close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

код для вставкиСкачать
Семестр 2. Раздел 1. Архитектура ЭВМ
СОДЕРЖАНИЕ
ТЕМА 1. АРХИТЕКТУРЫ ЭВМ. ПРИНЦИПЫ ФОН НЕЙМАНА. КОНВЕЙЕРЫ. ТАКТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР И
РЕЗОНАТОРЫ. ....................................................................................................................................................... 5
АРХИТЕКТУРА КОМПЬЮТЕРА ........................................................................................................................................... 5
АРХИТЕКТУРА ФОН НЕЙМАНА ......................................................................................................................................... 5
ПРИНЦИПЫ ФОН НЕЙМАНА ............................................................................................................................................ 6
ГАРВАРДСКАЯ АРХИТЕКТУРА............................................................................................................................................ 7
RISC ........................................................................................................................................................................... 8
СКАЛЯРНЫЙ ПРОЦЕССОР .............................................................................................................................................. 12
ВЕКТОРНЫЙ ПРОЦЕССОР .............................................................................................................................................. 12
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОНВЕЙЕР ...................................................................................................................................... 13
ГЕНЕРАТОР ТАКТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ ............................................................................................................................... 20
КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР ............................................................................................................................................... 21
ТЕМА 2. СХЕМА ЦПУ, РЕГИСТРЫ, ШИНЫ, МОСТЫ, ЧИПСЕТЫ, СЛОТЫ РАСШИРЕНИЯ, ПОРТЫ ....................... 24
ТИПОВЫЕ СТРУКТУРЫ ОПЕРАЦИОННОГО БЛОКА МИКРОПРОЦЕССОРА.................................................................................. 24
СИСТЕМНАЯ ШИНА МИКРОПРОЦЕССОРА......................................................................................................................... 26
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ПОРТА .......................................................................................................... 27
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПОРТА ................................................................................................... 30
СИНХРОННЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ ПОРТЫ .................................................................................................................... 30
АСИНХРОННЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ ПОРТЫ .................................................................................................................. 33
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ТАЙМЕРОВ ........................................................................................... 33
ЧИПСЕТЫ СОВРЕМЕННЫХ КОМПЬЮТЕРОВ ....................................................................................................................... 36
КОМПОНЕНТЫ ЮЖНОГО МОСТА.................................................................................................................................... 37
ТЕМА 3. ПЗУ, ОЗУ И СПОСОБЫ ИХ ОРГАНИЗАЦИИ. АССОЦИАТИВНАЯ ПАМЯТЬ (КЭШ). .................................. 39
ПЗУ .......................................................................................................................................................................... 39
СТАТИЧЕСКИЕ ОПЕРАТИВНЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА - ОЗУ (RAM)........................................................................ 48
КЭШ .......................................................................................................................................................................... 55
Кэширование, выполняемое операционной системой ................................................................................ 57
Алгоритм работы кэша с отложенной записью ......................................................................................... 58
Алгоритм вытеснения .................................................................................................................................... 58
Политика записи при кэшировании ............................................................................................................... 58
Кэширование интернет-страниц ................................................................................................................. 59
Кэширование результатов работы .............................................................................................................. 59
1
ТЕМА 4. НАКОПИТЕЛИ ДАННЫХ: НАКОПИТЕЛИ НА ЖЕСТКИХ МАГНИТНЫХ ДИСКАХ, НАКОПИТЕЛИ НА
ГИБКИХ МАГНИТНЫХ ДИСКАХ, НАКОПИТЕЛИ НА МАГНИТНЫХ ЛЕНТАХ, ОПТИЧЕСКИЕ НАКОПИТЕЛИ, FLASHПАМЯТЬ .............................................................................................................................................................. 60
ЖЁСТКИЙ ДИСК .......................................................................................................................................................... 60
УСТРОЙСТВО .............................................................................................................................................................. 62
Гермозона .......................................................................................................................................................... 63
Блок электроники ............................................................................................................................................ 64
НИЗКОУРОВНЕВОЕ ФОРМАТИРОВАНИЕ ........................................................................................................................... 65
ГЕОМЕТРИЯ МАГНИТНОГО ДИСКА .................................................................................................................................. 65
АДРЕСАЦИЯ ДАННЫХ ................................................................................................................................................... 66
CHS ...................................................................................................................................................................... 66
LBA ...................................................................................................................................................................... 67
ТЕХНОЛОГИИ ЗАПИСИ ДАННЫХ ..................................................................................................................................... 67
Метод продольной записи .............................................................................................................................. 67
Метод перпендикулярной записи .................................................................................................................. 67
Метод тепловой магнитной записи ............................................................................................................ 67
НАКОПИТЕЛЬ НА ГИБКИХ ДИСКАХ .................................................................................................................................. 69
КОНСТРУКЦИЯ ............................................................................................................................................................ 70
ОПТИЧЕСКИЙ ДИСК ..................................................................................................................................................... 72
[ПРАВИТЬ] НЕКОТОРЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОПТИЧЕСКИХ ДИСКОВ ............................................................................................... 73
ФЛЕШ-ПАМЯТЬ........................................................................................................................................................... 74
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ[1] ................................................................................................................................................ 75
NOR и NAND приборы ....................................................................................................................................... 76
SLC и MLC приборы ............................................................................................................................................ 77
[ПРАВИТЬ] ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОГРАНИЧЕНИЯ ................................................................................................................. 77
[править] Специальные файловые системы ................................................................................................ 79
NOR ..................................................................................................................................................................... 79
[править] NAND ................................................................................................................................................ 79
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ..................................................................................................................................... 81
[править] NAND SSD ......................................................................................................................................... 81
[править] RAM SSD ........................................................................................................................................... 81
ТЕМА 5. УСТРОЙСТВА ВВОДА И ВЫВОДА ДАННЫХ: ПРИНТЕРЫ, СКАНЕРЫ, ФАКС-МОДЕМЫ, МЫШИ,
КЛАВИАТУРЫ, МОНИТОРЫ, ЭЛЕКТРОННАЯ БУМАГА ....................................................................................... 83
ПРИНТЕР.................................................................................................................................................................... 83
[ПРАВИТЬ] КЛАССИФИКАЦИЯ ........................................................................................................................................ 83
[ПРАВИТЬ] МАТРИЧНЫЕ ПРИНТЕРЫ ............................................................................................................................... 83
[править] Сравнение с другими типами ....................................................................................................... 84
[ПРАВИТЬ] СТРУЙНЫЕ ПРИНТЕРЫ .................................................................................................................................. 84
2
[править] Классификация ............................................................................................................................... 85
[ПРАВИТЬ] СУБЛИМАЦИОННЫЕ ПРИНТЕРЫ ..................................................................................................................... 87
[править] Сравнение с другими типами ....................................................................................................... 88
[ПРАВИТЬ] ЛАЗЕРНЫЕ ПРИНТЕРЫ .................................................................................................................................. 88
[править] Сравнение с другими типами ....................................................................................................... 88
[ПРАВИТЬ] ДРУГИЕ ПРИНТЕРЫ ...................................................................................................................................... 89
[править] Интернет-принтеры.................................................................................................................... 89
[ПРАВИТЬ] ИСТОРИЯ И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ .................................................................................................................... 90
[править] Обзор современных технологий цифровой печати .................................................................. 90
[ПРАВИТЬ] КАРТРИДЖ ПРИНТЕРА .................................................................................................................................. 92
[ПРАВИТЬ] ПЕЧАТАЮЩАЯ ГОЛОВКА ............................................................................................................................... 92
КОПИРОВАЛЬНЫЙ АППАРАТ ......................................................................................................................................... 93
МОДЕМ..................................................................................................................................................................... 94
ИСТОРИЯ ................................................................................................................................................................... 96
МОДУЛЯЦИЯ.............................................................................................................................................................. 96
[ПРАВИТЬ] ВИДЫ МОДУЛЯЦИИ ..................................................................................................................................... 97
[править] Аналоговая модуляция .................................................................................................................. 97
[править] Цифровая модуляция ..................................................................................................................... 98
[править] Импульсная модуляция .................................................................................................................. 98
XDSL ......................................................................................................................................................................... 99
ФАКС ...................................................................................................................................................................... 100
КОМПЬЮТЕРНАЯ МЫШЬ ............................................................................................................................................ 104
[ПРАВИТЬ] ТРЕКБОЛЫ ................................................................................................................................................ 109
[ПРАВИТЬ] СЕНСОРНЫЕ ПОЛОСКИ И ПАНЕЛИ ................................................................................................................. 109
ТАЧПАД ................................................................................................................................................................... 112
КОМПЬЮТЕРНАЯ КЛАВИАТУРА .................................................................................................................................... 113
МОНИТОР (УСТРОЙСТВО) ........................................................................................................................................... 115
ЖК-ДИСПЛЕЙ........................................................................................................................................................... 117
ЭЛЕКТРОННАЯ БУМАГА .............................................................................................................................................. 122
ТЕМА 6. СЕТЕВЫЕ УСТРОЙСТВА: СЕТЕВЫЕ ПЛАТЫ, СЕТЕВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ .............................................. 125
АКТИВНОЕ СЕТЕВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ............................................................................................................................ 125
ПАССИВНОЕ СЕТЕВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ.......................................................................................................................... 125
[ПРАВИТЬ] ПРИНЦИП РАБОТЫ ..................................................................................................................................... 125
[ПРАВИТЬ] ТАБЛИЦА МАРШРУТИЗАЦИИ ....................................................................................................................... 126
[ПРАВИТЬ] ПРИМЕНЕНИЕ ........................................................................................................................................... 126
СЕТЕВОЙ КОММУТАТОР ............................................................................................................................................. 127
СЕТЕВОЙ КОНЦЕНТРАТОР ........................................................................................................................................... 129
[ПРАВИТЬ] УПРОЩЁННОЕ ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ ............................................................................................... 129
3
[ПРАВИТЬ] ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕТЕВЫХ КОНЦЕНТРАТОРОВ ............................................................................................... 129
МЕЖСЕТЕВОЙ ЭКРАН ................................................................................................................................................. 130
ДРУГИЕ НАЗВАНИЯ .................................................................................................................................................... 130
РАЗНОВИДНОСТИ СЕТЕВЫХ ЭКРАНОВ ........................................................................................................................... 130
[ПРАВИТЬ] ТИПИЧНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ........................................................................................................................ 131
ТЕМА 7. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ АРХИТЕКТУРЫ, ГРАФИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССОРЫ. ЯЗЫКИ CUDA И OPENCL. КВАНТОВЫЕ
ВЫЧИСЛЕНИЯ, ДНК-КОМПЬЮТЕРЫ, НАНОПРОЦЕССОРЫ. ............................................................................. 133
КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР .......................................................................................................................................... 133
ТЕОРИЯ ................................................................................................................................................................... 134
[править] Кубиты .......................................................................................................................................... 134
[править] Вычисление ................................................................................................................................... 136
[править] Алгоритмы ................................................................................................................................... 136
[править] Квантовая телепортация ......................................................................................................... 137
[ПРАВИТЬ] ПРИМЕНЕНИЕ КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРОВ.................................................................................................... 137
[править] Специфика применения ............................................................................................................... 137
[править] Приложения к криптографии ..................................................................................................... 137
[ПРАВИТЬ] ФИЗИЧЕСКИЕ РЕАЛИЗАЦИИ КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРОВ ................................................................................. 138
ТРАНЗИСТОРЫ НА НАНОТРУБКАХ ................................................................................................................................. 140
ГРАФИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР ......................................................................................................................................... 142
GPGPU ................................................................................................................................................................... 142
CUDA ..................................................................................................................................................................... 142
OPENCL ................................................................................................................................................................... 144
МАССОВО-ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ АРХИТЕКТУРА ..................................................................................................... 145
МНОГОЯДЕРНЫЙ ПРОЦЕССОР ......................................................................................................................... 146
HYPER-THREADING ..................................................................................................................................................... 148
4
Тема
1.
Архитектуры
ЭВМ.
Принципы
фон
Неймана.
Конвейеры. Тактовый генератор и резонаторы.
Архитектура компьютера
Архитектура вычислительной машины (Архитектура ЭВМ, англ. Computer architecture) —
концептуальная структура вычислительной машины[1], определяющая проведение обработки информации и
включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических
средств и программного обеспечения.[2]
В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: принстонская
(неймановская) и гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память
компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные
хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская
архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.
В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: структурная схема
ЭВМ, средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы, организация и разрядность
интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы её адресации, набор и
формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки
прерываний.
По перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:



По разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-, 128- разрядные (ряд ЭВМ имеет и
иные разрядности);
По особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;
По количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные,
суперскалярные;
o многопроцессорные по принципу взаимодействия с памятью: симметричные
многопроцессорные (SMP), масcивно-параллельные (MPP), распределенные.
Архитектура фон Неймана
Архитектура фон Неймана (англ. von Neumann architecture) — широко известный принцип совместного
хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто
обозначают термином «машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В
общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение
процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.
Наличие заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых
компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции
вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с
фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но
невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра графических
изображений или видео. Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически
полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Впрочем, перепрограммирование ранних
компьютерных систем всё-таки выполнялось, однако требовало огромного объёма ручной работы по
подготовке новой документации, перекоммутации и перестройки блоков и устройств и т. п.
Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления
использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций, и представление
вычислительного процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно
5
увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к
рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.
Принципы фон Неймана
В 1946 году трое учёных[1] — Артур Бёркс (англ. Arthur Burks), Герман Голдстайн (англ. Herman Goldstein) и
Джон фон Нейман — опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логического конструирования
электронного вычислительного устройства»[2]. В статье обосновывалось использование двоичной системы
для представления данных в ЭВМ (преимущественно для технической реализации, простота выполнения
арифметических и логических операций — до этого машины хранили данные в десятичном виде[3]),
выдвигалась идея использования общей памяти для программы и данных. Имя фон Неймана было
достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные
идеи получили название «принципы фон Неймана».
1. Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ,
кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) и разделяется на единицы, называемые
словами.
2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ
не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно
выполнять такие же действия, как и над данными.
3. Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек;
процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.Отсюда следует возможность давать
имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии
обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.
4. Принцип последовательного программного управления. предполагает, что программа состоит из
набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной
последовательности.
5 Принцип жесткости архитектуры. Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка
команд.
Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фоннеймановских.
Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана
В середине 1940-х проект компьютера, хранящего свои программы в общей памяти был разработан в Школе
электрических разработок Мура (англ. The Moore School of Electrical Engineering) в Университете штата
Пенсильвания (англ. The University of Pennsylvania). Подход, описанный в этом документе, стал известен как
архитектура фон Неймана, по имени единственного из названных авторов проекта Джона фон Неймана, хотя
на самом деле авторство проекта было коллективным. Архитектура фон Неймана решала проблемы,
свойственные компьютеру ENIAC, который создавался в то время, за счёт хранения программы компьютера
в его собственной памяти. Информация о проекте стала доступна другим исследователям вскоре после того,
как в 1946 году было объявлено о создании ENIAC. По плану предполагалось осуществить проект силами
Муровской школы в машине EDVAC, однако до 1951 года EDVAC не был запущен из-за технических
трудностей в создании надёжной компьютерной памяти и разногласий в группе разработчиков. Другие
научно-исследовательские институты, получившие копии проекта, сумели решить эти проблемы гораздо
раньше группы разработчиков из Муровской школы и реализовали их в собственных компьютерных
системах. Первыми пятью компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры
фон Неймана, были:
1.
2.
Манчестерский Марк I. Прототип — Манчестерская малая экспериментальная машина. Университет
Манчестера (англ. The University of Manchester), Великобритания, 21 июня 1948 года;
EDSAC. Кембриджский университет (англ. The Cambridge University), Великобритания, 6 мая 1949
года;
6
3.
4.
5.
BINAC. США, апрель или август 1949 года;
CSIR Mk 1. Австралия, ноябрь 1949 года;
SEAC. США, 9 мая 1950 года
Гарвардская архитектура
Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительным признаком которой является раздельное
хранение и обработка команд и данных. Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930х годов в Гарвардском университете.
В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать
архитектуру ЭВМ для военно-морской артиллерии. Победила разработка Принстонского университета
(более известная как архитектура фон Неймана, названная так по имени разработчика, первым
предоставившего отчет об архитектуре), так как она была проще в реализации. Гарвардская архитектура
использовалась советским учёным А. И. Китовым в М-100 (ВЦ-1 МО СССР, 1958). Архивировано из
первоисточника 28 августа 2011..
Классическая гарвардская архитектура
Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких
действий:
1.
2.
3.
выборку двух операндов,
выбор инструкции и её выполнение,
и, наконец, сохранение результата.
Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В
первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а
для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и
обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие
компьютера.
Модифицированная гарвардская архитектура
Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток — высокую
стоимость. При разделении каналов передачи команд и данных на кристалле процессора последний должен
иметь почти вдвое больше выводов, так как шина адреса и шина данных составляют основную часть
выводов микропроцессора. Способом решения этой проблемы стала идея использовать общие шину данных
и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и
две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.
Такой подход применяется в современных сигнальных процессорах. Еще дальше по пути уменьшения
стоимости пошли при создании однокристалльных ЭВМ — микроконтроллеров. В них одна шина команд и
данных применяется и внутри кристалла.
Разделение шин в модифицированной Гарвардской структуре осуществляется при помощи раздельных
управляющих сигналов: чтения, записи или выбора области памяти.
Расширенная гарвардская архитектура
Часто требуется выбрать три составляющие : два операнда и инструкцию (в алгоритмах цифровой
обработки сигналов это наиболее распространенная задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого
существует кэш-память. В ней может храниться инструкция — следовательно, обе шины остаются
свободными и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти
7
вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») — расширенная
Гарвардская архитектура.
Примером могут служить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx — модифицированная Гарвардская
Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) — расширенная Гарвардская Архитектура.
Гибридные модификации с архитектурой фон Неймана
Существуют гибридные архитектуры, сочетающие достоинства как Гарвардской так и фон Неймановской
архитектур. Современные CISC-процессоры обладают раздельной кэш-памятью 1-го уровня для инструкций
и данных, что позволяет им за один рабочий такт получать одновременно и команду, и данные для её
выполнения. То есть процессорное ядро, формально, является гарвардским, но программно оно фон
Неймановское, что упрощает написание программ. Обычно в данных процессорах одна шина используется и
для передачи команд, и для передачи данных, что упрощает конструкцию системы. Современные варианты
таких процессоров могут иногда содержать встроенные контроллеры сразу нескольких разнотипных шин
для работы с различными типами памяти — например, DDR RAM и Flash. Тем не менее, и в этом случае
шины, как правило, используются и для передачи команд, и для передачи данных без разделения, что делает
данные процессоры еще более близкими к фон Неймановской архитектуре при сохранении плюсов
Гарвардской архитектуры.
Первым компьютером, в котором была использована идея гарвардской архитектуры, был Марк I.
Гарвардская архитектура используется в ПЛК и микроконтроллерах, таких, как Microchip PIC, Atmel AVR,
Intel 4004, Intel 8051.
RISC
RISC (англ. Restricted (reduced) instruction set computer[1][2] — компьютер с упрощённым набором
команд) — архитектура процессора, в которой быстродействие увеличивается за счёт упрощения команд,
чтобы их декодирование было проще, а время выполнения — короче. Первые RISC-процессоры даже не
имели команд умножения и деления. Это также облегчает повышение тактовой частоты и делает более
эффективной суперскалярность (распараллеливание команд между несколькими исполнительными
блоками).
Наборы команд в более ранних архитектурах для облегчения ручного написания программ на языках
ассемблеров или прямо в машинных кодах, а также для упрощения реализации компиляторов, выполняли
как можно больше работы. Нередко в наборы включались команды для прямой поддержки конструкций
языков высокого уровня. Другая особенность этих наборов — большинство команд, как правило, допускали
все возможные методы адресации (т. н. «ортогональность системы команд (англ.)») — к примеру, и
операнды, и результат в арифметических операциях доступны не только в регистрах, но и через
непосредственную адресацию, и прямо в памяти. Позднее такие архитектуры были названы CISC
(англ. Complex instruction set computer).
Однако многие компиляторы не задействовали все возможности таких наборов команд, а на сложные
методы адресации уходит много времени из-за дополнительных обращений к медленной памяти. Было
показано, что такие функции лучше исполнять последовательностью более простых команд, если при этом
процессор упрощается и в нём остаётся место для большего числа регистров, за счёт которых можно
сократить количество обращений к памяти. В первых архитектурах, причисляемых к RISC, большинство
команд для упрощения декодирования имеют одинаковую длину и похожую структуру, арифметические
операции работают только с регистрами, а работа с памятью идёт через отдельные команды загрузки (load) и
сохранения (store). Эти свойства и позволили лучше сбалансировать этапы конвейеризации, сделав
конвейеры в RISC значительно более эффективными и позволив поднять тактовую частоту.
Философия RISC
В середине 1970-х разные исследователи (в частности, из IBM) показали, что большинство комбинаций
команд и ортогональных методов адресации не использовались в большинстве программ, порождаемых
компиляторами того времени. Также было обнаружено, что в некоторых архитектурах с микрокодной
8
реализацией сложные операции зачастую были медленнее последовательности более простых операций,
выполняющих те же действия. Это было вызвано, в частности, тем, что многие архитектуры
разрабатывались в спешке и хорошо оптимизировался микрокод только тех команд, которые
использовались чаще.[3]
Поскольку многие реальные программы тратят большинство своего времени на выполнение простых
операций, многие исследователи решили сфокусироваться на том, чтобы сделать эти операции максимально
быстрыми. Тактовая частота процессора ограничена временем, которое процессор тратит на выполнение
наиболее медленных шагов в процессе обработки любой команды; уменьшение длительности таких шагов
даёт общее повышение частоты, а также зачастую ускоряет выполнение и других команд за счёт более
эффективной конвейеризации.[4] Фокусирование на простых командах и ведёт к архитектуре RISC, цель
которой — сделать команды настолько простыми, чтобы они легко конвейеризировались и тратили не более
одного такта на каждом шаге конвейера на высоких частотах.
Позднее было отмечено, что наиболее значимая характеристика RISC в разделении команд для обработки
данных и обращения к памяти — обращение к памяти идёт только через команды load и store, а все прочие
команды ограничены внутренними регистрами. Это упростило архитектуру процессоров: позволило
командам иметь фиксированную длину, упростило конвейеры и изолировало логику, имеющую дело с
задержками при доступе к памяти, только в двух командах. В результате RISC-архитектуры стали называть
также архитектурами load/store.[5]
Количество команд
Нередко слова «сокращённый набор команд» неверно понимается как минимизация количества команд в
системе команд. В действительности, команд у многих RISC-процессоров больше, чем у CISCпроцессоров.[6][7] Некоторые RISC-процессоры вроде INMOS Transputer (англ.) имеют наборы команд не
меньшие, чем, например, у CISC IBM System/370; и наоборот — CISC-процессор DEC PDP-8 имеет только 8
основных и несколько расширенных команд.
На самом деле, термин «сокращённый» в названии описывает тот факт, что сокращён объём (и время)
работы, выполняемый каждой отдельной командой — как максимум один цикл доступа к памяти, — тогда
как сложные команды CISC-процессоров могут требовать сотен циклов доступа к памяти для своего
выполнения.[8]
Некоторые архитектуры, специально разработанные для минимизации количества команд, сильно
отличаются от классических RISC-архитектур и получили другие названия: Minimal instruction set computer
(MISC), Zero instruction set computer (ZISC), Ultimate RISC (также называемый OISC), Transport triggered
architecture (TTA) и т. п.
Характерные особенности RISC-процессоров





