формируемого видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на аналоговый монитор. Возможный диапазон цветности изображения определяется только параметрами RAMDAC. Чаще всего RAMDAC имеет четыре основных блока – три цифроаналоговых преобразователя, по одному на каждый цветовой канал (красный, зеленый, синий, RGB), и SRAM для хранения данных о гамма-коррекции.

Большинство ЦАП имеют разрядность 8 бит на канал – получается по 256 уровней яркости на каждый основной цвет, что в сумме дает 16,7 млн. цветов (а за счет гамма-коррекции есть возможность отображать исходные 16,7 млн. цветов в гораздо большее цветовое пространство). Для поддержки второго монитора часто устанавливают второй ЦАП. Стоит отметить, что мониторы и видеопроекторы, подключаемые к цифровому DVI выходу видеокарты, для преобразования потока цифровых данных используют собственные цифроаналоговые преобразователи и от характеристик ЦАП видеокарты не зависят.

Графический процессор

Видеопамять

Рисунок 7.43 – Расположение графического процессора

Рисунок 7.44 – Расположение видеопамяти

Видео-ПЗУ (Video ROM) – постоянное запоминающее устройство, в которое записаны видео-BIOS, экранные шрифты, служебные таблицы и т. п. ПЗУ не используется видеоконтроллером напрямую – к нему обращается только центральный процессор. Хранящийся в ПЗУ видео-BIOS обеспечивает инициализацию и работу видеокарты до загрузки основной операционной системы, а также содержит системные данные, которые могут читаться и интерпретироваться видеодрайвером в процессе работы (в зависимости от применяемого метода разделения ответственности между драйвером и BIOS). На многих современных картах устанавливаются электрически перепрограммируемые ПЗУ (EEРROM, Flash ROM), допускающие перезапись видео-BIOS самим пользователем при помощи специальной программы.

Система охлаждения – предназначена для сохранения температурного режима видеопроцессора и видеопамяти в допустимых пределах.

Видеодрайвер – специальное программное обеспечение, поставляемое производителем видеокарты и обеспечивающего правильную и полнофункциональную работу современного графического адаптера. Видеодрайвер загружается в процессе запуска операционной системы и выполняет функции интерфейса между системой с запущенными в ней приложениями и видеоадаптером. Так же как и видео-BIOS, видеодрайвер организует и программно контролирует работу всех частей видеоадаптера через специальные регистры управления, доступ к которым происходит через соответствующую шину.

Радиаторы

Тепловые трубки

Рисунок 7.45 – Пассивная система охлаждения (радиатор)

Рисунок 7.46 – Пассивная система охлаждения на тепловых трубках

Кулеры (радиатор + вентилятор)

Рисунок 7.47 – Активная система охлаждения (вентилятор)



7.4.3. Характеристики графической платы

Ширина шины памяти, измеряется в битах – количество бит информации, передаваемой за такт. Важный параметр в производительности карты.

Количество видеопамяти, измеряется в мегабайтах – встроенная оперативная память на самой плате, значение показывает, какой объем информации может хранить графическая плата. Практически не влияет на производительность при условии, что памяти более критического значения необходимого для хранения текстур (порядка 256 Мбайт).

Частоты ядра и памяти – измеряются в мегагерцах, чем больше, тем быстрее видеокарта будет обрабатывать информацию.

Техпроцесс – технология печати, указывается характерный размер, измеряемый в нанометрах (нм), современные карты выпускаются по 90-, 80- 65 или 55-нм нормам техпроцесса. Чем меньше данный параметр, тем больше элементов можно уместить на кристалле и тем меньше греется карта.

Текстурная и пиксельная скорость заполнения, измеряется в млн. пикселов в секунду, показывает количество выводимой информации в единицу времени.

Выводы карты – первоначально видеоадаптер имел всего один разъем VGA (15-контактный D-Sub). В настоящее время платы оснащают одним или двумя разъемами DVI или HDMI, либо Display Port. Порты D-SUB, DVI и HDMI являются эволюционными стадиями развития стандарта передачи видеосигнала, поэтому для соединения устройств с этими типами портов возможно использование переходников. Dispay Port позволяет подключать до четырех устройств, в том числе акустические системы, USB-концентраторы и иные устройства ввода-вывода. На видеокарте также возможно размещение композитных и S-Video видеовыходов и видеовходов (обозначаются, как ViVo).



7.4.4. Влияние различных характеристик графической карты на ее производительность

Тактовые частоты имеют прямое и заметное влияние на производительность видеокарт. В нашем примере мы проанализируем видеокарты ATi Radeon X1800 XL и X1800 XT (рис. 7.48) идентичной архитектуры и одинакового 256-битный интерфейса памяти. Различия кроются только в тактовых частотах.

