<< Пред.           стр. 5 (из 12)           След. >>

Список литературы по разделу

  Основными компонентами видеоподсистемы вычислительных машин являются видеомонитор (дисплей или просто монитор) как устройство визуального отображения информации на экране и видеоадаптер (синоним – видеокарта), функциями которого являются преобразование и передача видеосигнала на монитор.
 Видеоадаптер выполняет роль интерфейса между компьютером и устройством отображения информации. Этот интерфейс был единственным назначением первых видеоадаптеров. Однако по мере развития компьютеров на видеоадаптер стали возлагаться дополнительные обязанности: аппаратное ускорение 2D- и 3D-графики, обработка видеосигналов, прием телевизионных сигналов и ряд других. Для решения этих задач в состав видеоадаптера стали включать дополнительные элементы, в результате чего современный видеоадаптер превратился в мощное универсальное графическое устройство.
 Видеоадаптер представляет собой чрезвычайно важный элемент видеоподсистемы и определяет следующие ее характеристики: максимальное разрешение и частоты разверток (совместно с монитором); максимальное количество отображаемых оттенков цветов; скорость обработки и передачи видеоинформации, определяющую производительность видеоподсистемы в целом.
 Разрешение является важнейшим параметром, характеризующим работу в графической среде. Для количественного описания этого параметра используется понятие так называемого пиксела (минимального элемента изображения). Разрешение определяется количественно произведением пикселов, укладывающихся по горизонтали и вертикали экрана. При этом, как правило, принимается стандартный ряд значений (режимов работы видеоадаптера): 640х480 (VGA – Video Graphical Adapter), 800х600 (SVGA – Super VGA), 1024х768 (XGA – eXtra VGA), 1280х1024 (SXGA – Super eXtra VGA), 1600х1200 (UXGA – Ultra eXtra VGA).
 Кроме видеосигнала, видеоадаптер формирует сигналы горизонтальной и вертикальной синхронизации, используемые при формировании растра на экране монитора. Параметры этих сигналов должны соответствовать возможностям монитора, работающего совместно с данным видеоадаптером.
 В самом общем случае видеоадаптер включает в себя следующие основные элементы:
  – видеопамять, предназначенную для хранения цифрового изображения;
 – набор микросхем, реализующий все необходимые функции
 обработки цифрового изображения и преобразования его в видеосигнал, подаваемый на монитор;
 – схемы интерфейса с шиной ввода/вывода ВМ;
 – память ROM Video BIOS, в которой хранится расширение BIOS, предназначенное для управления видеоподсистемой ВМ;
 – цифро-аналоговый преобразователь, выполняющий преобразование цифровых данных, хранящихся в видеопамяти, в аналоговый видеосигнал;
 – тактовые генераторы.
 При передаче цветного изображения обычно используется трехканальный цифроаналоговый преобразователь (по одному каналу для каждого цветового компонента) и три видеосигнала определяют интенсивность соответствующего электронного луча, отвечающего за формирование одного их трех основных цветов (см. далее RGB-модель аддитивного смешения цветов).
 Главным усовершенствованием видеоадаптеров стало превращение их сначала в так называемые графические ускорители (когда они были снабжены специальными блоками обработки данных и на них была переложена часть типовых функций центрального процессора по обработке графики), а затем и в графические процессоры, когда таких функций стало много и по вычислительной мощности они приблизились к мощности центрального процессора.
 Одно из главных отличий графического ускорителя (видеоакселератора) от классического видеоадаптера заключается в том, что он оперирует не пикселами, а объектами более высокого иерархического уровня – так называемыми графическими примитивами (например, отрезок прямой, треугольник, прямоугольник, многоугольник, дуга, эллипс и т. п.). Используя графические примитивы, реализуемые на аппаратном уровне видеоакселератора, можно конструировать сложные изображения значительно быстрее и проще, чем при модификации отдельных пикселов.
 Радикальное повышение быстродействия видеоподсистемы и компьютера в целом при использовании графического ускорителя достигается за счет:
  – аппаратной реализации набора графических функций, выполнение которых осуществляется всего за несколько тактов работы акселератора;
 – использование акселератором высокоуровневых команд для работы с графическими примитивами, которые центральный процессор посылает акселератору, что разгружает шину обмена данными;
 – освобождения центрального процессора от необходимости выполнения множества элементарных операций с содержимым видеопамяти.
 Использование графического ускорителя является отступлением от классической архитектуры ВМ (когда всей работой управляет центральный процессор) и представляет собой определенный прогрессивный шаг на пути создания распределенной вычислительной структуры. Взамен пассивного устройства – графического контроллера – видеоадаптер получил специализированный вычислитель – графический акселератор, который самостоятельно манипулирует содержимым видеопамяти точно так же, как центральный процессор – содержимым оперативной памяти ВМ.
 По некоторым оценкам за последние годы темпы технологического развития графических микросхем сравнялись с темпами развития центральных процессоров. Так же как и в производстве центральных процессоров, переход на новые проектные нормы означает увеличение допустимой максимальной тактовой частоты и количества логических элементов, что, в свою очередь, дает возможность реализовывать более мощные архитектурные решения. Современные поколения графических микросхем изготавливаются по 0,15-мкм проектным нормам и содержат более 60 млн транзисторов, рабочие частоты достигли 300 МГц и выше. Графические адаптеры на базе этих микросхем комплектуются быстрой памятью DDR SDRAM с суммарным объемом 128 Мбайт и более.
 Традиционными и пока наиболее распространенными видеомониторами являются мониторы на основе электронно-лучевых трубок – ЭЛТ-мониторы (англоязычный аналог – CRT, Cathode Ray Tube). Изображение на экране таких мониторов получается в результате облучения люминофорного (на основе светящегося под действием облучения фосфора) покрытия внутренней поверхности экрана монитора пучком электронов, разогнанных в вакуумной колбе. Для получения цветного изображения на поверхность экрана наносятся миниатюрные точки или полоски фосфора трех различных составов, каждый из которых при облучении испускает красный, зеленый или синий свет. Исторически наиболее распространенной технологией является технология, когда три разных электронных луча попадают на соответствующие им точки и, изменяя интенсивность облучения, формируют цвет и яркость точки на экране монитора. Группы из трех точек (так называемые триады), излучающие свет различной окраски, расположены очень компактно, и для глаза человека создается впечатление единой цветовой точки. В результате смешения трех основных цветов (красный – Red(R), зеленый – Green(G), синий – Blue(B)) формируется любой цвет из всей возможной гаммы цветов. Это так называемая RGB-модель аддитивного смешения цветов.
  Чтобы на экране все три луча сходились каждый в свою точку, и изображение при этом было четким, перед экраном устанавливают цветоделительную маску – панель (металлический щит) с регулярно расположенными отверстиями или щелями. Эта панель и является «маской» для трех электронных лучей, соответствующих трем основным цветам. Каждый луч чаще всего управляется собственной электронной системой. Благодаря маске луч, отвечающий за формирование определенного основного цвета, попадает только в соответствующие участки экрана.
  Другой основной технологией, применяемой в производстве ЭЛТ, является технология так называемой апертурной решетки. Принципиальное отличие этой технологии – вместо перфорированного листа используются вертикально натянутые проволочные струны. Фосфор при этом наносится не в виде точек, а в виде вертикальных линий. Поверхность экрана в этом случае – цилиндрическая или практически плоская, что существенно уменьшает блики на экране. Преимущества технологии апертурной решетки – возможность получения более яркого и контрастного изображения.
  Важнейшим параметром монитора является шаг точки (Dot Pitch) или, как принято его называть, размер «зерна» экрана. Шаг точки – это расстояние между соседними светящимися точками или полосками экрана одного цвета. Чем меньше этот параметр, тем четче и точнее полученное изображение. Этот параметр измеряется в долях миллиметра и для современных мониторов приемлемым считается шаг точки 0,28–0,24 мм и менее.
  Для формирования изображения электронный луч сканирует по экрану слева направо и сверху вниз. Совокупность точек экрана, формирующих изображение, представляет собой так называемый растр. Когда луч достигает правого края экрана, он гаснет и возвращается налево. Когда луч доходит до нижнего правого края экрана, он гаснет и возвращается в левый верхний угол. Таким образом за некоторое время формируется изображение всего экрана. Важным параметром монитора является так называемая частота регенерации (обновления) изображения, которая измеряется количеством раз полной смены изображения экрана в секунду (устаревший термин – «частота кадров»). Этот параметр зависит не только от монитора, но и от свойств и настроек видеоадаптера, но предельные возможности определяет монитор. Измеряется частота регенерации в Гц. Чем она выше, тем меньше заметное глазу мерцание экрана. На сегодняшний день приемлемыми (комфортными) значениями этого параметра являются частоты от 85 Гц и выше. Очевидна связь между разрешением и частотой регенерации.
  На величину максимального разрешения непосредственно влияет так называемая частота горизонтальной развертки (измеряемая в кГц). Значение горизонтальной развертки монитора показывает, какое предельное число горизонтальных строк может прочертить электронный луч на экране монитора за секунду. Чем выше эта величина, тем большее разрешение может поддерживать монитор при приемлемой частоте регенерации («частоте кадров»).
 Естественно, что для пользователя прежде всего важным является размер экрана монитора, который традиционно определяется длиной диагонали экрана и измеряется в дюймах (1 дюйм 2,54 см). Видимый размер для ЭТЛ-мониторов примерно на 1 дюйм меньше, чем тот размер диагонали, который указан в паспортных данных.
 На качество изображения и цену монитора влияют такие характеристики, как степень сходимости цветов монитора, линейность, яркость, контрастность, сфокусированность, стабильность и отсутствие искажений изображения.
  Все большее практическое применение находят так называемые плоскопанельные мониторы матричного типа с цифровым управлением, т. е. индивидуальной адресацией элементов изображения. К настоящему времени предложено несколько технологий реализации таких мониторов, среди которых можно выделить технологии, которые достигли массового или опытного производства. К таковым могут быть отнесены следующие:
  1) LCD (Liquid Crystals Display) – жидкокристал­лический (ЖК) дисплей;
  2) PDP (Plasma Display Panel) – плазменная дисплейная панель;
  3) OLED (Organic Light Emitting Diodes) – органиче­ские светоизлучающие диоды;
  4) PLED ( Polimer Light Emitting Diodes) – полимерные светоизлучающие диоды.
 Каждая из перечисленных технологий обладает свои­ми достоинствами и недостатками. На сегодняшний день реальной альтернативой электронно-лучевой трубке пока смогли стать ЖК-дисплеи, которые в течение последних нескольких лет развиваются бурными темпами. Впервые жидкие кристаллы как вещество были открыты еще в конце XIX столетия. Они представляют со­бой практически полностью прозрач­ные вещества, обладающие свойства­ми, присущими как жидкостям, так и твердым телам. Свет, проходя через жидкие кристаллы, приобретает поля­ризацию в соответствии с ориентацией молекул, что является свойством, при­сущим твердым веществам – кристал­лам. А в 1960-х годах было об­наружено, что при приложении к жид­ким кристаллам электрического напря­жения меняется ориентация их молекул – типичное свойство жидкости.
 Появившиеся в начале 1970-х годов жидкокристаллические индикаторы нашли широкое приме­нение во множестве областей, где есть необходимость отображения инфор­мации.
 Большинство жидких кристаллов – это органические вещества, состоящие из длинных, стержнеподобных моле­кул. Эти молекулы расположены так, что их оси параллельны друг другу. На­правлением осей молекул жидких кри­сталлов можно управлять, нанося на поверхность, к которой они прилегают, множество мельчайших параллельных желобков. Таким образом, поместив жидкий кристалл между двумя стеклами, же­лобки на которых развернуты под уг­лом 90°, можно получить такое его со­стояние, при котором молекулярные слои постепенно меняют свое направ­ление на угол от 0° (внизу) до 90° (ввер­ху). При этом плоскость поляризации света, следуя вдоль направления слоев молекул, также повернется на 90°. Если оба стекла снабдить поляризаторами, углы которых также будут развернуты на 90° относительно друг друга, то та­кой набор элементов будет пропускать свет. При пода­че электрического напряжения поперек слоя жидкого кристалла молекулы ме­няют ориентацию, выстраиваясь вдоль направления электрического поля. При этом поворот плоскости поляризации в жидком кристалле меняется до 0°. Свет, про­шедший первый поляризатор, не может пройти сквозь второй, и система теряет прозрачность.
 В отличие от электронно-лучевой трубки, ЖК-панель не излучает свет, а лишь пропускает или поглощает излу­чение от источника подсветки. В настоящее время большинство ЖК-па­нелей для вывода компьютерных изоб­ражений выполнены по технологии TFT-AM (Thin Film Transistor-Active Matrix – «тонкопленочный транзистор-активная матрица»). При этом каждый элемент подключен к матрице электродов через тонкопле­ночный транзистор.
  Для обеспечения возможности работы с цветным изображением каждый пиксел состоит из трех элементарных ячеек, причем каждая ячейка снабже­на индивидуальным светофильтром – красным, зеленым и синим. Для дости­жения полноценного цветного изобра­жения необходимо уметь создавать промежуточные значения степени пропускания света между полной про­зрачностью и полной непрозрачностью.
 В настоящее время нишу рынка плоскопанельных мониторов с диагональю более 30 дюймов начинают уверенно занимать так называемые плазменные дисплейные панели.
 Принцип работы плазменной пане­ли похож на процесс, протекающий у обычной лампы так называемого «дневного света», в кото­рой свет излучает разреженный инертный газ, находящийся в состоянии «холодной» плазмы. В плазменной пане­ли такой газ распределен не по всей поверхности панели, а в специальных «колбочках». Излучение возникает при элект­рическом разряде в среде сильно разреженного газа. При таком раз­ряде между электродами с управля­ющим напряжением образуется проводящий «шнур», состоящий из ионизированных молекул газа (плазмы). Структурным элементом, формирую­щим отдельную точку изображения, является группа из трех подпикселов, ответственных за красный, зеленый и синий цвета. Каждый подпиксел пред­ставляет собой миниатюрный куб, стенки которого покрыты флюорес­цирующим веществом одного из главных цветов. Ультрафиолетовые лучи возбуждают лю­минофор, который и излучает видимый свет.
 Достоинствами плазменной технологии являются высокие светотехнические параметры плазменных панелей (яркость изображе­ния свыше 300 кд/м2 при контра­стности не менее 350:1 и угле обзора до 160 градусов) и долговечность (технический ресурс их составляет не менее 30000 часов, а у традиционных ЭЛТ – не более 15000 – 20000 часов). Недостатки плазменных панелей – относительно большое энергопотребление и относительно высокая цена, которая однако имеет явную тенденцию к снижению.
 Перспективными современными технологиями построения мониторов нового поколения являются технологии так называемых светоизлучающих диодов. В настоящее время работы по созданию мониторов на базе самолюминисцирующих (самоизлучающих) материалов ведутся параллельно по нескольким направлениям. Основное их различие заключается в структу­ре используемых светоизлучающих материалов: в случае OLED – это молекулярные органические вещества, а в случае PLED (LEP) – по­лимеры. В зависи­мости от способа активации ячеек све­тоизлучающих элементов OLED- и LEP-дисплеи подразделяются на активно-матричные и пассивно-матричные. В пассивно-матричном дисплее актива­ция нужной ячейки экрана производит­ся подачей напряжения на соответству­ющие анод и катод. В дисплее с актив­ной матрицей управление работой яче­ек осуществляется при помощи интег­рированных электронных компонентов, в частности тонкопленочных транзисторов. Значительное улучшение эффектив­ности таких дисплеев достигается путем добав­ления в вещество светоизлучающего слоя некоторого количества инородных молекул с ярко выраженными электролюминес­центными свойствами. В настоящее время наиболее актуальными проблемами, стоящими перед разработчиками полноцветных OLED-дисплеев, являют­ся достижение более широкого цветово­го охвата, стабильности спектральных характеристик и увеличение срока рабо­ты излучающих материалов. Что касается LEP-дисплеев, то важным шагом на пути создания их полноцветных образцов стало получение высокоэффектив­ных полимерных материалов, излучаю­щих свет первичных цветов аддитивной RGB-модели – красного, зеленого и синего.
 OLED- и LEP- дисплеи обладают целым рядом достоинств по сравнению с широ­ко используемыми в настоящее время технологиями – ЭЛТ, ЖК и плазменной. Главное преимущество новых технологий – это использование для формирования изображения самоизлучающих ве­ществ. Благодаря тому, что отпадает необходимость в применении лампы подсветки (как в ЖК-устройствах), такие мониторы отличаются чрезвычайно малой толщиной и весом, потребляют меньше электроэнергии и практически не выде­ляют тепла. Кроме того, подобная кон­струкция позволила добиться значи­тельного улучшения качества изображе­ния, обеспечить очень широкий угол об­зора (не менее 160 градусов), а также повысить яркость и контрастность изображения до уровня, недостижимого для современ­ной ЖК-технологии. Использование люминесцирующих материалов позволяет сделать эффективная площадь пиксела практически равной его полной площади, чего в принципе невозможно добиться в случае ЖК-технологии. Дополнитель­ным преимуществом OLED- и LEP-дисплеев является чрезвычайно малое вре­мя реакции (не превышающее единиц миллисекунд).
 На современном этапе развития OLED- и LEP-технологий уже возможно создание как монохромных, так и пол­ноцветных мониторов с высоким разреше­нием экрана. За счет довольно простой конструкции (по сравнению с ЖК- и плаз­менными панелями) OLED- и LEP-дисплеи при массовом производстве должны обла­дать более низкой себестоимостью. Таким образом, OLED- и LEP-технологии име­ют все шансы для того, чтобы стать сле­дующей (за ЖК-технологией) ступенью в эволюции массовых средств визуально­го отображения информации.
 К современным устройствам визуального отображения информации относятся также устройства, ориентированные на решение презентационных и мультимедийных задач: проекционные аппараты, устройства формирования объемных (стереоскопических) изображений (различного рода 3D-очки, 3D-мониторы и проекторы, «шлемы виртуальной реальности» и т.п.). Их рассмотрение выходит за рамки данного учебного пособия
 