Фиксированная длина машинных команд (например, 32 бита) и простой формат команды.
Специализированные команды для операций с памятью — чтения или записи. Операции вида
«прочитать-изменить-записать» отсутствуют. Любые операции «изменить» выполняются только над
содержимым регистров (т. н. архитектура load-and-store).
Большое количество регистров общего назначения (32 и более).
Отсутствие поддержки операций вида «изменить» над укороченными типами данных — байт, 16битное слово. Так, например, система команд DEC Alpha содержала только операции над 64битными словами, и требовала разработки и последующего вызова процедур для выполнения
операций над байтами, 16- и 32-битными словами.
Отсутствие микропрограмм внутри самого процессора. То, что в CISC процессоре исполняется
микропрограммами, в RISC процессоре исполняется как обыкновенный (хотя и помещённый в
специальное хранилище) машинный код, не отличающийся принципиально от кода ядра ОС и
приложений. Так, например, обработка отказов страниц в DEC Alpha и интерпретация таблиц
страниц содержалась в так называемом PALCode (Privileged Architecture Library), помещённом в ПЗУ.
Заменой PALCode можно было превратить процессор Alpha из 64-битного в 32-битный, а также
изменить порядок байтов в слове и формат входов таблиц страниц виртуальной памяти.
9
Иные архитектурные решения, типичные для RISC


Спекулятивное исполнение. При встрече с командой условного перехода процессор исполняет
(или, по крайней мере, читает в кэш инструкций) сразу обе ветви до тех пор, пока не окончится
вычисление управляющего выражения перехода. Позволяет отказаться от простоев конвейера при
условных переходах.
Переименование регистров. Каждый регистр процессора на самом деле представляет собой
несколько параллельных регистров, хранящих несколько версий значения. Используется для
реализации спекулятивного исполнения.
Начало развития RISC-архитектуры
Первая система, которая может быть названа RISC-системой, — суперкомпьютер CDC 6600, который был
создан в 1964 году, за десять лет до появления соответствующего термина. CDC 6600 имел RISCархитектуру всего с двумя режимами адресации («регистр+регистр» и «регистр+непосредственное
значение») и 74 кодами команд (тогда как Intel 8086 имел 400 кодов команд). В CDC 6600 было 11
конвейерных устройств арифметической и логической обработки, а также пять устройств загрузки и два
устройства хранения. Память была многоблочной, поэтому все устройства загрузки-хранения могли
работать одновременно. Базовая тактовая частота/частота выдачи команд была в 10 раз выше, чем время
доступа к памяти. Джим Торнтон и Сеймур Крэй, разработчики CDC 6600, создали в нём мощный
процессор, позволявший быстро обрабатывать большие объемы цифровых данных. Главный процессор
поддерживался десятью простыми периферийными процессорами, выполнявшими операции ввода-вывода и
другие функции ОС. [9] Позднее появилась шутка, что термин RISC на самом деле расшифровывается как
«Really invented by Seymour Cray» («На самом деле придуман Сеймуром Крэем»). Еще одна ранняя RISCмашина — миникомпьютер Data General Nova, разработанный в 1968 году.
Первая попытка создать RISC-процессор на чипе была предпринята в IBM в 1975. Эта работа привела к
созданию семейства процессоров IBM 801, которые широко использовались в различных устройствах IBM.
801-й в конце концов был выпущен в форме чипа под именем ROMP в 1981 году. ROMP расшифровывается
как Research OPD (Office Product Division) Micro Processor, то есть «Исследовательский микропроцессор»,
разработанный в Департаменте офисных разработок. Как следует из названия, процессор был разработан
для «мини»-задач, и когда в 1986 году IBM выпустила на его базе компьютер IBM RT-PC, он работал не
слишком хорошо. Однако за выпуском 801-ого процессора последовало несколько исследовательских
проектов, в результате одного из которых появилась система POWER.
Однако наиболее известные RISC-системы были разработаны в рамках университетских исследовательских
программ, финансировавшихся программой DARPA VLSI. Программа VLSI, практически неизвестная даже
сегодня, на самом деле поспособствовала большому количеству открытий в области архитектуры чипов,
технологий производства и даже компьютерной графики.
Проект RISC в Университете Беркли был начат в 1980 году под руководством Дэвида Паттерсона и Карло
Секвина. Исследования базировались на использовании конвейерной обработки и агрессивного
использования техники регистрового окна. В обычном процессоре имеется небольшое количество регистров
и программа может использовать любой регистр в любое время. В процессоре, использующем технологии
регистрового окна, очень большое количество регистров (например, 128), но программы могут использовать
ограниченное количество (например, только 8 в каждый момент времени).
Программа, ограниченная лишь восемью регистрами для каждой процедуры, может выполнять очень
быстрые вызовы процедур: «окно» просто сдвигается к 8-регистровому блоку нужной процедуры, а при
возврате из процедуры сдвигается обратно, к регистрам вызвавшей процедуры. (В обычном процессоре
большинство процедур при вызове вынуждены сохранять значения некоторых регистров в стеке для того,
чтобы пользоваться этими регистрами при исполнении процедуры. При возврате из процедуры значения
регистров восстанавливаются из стека).
Проект RISC произвел на свет процессор RISC-I в 1982 году. В нем было всего 44 420 транзисторов (для
сравнения: в наиболее современных CISC-процессорах того времени их было около 100 тыс.). RISC-I имел
всего 32 инструкции, но превосходил по скорости работы любой одночиповый процессор того времени.
10
Через год, в 1983 году, был выпущен RISC-II, который состоял из 40 760 транзисторов, использовал 39
инструкций и работал в три раза быстрее RISC-I.
Практически в то же время, в 1981 году, Джон Хеннесси начал аналогичный проект, названный «MIPSархитектура» в Стэнфордском университете. Создатель MIPS практически полностью сфокусировался на
конвейерной обработке, попытавшись «выжать всё» из этой технологии. Конвейерная обработка
использовалась и в других продуктах, некоторые идеи, реализованные в MIPS, позволили разработанному
чипу работать значительно быстрее аналогов. Наиболее важным было требование выполнения любой из
инструкций процессора за один такт. Это требование позволило конвейеру работать на гораздо бо́льших
скоростях передачи данных и привело к значительному ускорению работы процессора. С другой стороны,
исполнение этого требования имело негативный побочный эффект в виде удаления из набора инструкций
таких полезных операций, как умножение или деление.
В первые годы попытки развития RISC-архитектуры были хорошо известны, однако оставались в рамках
породивших их университетских исследовательских лабораторий. Многие в компьютерной индустрии
считали, что преимущества RISC-процессоров не проявятся при использовании в реальных продуктах из-за
низкой эффективности использования памяти в составных инструкциях. Однако с 1986 года
исследовательские проекты RISC начали выпускать первые работающие продукты.
Последние годы
Как оказалось в начале 1990-х годов, RISC-архитектуры позволяют получить большую производительность,
чем CISC, за счёт использования суперскалярного и VLIW-подхода, а также за счёт возможности серьёзного
повышения тактовой частоты и упрощения кристалла с высвобождением площади под кэш, достигающий
огромных емкостей. Также RISC-архитектуры позволили сильно снизить энергопотребление процессора за
счёт уменьшения числа транзисторов.
Первое время RISC-архитектуры с трудом принимались рынком из-за отсутствия программного
обеспечения для них. Эта проблема была быстро решена переносом UNIX-подобных операционных систем
(SunOS) на RISC-архитектуры.
В настоящее время многие архитектуры процессоров являются RISC-подобными, к примеру, ARM, DEC
Alpha, SPARC, AVR, MIPS, POWER и PowerPC. Наиболее широко используемые в настольных компьютерах
процессоры архитектуры x86 ранее являлись CISC-процессорами, однако новые процессоры, начиная с Intel
486DX, являются CISC-процессорами с RISC-ядром[источник не указан 377 дней]. Они непосредственно перед
исполнением преобразуют CISC-инструкции x86-процессоров в более простой набор внутренних
инструкций RISC.
После того, как процессоры архитектуры x86 были переведены на суперскалярную RISC-архитектуру,
можно сказать, что подавляющее большинство существующих ныне процессоров основаны на архитектуре
RISC.
Другие архитектуры
За годы после появления архитектуры RISC были реализованы и другие альтернативы — например, VLIW,
MISC, OISC, массово-параллельная обработка, систолическая матрица (англ. Systolic array),
переконфигурируемые вычисления (англ. Reconfigurable computing), потоковая архитектура (англ. Dataflow
architecture).