Архитектурные различия (разное число блоков шейдеров). Кроме тактовых частот следует обращать внимание и на архитектуру графического процессора. Сравним видеокарты ATi Radeon X800 XL и X800 GTO (рис. 7.49). Обе они имеют идентичные тактовые частоты и 256-битный интерфейс памяти. Но Radeon X800 XL использует 16 блоков пиксельных шейдеров, а видеокарта X800 GTO, хотя и построена на том же процессоре, но у нее работают только 12 блоков.

Объем видеопамяти памяти. Объем памяти (рис. 7.50) на видеокарте часто используют в качестве индикатора производительности, дабы вводить в заблуждение неискушенных пользователей. В большинстве случаев объем памяти никак не влияет на производительность (если памяти больше определенного, минимально необходимого, количества). Возможно найти примеры, когда объем памяти будет как-то сказываться на производительности, но сравнивать две видеокарты по количеству памяти – некорректно.

Сравнение производительности при разных тактовых частотах

Сравнение производительности при разном числе блоков шейдеров

Рисунок 7.48 – Сравнение

Radeon X1800 XT (GPU 625 МГц, VRAM 750 МГц);

Radeon X1800 XL (GPU 500 МГц, VRAM 500 МГц).

Рисунок 7.49 - Сравнение

Radeon X800 XL (GPU - 16 блоков шейдеров);

Radeon X800 GTO (GPU - 12 блоков шейдеров).

Сравнение производительности при разном объёме памяти

Сравнение производительности при разных интерфейсах памяти

Рисунок 7.50 – Сравнение

ATi Radeon X800 XL (VRAM – 256 МБайт );

ATi Radeon X800 XL (VRAM – 512 МБайт ).

Рисунок 7.51 – Сравнение

ATi Radeon 9700 (VRAM – 256 бит );

ATi Radeon 9500 Pro (VRAM – 128 бит ).

Разрядность интерфейса видеопамяти. Интерфейс памяти не менее важен, чем ее тактовая частота. При прочих равных суженный интерфейс памяти может ощутимо снизить производительность. Особенно это следует учитывать при покупке видеокарт дешевле $100, поскольку многие из них имеют урезанный 64-битный интерфейс, заметно снижающий производительность.

В примере производилось сравнение производительности видеокарт: ATi Radeon 9700 и 9500 Pro (рис. 7.51). Карты используют одинаковые процессоры с восемью пиксельными конвейерами и 128 Мбайт видеопамяти на равных тактовых частотах. Единственное отличие заключается в 256-битном интерфейсе памяти у Radeon 9700 и 128-битном интерфейсе у Radeon 9500 Pro.

Сравнение интерфейса шины. Распространено заблуждение, что старый интерфейс AGP 8x серьезно проигрывает новому PCI Express. В нашем примере сравнивается производительность разных версий видеокарты nVidia GeForce 6800 GT, а именно, под PCI Express и под AGP 8x. Тестирование видеокарт проводилось с помощью 3DMark05, который больше всего зависит от производительности непосредственно видеокарт. Результаты приведены на рис. 7.53.

Как можно видеть, производительность различается очень слабо, особенно если учитывать небольшое превосходство других компонентов платформы PCI Express, на которой тестировалась видеокарта PCI Express. Вполне очевидно, пропускная способность интерфейса AGP 8x не является "узким местом" современных видеокарт.

Сравнение производительности одной видеокарты с двумя, работающими в режиме SLI или CrossFire. Для тестирования использовались видеокарты nVidia GeForce 6800 Ultra (рис. 7.52). Прирост производительности в режиме SLI составил 45%. Однако, вряд ли от перехода на SLI или CrossFire будет получен прирост в 100% от первоначального уровня.

Сравнение одной видеокарты с двумя

Сравнение производительности при разных интерфейсах шины

Рисунок 7.52 - Сравнение

2 х nVidia GeForce 6800 Ultra (SLI);

1 х nVidia GeForce 6800 Ultra.

Рисунок 7.53 - Сравнение

nVidia GeForce 6800 GT (PCI-E 16x);

nVidia GeForce 6800 GT (AGP 8x).



7.4.5. Технологии SLI и CrossFire



7.4.5.1. Технология NVIDIA SLI

NVIDIA SLI – технология, позволяющая использовать несколько видеокарт для обработки трехмерного изображения. Поддержка чипсетов для работы со SLI осуществляется программно. Видеокарты должны принадлежать к одному классу, при этом версия BIOS плат и их производитель значения не имеют. В последнее время получила распространение система Quad SLI (рис. 7.54, 7.56, 7.57) – предполагает объединение в SLI-систему двух двухчиповых плат и система SLI 3x (рис. 7.55) – предполагает объединение в SLI-систему трех графических плат. Таким образом, получается, что в построении изображения работают 4 чипа.