 4.3. Компоненты аудиоподсистемы вычислительных машин
 
  Аудиоподсистема ВМ – это комплекс программно-аппаратных средств, предназначенный для следующих целей:
  – записи звуковых сигналов, поступающих от внешних источников, например микрофона или магнитофона (в процессе записи входные аналоговые звуковые сигналы преобразуются в цифровые и далее могут быть сохранены в устройстве хранения информации ВМ);
  – воспроизведения записанных ранее звуковых данных с помощью внешней акустической системы или головных телефонов (наушников) (при воспроизведении звуковой сигнал считывается с носителя информации, преобразуется из цифровой формы в аналоговую и направляется к акустической системе);
  – микширования (смешивания) при записи или воспроизведении сигналов от нескольких источников;
  – одновременной записи и воспроизведения звуковых сигналов;
  – обработки звуковых сигналов (редактирования, объединения или разделения фрагментов сигнала, фильтрации, изменения уровней и т. п.);
  – генерирования с помощью синтезатора звучания музыкальных инструментов, человеческой речи и любых других звуков;
  – воспроизведения звуковых компакт-дисков, а также решения ряда других специальных профессиональных задач.
 Аудиоподсистема (звуковая подсистема) выполняется либо в виде самостоятельного звукового адаптера (карты), устанавливаемого в разъем системной платы, либо в виде специальной микросхемы (части микросхемы) системной платы (то есть интегрированой в системную плату).
 Акустическая система является последним звеном звуковоспроизводящего тракта, непосредственно преобразующим звуковой электрический сигнал в акустические колебания и, тем самым, в значительной степени влияет на качество звука.
 Интерфейс MIDI (Musical Instrument Digital Interface – «цифровой интерфейс музыкальных инструментов») регламентируется специальным стандартом, включающим спецификации на аппаратный интерфейс (типы каналов, кабели, порты), а также описание протокола обмена информацией между MIDI-устройствами. Этот протокол позволяет электронным музыкальным инструментам обмениваться информацией и работать совместно.
 