Суперскалярные архитектуры (первоначально — большие ЭВМ конца 1960-х годов, в
микропроцессорах — Sun SPARC, начиная с Pentium использованы в семействе x86).
Распараллеливание исполнения команд между несколькими устройствами исполнения, причём
решение о параллельном исполнении двух или более команд принимается аппаратурой
процессора на этапе исполнения. Эффективное использование такой архитектуры требует
специальной оптимизации машинного кода в компиляторе для генерации пар независимых команд
(когда результат одной команды не является аргументом другой).
11

Архитектуры VLIW (very long instruction word — очень длинное слово команды). Отличаются от
суперскалярной архитектуры тем, что решение о распараллеливании принимается не аппаратурой
на этапе исполнения, а компилятором на этапе генерации кода. Команды очень длинны и содержат
явные инструкции по распараллеливанию нескольких субкоманд на несколько устройств
исполнения. Элементы архитектуры содержались в серии PA-RISC. VLIW-процессором в его
классическом виде является Itanium. Разработка эффективного компилятора для VLIW является
сложнейшей задачей. Преимущество VLIW перед суперскалярной архитектурой заключается в том,
что компилятор может быть более развитым, нежели устройства управления процессора, и он
способен хранить больше контекстной информации для принятия более верных решений по
оптимизации.
Скалярный процессор
Скалярный процессор — это простейший класс микропроцессоров. [1] Скалярный процессор обрабатывает
один элемент данных за одну инструкцию (SISD, Single Instruction Single Data), типичными элементами
данных могут быть целые или числа с плавающей запятой. В векторных процессорах (SIMD, Single
Instruction Multiple Data), в отличие от скалярных, одна инструкция работает с несколькими элементами
данных.
Векторный процессор
Векторный процессор — это процессор, в котором операндами некоторых команд могут выступать
упорядоченные массивы данных — векторы. Отличается от скалярных процессоров, которые могут работать
только с одним операндом в единицу времени. Абсолютное большинство процессоров являются
скалярными или близкими к ним. Векторные процессоры были распространены в сфере научных
вычислений, где они являлись основой большинства суперкомпьютеров начиная с 1980-х до 1990-х. Но
резкое увеличение производительности и активная разработка новых процессоров привели к вытеснению
векторных процессоров из сферы повседневных процессоров.
В большинстве современных микропроцессоров имеются векторные расширения (см. SSE). Кроме того,
современные видеокарты и физические ускорители можно рассматривать как векторные сопроцессоры.
Иллюстрация работы
Для иллюстрации разницы в работе векторного и скалярного процессора, рассмотрим простой пример
попарного сложения двух наборов по 10 чисел. При "обычном" программировании используется цикл,
который берёт пары чисел последовательно, и складывает их:
повторить цикл 10 раз
прочитать следующую инструкцию и декодировать
получить первое слагаемое
получить второе слагаемое
сложить
сохранить результат
конец цикла
Для векторного процессора алгоритм будет значительно отличаться:
прочитать следующую инструкцию и декодировать
получить 10 первых слагаемых
получить 10 вторых слагаемых
сложить
сохранить результат
12
Реализация Cray (en:Cray) расширила возможности вычислений, позволяя выполнять несколько различных
операций сразу. Для примера, рассмотрим код складывающий 2 набора чисел и умножающий на третий, в
Cray эти операции осуществились бы так:
прочитать следующую инструкцию и декодировать
получить 10 чисел
получить 10 чисел
получить 10 чисел
сложить и умножить их
сохранить результат
Таким образом, математические операции выполняются гораздо быстрее, основным ограничивающим
фактором становится время, необходимое для извлечения данных из памяти.
Вычислительный конвейер
Простой пятиуровневый конвейер в RISC-процессорах (IF (англ. Instruction Fetch) — получение инструкции, ID
(англ. Instruction
Decode) —
раскодирование
инструкции,
EX
(англ. Execute) —
выполнение,
MEM
(англ. Memory access) — доступ к памяти, WB (англ. Register write back) — запись в регистр. Вертикальная
ось — это последовательные независимые инструкции, горизонтальная — время. Соответственно, в зеленой
колонке, которая описывает состояние процессора в один момент времени, самая ранняя, верхняя
инструкция уже находится в состоянии записи в регистр, а самая последняя, нижняя инструкция только в
процессе чтения.
Конве́йер
Идея заключается в разделении обработки компьютерной инструкции на последовательность независимых
стадий с сохранением результатов в конце каждой стадии. Это позволяет управляющим цепям процессора
получать инструкции со скоростью самой медленной стадии обработки, однако при этом намного быстрее,
чем при выполнении эксклюзивной полной обработки каждой инструкции от начала до конца.
Сам термин «конвейер» пришёл из промышленности, где используется аналогичный принцип работы —
материал автоматически подтягивается по ленте конвейера к рабочему, который осуществляет с ним
необходимые действия, следующий за ним рабочий выполняет свои функции над получившейся заготовкой,
следующий делает еще что-то, таким образом, к концу конвейера цепочка рабочих полностью выполняет
все поставленные задачи, не срывая, однако, темпов производства. Например, если на самую медлительную
операцию затрачивается одна минута, то каждая деталь будет сходить с конвейера через одну минуту.
Считается, что впервые конвейерные вычисления были использованы либо в проекте ILLIAC II
(англ. en:ILLIAC II), либо в проекте IBM Stretch (англ. en:IBM Stretch). Проект IBM Stretch предложил
термины «получение» (англ. «Fetch»), «расшифровка» (англ. «Decode») и «выполнение» (англ. «Execute»),
которые затем стали общеупотребимыми.
Многие современные процессоры управляются тактовым генератором. Процессор внутри состоит из
логических элементов и ячеек памяти — триггеров. Когда приходит сигнал от тактового генератора,
13
триггеры приобретают своё новое значение и логике требуется некоторое время для декодирования новых
значений. Затем приходит следующий сигнал от тактового генератора, триггеры принимают новые
значения, и так далее. Разбивая последовательности логических элементов на более короткие и помещая
триггеры между этими короткими последовательностями уменьшают время, необходимое логике для
обработки сигналов. В этом случае длительность одного такта процессора может быть соответственно
уменьшена.
Например, простейший конвейер RISC-процессоров можно представить пятью стадиями с наборами
триггеров между стадиями:
1.
2.
3.
4.
5.
получение инструкции (англ. Instruction Fetch);
декодирование инструкции (англ. Instruction Decode) и чтение регистров (англ. Register fetch);
выполнение (англ. Execute);
доступ к памяти (англ. Memory access);
запись в регистр (англ. Register write back);
При написании ассемблерного кода (либо разработке компилятора, генерирующего последовательность
инструкций) делается предположение, что результат выполнения инструкций будет точно таким, как если
бы каждая инструкция заканчивала выполняться до начала выполнения следующей за ней. Использование
конвейера сохраняет справедливость этого предположения, однако не обязательно сохраняет порядок
выполнения инструкций. Ситуация, когда одновременное выполнение нескольких инструкций может
привести к логически некорректной работе конвейера, известна как «конфликт конвейера» (англ. Pipeline
hazard). Существуют различные методы устранения конфликтов (форвардинг и другие).
Бесконвейерная архитектура значительно менее эффективна из-за меньшей загрузки функциональных
модулей процессора в то время, пока один или небольшое число модулей выполняет свою роль во время
обработки инструкций. Конвейер не убирает полностью время простоя модулей в процессорах как таковое и
не уменьшает время выполнения каждой конкретной инструкции, но заставляет модули процессора работать
параллельно над разными инструкциями, увеличивая тем самым количество инструкций, выполняемых за
единицу времени, а значит и общую производительность программ.
Процессоры с конвейером внутри устроены так, что обработка инструкций разделена на последовательность
стадий, предполагая одновременную обработку нескольких инструкций на разных стадиях. Результаты
работы каждой из стадий передаются через ячейки памяти на следующую стадию, и так — до тех пор, пока
инструкция не будет выполнена. Подобная организация процессора, при некотором увеличении среднего
времени выполнения каждой инструкции, тем не менее обеспечивает значительный рост
производительности за счёт высокой частоты завершения выполнения инструкций.
Не все инструкции являются независимыми. В простейшем конвейере, где обработка инструкции
представлена пятью стадиями, для обеспечения полной загрузки, в то время пока заканчивается обработка
первой инструкции, должно обрабатываться параллельно ещё четыре последовательных независимых
инструкции. Если последовательность содержит инструкции, зависимые от выполняемых в данный момент,
то управляющая логика простейшего конвейера приостанавливает несколько начальных стадий конвейера,
помещая этим самым в конвейер пустую инструкцию («пузырёк»), иногда неоднократно, — до тех пор, пока
зависимость не будет разрешена. Существует ряд приёмов, таких как форвардинг, значительно снижающих
необходимость приостанавливать в таких случаях часть конвейера. Однако зависимость между
инструкциями, одновременно обрабатываемыми процессором, не позволяет добиться увеличения
производительности кратно количеству стадий конвейера в сравнении с бесконвейерным процессором.
Преимущества и недостатки
Конвейер помогает не во всех случаях. Существует несколько возможных минусов. Конвейер инструкций
можно назвать «полностью конвейерным», если он может принимать новую инструкцию каждый машинный
цикл (англ. en:clock cycle). Иначе в конвейер должны быть вынужденно вставлены задержки, которые
выравнивают конвейер, при этом ухудшат его производительность.
Преимущества конвейера:
14
1.
2.
Время цикла процессора уменьшается, таким образом увеличивая скорость обработки инструкций
в большинстве случаев.
Некоторые комбинационные логические элементы, такие как сумматоры (англ. adders) или
умножители (англ. multipliers) могут быть ускорены путем увеличения количества логических
элементов. Использование конвейера может предотвратить ненужное наращивание количества
элементов.
Недостатки конвейера:
1.
2.
3.
Беcконвейерный процессор исполняет только одну инструкцию за раз. Это предотвращает
задержки веток инструкций (фактически, каждая ветка задерживается), и проблемы, связанные с
последовательными инструкциями, которые исполняются параллельно. Следовательно, схема
такого процессора проще и он дешевле для изготовления.
Задержка инструкций в беcконвейерном процессоре слегка ниже, чем в конвейерном эквиваленте.
Это происходит из-за того, что в конвейерный процессор должны быть добавлены дополнительные
триггеры.
У беcконвейерного процессора скорость обработки инструкций стабильна. Производительность
конвейерного процессора предсказать намного сложнее, и она может значительно различаться в
разных программах.
Общий четырехуровневых конвейер; цветные квадраты символизируют независимые друг от друга
инструкции
Справа изображен общий конвейер с четырьмя стадиями работы:
1.
2.
3.
4.
Получение (англ. Fetch)
Раскодирование (англ. Decode)
Выполнение (англ. Execute)
Запись результата (англ. Write-back)
15
Верхняя серая область — список инструкций, которые предстоит выполнить. Нижняя серая область —
список инструкций, которые уже были выполнены. И средняя белая область является самим конвейером.
Выполнение происходит следующим образом:
Цикл
0
Действия
Четыре инструкции ожидают исполнения
1