Рисунок 7.54 – Система SLI

Рисунок 7.55 – Система SLI 3x

Рисунок 7.56 – Объединение видеокарт в систему SLI с помощью перемычки

Рисунок 7.57 – Перемычка SLI

SLI-систему можно организовать двумя способами:

- с помощью специального мостика;

- программным путем (в данном случае нагрузка на шину PCI-E возрастает, что плохо сказывается на производительности).

Для построения компьютера на основе SLI необходимо иметь:

- материнскую плату с двумя и более разъемами PCI Express, поддерживающую технологию SLI.

- мощный блок питания;

- видеокарты GeForce 6/7/8/9 или Quadro FX с шиной PCI Express;

- мост, объединяющий видеокарты.



7.4.5.2. Технология ATI CrossFire

ATI CrossFire – технология, позволяющая одновременно использовать мощности двух и более видеокарт Radeon для построения трехмерного изображения. Каждая из видеокарт, используя определенный алгоритм, формирует свою часть изображения, которое передается в чип Composing Engine мастер-карты, имеющий собственную буферную память. Этот чип объединяет изображения каждой видеокарты и выводит финальный кадр.

Видеокарты должны быть одной серии, но необязательно одной модели. При этом быстродействие и частота CrossFire-системы определяется характеристиками чипа наименее производительной видеокарты.

Для построения компьютера на основе CrossFire необходимо иметь:

- материнскую плату с двумя и более разъемами PCI Express x16 с чипсетом AMD или Intel определенной модели;

- мощный блок питания;

- видеокарты с поддержкой CrossFire.

CrossFire-систему можно организовать тремя способами:

-Внешнее соединение – видеокарты объединяются с помощью кабеля, при этом карта, на которой распаян чип Compositing Engine, называется мастер-картой (Master card). Остальные видеокарты могут быть любыми в пределах серии.

-Внутреннее соединение – видеокарты соединены посредством гибкого мостика. Драйвером определяется, какая из них будет мастер-картой.

-Программный метод – видеокарты не соединяются, обмен данными идет по шине PCI Express x16, при этом их взаимодействие реализуется с помощью драйверов. Недостатком данного способа являются потери в производительности на 10-15% по сравнению с двумя вышеназванными способами.



7.4.5.3. Принципы формирования изображения в режимах SLI и CrossFire

Ниже приведены алгоритмы многопоточной обработки видеоданных, применяемые компанией AMD, а так же даны аналоги данных алгоритмов компании nVidia.

Super Tiling (рис. 7.58). Картинка разбивается на квадраты 32x32 пикселя и принимает вид шахматной доски. Каждый квадрат обрабатывается одной видеокартой.

Scissor (рис. 7.59). Изображение разбивается на несколько частей, количество которых соответствует количеству видеокарт в связке. Каждая часть изображения обрабатывается одной видеокартой полностью, включая геометрическую и пиксельную составляющие. Аналог в nVidia SLI – алгоритм Split Frame Rendering.

Alternate Frame Rendering (рис. 7.60). Обработка кадров происходит поочередно: одна видеокарта обрабатывает только четные кадры, а вторая – только нечетные. Однако, у этого алгоритма есть недостаток. Дело в том, что один кадр может быть простым, а другой сложным для обработки. Этот алгоритм, запатентованный ATI еще во время выпуска двух чиповой видеокарты, используется также в nVidia SLI.

SuperAA. Данный алгоритм нацелен на повышение качества изображения. Одна и та же картинка генерируется на всех видеокартах с разными шаблонами сглаживания. Видеокарта производит сглаживание кадра с некоторым шагом относительно изображения другой видеокарты. Затем полученные изображения смешиваются и выводятся. Таким образом, достигается максимальные четкость и детализованность изображения. Доступны следующие режимы сглаживания: 8x, 10x, 12x и 14x.

Рисунок 7.58 – Схема алгоритма Super Tiling

Рисунок 7.59 – Схема алгоритма Scissor

Рисунок 7.60 – Схема алгоритма Alternate Frame Rendering



7.5. Накопитель на жестких магнитных дисках (HDD)

Накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД, жесткий диск, хард, харддиск, HDD, HMDD или винчестер, от англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD) – энергонезависимое, перезаписываемое запоминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах (рис. 7.61, 7.62).

Информация в HDD записывается на жесткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В некоторых НЖМД используется одна пластина, в других – несколько на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках 5-10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков, головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключен их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Рисунок 7.61 – Внешний вид HDD

Рисунок 7.62 – Внутренний вид HDD



7.5.1. Устройство жесткого диска

Жесткий диск состоит (рис. 7.63, 7.64) из следующих основных узлов: корпус из прочного сплава, собственно жесткие диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя и блок электроники.

Рисунок 7.63 – Устройство HDD

Рисунок 7.64 – Функциональная схема HDD

Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных, как правило, неодимовых, постоянных магнитов и катушки на подвижном блоке головок.