 4.4. Печатающие устройства
 
 Печатающие устройства (принтеры) служат для вывода данных, хранимых в памяти ВМ, на бумагу или иной носитель.
 Наиболее важным классифицирующим признаком принтера является технология печати, то есть технология нанесения изображения на носитель. Основные технологии печати представлены далее.
 При ударной технологии печати нанесение изображения на бумагу или иной носитель производится посредством удара литерой или набором специальных иголок через красящую ленту.
 Основные преимущества такой технологии – возможность печати на самых разнообразных материалах (вплоть до картона) и низкая стоимость расходных материалов. Основными недостатками принтеров этого типа являются высокий уровень шума и относительно низкая скорость печати. Две основные разновидности принтеров этой группы (различающиеся конструкцией печатающей головки) – это принтеры со шрифтоносителями и матричные принтеры.
  Принтеры со шрифтоносителями в печатающей головке содержат набор литер, которые, ударяя по красящей ленте, наносят изображение на носитель. Преимуществом таких принтеров является высокое качество печати, приближающееся к типографскому. Основной недостаток, ограничивающий развитие этих принтеров, – невозможность или значительная техническая сложность оперативной смены шрифта и распечатки графических данных (набор символов зависит от установленного шрифтоносителя).
  В матричных (игольчатых) принтерах изображение на бумагу или иной носитель наносится путем удара через красящую ленту специальными иголками, расположенными в виде ряда или прямоугольника (матрицы) и образующими таким образом печатающую головку. Для отображения на носителе нужной точки из печатающей головки выдвигается соответствующая иголка и ударяет по красящей ленте. Головка при печати движется вдоль строки. Благодаря тому, что изображение формируется непосредственно во время печати, возможно получение любых по начертанию и сложности шрифтовых и графических изображений.
 Для получения цветного изображения в матричных принтерах используется многоцветная красящая лента, однако такое цветное изображение имеет крайне низкое качество по сравнению с цветными изображениями, получаемыми на струйных и лазерных принтерах.
 Несмотря на указанные выше недостатки, присущие технологии ударной печати, матричные принтеры по-прежнему широко используются благодаря низкой стоимости расходных материалов, неприхотливости к качеству бумаги и относительно высокой надежности. Современные матричные принтеры применяются там, где к качеству распечатанного материала не предъявляется высоких требований, где требуется печать на носителях из таких материалов, на которых принтеры других типов печатать не могут. Достоинством матричного принтера также является возможность одновременной печати нескольких экземпляров «под копирку».
 Качество печати матричного принтера характеризуется его разрешением, т.е. количеством точек, которое печатается на одном дюйме (dots per inch – dpi). Разрешающая способность наиболее распространенных современных матричных принтеров составляет до 360 dpi при скорости печати до 400 знаков в секунду.
  При термоэлектрической технологии печати изображение получается на специальной бумаге, темнеющей под действием тепла. В печатающей головке термоэлектрического принтера устанавливаются один или несколько нагревательных элементов, которые нагревают нужные участки бумаги и вызывают их потемнение. Главный недостаток термопринтеров – печать только на специальной бумаге. В настоящее время такие принтеры применяются в основном в специальных целях, например, в составе факсимильных аппаратов.
 При струйной технологии печати изображение формируется из капель или струй краски (чернил), каким-либо образом наносимых на бумагу или иной носитель. Основными видами технологии струйной печати являются:
 – струйная печать с электростатическим управлением;
 – термоэлектрическая струйная печать;
 – пьезоэлектрическая струйная печать.
  Струйная печать с электростатическим управлением является одной из первых предложенных технологий струйной печати. В основе ее лежит принцип электростатического управления траекторией заряженных капель чернил, выбрасываемых из резервуара. Устройство печатающей головки такой технологии печати во многом подобно устройству электронно-лучевой трубки. Указанная технология конструктивно относительно сложна, в настоящее время она интенсивно совершенствуется и является весьма перспективной.
  Термоэлектрическая струйная печать в настоящее время является одной из наиболее распространенных технологий струйной печати. В основе работы термоэлектрической печатающей головки лежит эффект расширения пузырька пара в результате нагрева чернил. При образовании в сопле пузырьков пара внутри жидкости создается повышенное давление, за счет которого из сопла выталкивается некоторый объем чернил. Конструкция термоэлектрической печатающей головки относительно проста, в ней нет заряжающих и отклоняющих электродов как в печатающей головке с электростатическим управлением. Именно простота конструкции определяет широкое распространение термоэлектрической технологии. Качество работы термоэлектрической печатающей головки существенно зависит от конструкции, качества изготовления и материалов, а также от качества чернил и соответствия их свойств данному типу печатающей головки.
  Пьезоэлектрическая струйная печать осуществляется благодаря выбросу чернил на носитель за счет колебания специальных пьезоэлементов, находящихся в соплах печатающей головки. Принцип действия пьезоэлектрической печатающей головки заключается в следующем. При подаче на пьезоэлемент управляющего сигнала происходит изменение его формы, что создает давление на мембрану. Мембрана выгибается в направлении камеры с чернилами и вытесняет некоторое количество чернил через сопло. Регулируя напряжение, приложенное к пьезоэлементу (и, соответственно, изменение его прогиба), можно контролировать размер вылетающих из сопла капель.
 Основными достоинствами пьезоэлектрической технологии является возможность точного контроля размера капель, что позволяет достичь высокого качества при печати полутоновых изображений, а также отсутствие при работе головки активных выделений тепла. Недостатком является относительно более высокая цена печатающей головки и чувствительность к наличию в чернилах пузырьков растворенного воздуха.
 Очевидным преимуществом струйной технологии печати перед другими является легкость обеспечения цветной печати, так как для этого достаточно лишь использовать чернила разных цветов. При этом в отличие от цветных мониторов, в которых используется аддитивная модель смешения цветов RGB, при цветной печати используется субтрактивная модель смешения цветов, в которой для образования какого-либо оттенка надо вычесть из белого цвета «лишние» составляющие. Базовыми цветами в этой модели являются голубой(Cyan), пурпурный (Мagenta) и желтый (Yellow). Для получения истинно черного цвета к трем основным цветам добавляют черный (blacK). Такая расширенная модель называется CMYK (Cyan–Magenta–Yellow–blacK). Для повышения качества печати в дополнение к основным цветам используют светло-пурпурный и светло-голубой цвета, а иногда еще и светло-желтый.
 Струйные принтеры позволяют получать высококачественное изображение при относительно высокой скорости печати. Некоторые современные модели струйных принтеров работают в режиме фотопечати, т. е. обеспечивать качество изображения, близкое к фотографическому. Возможна печать не только на бумаге, но и на прозрачных специальных пленках.
 Чтобы повысить разрешение, производители принтеров располагают сопла печатающих головок как можно ближе друг к другу. Плотность дюз также повышают виртуально, выполняя печать в два прохода, причем при втором проходе точки ставятся между нанесенными при первом проходе. Для увеличения разрешения разработчики сокращают размер капель, а для повышения скорости печати увеличивают скорость вылета чернил из дюзы, например, до 20 тыс. капель в секунду.
 Современные модели предлагаемых к продаже струйных принтеров имеют печатающие головки с несколькими сотнями штук сопел, достигают разрешения 2400 х 1200 dpi – 2880 х 720 dpi, обеспечивают максимальную скорость печати черно-белых изображений до 20 страниц в минуту и цветных – до 13.
 Основным недостатком струйных принтеров является относительно высокая стоимость расходных материалов.
  Фотоэлектронная технология печати (иногда называемая электрографической технологией) основана на принципе освещения заряженной светочувствительной поверхности промежуточного носителя и формирования на ней изображения в виде электростатического рельефа, притягивающего частицы красителя, которые далее переносятся на основной носитель – бумагу, прозрачную пленку и т.п.
  Важнейшим конструктивным элементом принтеров с фотоэлектронной технологией печати является вращающийся барабан, с помощью которого производится перенос изображения на бумагу или другой носитель. Барабан представляет собой металлический цилиндр, покрытый фоточувствительной пленкой (промежуточный носитель). По поверхности барабана (фотобарабана) изначально равномерно распределяется статический заряд. В наиболее распространенных принтерах, работающих по этой технологии, – лазерных принтерах – для освещения поверхности промежуточного носителя используется полупроводниковый лазер. Источник лазерного излучения, управляемый микроконтроллером, генерирует тонкий световой луч, отражающийся от специального поворотного зеркала, которое обеспечивает построчную развертку луча (сканирование поверхности барабана). Под воздействием лазерного луча в фоточувствительном покрытии барабана происходит перераспределение электрических зарядов (изменение зарядов в точках облучения). Таким образом на фотобарабане возникает скрытая копия изображения. Для проявления скрытого изображения на поверхность фотобарабана наносится слой порошкообразного красителя (тонера). Под действием статического заряда фотобарабана частицы тонера притягиваются к его поверхности в точках, подвергшихся экспозиции лазерным лучом, и формируют таким образом изображение. Носитель изображения (бумага, пленка и т. п.) с помощью системы валиков перемещается к фотобарабану. Непосредственно перед фотобарабаном носителю сообщается статический заряд. Затем носитель прижимается валом к фоточувствительному покрытию барабана и притягивает (благодаря своему заряду) частички тонера от барабана. Для фиксации тонера на носителе последний пропускается между двумя нагревательными валами. При этом полимерная основа тонера расплавляется, проникает в поры носителя и хорошо закрепляется на нем.
 Альтернативой лазерных принтеров, описанных выше, являются так называемые светодиодные или LED-принтеры (Light Emitting Diode – «диоды, испускающие свет»), которые также работают по фотоэлектронной технологии печати. В отличие от лазерных принтеров, в светодиодных принтерах изображение на фотобарабане формируется не лазерным лучом, построчно пробегающим по поверхности, а лучами неподвижной линейки большого числа светодиодов (светодиодной матрицы), высвечивающих сразу же целую строку на фотобарабане. Конструктивно и эксплуатационно светодиодные принтеры значительно проще лазерных принтеров, они имеют меньшую стоимость. Однако их разрешающая способность жестко ограничена числом и плотностью расположения светодиодов в линейке.
 К новым типам принтеров, работающих по фотоэлектронной технологии печати, относятся так называемые принтеры с жидко-кристаллическим затвором. Источником света в них служит люминесцентная лампа. Свет этой лампы экспонируется через жидкокристаллический затвор (ЖК-панель), который управляется от ВМ и является своеобразным прерывателем света. Скорость печати такого принтера ограничена скоростью срабатывания жидкокристаллического затвора.
 Для реализации цветной печати конструкция принтера с фотоэлектронной технологией печати существенно усложняется. В этом случае возможны два варианта конструктивного исполнения принтера. В первом варианте в цветном принтере изображение формируется на светочувствительной фотоприемной ленте последовательно для каждого цвета (Сyan, Magenta, Yellow, Black). Лист печатается за четыре прохода, в каждом из которых используется определенная емкость с тонером соответствующего цвета. В результате получается полноцветное изображение. Достоинством этого варианта является то, что необходим только один печатающий блок. К недостатком относится малая скорость печати из-за неоднократного прохода носителя через принтер, необходимость специального устройства возврата носителя на вход печатающего блока. Второй вариант конструктивного исполнения цветного принтера – применение нескольких печатающих блоков, установленных последовательно и заправленных красителями разных цветов. При этом лист носителя печатается за один проход, что ускоряет процесс печати, но конструкция принтера существенно усложняется и удорожается.
 Современные образцы черно-белых лазерных принтеров обеспечивают разрешение до 1200 dpi и максимальную скорость печати до 40 страниц в минуту, цветные лазерные принтеры – до 1200 dpi и 12 страниц в минуту.
  Технология твердокрасочной печати подразумевает печать не чернилами, а специальными восковыми красителями, расплавляемыми для нанесения на носитель. Твердокрасочные принтеры являются оригинальным развитием струйной технологии печати. В твердокрасочном принтере, как и в струйном, используется печатающая головка с соплами. В этих принтерах применяются твердые восковые красители с низкой температурой плавления. Для получения изображения краситель расплавляется, после чего он из печатающей головки посредством специального вала переноса наносится на бумагу. Характерной особенностью твердокрасочного принтера является то, что печатающая головка имеет ширину, равную ширине листа бумаги. Это позволяет печатать сразу все точки строки и существенно увеличивает скорость печати. Твердокрасочные принтеры применяются в основном при больших объемах печати как черно-белых, так и цветных изображений. Они могут обеспечивать достаточно высокую разрешающую способность (до 1200dpi) и скорость печати (до 12 страниц в минуту). Твердокрасочные принтеры имеют высокую стоимость, но расходные материалы к ним относительно дешевы.
  Технология сублимационной (термодиффузионной) печати заключается в том, что краситель, нанесенный на специальную ленту, нагревается в нужных точках и, испаряясь, переносится на специальную бумагу, способную адсорбировать (поглотить) этот пар. Сублимационные принтеры имеют низкое быстродействие, но позволяют получить очень высокое качество цветопередачи, поэтому используются для печати фотографических и других специальных изображений. Сублимационные принтеры имеют как собственную высокую стоимость, так и относительно дорогие расходные материалы и высокую стоимость специальной бумаги.
 Следует выделить группу принтеров специального назначения. К этой группе принтеров обычно относят два типа специализированных принтеров:
 – принтеры для портативных компьютеров;
 – принтеры большого формата (плоттеры).
 Принтеры для портативных мобильных компьютеров работают в достаточно жестких условиях и должны иметь низкое энергопотребление, малые размеры и массу, устойчивость к вибрациям и ударам, простоту в обслуживании надежность. С учетом традиционных требований по быстродействию и качеству печати при разработке и производстве таких принтеров приходится решать сложные задачи по удовлетворению жестких и, как правило, противоречивых требований. Чаще всего в портативных принтерах применяется струйная технология печати.
  Отдельный класс принтеров занимают так называемые широкоформатные принтеры, которые рассчитаны на работу с носителями большого формата (чертежи, схемы, плакаты). За такими принтерами исторически закрепилось название плоттер (или графопостроитель). Первые плоттеры появились задолго до появления ВМ и изначально использовались для регистрации различных процессов в научных исследованиях. В них использовалась специальная каретка с закрепленным на ней пером (пишущим узлом), которая перемещалась в двух координатных направлениях по листу бумаги. Такие плоттеры получили название перьевых. Они в свою очередь делятся на планшетные (когда лист бумаги закрепляется неподвижно, а пишущий узел совершает движение в двух плоскостных координатах) и барабанные или рулонные, (когда пишущий узел перемещается вдоль барабана, а бумага перемещается перпендикулярно ему посредством вращающихся валиков.
 В качестве пишущих узлов в перьевых плоттерах применяются специальные фломастеры, рапидографы, шариковые и чернильные устройства. В результате замены пишущего узла специальным резаком получается так называемый режущий плоттер, позволяющий вырезать определенные геометрические фигуры, например выкройки материала, рекламные буквы или знаки и т. д.
 В последнее время большое распространение в различных областях деятельности получили струйные плоттеры, которые по принципу действия и устройству представляют собой традиционные, но широкоформатные струйные принтеры. Они применяются для печати чертежей, карт, схем, художественной и рекламной продукции. Известны широкоформатные плоттеры, построенные на принципах фотоэлектронной (электрографической) технологии печати.
 