Зеленая инструкция забирается из памяти
2


Зеленая инструкция раскодируется
Фиолетовая инструкция забирается из памяти



Зеленая инструкция выполняется (то есть исполняется то действие, которое она кодировала)
Фиолетовая инструкция раскодируется
Синяя инструкция забирается из памяти




Результаты исполнения зеленой инструкции записываются в регистры или в память
Фиолетовая инструкция выполняется
Синяя инструкция раскодируется
Красная инструкция забирается из памяти




Зеленая инструкция завершилась
Результаты исполнения фиолетовой инструкции записываются в регистры или в память
Синяя инструкция выполняется
Красная инструкция раскодируется



Фиолетовая инструкция завершилась
Результаты исполнения синей инструкция записываются в регистры или в память
Красная инструкция выполняется
7


Синяя инструкция завершилась
Результаты исполнения красной инструкции записываются в регистры или в память
8

Красная инструкция завершилась
3
4
5
6
9
Все инструкции были выполнены
16
[править] Пузырек
Пузырек в третьем такте обработки задерживает исполнение
Когда в выполнении по каким-либо причинам случается небольшой сбой или задержка, в конвейере
получается «пузырек», в котором не происходит ничего полезного. Во втором такте обработка фиолетовой
инструкции задерживается и вместо стадии расшифровки в третьем такте теперь находится пузырек. Всё,
что находится «за» фиолетовой инструкцией, испытывает задержку в один такт, тогда как все, что находится
«перед» фиолетовой инструкцией продолжает исполняться.
Очевидно, что наличие пузырька в конвейере дает суммарное время исполнения в 8 тактов вместо 7 на
схеме исполнения, продемонстрированной выше.
Пузырьки — это как заглушки, в которых не случается ничего полезного при их прочтении,
раскодировании, исполнении и записи результата. Они могут быть выражены при помощи инструкции
NOP[1][2][3]ассемблера.
[править] Пример 1
Допустим, типичная инструкция для сложения двух чисел это СЛОЖИТЬ A, B, C. Эта инструкция
суммирует значения, находящиеся в ячейках памяти A и B, а затем кладет результат в ячейку памяти C. В
конвейерном процессоре контроллер может разбить эту операцию на последовательные задачи вида
ЗАГРУЗИТЬ A, R1
ЗАГРУЗИТЬ B, R2
СЛОЖИТЬ R1, R2, R3
ЗАПИСАТЬ R3, C
загрузить следующую инструкцию
Ячейки R1, R2 и R3 являются регистрами процессора. Значения, которые хранятся в ячейках памяти,
которые мы называем A и B, загружаются (то есть копируются) в эти регистры, затем суммируются, и
результат записывается в ячейку памяти C.
17
В данном примере конвейер состоит из трех уровней — загрузки, исполнения и записи. Эти шаги
называются, очевидно, уровнями или шагами конвейера.
В бесконвейерном процессоре, только один шаг может работать в один момент времени, поэтому
инструкция должна полностью закончиться прежде, чем следующая инструкция в принципе начнется. В
конвейерном процессоре, все эти шаги могут выполняться одновременно на разных инструкциях. Поэтому
когда первая инструкция находится на шаге исполнения, вторая инструкция будет на стадии
раскодирования, а третья инструкция будет на стадии прочтения.
Конвейер не уменьшает время, которое необходимо для того, чтобы выполнить инструкцию, но зато он
увеличивает объем (число) инструкций, которые могут быть выполнены одновременно и таким образом
уменьшает задержку между выполненными инструкциями — увеличивая т. н. пропускную способность. Чем
больше уровней имеет конвейер, тем больше инструкций могут выполняться одновременно и тем меньше
задержка между завершенными инструкциями. Каждый микропроцессор, произведенный в наши дни,
использует как минимум двухуровневый конвейер.
[править] Пример 2
Чтобы лучше продемонстрировать идею, давайте посмотрим на теоретический трехуровневый конвейер:
Шаг
Загрузка
Описание
Прочитать инструкцию из памяти
ИсполнениеИсполнить инструкцию
Запись
Записать результат в память и/или регистры
и на псевдоассемблерный листинг, который нужно выполнить:
ЗАГРУЗИТЬ
КОПИРОВАТЬ
СЛОЖИТЬ
ЗАПИСАТЬ
40,
A,
20,
B,
A
B
B
0x0300
;
;
;
;
загрузить число 40 в A
скопировать A в B
добавить 20 к B
записать B в ячейку памяти 0x0300
Теперь как это всё будет исполняться:
Такт 1
Загрузка ИсполнениеЗапись
ЗАГРУЗИТЬ
Инструкция ЗАГРУЗИТЬ читается из памяти.
Такт 2
Загрузка ИсполнениеЗапись
КОПИРОВАТЬЗАГРУЗИТЬ
Инструкция ЗАГРУЗИТЬ выполняется, тогда как инструкция КОПИРОВАТЬ читается из памяти.
Такт 3
18
Загрузка Исполнение Запись
СЛОЖИТЬКОПИРОВАТЬЗАГРУЗИТЬ
Инструкция ЗАГРУЗИТЬ находится на шаге записи результата, где её результат (то есть число 40)
записывается в регистр А. В это же время, инструкция КОПИРОВАТЬ исполняется. Так как она должна
скопировать содержимое регистра A в регистр B, она должна дождаться окончания инструкции
ЗАГРУЗИТЬ.
Такт 4
Загрузка Исполнение
Запись
ЗАПИСАТЬСЛОЖИТЬ СКОПИРОВАТЬ
Загружена инструкция ЗАПИСАТЬ, тогда как инструкция СКОПИРОВАТЬ прощается с нами, а по
инструкции СЛОЖИТЬ в данный момент производятся вычисления.
И так далее. Следует учитывать, что иногда инструкции будут зависеть от результатов других инструкций
(например, как наша инструкция СКОПИРОВАТЬ). Когда более, чем одна инструкция ссылается на
определенное место, читая его (то есть используя в качестве входного операнда) либо записывая в него (то
есть используя его в качестве выходного операнда), исполнение инструкций не в порядке, который был
изначально запланирован в оригинальной программе может повлечь за собой «конфликт конвейера»
(англ. en:Hazard (computer architecture)) (о чем упоминалось выше). Существует несколько
зарекомендовавших себя приемов для либо предотвращения конфликтов, либо их исправления, если они
случились.
[править] Трудности
Множество схем включают в себя конвейеры в 7, 10 или даже 20 уровней (как, например, в Intel Pentium 4).
Поздние ядра Pentium 4 с кодовыми именами «Prescott» и «Cedar Mill» (и их Pentium D-производные) имеют
31-уровневый конвейер, самый длинный среди популярных процессоров. Xelerator X10q имеет конвейер
длиной более, чем в тысячу шагов[4]. Обратной стороной медали в данном случае является необходимость
сбрасывать весь конвейер в случае, если ход программы изменился (например, по условному оператору).
Эту проблему пытаются решать предсказатели переходов (англ. en:Branch predictor). Предсказание
переходов само по себе может только усугубить ситуацию, если предсказание производится плохо. В
некоторых областях применения, таких как вычисления на суперкомпьютерах, программы специально
пишутся так, чтобы как можно реже использовать условные операторы, поэтому очень длинные конвейеры
весьма позитивно скажутся на общей скорости вычислений, так как длинные конвейеры проектируются так,
чтобы уменьшить CPI (англ. Clocks Per Instruction, количество тактов на инструкцию). Если ветвление
происходит постоянно, переорганизация таким образом, чтобы те инструкции, которые, скорее всего,
понадобятся, были размещены в конвейере, может значительно уменьшить потери скорости по сравнению с
необходимостью каждый раз полностью сбрасывать конвейер. Программы типа gcov могут использоваться
для того, чтобы определять, как часто отдельные ветки исполняются на самом деле, используя технологию,
известную как анализ покрытия кода (англ. Code coverage analysis), хотя на практике подобный анализ
является последней мерой при оптимизации[источник не указан 410 дней].
Высокая пропускная способность конвейеров оборачивается тормозами в случае, если в исполняемом коде
содержится много условных переходов: процессор не знает, откуда читать следующую инструкцию, и
поэтому вынужден ждать, когда закончится инструкция условного перехода, оставляя за ней пустой