Вопреки расхожему мнению, жесткие диски не герметичны. Внутренняя полость жесткого диска сообщается с атмосферой через фильтр, способный задерживать очень мелкие (несколько мкм) частицы. Это необходимо для поддержания постоянного давления внутри диска при колебаниях температуры корпуса. Пылинки, оказавшиеся при сборке в жестком диске и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на еще один фильтр – пылеуловитель.



7.5.2. Характеристики HDD

Основные характеристики, определяющие качество функционирование и быстродействие жесткого диска приведены ниже.

Интерфейс (англ. interface) – набор, состоящий из линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил обмена.

Современные накопители могут использовать интерфейсы:

- ATA (AT Attachment, он же IDE – Integrated Drive Electronic, он же Parallel ATA);

- Serial ATA;

- SCSI (Small Computer System Interface);

- SAS, FireWire, USB и др.

Емкость (англ. capacity) – количество данных, которые могут храниться накопителем. Емкость современных устройств достигает 2000 Гб. В отличие от принятой в информатике (случайно) системе приставок, обозначающих кратную 1024 величину (кило = 1024, мега = 1 048 576 и т. д.; позже для этого были не очень успешно введены двоичные приставки). Производители указывают неформатированную емкость (вместе со служебной информацией), что делает «зазор» между заявленными «200 Гб» и реальными 160 Гб.

Физический размер (форм-фактор). Почти все современные (2002-2008 гг.) накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер либо 3,5, либо 2,5 дюйма. Последние чаще применяются в ноутбуках. Получили также распространение форматы – 1,8 дюйма, 1,3 дюйма и 0,85 дюйма.

Время произвольного доступа (англ. random access time) – от 3 до 15 мс. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 – 3,7 мс), самым большим временем из актуальных – диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 – 12,5 мс).

Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) – количество оборотов шпинделя в минуту (rpm). От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об./мин. (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).

Надежность (англ. reliability) – определяется как среднее время наработки на отказ (Mean Time Between Failures, MTBF). При определи надежности в процессе функционирования используется технология SMART. (S.M.A.R.T. - англ. Self Monitoring Analysing and Reporting Technology – технология оценки состояния жесткого диска встроенной аппаратурой самодиагностики, а также механизм предсказания времени выхода его из строя).

Количество операций ввода-вывода в секунду – у современных дисков это около 50 оп./сек при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

Потребление энергии – важный фактор для мобильных устройств.

Уровень шума – шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.

Сопротивляемость ударам (англ. G-shock rating) – сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включенном и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate):

- внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;

- внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.

Объем буфера. Буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных HDD он обычно варьируется от 8 до 32 Мб.



7.5.3. Технологии записи данных на HDD

Принцип работы жестких дисков следующий. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки. При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки, возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.

В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки. В них, изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от изменения напряженности магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).



7.5.3.1. Метод параллельной записи

На данный момент это самая распространенная технология записи информации на НЖМД (рис. 7.65). Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая проходя над поверхностью вращающегося диска намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей – доменов. Каждая из этих областей является логическим нулем или единицей, в зависимости от намагниченности.

Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи оценивается 150 Гбит/дюйм² (23 Гбит/см²). В ближайшем будущем ожидается постепенное вытеснение данного метода методом перпендикулярной записи.

Рисунок 7.65 – Метод параллельной записи

Рисунок 7.66 – Метод перпендикулярной записи



7.5.3.2. Метод перпендикулярной записи

Метод перпендикулярной записи (рис. 7.66) – это технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у современных образцов – 100—150 Гбит/дюйм² (15-23 Гбит/см²), в дальнейшем планируется довести плотность до 400—500 Гбит/дюйм² (60—75 Гбит/см²). Жесткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года.



7.5.3.3. Метод тепловой магнитной записи

Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat-assisted magnetic recording – HAMR) на данный момент самый перспективный из существующих, сейчас он активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». На рынке ЖД данного типа пока не представлены (на 2008 год), есть лишь экспериментальные образцы, но их плотность уже превышает 1 Тбит/дюйм² (150 Гбит/см²). Разработка HAMR-технологий ведется уже довольно давно, однако эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи. Так, компания Hitachi называет предел в 15−20 Тбит/дюйм², а представители Seagate Technology предполагают, что они смогут довести плотность записи HAMR-носители до 50 Тбит/дюйм. Планируется, что широкое распространение данная технология получит после 2010 года.



7.5.4. Логическая структура HDD

Данные на диски записываются секторами (рис. 7.67). Сектор – это непрерывный фрагмент трека фиксированной информационной емкости. Стандартные сектора содержат по 512 байт (или 256 16-битных слов) информации. Каждый сектор может быть записан независимо от других, но только целиком. Прерванная запись, например, в случае пропадания питания, разрушает информацию в секторе.