 Резюме
 
  Основными устройствами ввода информации вычислительных машин являются клавиатура и манипулятор-указатель типа «мышь». Среди других типов манипуляторов-указателей наиболее популярны трекболы, сенсорные панели, джойстики. В системах компьютерной графики и автоматизированного проектирования находят применение графические планшеты (дигитайзеры). Универсальными устройствами ввода текстовой и графической информации являются сканеры различных типов.
  Видеоподсистема вычислительной машины включает видеомонитор как устройство вывода информации (визуального отображения информации на экране) и видеоадаптер, функциями которого являются преобразование и передача видеосигнала на монитор.
  Наиболее распространенными типами видеомониторов вплоть до настоящего времени являются мониторы на основе электронно-лучевых трубок. Изображение на экране таких мониторов получается в результате облучения люминофорного покрытия внутренней поверхности экрана пучком электронов, разогнанных в вакуумной колбе. На смену ЭЛТ-мониторам приходят плоскопанельные мониторы матричного типа с цифровым управлением. Массового производства и практического применения достигли плоскопанельные мониторы на жидкокристал­лических и плазменных дисплейных панелях. Перспективными современными технологиями построения мониторов нового поколения являются технологии органиче­ских и полимерных светоизлучающих диодов. Различные типы мониторов обладают свои­ми достоинствами и недостатками.
  К устройствам ввода и вывода звуковой информации относятся компоненты аудиоподсистемы вычислительной машины.
  Для вывода информации на бумагу или иной носитель служат печатающие устройства (принтеры). Практическое применение находят различные технологии печати (нанесения изображения на носитель), среди которых наиболее распространены ударная, термоэлектрическая, струйная и фотоэлектронная (электрографическая) технологии печати.
  Специализированные типы принтеров для портативных мобильных компьютеров имеют низкое энергопотребление, малые размеры и массу, устойчивость к вибрациям и ударам. Для печати изображений большого формата используются широкоформатные принтеры, обычно называемые плоттерами или графопостроителями. Исторически первыми их типами были перьевые плоттеры. В последнее время наибольшее распространение получили струйные плоттеры, которые по принципу действия и устройству аналогичны традиционным струйным принтерам.
 
 Контрольные вопросы и задания
 
 1. Перечислите и охарактеризуйте основные устройства ввода информации вычислительных машин.
 2. Для чего предназначены и как устроены сканеры?
 3. Приведите характеристики современных сканеров.
 4. Какие функции выполняет видеоадаптер в ВМ?
 5. Какие основные компоненты входят в состав видеоадаптера?
 6. Какие характеристики монитора определяют качество изображения на его экране?
 7. Опишите принцип действия жидкокристаллического дисплея.
 8. Изложите принцип работы плазменной дисплейной панели.
 9. Какими достоинствами обладают перспективные OLED- и LEP-дисплеи?
 10. Для каких целей предназначена аудиосистема ВМ?
 11. Какие компоненты входят в состав акустической системы?
 12. Перечислите основные технологии печати.
 13. Охарактеризуйте технологию ударной печати.
 14. Каковы преимущества и недостатки принтеров ударной печати со шрифтоносителем?
 15. Опишите принцип действия, основные характеристики и области применения матричных принтеров.
 16. Как устроены и где используются термопринтеры?
 17. Как работает термоэлектрическая печатающая головка?
 18. Каков принцип действия пьезоэлектрической печатающей головки?
 19. Назовите основные преимущества и недостатки технологии струйной печати.
 20. Приведите основные технические характеристики современных моделей струйных принтеров.
 21. Опишите устройство и принцип работы лазерного принтера.
 22. Как устроены светодиодные принтеры, каковы их достоинства и недостатки по сравнению с традиционными лазерными принтерами?
 23. Охарактеризуйте современный технический уровень лазерных принтеров, укажите их преимущества и недостатки по сравнению с другими типами принтеров?
 24. Опишите технологию твердокрасочной печати, ее характеристики и области преимущественного применения.
 25. В чем заключается технология сублимационной (термодиффузионной) печати, каковы ее характеристики, преимущества и недостатки?
 26. Охарактеризуйте принтеры для портативных переносных компьютеров.
 27. Приведите классификацию широкоформатных принтеров.
 28. Какие устройства применяются в перьевых плоттерах в качестве пишущих узлов?
 29. В чем различие между планшетными и барабанными плоттерами?
 
 
 
 5. Организация коммуникаций функциональных
 устройств вычислительных машин
 5.1. Общие понятия
 