конвейер. После того, как ветка будет пройдена и станет известно, куда процессору необходимо переходить
в дальнейшем, следующая инструкция должна будет пройти весь путь через конвейер перед тем, как
результат становится доступным и процессор снова «работает». В крайнем случае, производительность
конвейерного процессора может теоретически упасть до производительности бесконвейерного, или даже
быть хуже за счет того, что будет занят только один уровень конвейера и между уровнями присутствует
небольшая задержка.
19
Из-за конвейера процессора, код, который загружает процессор, не будет исполнен мгновенно. Из-за этого,
обновления в коде, которые находятся очень близко к текущему месту исполнения программы, могут
пройти незамеченными из-за того, что код уже предзагружен в en:Prefetch Input Queue. Кэш инструкций еще
больше усугубляют эту проблему. Стоит учитывать, что данная проблема присутствует только в
самомодифицирующихся программах, а также в упаковщиках исполняемых файлов.
Генератор тактовых импульсов
Генератор тактовой частоты (генератор тактовых импульсов) генерирует
электрические импульсы заданной частоты (обычно прямоугольной формы) для
синхронизации различных процессов в цифровых устройствах — ЭВМ, электронных
часах и таймерах, микропроцессорной и другой цифровой технике. Тактовые импульсы
часто используются как эталонная частота — считая их количество, можно, например,
измерять временные интервалы.
В микропроцессорной технике один тактовый импульс, как правило, соответствует одной
атомарной операции. Обработка одной инструкции может производиться за один или
несколько тактов работы микропроцессора, в зависимости от архитектуры и типа
инструкции. Частота тактовых импульсов определяет скорость вычислений.
[править] Типы генераторов
В зависимости от сложности устройства, используют разные типы генераторов.
[править] Классический
В несложных конструкциях, не критичных к стабильности тактового генератора, часто
используется последовательное включение нескольких инверторов через RC-цепь.
Частота колебаний зависит от номиналов резистора и конденсатора. Основной минус
данной конструкции — низкая стабильность. Плюс — предельная простота.
[править] Кварцевый
Генератор Пирса.
[править] Кварц + микросхема генерации
Микросхема генерации представляет собой специальную микросхему, которая при подаче
на её входную ногу сигнала с кварцевого резонатора будет выдавать на остальных
выводах частоту, делённую или умноженную на исходную. Данное решение используется
в часах, а также на старых материнских платах (где частоты шин были заранее известны,
только внутренняя частота центрального процессора умножалась коэффициентом
умножения).
[править] Программируемая микросхема генерации
В современных материнских платах необходимо большое количество разных частот,
помимо опорной частоты системной шины, которые, по возможности, не должны быть
20
зависимы друг от друга. Хотя базовая частота всё же формируется кварцевым
резонатором (частота — 14,3 МГц), она необходима лишь для работы самой микросхемы.
Выходные же частоты корректируются самой микросхемой. Например, частота системной
шины может быть всегда равна стандартным 33 МГц, AGP — 66 МГц и не зависеть от
частоты FSB процессора.
Если в электронной схеме необходимо разделить частоту на 2 используют Т-триггер в
режиме счётчика импульсов. Соответственно, для увеличения делителя увеличивают
количество счётчиков (триггеров).
[править] Тактовый генератор
Тактовый генератор — автогенератор, формирующий рабочие такты процессора
(«частоту»). В некоторых процессорах (например, Z80) выполняется встроенным.
Кроме тактовки процессора в обязанности тактового генератора входит организация
циклов системной шины. Поэтому его работа часто тесно связана с циклами обновления
памяти, контроллером ПДП и дешифратором сигналов состояния процессора.
Кварцевый резонатор
Кварцевый резонатор, кварц — прибор, в котором пьезоэлектрический эффект и
явление механического резонанса используются для построения высокодобротного
резонансного элемента электронной схемы.
Несмотря на то, что вместо кварца часто используются и другие пьезоэлектрики,
например, керамика (Crystal oscillator), прилагательное «кварцевый» является
общеупотребительным для всех таких устройств.
Принцип действия
Обозначение кварцевого резонатора на принципиальной электрической схеме
Кварцевые резонаторы на 27,14 МГц и 32768 Гц
21
Кварцевый резонатор извлечён из корпуса. Видно золочение противоположных плоскостей
пластинки.
На пластинку, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца определённым
образом, нанесены 2 и более электродов — проводящие полоски.
Пластинка закреплена и имеет собственную резонансную частоту механических
колебаний.
При подаче напряжения на электроды благодаря пьезоэлектрическому эффекту
происходит изгибание, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан
кусок кристалла.
Однако колеблющаяся пластинка в результате того же пьезоэлектрического эффекта
создаёт во внешней цепи противо-ЭДС, что можно рассматривать как явление,
эквивалентное работе катушки индуктивности в колебательном контуре.
Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных
механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний
пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это тоже
соответствует поведению колебательного контура.
Эквивалентная схема
История
Пьезоэлектрический эффект был впервые открыт братьями Жаком и Пьером Кюри. Поль
Ланжевен впервые использовал этот эффект в часовом резонаторе гидролокатора перед
первой мировой войной. Первый кристальный резонатор, работающий на сегнетовой
соли, был изготовлен в 1917 году и запатентован в 1918 году Александром М.
Николсоном (Alexander M. Nicholson) из компании Bell Telephone Laboratories, хотя это
оспаривалось Уолтером Гейтоном Кэди (Walter Guyton Cady), который изготовил
кварцевый резонатор в 1921 году. Некоторые улучшения в кварцевые резонаторы
вводились позже Льюисом Эссеном (Louis Essen) и Джорджом Вашингтоном Пирсом
(George Washington Pierce).
22
Первые стабильные по частоте кварцевые резонаторы были разработаны в 1920—30-х
годах. Начиная с 1926 года, кварцевые резонаторы на радиостанциях использовались в
качестве задающих несущую частоту элементов. В то же время резко возросло количество
компаний, начавших выпускать кварцевые резонаторы; только до 1939 года в США было
выпущено более чем 100 000 ед.
[править] Применение
Одним из самых популярных видов резонаторов являются резонаторы, применяемые в
часовых схемах. Резонансная частота часовых резонаторов 32768 Гц, поделённая на 15разрядном двоичном счётчике, даёт интервал времени в 1 секунду.
Применяются в генераторах с фиксированной частотой, где необходима высокая
стабильность частоты. В частности, в опорных генераторах синтезаторов частот и в
трансиверных радиостанциях для формирования DSB-сигнала на промежуточной частоте
и детектирования SSB или телеграфного сигнала.
Также применяются в кварцевых полосовых фильтрах промежуточной частоты
супергетеродинных приёмников. Такие фильтры могут выполняться по лестничной или
дифференциальной схеме и отличаются очень высокой добротностью и стабильностью по
сравнению с LC-фильтрами.
По типу корпуса кварцевые резонаторы могут быть выводные для объёмного монтажа
(стандартные и цилиндрические) и для поверхностного монтажа (SMD).
Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры,
как допуск по частоте (отклонение частоты), стабильность частоты, нагрузочная ёмкость,
старение.
[править] Преимущества перед другим решениями