Вместе с каждым сектором вычисляется и записывается контрольная сумма, обеспечивающая проверку сохранности данных. При считывании посчитанная контрольная сумма сравнивается с записанной, и несовпадение означает, что данный сектор сбойный, он называется – бэд. Возможно несовпадение суммы и в том случае, когда поверхность сектора нормальная. При подобном сбое информация в секторе оказывается потерянной, но при записи на него сектор восстанавливается. Такие сектора называются софт-бэдами. Тем не менее, часто компьютерное программное обеспечение для работы с дисками нередко помечает такие сектора сбойными, и выводит их из использования.

Рисунок 7.67 – Логическая структура HDD

Рисунок 7.68 – Серворазметка

При записи на диск используется самосинхронизирующееся кодирование, обычно код с ограничением длинны серий или код с максимумом изменений, обеспечивающее малую избыточность при отсутствии необходимости в дополнительных синхрометках. Для обеспечения надежности также применяется помехоустойчивое кодирование – в данные добавляется избыточная информация, обеспечивающая восстановление при потерях части информации или ошибках чтения.

На заводе-изготовителе на диск записываются сервометки (рис. 7.68), обеспечивающие синхронизацию вращения дисков, позиционирование головок на нужные треки. Сервометки на поверхности образуют области в виде радиальных лучей из центра диска, расположенные на равных угловых промежутках. Сервометки содержат синхронизационную последовательность, номер трека и дифференциальные метки. Синхронизационная последовательность обеспечивает стабильность вращения диска и точное определение моментов прохождения головкой различных областей на диске. По номеру трека обеспечивается позиционирование головок на нужный трек.



7.5.5. Понятие о RAID массивах

RAID (англ. redundant array of independent/inexpensive disks) – избыточный массив дисков для ЭВМ.

Рассмотрим наиболее популярные уровни RAID.

RAID 0 («Striping») – дисковый массив из двух или более жестких дисков с отсутствием избыточности (рис. 7.69). Информация разбивается на блоки данных (Ai) и записывается на оба/несколько дисков одновременно.

Достоинство: За счет этого существенно повышается производительность (от количества дисков зависит кратность увеличения производительности).

Недостаток: Страдает надежность всего массива (при выходе из строя любого из входящих в RAID 0 винчестеров полностью и безвозвратно пропадает вся информация).

RAID 1 (Mirroring – «зеркалирование», рис. 7.70). Изначально предполагается, что жесткий диск – вещь надежная. Соответственно, вероятность выхода из строя сразу двух дисков ниже на порядок.

Достоинства:

- обеспечивает приемлемую скорость записи и выигрыш по скорости чтения за счет распараллеливания запросов;

- имеет высокую надежность – работает до тех пор, пока функционирует хотя бы один диск в массиве.

Недостаток: приходится выплачивать стоимость двух жестких дисков, получая полезный объем одного жесткого диска (классический случай, когда массив состоит из двух дисков).

Рисунок 7.69 – RAID 0

Рисунок 7.70 – RAID 1

RAID 5 (рис. 7.71). Самый популярный из уровней, в первую очередь благодаря своей экономичности. Блоки данных и контрольные суммы циклически записываются на все диски массива, отсутствует выделенный диск для хранения информации о четности. Жертвуя ради избыточности емкостью всего одного диска из массива, мы получаем защиту от выхода из строя любого из винчестеров тома.

На запись информации на том RAID 5 тратятся дополнительные ресурсы, так как требуются дополнительные вычисления, зато при чтении (по сравнению с отдельным винчестером) имеется выигрыш, потому что потоки данных с нескольких накопителей массива распараллеливаются. Недостатки RAID 5 проявляются при выходе из строя одного из дисков – весь том переходит в критический режим, все операции записи и чтения сопровождаются дополнительными манипуляциями, резко падает производительность. При этом уровень надежности значительно снижается (так как уменьшена избыточность массива).

Рисунок 7.71 – RAID 5

Рисунок 7.72 – Matrix RAID

Matrix RAID – это технология (рис. 7.72), реализованная фирмой Intel в своих чипсетах начиная с ICH6R. Строго говоря, эта технология не является новым уровнем RAID (ее аналог существует в аппаратных RAID-контроллерах высокого уровня), она лишь позволяет, используя лишь 2 диска, организовать одновременно один или несколько массивов уровня RAID 1 и один или несколько массивов уровня RAID 0. Это позволяет за сравнительно небольшие деньги обеспечить для одних данных повышенную надежность, а для других высокую скорость доступа.