 Совокупность каналов (трактов) обмена информацией, объединяющих между собой основные функциональные устройства ВМ (центральный процессор, устройства внутренней и внешней памяти, устройства ввода/вывода и другие дополнительные устройства), образует структуру коммуникаций (взаимосвязей) вычислительной машины. Взаимные коммуникации обеспечиваются системой так называемых «шин» (англоязычный эквивалент – «bus»). Под термином «шина» обычно подразумевается некоторый набор цифровых коммуникационных линий, каждая из которых способна передавать сигналы, представляющие двоичные цифры 1 и 0.
  Все каналы передачи информации в ВМ обычно условно разделяют на внутренние и внешние. Термин «шина» чаще всего используется именно для именования внутренних каналов передачи, служащих для соединения основных компонентов системной (материнской) платы и подключения плат (карт) расширения (дочерних плат) через специальные разъемы, размещаемые на системной плате. Физически линии внутренних шин реализуются отдельными проводниками в виде полосок электропроводящего материала на монтажных платах (материнских или дочерних) либо внутренних электропроводящих дорожек на кристаллах микросхем. Некоторые шины имеют доступные извне разъемы для того, чтобы к ним можно было подключить дополнительные устройства, внешние по отношению к материнской плате. Такое подключение осуществляется посредством внешних шин, которые принято называть внешними интерфейсными соединениями или, для краткости, просто внешними интерфейсами. Внешние интерфейсы применяются для подсоединения накопителей информации, устройств ввода-вывода, сетевого оборудования и других внешних устройств. Отметим, что внешнее соединение может быть не только кабельным, но и беспроводным (подробнее о беспроводных каналах передачи информации см. в разделе 7).
 При дальнейшем изложении общих понятий и физических аспектов передачи информации по шинам будет использоваться термин «шина» как для внутренних, так и для внешних шин.
 В зависимости от способа передачи информации по шине различают шины последовательные и параллельные. Последовательная шина состоит из одной линии данных, при этом данные передаются по этой линии последовательно (бит за битом). Параллельная шина содержит несколько линий. Их число трактуется как разрядность («ширина») шины, которая определяет количество бит, параллельно (одновременно) проходящих через шину.
 Количество информации, передаваемое по шине в единицу времени, называется ее пропускной способностью. Для параллельных шин пропускная способность обычно измеряется числом байт, передаваемых в секунду (байт/с, Кбайт/с, Мбайт/с), а для последовательных – числом бит в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с).
  Современные ВМ содержат несколько различных шин, каждая из которых оптимизирована под определенный вид коммуникаций. Это связано с тем, что при наличии в ВМ нескольких высокоскоростных устройств, интенсивно обменивающихся между собой значительными объемами информации, но подключенных при этом к одной и той же шине, создается ситуация, когда именно пропускная способность шины становится самым «узким местом» в системе передачи информации. Для преодоления такой ситуации применяется несколько шин с разными характеристиками по пропускной способности, а, соответственно, по стоимости и сложности организации. Таким образом можно говорить об определенной иерархии шин, используемых в ВМ.
  Операции на шине называют транзакциями. Основные виды транзакций – транзакции чтения и транзакции записи. Если в обмене участвует устройство вво­да/вывода, можно говорить о транзакциях ввода и вывода, которые по сути эквивалентны транзакциям чтения и записи соответственно. Шинная транзакция включает в себя две части: посылку адреса и прием (или посылку) данных.
  Когда два устройства обмениваются информацией по шине, одно из них долж­но инициировать обмен и управлять им. Такого рода устройство называют ведущи­м (bus master), то есть ведущим является то устрой­ство, которое способно взять на себя владение шиной и управлять пересылкой данных. Ведущее устрой­ство не обязательно использует данные само. Оно, например, может захватить управление шиной в интересах другого устройства. Устройства, не обладающие возможностями инициирования транзакции, носят название ведомых (bus slave). В принципе к шине может быть подключено несколько потенциальных ведущих устрой­ств, но в любой момент времени активным может быть только одно из них: если не­сколько устройств передают информацию одновременно, их сигналы перекрыва­ются и искажаются. Для предотвращения одновременной активности нескольких ведущих устрой­ств в любой шине предусматривается процедура допуска к управлению ши­ной только одного из претендентов (так называемый арбитраж). В то же время некоторые шины допускают широковещательный режим записи, когда информация одного веду­щего устрой­ства передается сразу нескольким ведомым устрой­ствам (здесь арбитраж не требуется). Сиг­нал, направленный одним устройством, доступен всем остальным устройствам, подключенным к шине.
  Любая транзакция на шине начинается с выставления ведущим устройством ад­ресной информации. Адрес позволяет выбрать ведомое устройство и установить соединение между ним и ведущим. Для передачи адреса используется часть сиг­нальных линий шины – шина адреса (ША). На ША могут выдаваться адреса ячеек памяти, номера регистров центрального процессора, адреса «портов» ввода/вывода, к которым подключают периферийные устройства ввода/вывода, и т.п. Многообразие видов адресов предполагает наличие дополнительной информации, уточняющей вид, используемый в данной транзак­ции (такая информация может косвенно содержаться в самом адресе, но чаще пе­редается по специальным управляющим линиям шины). Разнообразной может быть и структура адреса. Так, в адресе может конкрети­зироваться лишь определенная часть ведомого, например, старшие биты адреса могут указывать на один из модулей основной памяти, в то время как младшие биты определяют ячейку внутри этого модуля. В некоторых шинах предусмотрены адреса специального вида, обеспечиваю­щие одновременный выбор определенной группы ведомых либо всех ведомых сразу. Такая возможность обычно практикуется в транзакциях записи (от ведущего к ведомым), однако существует также специальный вид транзакции чте­ния (одновременно от нескольких ведомых общему ведущему). Англоязычное назва­ние такой транзакции чтения «broadcall» может быть переведено как «широковещательный опрос». Информация, возвращаемая ведущему, представляет собой результат поби­тового логического сложения данных, поступивших от всех адресуемых ведомых.
  Число сигнальных линий, выделенных для передачи адреса (ширина шины ад­реса), определяет максимально возможный размер адресного пространства. Это одна из базовых характеристик шины, поскольку от нее зависит потенциальная емкость адресуемой памяти и число обслуживаемых портов ввода/вывода.
  Совокупность линий, служащих для пересылки данных между устройствами ВМ – шина данных (ШД) – имеет такие важнейшие характеристики, как ширина и пропускная способность. Ширина ШД определяется количеством бит информации, которое может быть передано по шине за одну транзакцию (цикл шины). Цикл шины сле­дует отличать от периода тактовых импульсов, так как одна транзакция на шине может занимать несколько тактовых периодов. Типовая ширина ШД составляет обычно 32, 64 или 128 бит. Ширину ШД выбирают кратной целому числу байтов, при­чем это число, как правило, представляет собой целую степень числа 2.
  Элемент данных, задействующий всю ширину ШД, принято называть «словом», хотя в архитектуре некоторых ВМ понятие «слово» трактуется по-другому, то есть слово может иметь разрядность, не совпадающую с шириной шины данных.
  В большинстве шин используются адреса, позволяющие указать отдельный байт слова. Это свойство оказывается полезным, когда желательно изменить в памяти лишь часть полного слова. При передаче по ШД части слова пересылка обычно производится по тем же сигнальным линиям, что и в случае пересылки полного слова, однако в ряде шин «урезанное» слово передается по младшим линиям ШД. Последний вариант мо­жет оказаться более удобным при последующем расширении шины данных, по­скольку в этом случае сохраняется преемственность со «старой» шиной.
  Ширина ШД существенно влияет на производительность ВМ. Так, если ШД имеет ширину вдвое меньшую, чем длина команды, процессор в тече­ние каждого цикла команды вынужден осуществлять доступ к памяти дважды. Очевидно, что чем шире шина, тем выше (при прочих равных условиях) ее пропускная способность.
  Применение раздельных шин адреса и данных позволяет повысить эффектив­ность использования шины, особенно в транзакциях записи, поскольку адрес ячейки памяти и записываемые данные могут передаваться одновременно.
  Помимо трактов пересылки адреса и данных, неотъемлемым атрибутом любой шины являются линии, по которым передается управляющая информации и ин­формация о состоянии участвующих в транзакции устройств. Совокупность та­ких линий – это шина управления (ШУ). Сигнальные линии, входящие в ШУ, можно условно разделить на несколько групп, основными из которых являются следующие группы. Первую группу образуют линии, по которым пересылаются сигналы управле­ния транзакциями, то есть сигналы, определяющие тип выполняемой транзакции (чтение или запись), количество передаваемых по шине данных байтов (если пересылается часть слова, то какие байты), какой тип адреса выдан на шину адреса, какой протокол передачи должен быть применен. Ко второй группе относят линии передачи информации состояния (статуса), по которым ведомое устройство может информировать ведущего о своем состоянии или передать код возникшей ошибки. Третью группу составляют линии арбитража. Четвертую группу образуют линии прерывания, по которым передаются запросы на обслуживание, посылаемые от ведомых устройств к ведущему. Наконец, в каждой шине обязательно присутствуют линии, по сути являющиеся одними из важ­нейших. Это линии тактирования и синхронизации. Следует также отметить обязательные линии для подвода питающего напряже­ния и линии заземления.
  В некоторых ВМ линии адреса и данных объединены в единую мультиплексируемую шину адреса/данных. Такая шина функционирует в режиме разделения времени, по­скольку цикл шины разбит на временной интервал для передачи адреса и временной интервал для передачи данных. Мультиплексирование адресов и данных предполагает наличие мультиплексора на одном конце тракта пересылки информации и демультиплексора на другом его конце. Мультиплексоры и демультиплексоры играют роль коммутирующих устройств. Мультиплексирование позволяет сократить общее число линий, но требует ус­ложнения логики связи с шиной. Кроме того, оно ведет к потенциальному сниже­нию производительности, поскольку исключает возможность параллельной пере­дачи адресов и данных, что можно было бы использовать в транзакциях записи, одновременно выставляя на адресной шине адрес, а на шине данных – записываемое слово.
 5.2. Арбитраж шин
 