Достижение намного больших значений добротности (104−106) эквивалентного
колебательного контура, нежели любым другим способом.
Малые размеры устройства (вплоть до долей мм).
Большая температурная стабильность.
Большая долговечность.
Лучшая технологичность.
Построение качественных каскадных фильтров без необходимости их ручной настройки.
[править] Недостатки

Чрезвычайно узкий диапазон подстройки частоты внешними элементами. Практически
для многодиапазонных систем эта проблема решается построением синтезаторов частоты
различной степени сложности.
23
Тема 2. Схема ЦПУ, регистры, шины, мосты, чипсеты, слоты
расширения, порты
Зако́н Му́ра — эмпирическое наблюдение, сделанное в 1965 году (через шесть лет после изобретения
интегральной схемы), в процессе подготовки выступления Гордоном Муром (одним из основателей Intel).
Мур высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца.
При анализе графика роста производительности запоминающих микросхем им была обнаружена
закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно одинаковые периоды
(18—24 мес.) после предшественников, при этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз
приблизительно вдвое. Гордон Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность
вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти
экспоненциально.
Это наблюдение получило название закон Мура. Существует масса схожих утверждений, которые
характеризуют процессы экспоненциального роста, также именуемых «законами Мура». К примеру, менее
известный «второй закон Мура»[1], введённый в 1998 году Юджином Мейераном, который гласит, что
стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением производимых
микросхем. Так, стоимость фабрики, на которой корпорация Intel производила микросхемы динамической
памяти ёмкостью 1 Кбит, составляла 4 млн. $, а оборудование по производству микропроцессора Pentium по
0,6-микрометровой технологии c 5,5 млн. транзисторов обошлось в 2 млрд. $. Стоимость же Fab32, завода
по производству процессоров на базе 45-нм техпроцесса, составила 3 млрд. $[2].
«Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как
промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767 стоил бы 500
долл. и совершал облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом пять галлонов (~18,9 л)
топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и
повышение экономичности ЭВМ».
— Журнал «В мире науки» (1983, № 10)[3]
(русское издание «Scientific American»)
Типовые структуры операционного блока микропроцессора
Основным узлом операционного блока микропроцессора является арифметико-логическое устройство,
внутреннее устройство которого мы рассмотрели в предыдущей главе. У этого узла присутствуют два входа
и один выход данных. В результате логичным образом получается структурная схема операционного блока,
приведенная на рис. 1.
Рис. 1 Трёхшинная структура операционного блока микропроцессора
На этом рисунке источники информации и результат выполнения операции хранятся в специальном
сверхоперативном ОЗУ, которое представляет собой небольшое количество регистров с возможностью
одновременного считывания из двух регистров и записи в третий. Так как для передачи данных требуется
три шины данных, то такая структура операционного блока называется трехшинной.
24
Обратите внимание, что теперь в составе цифрового устройства присутствуют регистры, и, следовательно,
для запоминания результатов работы арифметико-логического устройства на вход синхронизации этих
регистров необходимо подавать сигнал синхронизации CLK. Сигнал тактовой синхронизации обязательно
требуется для правильной работы любого операционного блока.
Тактовые сигналы на операционный блок микропроцессора поступают с выхода тактового генератора,
причем, максимально возможная частота этого генератора, а, следовательно, и время выполнения
микропроцессором одной операции будет определяться временем прохождения цифровых сигналов через
арифметико-логическое устройство и регистры сверхоперативного запоминающего устройства. Очень часто
быстродействие микропроцессоров оценивают именно по значению максимально возможной частоты
тактового генератора.
Обычно при построении операционного блока микропроцессора один из регистров-источников и регистрприемник информации объединяют. Это позволяет сократить количество адресных шин в управляющем
коде микропроцессора. В результате минимальное количество регистров в сверхоперативном ОЗУ
составляет два регистра, однако количество регистров в операционном блоке обычно делается равным
шестнадцати. Этого количества регистров вполне достаточно для реализации достаточно сложных
алгоритмов обработки данных и в то же время не приводит к необходимости значительного увеличения
адресной части управляющей микрокоманды.
В микропроцессорной системе с применением трехшинного операционного блока возможно выполнение
арифметических и логических операций в течение одного такта сигнала синхронизации. Это позволяет
достигнуть максимального быстродействия микропроцессора. Именно поэтому подобная структура
операционного блока широко используется внутри микросхем сигнальных процессоров.
Для обеспечения возможности работы с числами, число разрядов в которых превышает разрядность АЛУ, в
состав операционного блока включен дополнительный триггер, в котором хранится флаг переноса в
следующий разряд "C". При этом для того, чтобы операционный блок мог выполнять операции
суммирования или вычитания с одиночной разрядностью чисел, к входу переноса АЛУ можно подключать
не только выход триггера хранения флага переноса C, но и подавать уровень логического нуля или единицы.
В качестве недостатка трехшинной структуры операционного блока следует назвать то, что шины передачи
данных занимают огромную площадь на кристалле микросхемы, поэтому в более дешевых
микропроцессорах используется другая структура операционного блока. Структурная схема подобного
операционного блока микропроцессора приведена на рис. 2.
Рис. 2 Двухшинная структура операционного блока микропроцессора
На данном рисунке сигнал синхронизации не показан, однако этот сигнал подводится ко всем регистрам и
триггеру хранения признака переноса C. В этой структуре операционного блока микропроцессора
используется только две шины передачи данных, поэтому она получила название двухшинной. Для
формирования двух источников данных для входов АЛУ в двухшинной схеме операционного блока
микропроцессора используются два регистра временного хранения TMP1 и TMP2.
В результате того, что входные данные к арифметико-логическому устройству передаются по одной шине
данных, получается, что для выполнения одной операции требуется, как минимум, два такта сигнала
синхронизации CLK. Это приводит к тому, что быстродействие данной структуры при той же частоте
25
тактовой синхронизации микропроцессора будет ниже быстродействия трехшинной структуры
операционного блока микропроцессора.
Наименьшую площадь на кристалле занимает одношинная структура операционного блока
микропроцессора. Структурная схема подобного операционного блока микропроцессора приведена на
рис. 3.
Рис. 3 Одношинная структура операционного блока микропроцессора
Теперь давайте рассмотрим подробнее особенности работы микропроцессора, построенного на основе
подобного операционного блока. Прежде чем рассматривать его внутреннее устройство, определим, какие
же задачи должен решать микропроцессор. Как уже упоминалось ранее, операционный блок
микропроцессора предназначен для считывания команд из системной памяти процессора и последующего
их выполнения. При этом не важно будет ли программа размещена в постоянном или оперативном
запоминающем устройстве. Именно поэтому прежде чем перейти к построению операционного блока
микропроцессора рассмотрим особенности команд, управляющих его работой.
Наиболее простой структурой, как это тоже уже упоминалось ранее, обладают команды аккумуляторного
микропроцессора. Давайте остановимся подробнее на принципах построения команд подобного процессора.
Системная шина микропроцессора
Системная шина процессора предназначена для обмена информацией микропроцессора с любыми
внутренними устройствами микропроцессорной системы (контроллера или компьютера). В качестве
обязательных устройств, которые входят в состав любой микропроцессорной системы, можно назвать ОЗУ,
ПЗУ, таймер и порты ввода-вывода. Структурная схема простейшего микропроцессорного устройства
приведена на рисунке 1.
В состав системной шины в зависимости от типа процессора входит одна или несколько шин адреса, одна
или несколько шин данных и шина управления. Несколько шин данных и адреса применяется для
увеличения производительности процессора и используется только в сигнальных процессорах. В
универсальных процессорах и контроллерах обычно применяется одна шина адреса и одна шина данных.
В понятие шины вкладывают разное значение при рассмотрении различных вопросов. В простейшем случае
под понятием шина подразумевают параллельно проложенные провода, по которым передаётся двоичная
информация. При этом по каждому проводу передаётся отдельный двоичный разряд. Информация может
передаваться в одном направлении, как, например, для шины адреса или шины управления, или в различных
направлениях (для шины данных). По шине данных информация передаётся либо к процессору, либо от
процессора в зависимости от операции записи или чтения, которую в данный момент осуществляет
процессор.
В любом случае все сигналы, необходимые для работы системной шины формируются микросхемой
процессора как это рассматривалось при изучении блока обработки данных. Иногда для увеличения
скорости обработки информации функции управления системной шины берёт на себя отдельная микросхема
(например контроллер прямого доступа к памяти или сопроцессор). Арбитраж доступа к системной шине
при этом осуществляет контроллер системной шины (в простейшем случае достаточно сигнала занятости
шины).
26
В некоторых случаях в понятие шина дополнительно включают требования по уровням напряжения,
которыми представляются нули и единицы, передаваемые по её проводам. В состав требований могут быть
включены длительности фронтов передаваемых сигналов, типы используемых разъёмов и их распайка,
последовательность передаваемых сигналов и скорость их передачи.
Рисунок 1. Структурная схема подключения микропроцессорных устройств к системной шине.
При подключении различных устройств к системной шине возникает вопрос - как различать эти устройства
между собой? Единственный способ сделать это использовать индивидуальный адрес для каждого
устройства, подключенного к системной шине микропроцессора. Так как адресация производится к каждой
ячейке устройства индивидуально, то возникает понятие адресного пространства, занимаемого каждым
устройством и адресного пространства микропроцессорного устройства в целом.
Принципы построения параллельного порта
Параллельные порты предназначены для обмена информацией микропроцессора с внешними
устройствами, при этом в качестве внешнего устройства может изпользоваться другой компьютер.
Параллельные порты позволяют согласовывать низкую скорость работы внешнего устройства и высокую
скорость работы системной шины микропроцессора. С точки зрения внешнего устройства порт представляет
собой обычный источник или приемник информации со стандартными цифровыми логическими уровнями
(обычно ТТЛ), а с точки зрения микропроцессора - это ячейка памяти, в которую можно записывать данные
или в которой сама собой появляется информация.
В качестве внешнего устройства может служить любой объект управления или источник информации
(различные кнопки, датчики, микросхемы приемников, синтезаторов частот, дополнительной памяти,
исполнительные механизмы, двигатели, реле и т.д.).
В зависимости от направления передачи данных параллельные порты называются портами ввода, вывода
или портами ввода вывода.
Структурная схема порта ввода приведена на рис 1.
27
В качестве порта ввода может быть использована схема с
открытым коллектором или с третьим (Z) состоянием. В
настоящее время обычно используются схемы с третьим
состоянием. Параллельное соединение таких схем называется
шинным формирователем. Из порта ввода возможно только
чтение информации.
Выход шинного формирователя подключается к внутренней
шине. Значение сигнала с внешнего вывода порта
считывается по сигналу "RD".
Рис. 1. Структурная схема порта ввода.
Для отображения этого шинного формирователя только в
одну ячейку памяти адресного пространства
микропроцессорного устройства в составе порта вводавывода всегда присутствует дешифратор адреса.
Так как с точки зрения программиста эта ячейка памяти ничем не отличается от регистра данных порта
вывода, то по аналогии она называется регистром данных порта ввода.
Структурная схема порта вывода приведена на рис 2.
В качестве порта вывода может быть использован
параллельный регистр. В порт вывода возможна только
запись.
Данные с внутренней шины микроконтроллера записываются
в регистр по сигналу "WR". Выходы "Q" регистра могут быть
использованы как источники логических уровней для
управления внешними устройствами.
Рис. 2. Структурная схема порта вывода.
Для отображения этого регистра только в одну ячейку
памяти адресного пространства микропроцессорного
устройства в составе порта ввода-вывода всегда присутствует
дешифратор адреса. Этот регистр называется регистром
данных порта вывода.
Так как из порта ввода возможно только чтение, а в порт вывода возможна только запись, то для них обычно
отводится один и тот же адрес в адресном пространстве памяти микропроцессора.
Порты выпускаются в качестве универсальных микросхем, но на заводе, где производятся эти микросхемы
неизвестно сколько на самом деле потребуется линий ввода информации, и сколько потребуется линий
вывода информации. Количество же ножек у микросхемы ограничено. Поэтому в одной универсальной
микросхеме размещаются и порт ввода и порт вывода информации, а для подключения этих портов к
внешним ножкам микросхемы используется коммутатор. Для управления этим коммутатором используется
еще один (внутренний) параллельный порт вывода, регистр данных которого называется регистром
управления параллельного порта ввода-вывода, а сам порт называется портом ввода-вывода. Адрес для