Пример использования. Имеются в наличии два диска по 160 Гбайт. Каждый диск разбивается на тома по 60 и по 100 Гбайт, затем 100-гигабайтные тома объединяются в скоростной массив RAID 0, а 60-гигабайтные – в массив повышенной надежности RAID 1. В массиве RAID 1 можно разместить операционную систему, рабочие документы, фото- и видеоархивы, коллекцию mp3 и прочие важные данные, а файл подкачки и «игрушки» в массиве RAID 0. В результате получается весьма рациональное сочетание повышенной производительности и надежности хранения данных.



7.6. Оптические средства записи, чтения и хранения информации



7.6.1. Носители CD-ROM

CD-ROM (сокращение от англ. Compact Disc read-only memory) – это компактный оптический диск, содержащий данные доступные для компьютера.

Информация на диске записывается в виде спиральной дорожки так называемых питов (углублений), выдавленных в поликарбонатной основе (рис. 7.73). Каждый пит имеет примерно 100 нм в глубину и 500 нм в ширину. Различают диски только для чтения («алюминиевые»), CD-R – для однократной записи, CD-RW – для многократной записи. Диски последних двух типов предназначены для записи на специальных пишущих приводах.

Рисунок 7.73 – Питы CD-ROM под микроскопом

Рисунок 7.74 – Принцип работы привода CD-ROM

Способ считывания информации. Для чтения информации с CD (рис. 7.74) используется луч лазера инфракрасного диапазона (ИК). Луч подается на вращающийся диск со стороны подложки, отражается от отражающего слоя и возвращается на специальный фотоприемник. При попадании луча на питы и лэнды интенсивность отраженного луча меняется. В итоге, на выходе фотоприемника формируется электрический сигнал, повторяющий по форме информационный рисунок на поверхности компакт-диска.



7.6.2. Носители DVD

DVD (англ. Digital Versatile Disc) – цифровой многоцелевой диск, носитель информации в виде диска, внешне схожий с компакт-диском, однако имеющий возможность хранить бо́льший объем информации за счет использования лазера с меньшей длиной волны, чем для обычных компакт дисков.

Первые диски и проигрыватели DVD появились в ноябре 1996 в Японии и в марте 1997 в США. В начале 1990-х годов разрабатывалось два стандарта для оптических информационных носителей высокой плотности. Один из них назывался «Multimedia Compact Disc» (MMCD) и разрабатывался компаниями Philips и Sony, второй – «Super Disc» – поддерживали 8 крупных корпораций, в числе которых были Toshiba и Time Warner. Позже усилия разработчиков стандартов были объединены под началом IBM, которая не хотела повторения кровопролитной войны форматов, как было со стандартами кассет VHS и Betacam в 1980-х. Официально DVD был анонсирован в сентябре 1995 года. Первая версия спецификаций DVD была опубликована в сентябре 1996 года. Изменения и дополнения в спецификации вносит организация DVD Forum (ранее называвшаяся DVD Consortium), членами которой являются 10 компаний-основателей и более 220 частных лиц. Первый привод, поддерживающий запись DVD-R, выпущен Pioneer в октябре 1997 года. Стоимость этого привода, поддерживающего спецификацию DVD-R версии 1.0, составляла 17000$. «Болванки» объемом 3.95 Гб стоили по 50$ каждая. Изначально «DVD» расшифровывалось как «Digital Video Disc» (цифровой видеодиск), поскольку данный формат первоначально разрабатывался как замена видеокассетам. Позже, когда стало ясно, что носитель подходит и для хранения произвольной информации, многие стали расшифровывать DVD как Digital Versatile Disc (цифровой многоцелевой диск). Toshiba, заведующая официальным сайтом DVD Forum’а, использует «Digital Versatile Disc». К консенсусу не пришли до сих пор, поэтому сегодня «DVD» официально вообще никак не расшифровывается.

Для считывания и записи DVD используется красный лазер с длиной волны 650 нм.

В отличие от компакт-дисков, в которых структура аудиодиска фундаментально отличается от диска с данными, в DVD всегда используется файловая система UDF (для данных может быть использована ISO 9660).

DVD как носители бывают четырех типов:

- DVD-ROM – диски, изготовленные методом инжекционного литья (литья под давлением из прочного пластика-поликарбоната), непригодны для записи в приводах;

- DVD+R/RW – диски однократной (R – Recordable) и многократной (RW – ReWritable) записи;

- DVD-R/RW – диски однократной (R – Recordable) и многократной (RW – ReWritable) записи;

- DVD-RAM – диски многократной записи с произвольным доступом (RAM – Random Access Memory).