  На роль ведущего устройства вправе одновременно претендовать сразу несколько из подключенных к шине устройств, однако управлять шиной в каж­дый момент времени может только одно из них. Чтобы исключить конфликты, шина должна предусматривать определенные механизмы арбитража запросов и правила предоставления шины одному из запросивших устройств. Решение обыч­но принимается на основе приоритетов претендентов. Известны разные схемы приоритетов. Например, каждому потенциальному ведущему присваивается определенный уровень прио­ритета, который может оставаться неизменным (статический или фиксированный приоритет) либо изменяться по какому-либо алгоритму (динамический приори­тет).
  Основной недостаток статических приоритетов в том, что устройства, имею­щие высокий приоритет, в состоянии полностью блокировать доступ к шине уст­ройств с низким уровнем приоритета. Системы с динамическими приоритетами дают шанс каждому из запросивших устройств рано или поздно получить пра­во на управление шиной, то есть в таких системах реализуется принцип рав­нодоступности.
  Наибольшее распространение получили следующие алгоритмы динамического изменения приоритетов: простая циклическая смена приоритетов, циклическая смена приоритетов с учетом последнего запроса, смена приоритетов по случайному закону, схема равных приоритетов, алгоритм «наиболее давнего» использования.
  В алгоритме простой циклической смены приоритетов после каждого цикла арбитража все приоритеты понижаются на один уровень, при этом устройство, имевшее ранее низший уровень приоритета, получает наивысший приоритет.
  В схеме циклической смены приоритетов с учетом последнего запроса все воз­можные запросы упорядочиваются в виде циклического списка. После обработки очередного запроса обслуженному ведущему назначается низший уровень приори­тета. Следующее в списке устройство получает наивысший приоритет, а осталь­ным устройствам приоритеты назначаются в убывающем порядке, согласно их сле­дованию в циклическом списке. В обеих схемах циклической смены приоритетов каждому ведущему обеспечи­вается шанс получить шину в свое распоряжение, однако большее распростране­ние получил второй алгоритм.
  При смене приоритетов по случайному закону после очередного цикла арбитра­жа с помощью генератора псевдослучайных чисел каждому ведущему присваива­ется случайное значение уровня приоритета.
  В схеме равных приоритетов при поступлении к арбитру нескольких запросов каждый из них имеет равные шансы на обслуживание. Возможный конфликт раз­решается арбитром. Такая схема принята в асинхронных системах.
  В алгоритме «наиболее давнего» использования после каждого цикла арбитража наивысший приоритет присваивается ведущему устройству, кото­рое дольше чем другие не использовало шину.
  Помимо рассмотренных существует несколько алгоритмов смены приоритетов, которые не являются чисто динамическими, поскольку смена приоритетов проис­ходит не после каждого цикла арбитража. К таким алгоритмам относятся алгоритм очереди и алгоритм фиксированного кванта времени.
  В алгоритме очереди запросы обслуживаются в порядке очереди, образовав­шейся к моменту начала цикла арбитража. Сначала обслуживается первый запрос в очереди, то есть запрос, поступивший раньше остальных. Аппаратная реализа­ция алгоритма связана с определенными сложностями, поэтому используется такой алгоритм редко.
  В алгоритме фиксированного кванта времени каждому ведущему для захвата шины в течение цикла арбитража выделяется определенный квант времени. Если ведущий в этот момент не нуждается в шине, выделенный ему квант остается не использованным. Такой метод наиболее подходит для шин с синхронным прото­колом.
  Арбитраж запросов на управление шиной может быть организован по централизо­ванной или децентрализованной схеме. Выбор конкретной схемы зависит от тре­бований к производительности и стоимостных ограничений.
  При централизованном арбитраже в системе имеется специальное устройство – центральный арбитр, которое ответственно за предоставление доступа к шине только одному из запросивших доступ ведущих устройств. Это устройство, называемое иногда централь­ным контроллером шины, может быть самостоятельным модулем или частью центрального процессора. Наличие на шине только одного арбитра означает, что в централизованной схеме имеется единственная точка отказа. В зависимости от того, каким образом веду­щие устройства подключены к центральному арбитру, возможны параллельные и последователь­ные схемы центра­лизованного арбитража.
  В параллельном варианте центральный арбитр связан с каждым потенциаль­ным ведущим индивидуальными двухпроводными трактами. Поскольку запросы к центральному арбитру могут поступать независимо и параллельно, данный вид арбитража называют централизованным параллельным арбитражем или центра­лизованным арбитражем независимых запросов. Схема централизованного параллельного арбитража обладает гибкостью – вместо ста­тических приоритетов допускается использовать любые варианты динамической смены приоритетов. Благодаря наличию прямых связей между центральным ар­битром и ведущими схема обеспечивает высокое быстродействие, однако именно непосредственные связи становятся причиной повышенной стоимости реализа­ции. В параллельных схемах затруднено подключение дополнительных устройств. У схемы есть еще один существенный недостаток – сигналы запроса и подтверждения присутствуют только на индивидуальных линиях и не появля­ются на общих линиях шины, что затрудняет диагностику.
  Второй вид централизованного арбитража известен как централизованный по­следовательный арбитраж. В последовательных схемах для выделения запроса с наивысшим приоритетом используется один из сигналов, поочередно проходя­щий через цепочку ведущих, чем и объясняется другое название – цепочечный (или гирляндный) арбитраж. Цепочечная реализация предполагает статическое распределение приоритетов. Наивысший приоритет имеет ближайшее к арбитру ведущее устройство. Далее приоритеты ведущих в цепочке последовательно понижаются. Основное достоинство цепочечного арбитража заключается в простоте реали­зации и в малом количестве используемых линий. Последовательные схемы ар­битража позволяют легко наращивать число устройств, подключаемых к шине. Однако такой схеме присущи и существенные недостатки. Прежде всего, после­довательное прохождение сигнала по цепочке замедляет арбитраж, причем время арбитража растет пропорционально длине цепочки. Статическое распределение приоритетов может привести к полному блокированию устройств с низким уров­нем приоритета (расположенных в конце цепочки). Наконец, как и параллельный вариант, централизованный последовательный арбитраж не очень удобен в плане диагностики работы шины.
  При децентрализованном (или распределенном) арбитраже единый арбитр отсут­ствует. Вместо этого каждый ведущий содержит блок управления доступом к шине, и при совместном использовании шины такие блоки взаимодействуют друг с дру­гом, разделяя между собой ответственность за доступ к шине. По сравнению с цен­трализованной схемой децентрализованный арбитраж менее чувствителен к отка­зам претендующих на шину устройств. В целом схемы децентрализованного арбитража потенциально более надежны, поскольку отказ контроллера шины в одном из ведущих не нарушает работу с ши­ной на общем уровне. Тем не менее должны быть предусмотрены средства для об­наружения неисправных контроллеров. Основной недостаток децентрализованных схем заключается в относительной сложности логики ар­битража, которая должна быть реализована в аппаратуре каждого ведущего.
  В некоторых ВМ применяют комбинированные последовательно-параллель­ные схемы арбитража, в какой-то мере сочетающие достоинства обоих методов. Здесь все ведущие разбиваются на группы. Арбитраж внутри группы ведется по последовательной схеме, а между группами – по параллельной.
  Вне зависимости от принятой модели арбитража должна быть также продумана стратегия ограничения времени контроля над шиной. Одним из вариантов может быть разрешение ведущему занимать шину в течение одного цикла шины, но с предо­ставлением ему возможности конкуренции за шину в последующих циклах. Дру­гим вариантом является принудительный захват контроля над шиной устройством с более высоким уровнем приоритета при сохранении восприимчивости текущего ведущего к запросам на освобождение шины от устройств с меньшим уровнем прио­ритета.
  В опросных методах арбитража запросы только фиксируются, и контроллер шины способен узнать о них, лишь опросив ведущих. Опрос может быть как централизованным – с одним контроллером, производящим опрос, так и децентрализованным – с не­сколькими контроллерами шины. Данный механизм использует специальные линии опроса между контролле­ром (контроллерами) шины и ведущими – по одной линии для каждого ведущего.
 5.3. Физические аспекты передачи информации по шинам
 