Физически DVD может иметь одну или две рабочие стороны и один или два рабочих слоя на каждой стороне. От их количества зависит емкость диска (из-за чего они получили также названия DVD-5, −9, −10, −18, по принципу округления емкости диска в Гб до ближайшего сверху целого числа):

Таблица 7.4 – Емкость различных носителей формата DVD

Емкость DVD-дисков

В Гигабайтах (109 байт)

В Гибибайтах (230 байт)

1-сторонние 1-слойные (DVD-5)

4,7

4,38

1-сторонние 2-слойные (DVD-9)

8,5

7,96

2-сторонние 1-слойные (DVD-10)

9,4

8,75

2-сторонние 2-слойные (DVD-18)

17,1

15,93

Возникновение форматов DVD±R и их совместимость. Стандарт записи DVD-R(W) был разработан в 1997 г. DVD-Forum'ом как официальная спецификация (пере)записываемых дисков. Однако цена лицензии на эту технологию была слишком высока, и поэтому несколько производителей пишущих приводов и носителей для записи объединились в «DVD+RW Alliance», который и разработал в середине 2002 г. стандарт DVD+R(W), стоимость лицензии на который была ниже. Поначалу «болванки» (чистые диски для записи) DVD+R(W) были дороже, чем «болванки» DVD-R(W), но теперь цены сравнялись.

Все приводы для DVD могут читать оба формата дисков, и большинство пишущих приводов также могут записывать оба типа «болванок». Среди остальных приводов форматы «+» и «-» одинаково популярны – половина производителей поддерживает один стандарт, половина – другой.

Рисунок 7.75 – CD-ROM

Рисунок 7.76 – DVD-ROM

Рисунок 7.77 – Blu-ray Disc



7.6.3. Носители BD

Blu-ray Disc, BD (англ. blue ray – голубой луч и disc – диск) – формат оптического носителя, используемый для записи и хранения цифровых данных, включая видео высокой четкости с повышенной плотностью. Blu-ray (букв. «голубой-луч») получил свое название от использования для записи и чтения коротковолнового (405 нм) «синего» (технически сине-фиолетового) лазера.

Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23,3, 25, 27,0 или 33 Гб, двухслойный диск может вместить 46,6, 50, или 54 Гб. Также в разработке находятся диски вместимостью 100 Гб и 200 Гб с использованием соответственно четырех и шести слоев. Корпорация TDK уже анонсировала прототип четырехслойного диска объемом 100 Гб. На данный момент доступны диски BD‑R и BD-RE, в разработке находится формат BD-ROM.

В технологии для чтения и записи используется сине-фиолетовый лазер с длиной волны 405 нм. Обычные DVD и CD используют красный и инфракрасный лазеры с длиной волны 650 нм и 780 нм соответственно. Такое уменьшение позволило сузить дорожку вдвое по сравнению с обычным DVD-диском (до 0,32 мкм) и увеличить плотность записи данных, а также увеличить скорость считывания до 432 Мбит/с.

Таблица 7.5 – Емкость различных носителей формата BD

Физический размер

Однослойная вместимость

Двухслойная вместимость

120 мм

23.3/25/27 Гб

46.6/50/54 Гб

80 мм

7.8 Гб

15.6 Гб

В Blu-ray применяется новое полимерное покрытие, которое дало дискам невероятную защиту от царапин и пыли. Это покрытие, разработанное корпорацией TDK, получило название «Durabis», оно позволяет очищать BD при помощи бумажных салфеток – которые могут нанести повреждения CD и DVD. По сообщению в прессе «голые» BD с этим покрытием сохраняют работоспособность даже будучи поцарапанными отверткой.



7.6.4. Носители HVD

Голографический многоцелевой диск (HVD - Holographic Versatile Disc) – разрабатываемая перспективная технология производства оптических дисков, которая предполагает значительно увеличить объем хранимых на диске данных по сравнению с Blu-Ray и HD DVD. Она использует технологию, известную как голография, которая использует два лазера: один – красный, а второй – зеленый, сведенные в один параллельный луч. Зеленый лазер читает данные, закодированные в виде сетки с голографического слоя близкого к поверхности диска, в то время как красный лазер используется для чтения вспомогательных сигналов с обычного компакт-дискового слоя в глубине диска. Вспомогательная информация используется для отслеживания позиции чтения, наподобие системы CHS в обычном жестком диске. На CD или DVD эта информация внедрена в данные.

1. Зеленый лазер чтения/записи (532 нм).

2. Красный позиционирующий/индексный лазер (650 нм).

3. Голограмма (данные).

4. Поликарбонатный слой.

5. Фотополимерный (рhotopolimeric) слой (слой содержащий данные).

6. Разделяющий слой (Distans layers).

7. Слой отражающий зеленый цвет (Dichroic layer).

8. Алюминиевый отражающий слой (отражающий красный свет).

9. Прозрачная основа.