  Все устройства, использующие шину, электрически подсоединены к ее сигналь­ным линиям, представляющим собой электрические проводники. Меняя уровни напряжения на сигнальных линиях, ведущее устройство формирует на них инфор­мационные или управляющие сигналы. Когда ведущее устройство выставляет на сигнальной шине какой-то уровень напряжения, этот уровень может быть воспри­нят приемниками в любой точке линии.
  Схему, меняющую напряжение на сигнальной шине, обычно называют драйве­ром (или возбудителем) шины. Таким драйвером может быть любая цифровая схема, на выходе которой имеется один из двух воз­можных уровней напряжения. При реализации шины предусматривается возможность отключения драйвера от сигнальной линии на период, когда он не использует шину. Один из возможных способов обеспечения подобного режима – применение драйвера, вы­ход которого может находиться в одном из трех состояний: «высокий уровень на­пряжения» («high»), «низкий уровень напряжения» («low») и «отключен» («off»). Для перевода в состояние «off», эквивалентное отключению выхода драйвера от сиг­нальной линии, используется специальный вход драйвера. Режим «off» необхо­дим для исключения возможности одновременного управления шиной двумя или более устройствами, в противном случае на линиях могут возникать пиковые вы­бросы напряжения или искаженные сигналы, которые кроме некорректной пере­дачи информации могут привести к преждевременному отказу электронных ком­понентов. Совместное использование линии шины несколькими устройствами возможно также за счет подключения этой линии к выходу драйвера через резистор, соединен­ный с источником питания. Этот способ исключает электрические конфлик­ты на шине.
  Приемниками в операциях на шинах называют схемы, сравнивающие уровень сигнала на входе со стандартными значениями, формируемыми внутренними це­пями приемников. По итогам сравнения приемник генерирует выходной сигнал, уровень которого соответствует одному из двух возможных логических значений – 1 или 0. Трансивер (приемопередатчик) содержит приемник и драйвер, причем выход драйвера и вход приемника сводятся в общую точку.
  Из-за несовершенства физической реализации сигнальных линий фронты им­пульсов по мере распространения сигналов меняются, соответственно меняется и форма сигнала. Для каждой шины существует некое минимальное значение ши­рины импульса, при которой он способен дойти от одного конца к другому так, что его еще можно распознать. Эта ширина выступает в качестве основного ограничения на полосу пропускания данной шины, то есть на число импульсов, которые могут быть переданы по шине в единицу времени.
  Рассматривая процесс распространения сигнала по сигнальной линии, необхо­димо учитывать четыре основных фактора: скорость распространения, отражение, эффекты перекрестного влияния, перекос.
  Теоретическая граница скорости распространения сигнала по шине – это скорость света в свободном пространстве, то есть около 300 мм/нс. Реальная скорость распространения, определя­емая физическими характеристиками сигнальных линий и нагрузкой, не превышает 70% скорости света.
  По мере распространения по реальной линии сигнал преодолевает области с раз­личным сопротивлением. Там, где оно меняется, сигнал не может оставаться по­стоянным, поскольку меняется соотношение между током и напряжением. Часть сигнала продолжает продвижение, а часть – отражается в противоположную сто­рону. Прямой и отраженный сигналы могут повторно отражаться, в результате чего на линии формируется сложный результирующий сигнал. В конце линии сигнал отражается назад, если только он не поглощен правильно подобранным согласую­щим резистором. Если на конце линии имеется правильно подобранный согласующий резистор, сигнал будет поглощен без отражения. Такие резисторы должны размещаться по обоим концам сигнальной линии. Однако на практике точное согласование значения сопротивления резисторов с характеристиками линии является крайне затруднительной задачей, поэтому отражение фактически всегда имеет место.
  Распространяясь по линии, сигнал создает вокруг нее электростатическое и ма­гнитное поля. Сигнальные линии в шине располагаются параллельно и в непо­средственной близости одна от другой. Поля от близко расположенных линий пе­рекрываются, приводя к тому, что сигнал на одной линии влияет на сигнал в другой. Этот эффект называют перекрестной помехой. Наиболее очевидный способ уменьшения эффекта перекрестной помехи – про­странственное разнесение линий шины так, чтобы их поля не влияли на соседние линии, что для печатной платы ограниченного размера практически не реализуемо. К снижению эффектов перекрестного влияния ведет уменьшение взаимных емкости и индуктивности линий, чего можно добиться, разместив вблизи сигнальных линий «земляные» линии или включив в многослойную печатную плату «земляные» слои. Это, одна­ко, приводит к нежелательному эффекту увеличения собственной емкости линий. Наиболее распространенный подход к снижению перекрестной помехи состоит в разделении линий изолятором с малой диэлектрической постоянной. При проектировании шин обычно используется комбинация перечисленных мето­дов борьбы с перекрестной помехой.
  При параллельной передаче по линиям шины битов адреса или данных сигна­лы на разных линиях достигают соответствующих приемников обычно не одновре­менно. Это явление именуется перекосом сигналов. Так, при передаче адресной информации, прежде чем реагировать на по­ступивший адрес, все ведомые должны знать, с какого момента его можно считать достоверным. При передаче данных имеет место еще более сложная ситуация, так как данные могут пересылаться в обоих направлениях. В транзакции чтения имеет место задержка на время, пока ведомое устройство ищет затребованные данные, и ведомый должен каким-то об­разом известить о моменте, когда данные можно считать достоверными.
  Методы, позволяющие предусматривать возможный перекос и информировать о достовер­ности адреса, данных и управляющих сигналов, относят к протоколам шины. Практически используются два основных класса протоколов – син­хронный и асинхронный.
  В синхронном протоколе все сигналы «привязаны» к импульсам единого центрального генератора тактовых импульсов. Тактовые импульсы распространяются по специальной сигнальной линии и представляют собой регу­лярную последовательность чередующихся единиц и нулей. Один период такой последовательности называется тактовым периодом шины. Именно он определяет минимальный квант времени на шине (временной слот). Все подключенные к шине устройства могут считывать состояние тактовой линии, и все события на шине отсчитываются от начала тактового периода. Изменение управляющих сигналов на шине обычно совпадает с передним или задним фронтом тактового импульса, иными словами, момент смены состояния на синхронной шине известен заранее и определяется тактовыми импульсами.
  Стартовый сигнал отмечает присутствие на линиях шины адресной или управ­ляющей информации. Когда ведомое устройство распознает свой адрес и находит затребованные данные, оно помещает эти данные и информацию о состоянии на шину и сигнализирует об их присутствии на шине сигналом подтверждения. Операция записи выглядит сходно. Отличие состоит в том, что данные выда­ются ведущим устройством в тактовом периоде, следующем за периодом выставления адреса, и остаются на шине до отправки ведомым устройством сигнала подтверждения и информации состояния. Отметим, что в каждой транзакции присутствуют элементы чтения и записи, и для каждого направления пересылки имеется свой сигнал подтверждения дос­товерности информации на шине. Сигналы управления и адрес всегда перемеща­ются от ведущего устройства. Информация состояния всегда поступает от ведомого устройства. Данные могут перемещаться в обоих направлениях.
  Хотя скорость распространения сигналов в синхронном протоколе явно не фи­гурирует, она должна учитываться при проектировании шины. Тактовые импульсы обычно рас­пространяются вдоль шины с обычной скоростью прохождения сигналов, и за счет определенных технических усилий можно добиться практически одновременной до­ставки тактовых импульсов к каждому разъему шины. Выбираться тактовая частота должна таким образом, чтобы сигнал от любой точки на шине мог достичь любой другой точки несколько раньше, чем завершится тактовый период, то есть шина должна допус­кать расхождение в моментах поступления тактовых импульсов. Поэтому, более короткие шины могут быть спроектированы на более высокую тактовую частоту.
  Синхронные протоколы требуют меньше сигнальных линий, они проще для реализации и тестирования. Поскольку для реализации синхронного про­токола практически не требуется дополнительной логики, эти шины могут быть быстрыми и дешевыми. С другой стороны, они менее гибки, поскольку привязаны к конкретной максимальной тактовой частоте и, следовательно, к конкретному уровню технологии. По этой причине существующие шины часто не в состоянии реализовать потенциал производительности подключаемых к ним новых устройств. Кроме того, из-за проблемы перекоса синхросигналов синхронные шины не могут быть длинными, а ведущий должен работать со скоростью самого медленного из уча­ствующих в пересылке данных ведомых.
  В асинхронном протоколе начало очередного события на шине определяется не тактовым импульсом, а предшествующим событием и следует непосредственно за этим событием. Каждая совокупность сигналов, помещаемых на шину, сопро­вождается соответствующим синхронизирующим сигналом – стробом.
  В цикле асинхронной шины для подтверждения успешности транзакции ис­пользуется двунаправленный обмен сигналами управления. Такая процедура называется квитированием установления связи или «рукопожатием» (handshake).
  Как и в синхронных протоколах, в любой асинхронной транзакции присутствуют элементы чтения и записи: по отношению к управляющей информации вы­полняется операция записи, а к информации состояния – чтения. Данные синхро­низируются и управляются, соответственно, как управляющая и статусная инфор­мация. Скорость асинхронной пересылки данных диктуется ведомым устройством, поскольку ве­дущему устройству для продолжения транзакции приходится ждать отклика. Асинхронные протоколы по своей сути являются самосинхронизирующимися, поэтому шину могут совместно использовать устройства с различным быстродействием, постро­енные на базе как устаревших, так и новых технологий. Шина автоматически адапти­руется к требованиям устройств, обменивающихся информацией в данный момент. Таким образом, с развитием технологий к шине могут быть подсоединены более быстрые устройства. В отли­чие от синхронных систем для ускорения системы с асинхронной шиной не требу­ется замена на шине старых медленных устройств на быстрые новые. Однако перечисленные преимущества асинхронного протокола приводят к определенному повышению сложности аппаратуры.
  Квитирование в асинхронных системах не всегда реализуется в полном объеме. Иногда транзакция на шине не может быть завершена стандартным образом, на­пример, если ведущее устройство из-за программных ошибок обращается к несуществующей ячейке памяти. В этом случае ведомое устройство не отвечает соответствующим подтверждающим сигналом. Чтобы предотвратить бесконечное ожидание в ши­нах используется тайм-аут, то есть задается время, спустя которое при отсутствии отклика транзакция принудительно прекращается. Тайм-аут реализуется с по­мощью таймера, запускаемого ведущим одновременно с началом транзакции. Если таймер достигает предопределенного значения до поступления ответного сигнала, ведущий обязан прекратить начатую транзакцию. После тайм-аута необходимо восстановить состояние шины и вычислительного процесса. Тайм-ауты цикла данных, обычно означающие отказ оборудования, достаточ­но редки, поэтому время тайм-аута может быть весьма большим. С другой сторо­ны, тайм-ауты по адресу возникают часто. Происходит это, например, когда про­грамма инициализирует систему и проверяет, какие из устройств присутствуют на шине. При этом вполне реальна выдача на шину адреса несуществующего устройства. В спецификациях шин предписываются очень малые значения тайм-аута по адресу, из-за чего устройства декодирования адреса в ведомых устройствах долж­ны быть весьма быстрыми, чтобы уложиться в отведенное время. Обычно как асинхронные реализуются шины ввода/вывода.
  Обобщим особенности синхронного и асинхронного протоколов. Любой из протоколов предполагает информирование схем арбитража о заня­тости шины. В синхронном протоколе шина занята от начала стартового сигнала до завершения сигнала подтверждения, и специальный сигнал занятости шины не нужен. В асинхронном протоколе о занятости шины свидетельствуют адресный строб или сигнал подтверждения адреса. В асинхронной системе присутствует полная процедура квитирования установ­ления связи, то есть во всех случаях оба устройства до удаления информации с шины должны прийти к соглашению. Таким образом, даже если одно из них пост­роено на очень быстрых схемах, а другое – на очень медленных, взаимодействие все равно будет успешным. Синхронные системы квитируются частично за счет того, что ведомое устрой­ство перед выдачей подтверждения может занимать под поиск нужных данных несколько тактовых периодов. С другой стороны, существует неявное требование, чтобы ведомый успел использовать или, по крайней мере, скопировать адрес и ин­формацию управления за время одного тактового периода до их исчезновения с сигнальных линий. Необходимо также, чтобы и считывание данных ведущим устройством так­же происходило в пределах одного тактового периода, иначе эти данные будут уте­ряны. Для решения подобных проблем обычно исполь­зуют дополнительную буферную память. Отметим также, что если ведомому устройству для завершения своей операции требуется время, лишь незначительно превышающее длительность тактового периода, транзакция все равно удлиняется на целый пе­риод. Это существенный недостаток по сравнению с асинхронным протоколом.
  В обоих видах протоколов необходимо учитывать эффект перекоса сигналов. Максимальное значение времени перекоса равно разности времен прохождения сигналов по самой быстрой и самой медленной сигнальным линиям шины. В син­хронных шинах перекос уже заложен в указанную в спецификации максималь­ную тактовую частоту, поэтому при проектировании устройств может не учиты­ваться. Для асинхронных шин перекос необходимо принимать во внимание для каждой транзакции и для каждого устройства. Перед выставлением строба ведущее устройство выжидает в течение времени перекоса данных, считая от момента выставления на шину данных, так, что когда ведомый видит строб, он уже может считать данные достоверными. У ведомого устройства дополнительно возможен перекос сиг­налов на внутренних трактах данных. Компенсировать его можно введением при­нудительной задержки перед тем как использовать полученный сигнал стробирования. Когда ведомое устройство возвращает данные ведущему устройству, он должен после установки данных на шине (но до отправки сигнала подтверждения) выждать время перекоса. Учет перекоса может быть реализован как в ведущем, так и в ведомом устрой­стве, либо в том и другом, лишь бы была обеспечена необходимая общая задержка. Величина компенсирующей задержки зависит от тех­нологии шины, а также физических свойств и длины ее сигнальных линий. В свою очередь, ведомые устройства должны самостоятельно отвечать за проблемы, связанные с их внутренними перекосами сигналов.
 5.4. Способы повышения эффективности шин
 
  Существует несколько приемов, позволяющих повысить производительность шин. К ним, прежде всего, следует отнести пакетный режим, конвейеризацию и расщеп­ление транзакций.
  Эффективность шин может быть улуч­шена, если они функционируют в пакетном (или блочном) режиме, когда один адресный цикл сопровождается множественными циклами данных (чтения или записи, но не чередующимися). Это означает, что пакет данных передается без указания текущего адреса внутри пакета. При записи в память последовательные элементы блока данных заносятся в последовательные ячейки. Так как в пакетном режиме передается адрес только первой ячейки, все последующие адреса генерируются уже в самой памяти путем последовательного увеличения начального адреса. Скорость передачи собственно данных в пакетном режиме увеличивается есте­ственным образом за счет уменьшения числа передаваемых адресов. Внутри паке­та очередные данные могут передаваться в каждом такте шины, длина пакета мо­жет достигать 1024 байт. В асинхронных системах пакетный режим позволяет достичь дополнительного эффекта. В этих системах время пересылки слова включает в себя время прохожде­ния слова от отправителя к приемнику и время, затрачиваемое на процедуру под­тверждения. Необходимо также учесть внутренние задержки в ведущем и ведомом устройствах и, наконец, дополнительные издержки на восстановление исход­ного состояния шины после процедуры квитирования. В ходе пакетной передачи можно избавиться от этих задержек и работать с максимальной пропускной спо­собностью, которую допускают ширина полосы пропускания линий и перекос сиг­налов, за счет разрешения отправителю начинать следующий цикл данных без ожи­дания подтверждения. Реализация описанного режима сопряжена с некоторыми ограничениями. В частности, становится невозможным восстановление ошибок в каждом цикле. Кроме того, скорость должна быть тщательно согласована с осо­бенностями каждой передачи.
  Эффективным способом повышения скорости передачи данных по шине является кон­вейеризация транзакций. При этом очередной элемент данных может быть отправлен уст­ройством «А» до того, как устройство «В» завершит считывание предыдущего элемента. Это решение аналогично выше рассмотренному пакетному режиму, однако сам прием применяется к обычным транзакциям.
  Для увеличения эффективной полосы пропускания шины во многих современных шинах используется протокол с расщеплением транзакций, известный также как протокол соединения/разъединения или протокол с коммутацией пакетов. Этот протокол обычно обес­печивает преимущество на транзакциях чтения.
  В классическом варианте любая транзакция на шине неразрывна, то есть новая транзакция может начаться только после завершения предыдущей, причем в тече­ние всего периода транзакции шина остается занятой. Протокол с расщеплением транзакций допускает совмещение во времени сразу нескольких транзакций. В шине с расщеплением транзакций линии адреса и данных обязаны быть неза­висимыми. Каждая транзакция чтения разделяется на две части: адресную транзакцию и транзакцию данных. Считывание данных из памяти начинается с адрес­ной транзакции: выставления ведущим устройством на адресную шину адреса ячейки. С при­ходом адреса память приступает к относительно длительному процессу поиска и извлечения затребованных данных. По завершении чтения память становит­ся ведущим устройством, запрашивает доступ к шине и направляет считанные дан­ные по шине данных. Фактически от момента поступления запроса до момента формирования отклика шина остается незанятой и может быть востребована для выполнения других транзакций. В этом и состоит главная идея протокола расщеп­ления транзакций. Таким образом, на шине с расщеплением транзакции имеют место поток запросов и поток откликов. Часто в системах с расщеплением транзакций контроллер памяти проектируется так, чтобы обеспечить буферизацию множественных запросов. Шина с расщеплением транзакций может обеспечивать вариант работы, при котором ответы на запросы поступают в произвольной последовательности. Чтобы не спутать, какому из запросов соответствует информация на шине данных, ее необходимо снабдить определенным признаком (так называемым «тегом»).
  Хотя протокол с расщеплением транзакций и позволяет более эффективно ис­пользовать полосу пропускания шины по сравнению с протоколами, удерживаю­щими шину в течение всей транзакции, он обычно вносит дополнительную задерж­ку из-за необходимости получать два подтверждения – при запросе и при отклике. Кроме того, реализация протокола связана с дополнительными затратами, так как требует, чтобы транзакции были «тегированы» и отслеживались каждым устройством. Для любой шины с расщеплением транзакций существует предельное значе­ние числа одновременно обслуживаемых запросов.
  Среди приемов, способствующих расширению полосы пропускания шины, основ­ными считаются следующие: отказ от мультиплексирования шин адреса и данных, увеличение ширины шины данных, повышение тактовой частоты шины, использование пакетных транзакций.
  Замена мультиплексируемой шины адреса/данных и переход к выделенным шинам адреса и данных делают возможной одновременную пересылку как адреса, так и данных, то есть позволяют реализовать более эффективные варианты транзакций. Такое решение, однако, является более дорогостоящим из-за необходимо­сти иметь большее число сигнальных линий.
  Полоса пропускания шины по своему определению непосредственно зависит от количества параллельно пересылаемой информации и практически прямо про­порциональна ширине шины данных. Несмотря на то, что данный способ требует увеличения числа сигнальных линий, многие разработчики ВМ используют в своих машинах достаточно широкие шины данных.
  Повышение тактовой частоты – еще один очевидный способ увеличения полосы пропускания, который широко используется на практике.
  Об эффективном влиянии на полосу пропускания шины пакетных (блочных) тран­закций уже было сказано выше. Данный способ требует некоторого усложнения аппа­ратуры, но одновременно позволяет сократить время обслуживания запроса.
  Для сокращения времени транзакций обычно применяются сле­дующие приемы: арбитраж с перекрытием, арбитраж с удержанием шины, расщепление транзакций.
  Сущность расщепления транзакций была рассмотрена выше.
  Арбитраж с перекрытием заключается в том, что одно­временно с выполнением текущей транзакции производится арбитраж следующей транзакции.
  При арбитраже с удержанием шины ведущее устройство может удерживать шину и выполнять множество транзакций, пока отсутствуют запросы от других потенциальных ведущих.
  В современных шинах обычно сочетаются все вышеперечисленные способы ускорения транзакций.
 5.5. Эволюция и современное состояние шин персональных компьютеров
 