P. Углубления.

Рисунок 7.78 – Структура голографического диска (HVD)

Предполагаемая информационная емкость этих дисков – до 3.9 терабайт (Tб), что сравнимо с 6000 CD, 830 DVD или 160 однослойными дисками Blu-ray; скорость передачи данных – 1 Гбит/сек. Optware собирался выпустить 200 Гб диск в начале июня 2006 года и Maxell в сентябре 2006 с емкостью 300 Гб. 28 июня 2007 года HVD стандарт был утвержден и опубликован.



7.7. Обеспечение питания ПК

Компьютерный блок питания – блок питания, предназначенный для снабжения узлов компьютера электрической энергией. В его задачу входит преобразование сетевого напряжения до заданных значений, их стабилизация и защита от незначительных помех питающего напряжения. Также, будучи снабжен вентилятором, он участвует в охлаждении системного блока.

Основным параметром компьютерного блока питания является максимальная мощность, потребляемая из сети.

Компьютерный блок питания для сегодняшней платформы ПК обеспечивает выходные напряжения ±5 ±12 +3,3 В (Вольт). В большинстве случаев используется импульсный блок питания. Хотя абсолютное большинство чипов использует не более 5 В, введение линии 12 В дает использовать большую мощность (импульсный блок питания без 12 В не может выдавать более 210 Вт), которая нужна для питания жестких дисков, оптических приводов, вентиляторов, а в последнее время и материнских плат, процессоров, видеоадаптеров, звуковых карт.

Все вышесказанное относится к наиболее распространенным ныне блокам питания стандарта ATX, который начал использоваться во времена процессоров Intel Pentium. Ранее (начиная с компьютеров IBM PC/AT до платформ на базе процессоров до Socket 370 включительно) на ПК использовались блоки питания стандарта AT.

Основные отличия блоков ATX от AT:

- наличие контакта Standby Voltage (фиолетовый), который позволяет запитывать устройства напряжением +5 В (максимум до 10 мA). Именно это позволяет включать компьютер клавиатурой, из сети, а также от других периферийных устройств;

- наличие запускающего контакта Power Switch On (зеленый), который позволяет запускать блок питания.



7.7.1. Стандарт ATX версии 1.x

Блок питания стандарта ATX в настоящее время имеет несколько разъемов, подключаемых к материнской плате. Основной разъем содержит 20 контактов, расположенных в 2 ряда. Его цоколевка приведена в табл. 7.1, где указаны типично используемые цвета.


Таблица 7.6 – Цоколевка разъема ATX v 1.x

Номер

Цвет провода

Значение напряжения

Описание

1

оранжевый

+3.3V

2

3

черный

GND

4

красный

+5V

5

черный

GND

6

красный

+5V

7

черный

GND

8

серый

PWR_OK

Уровень логической единицы.

9

фиолетовый

+5V

Standby Voltage (max 10mA) – напряжение присутствует даже при отключенном блоке питания.

10

желтый

+12V

11

оранжевый

+3.3V

12

синий

−12V

13

черный

GND

14

зеленый

Power Switch On

Вход управления – при замыкании с GND БП включается, при размыкании – отключается

15

черный

GND

16

17

18

белый

−5V

19

красный

+5V

20

красный

+5V



7.7.2 Стандарт ATX версии 2.0

Считается, что данный стандарт создан для поддержки материнских плат с шиной PCI Express. Большинство материнских плат, работающих на ATX 12 В версии 2.0 (рис 7.79, 7.80), поддерживают также блоки питания ATX версии 1.x (4 разъема остаются незадействованными). Цоколевка разъема приведена в табл. 7.2.

Рисунок 7.79 – Расположение контактов на коннекторе блока питания

Рисунок 7.80 – Расположение контактов на коннекторе материнской платы


Таблица 7.7 – Цоколевка разъема ATX версии 2.0

Номер

Цвет провода

Значение напряжения

Описание

1

оранжевый

+3.3V

2

3

черный

GND

4

красный

+5V

5

черный

GND

6

красный

+5V

7

черный

GND

8

серый

PWR_OK

Уровень логической единицы.

9

фиолетовый

+5V

Standby Voltage (max 10mA) – напряжение присутствует даже при отключенном блоке питания.

10

желтый

+12V

11

желтый

+12V

Отсутствует в ATX v 1.x

12

оранжевый

+3.3V

Отсутствует в ATX v 1.x

13

оранжевый

+3.3V

14

синий

−12V

15

черный

GND

16

зеленый

Power Switch On

Вход управления – при замыкании с GND БП включается, при размыкании – отключается

17

черный

GND

18

19

20

белый

−5V

21

красный

+5V

22

красный

+5V

23

красный

+5V

Отсутствует в ATX v 1.x

24

черный

GND

Отсутствует в ATX v 1.x

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации





Добавить страницу в закладки ->
© Банк лекций Siblec.ru
Электронная техника, радиотехника и связь. Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные и гуманитарные науки.

Новосибирск, Екатеринбург, Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Чебоксары.

E-mail: formyneeds@yandex.ru