  В персональных компьютерах используется несколько различных по характеристикам шин, развитие и совершенствование которых, начиная с первых моделей ПК, ведется непрерывно. Долгие годы стандартной внутренней шиной ПК являлась шина ISA (Industrial Standard Architecture – «стандартная промышленная архитектура»), которая была разработана корпорацией Intel для компьютера IBM PC AT. Эта шина работала на частоте 8,33 МГц, в 8-разрядном исполнении имела пропускную способность (8 бит х 8,33 МГц)/8 = 8,33 Мбайт/с, а в 16-разрядном – соответственно 16,6 Мбайт/с. Шина ISA считается устаревшей по своим скоростным параметрам и фактически не используется в настоящее время.
  Для замены шины ISA в 1987 году корпорацией IBM была разработана шина MCA (Micro Channel Architecture – «архитектура микроканала») с повышенной пропускной способностью за счет увеличения тактовой частоты до 10 Мгц и разрядности до 32 бит. Однако эта шина не нашла широкого применения, так как она была полностью несовместима с шиной ISA и при переходе к этой шине требовалась замена не только материнской платы, но и дочерних плат расширения.
 Необходимость повышения производительности системы наряду с обеспечением совместимости ее компонентов привела к дальнейшему развитию шины ISA. Наиболее заметными разработками в этом направлении стали в свое время шины EISA (Extended ISA – расширенная ISA) с пропускной способностью 33,3 Мбайт/с и VLB (VESA Local Bus – «локальная шина промышленного альянса VESA») – 132 Мбайт/с.
  На смену шине ISA и её модификациям пришла шина PCI (Peripheral Component Interconnect – «шина для подключения периферийных устройств»), которая была предложена Intel одновременно с выпуском первых процессоров Pentium. Эта шина в 32-разрядном исполнении работала на тактовой частоте 33 Мгц и обеспечивала пропускную способность до 132 Мбайт/с. Шина PCI и в настоящее время является одной из основных стандартных шин ПК. Такое долголетие (по современным меркам) шины PCI объясняется рядом её «революционных» качеств по сравнению с семейством шин ISA. В шине PCI используется синхронный протокол с несколькими ведущими и централизованным арбитражом. Установка всех сигналов, а также чтение/запись данных производится строго в соответствии с тактовыми импульсами шины, частота которых равна 33 МГц.
 Основное преимущество PCI-технологии заключается в относительной независимости отдельных компонентов системы. В соответствии с концепцией PCI, передачей пакета данных управляет не центральный процессор, а включенный между ним и шиной PCI так называемый мост. Процессор может продолжать работу и тогда, когда происходит запись данных в память (или их считывание) либо при обмене данными между двумя любыми компонентами системы.
 Технология PCI использует принцип временного мультиплексирования (когда для передачи данных и адресов применяются одни и те же линии). Важным свойством шины PCI является ее интеллектуальность, т. е. она в состоянии распознавать аппаратные средства и анализировать конфигурации системы в соответствии с технологией Plug&Play, разработанной корпорацией Intel.
 Более скоростные 64-разрядные спецификации PCI имеют пропускную способность 266 Мбайт/с при частоте 33 МГц и 533 Мбайт/с при 66 МГц. Хотя в новых разработках материнских плат роль шины PCI изменилась, она по-прежнему остается основной шиной расширения, предназначенной для подключения внешних устройств.
 Следующий шаг в росте пропускной способности обеспечивает 64-разрядная шина PCI-Х, обладающая обратной совместимостью с 32- и 64-разрядной PCI. При тактовой частоте 133 МГц ее пропускная способность составляет 1066 Мбайт/с. В обновленной спецификации PCI-X 2.0 увеличение пропускной способности до 2100 и 4200 Мбайт/с происходит благодаря передаче, соответственно, двух и четырех битов за такт.
  По мере роста производительности центральных процессоров потребовалось введение в архитектуру ПК новой дополнительной более производительной по сравнению с PCI шины. Такая дополнительная шина предназначена для скоростной передачи данных и сигналов управления между процессором и остальными компонентами системы. За этой шиной закрепилось несколько названий – синонимов: хост-шина (Host Bus), шина процессора (CPU Bus), системная шина (System Bus) или шина FSB (Front Side Bus – «шина передней стороны»). Шины FSB для ПК с процессорами Intel Pentium 4 при частоте 1066 МГц достигают пропускной способности 8500 Мбайт/с.
  Среди шин, обеспечивающих на материнской плате межмостовое соединение, отметим шины HL (Hub Link) корпорации Intel, V-Link корпорации VIA, MuTIOL корпорации SiS, HyperTransport корпорации AMD. Шина спецификации HL 2.0 является 16-разрядной, работает на частоте 266 МГц, обеспечивает пропускную способность 1066 Мбайт/с. Шина HyperTransport имеет универсальное назначение, ее ширина – от 2 до 32 бит, пропускная способность при частоте 800 МГц и передачи 2 бит за такт составляет 6400 Гбайт/с.
  Для подключения высокопроизводительных графических адаптеров корпорацией Intel была разработана и представлена в 1992 году шина AGP (Accelerated Graphics Port – «ускоренный графический порт»). У первой версии AGP пропускная способность составляла 266 Мбайт/с (что соответствовало так называемому режиму 1х), а благодаря архитектуре «точка – точка» эта шина была в полном распоряжении графического адаптера. Помимо режима 1х, стандартом AGP Revision 1.0 предусматривался режим 2х, при котором передача данных производилась не только по переднему, но и по заднему фронту тактового импульса. В режиме 2х пропускная способность составляла 533 Мбайт/с. Для AGP характерна конвейерная передача данных, что значительно повышает скорость обмена данными через шину AGP по сравнению с обменом через шину PCI. Третья версия стандарта AGP обеспечивает в 32-разрядном исполнении при частоте 66 МГц передачу 8 бит за такт с пропускной способностью 2100 Мбайт/с.
  В последнее время AGP вытесняется шиной PCI-Express. Спецификация PCI-Express, позиционируемая как замена AGP и некоторых межмостовых соединений, регламентирует последовательное соединение типа «точка – точка». Масштабирование происходит увеличением не частоты, а числа каналов: PCI-Express может состоять из 1, 2, 4, 8, 16 или 32 каналов, данные передаются по обоим фронтам сигнала. Пропускная способность одного канала PCI-Express составляет 250 Мбайт/с, а в 16-канальной конфигурации PCI-Express x16, применяемой в качестве графического интерфейса, – в 16 раз больше и достигает 4000 Мбайт/с. Отметим, что переход с AGP на PCI-Express связан не столько с более высокой пропускной способностью PCI-Express (при необходимости разработчики AGP вероятно смогли бы предложить более скоростную ее версию), а с тенденцией унификации внутренних шин и перехода на легко масштабируемые соединения типа «точка – точка», которым корпорация Intel отводит центральную перспективную роль.
  В табл. 5.1 представлены характеристики основных внутренних шин ПК.
 
 Таблица 5.1
  Характеристики внутренних шин ПК
 
 
 
  Наименование
 Количество
  линий
 Частота, МГц
 Бит
 за такт
 Пропускная способность,
 Гбайт/с
  PCI 32-бит
  PCI 64-бит
  PCI-X
  PCI-X 2.0
  PCI-X 2.0
  HL 2.0
  HyperTransport
  MuTIOL
  AGP 3.0 (8x)
  PCI-Express x1
  PCI-Express x16 32
  64
  64
  64
  64
  16
  32
  16
  32
  4
  4 x 16 33
  66
 133
 133
 133
 266
 800
 133
  66
 250
 250 1
 1
 1
 2
 4
 2
 2
 4
 8
 2
 2 133
  533
 1066

<< Пред.           стр. 5 (из 12)           След. >>

Список литературы по разделу