регистра управления обычно назначается рядом с адресом регистра данных порта ввода-вывода.
28
<="" p="">
Рис. 3. Структурная схема параллельного порта ввода-вывода.
В некоторых микропроцессорах для портов ввода вывода выделяется отдельное адресное пространство. В
этом случае для записи в порт и для чтения из порта используются отдельные сигналы чтения и записи.
Чаще всего они называются IOWR# и IORD#.
Параллельные порты, предназначенные для обмена данными между компьютерами, или компьютером и
принтером, устроены несколько иначе. Основным отличием обмена данных между компьютерами или
контроллерами от обмена данными между компьютером и простым внешним устройством является
большой объём передаваемых данных. В этом случае недостаточно выдачи на выход порта одного или даже
нескольких байт информации, поэтому приходится передавать данные последовательно байт за байтом
через один и тот же параллельный порт. Байты необходимо каким либо образом отличать друг от друга,
поэтому вводится специальный сигнал синхронизации CLK, который позволяет отличать один байт от
другого. Для формирования такого сигнала можно воспользоваться вторым параллельным портом, и
получить его программным способом, но обычно этот сигнал формируется аппаратно из сигнала WR# при
записи очередного байта в параллельный порт вывода. Временная диаграмма обмена данными через
параллельный порт приведена на рисунке 4.
Рис. 4. Временная диаграмма работы параллельного порта.
В лекции приведены только основы работы параллельного порта. Кому интересно познакомиться с
особенностями работы параллельных портов может обратиться к специализированной литературе.
29
Далеко не полную информацию по LPT порту универсального компьютера можно посмотреть здесь.
Принципы построения последовательного порта
Последовательные порты предназначены для обмена информацией микропроцессоров между собой, а
также для связи с устройствами в которых критично количество соединительных проводов. В настоящее
время широко используются два вида последовательных портов:
1.
2.
синхронные последовательные порты;
асинхронные последовательные порты.
Синхронные последовательные порты
При рассмотрении работы параллельного порта в режиме обмена данными с другим компьютером или
принтером уже рассматривался режим последовательной передачи байтов. В последовательном порту
режим последовательной передачи применяется не только к байтам, но и к отдельным битам внутри байта.
В этом случае для передачи данных достаточно только одного провода. Передаваемая и принимаемая
информация обычно представляется в виде однобайтовых или многобайтовых слов. Вес каждого бита в
слове различен, поэтому кроме битовой синхронизации, аналогичной байтовой синхронизации для
параллельного порта, требуется кадровая синхронизация. Кадровая синхронизация позволяет однозначно
определять номер каждого бита в передаваемом слове. Временная диаграмма передачи кадра по
синхронному последовательному порту приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Временная диаграмма передачи одного кадра двоичной информации по последовательному
порту.
Временная диаграмма, приведённая на рисунке 1, применяется в синхронных последовательных портах,
которые используются чаще всего в сигнальных процессорах для обмена информацией с кодеками речи,
аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями. На приведённой временной диаграмме
показаны два сигнала синхронизации: сигнал тактовой синхронизации CLK и сигнал кадровой
синхронизации FS. Сигнал кадровой синхронизации формируется аппаратно из сигнала WR# при записи
очередного байта в параллельный порт вывода. Полярность сигналов синхронизации зависит от конкретного
типа применяемых микросхем, поэтому в большинстве сигнальных процессоров возможна настройка
полярности сигналов синхронизации.
30
Упрощённая схема синхронного последовательного порта приведена на рисунке 2. На этой схеме видно, что
в состав последовательного порта входит параллельный порт, который позволяет подключаться к системной
шине микропроцессора. Для преобразования параллельного кода, который поступает из системной шины в
последовательный, используется сдвиговый регистр. При обращении центрального процессора к
последовательному порту вырабатывается сигнал записи в последовательный порт, который подаётся на
вход параллельной записи V универсального регистра. Этот же сигнал используется в качестве сигнала
кадровой синхронизации FS. Сигнал тактовой синхронизации CLK, вырабатываемый отдельным
генератором, подаётся на вход последовательного сдвига C универсального регистра порта.
Рисунок 2. Упрощённая схема синхронного последовательного порта
Количество передаваемых в одном кадре бит может меняться от восьми до тридцатидвух. В качестве
примера использования синхронного последовательного порта на рисунке 3 приведена схема подключения
аналого-цифрового преобразователя фирмы Analog Devices к синхронному последовательному порту
сигнального процессора той же фирмы.
Рисунок 3. Схема подключения кодека к синхронному последовательному порту.
В рассмотренной схеме синхронного последовательного порта на приёмном конце необходимо
подсчитывать количество тактовых импульсов, прошедшее после импульса кадровой синхронизации. Кроме
того, в таком синхронном последовательном порту информация передаётся непрерывно, что, конечно,
удобно для устройств с непрерывным потоком информации, как, например, в кодеках речи. Но существуют
устройства, к которым необходимо обращаться только периодически, как, например, синтезаторы частоты,
микросхемы приёмников, блоков цветности телевизоров, микросхем памяти данных и многие другие
устройства. В этих случаях используются другие виды синхронных последовательных портов такие как SPI
порт и I2C шина. Временная диаграмма SPI интерфейса приведена на рисунке 4.
31
Рисунок 4. Временная диаграмма SPI интерфейса.
Основное отличие этого интерфейса от приведённого выше, заключается в том, что сигнал тактовой
синхронизации передаётся только в момент действия импульса кадровой синхронизации. Активный уровень
сигнала кадровой синхронизации длится до окончания передачи последнего бита в передаваемом кадре. По
одним и тем же линиям передачи данных MISO (вход для главного, выход для ведомого) и MOSI (выход для
главного, вход для ведомого) может передаваться информация к совершенно различным микросхемам.
Выбор, для какой из микросхем предназначена информация, производится сигналом SS (выбор ведомого). В
SPI интерфейсе в приёмнике не требуется счётчик тактовых импульсов. Запись принятой информации
производится по окончанию кадрового импульса.
Если в устройстве используется несколько микросхем, то количество линий выбора ведомого становится
значительным, поэтому в таких случаях используется ещё один вид синхронного последовательного
интерфейса: I2C шина. Временная диаграмма этого интерфейса приведена на рисунке 5. В I2C шине приём и
передача данных, а также передача адреса микросхемы и адреса регистра внутри микросхемы, к которому
осуществляется обращение, производится по одному и тому же проводу. Для подключения к этому проводу
используются микросхемы с открытым коллектором. Нагрузкой для всех микросхем, подключенных к
линии SDA служит внешний резистор. Естественно, что скорость передачи данных по такому порту будет
ниже, по сравнению с SPI портом. Тактовая синхронизация в I2C шине передаётся по линии SCL. Начало
работы с микросхемой обозначается особой комбинацией сигналов SDA и SCL, которая называется
условием старта. Эта же комбинация одновременно осуществляет кадровую синхронизацию. Завершение
работы с микросхемой обозначается ещё одной комбинацией сигналов SDA и SCL. В качестве примера
микросхем, использующих интерфейс I2C можно назвать микросхемы EEPROM серии 24сXX.
Рисунок 5. Временная диаграмма I2C интерфейса.
32
Асинхронные последовательные порты
Рассмотренные синхронные последовательные порты позволяют достигнуть больших скоростей передачи
данных, но провод, по которому ведётся передача синхросигнала, практически не несёт информации. Такой
сигнал можно было бы сформировать и на приёмном конце линии передачи, если заранее договориться о
скорости передачи. Единственная проблема - это то, что невозможно построить два абсолютно одинаковых
генератора. Генераторы необходимо синхронизировать. Для синхронизации внутренних генераторов
используется особое условие начала асинхронной передачи: старт. Всё время, пока не ведётся передача
информации, на линии присутствует стоп-сигнал единичного уровня. Перед началом передачи каждого
байта передаётся старт-бит, сигнализирующий приемнику о начале посылки данных, за которым следуют
информационные биты. Стартовый бит всегда передаётся нулевым уровнем с длительностью, равной
длительности информационных бит. В некоторых случаях после передачи информационных бит может
передаваться, бит паритета (четности). Завершается передача данных стоп-сигналом. Минимальная
длительность стопового сигнала должна быть 1,5 длительности информационных бит, но обычно
используют паузу между соседними пакетами данных две длительности информационного бита. Временная
диаграмма передаваемых сигналов при асинхронной передаче приведена на рисунке 6.
Рисунок 6. Временная диаграмма передаваемых сигналов при асинхронной передаче.
Продолжительность стопового бита не ограничена. Это позволяет регулировать скорость передачи в
зависимости от скорости поступления информации.
Асинхронные последовательные порты широко используются в современной вычислительной технике. Для
получения дополнительной информации можно обратиться к дополнительной литературе или к файлу
Принципы построения микропроцессорных таймеров
Таймеры предназначены для формирования временных интервалов, позволяя микропроцессорной системе
(компьютеру или микроконтроллеру) работать в режиме реального времени.
Таймеры представляют собой обычные цифровые счётчики, которые подсчитывают импульсы от
высокостабильного генератора частоты. К системной шине микропроцессора таймеры подключаются при
помощи параллельных портов.
Генератор частоты, входящий в состав таймера, определяет минимальный интервал времени, который
может определять таймер. Интервалы времени, задаваемые таймером, могут устанавливаться только из
дискретного набора допустимых времён. Дискретность установки этих интервалов времени тоже
определяется частотой задающего генератора. Разрядность цифрового счётчика, входящего в состав
таймера, определяет максимальный интервал времени, который может определять таймер.
Обычно используются 16-ти разрядные таймеры, поэтому, для подключения такого таймера к 8-ми
разрядному процессору требуется два параллельных порта. Кроме того, таймером нужно управлять. Таймер
нужно включать и выключать, часто требуется определять не возникало ли переполнение таймера (факт
переполнения легко запомнить в дополнительном триггере, подключенном к выходу переноса счетчика
таймера). Этот триггер называется флагом переполнения таймера. Триггер (флаг) включения и
выключения таймера и флаг переполнения таймера подключают к системной шине микропроцессора через
дополнительный порт ввода вывода.
Структурная схема таймера, построенного по описанным выше принципам, приведена на рисунке 1.
33
Рисунок 1. Структурная схема таймера.
В зависимости от типа использованного цифрового счетчика таймеры бывают суммирующие или
вычитающие. Если в таймере используется суммирующий счётчик, то таймер называется суммирующим.
Если в таймере используется вычитающий счётчик, то таймер называется вычитающим.
Использование вычитающего счётчика позволяет проще задавать интервалы времени. В этом случае
записываемый в таймер код будет соответствовать интервалу времени:
В случае использования суммирующего таймера код, записываемый в таймер для задания интервала
времени, определяется из другой формулы:
В этой формуле код, который заносится в таймер, представляет собой дополнение кода интервала времени
до максимального кода, который можно записать в таймер. Максимальный код таймера определяется по
разрядности таймера. В рассмотренном примере разрядность таймера равна 16. Это означает, что
максимальный код равен 65535.
Достаточно часто суммирующие таймеры используются в режиме свободнобегущего таймера. Схема
такого таймера приведена на рисунке 2.
34
Рисунок 2. Структурная схема свободнобегущего таймера с модулем сравнения.
Свободнобегущие таймеры используются как системные часы, задающие время внутри микропроцессорной
системы. Для задания промежутков времени микропроцессор считывает значение текущего системного
времени и суммирует с ним код задаваемого промежутка времени. Полученный результат записывается в
регистр сравнения таймера. При совпадении значений таймера и регистра сравнения устанавливается флаг
совпадения. Значение этого флага можно определить программным опросом или воспользоваться
механизмом прерывания работы процессора.
Часто с одним свободно бегущим таймером работает несколько модулей сравнения. В этом случае они
образуют набор модулей сравнения (PCA). Практически все современные микроконтроллеры и сигнальные
процессоры оснащены таймерами с такими наборами модулей.
Кроме модулей сравнения с свободнобегущим таймером работают модули захвата, которые позволяют
аппаратно запоминать время какого-либо внешнего события без участия центрального процессора.
Структурная схема свободнобегущего таймера с модулем захвата приведена на рисунке 3.
35
Рисунок 3. Структурная схема свободнобегущего таймера с модулем захвата.
Чипсеты современных компьютеров
Чаще всего чипсет современных материнских плат компьютеров состоит из двух основных микросхем
(иногда объединяемых в один чип, т. н. системный контроллер-концентратор (англ. System Controller Hub,
SCH):
1.
2.
контроллер-концентратор памяти (англ. Memory Controller Hub, MCH[1][2]) или северный мост
(англ. northbridge) — обеспечивает взаимодействие ЦП с памятью. Соединяется с ЦП
высокоскоростной шиной (FSB, HyperTransport или QPI). В современных ЦП (например Opteron,
Itanium, Nehalem, UltraSPARC T1) контроллер памяти может быть интегрирован непосредственно в
ЦП. В MCH некоторых чипсетов может интегрироваться графический процессор[3];
контроллер-концентратор ввода-вывода (англ. I/O Controller Hub, ICH[4]) или южный мост
(англ. southbridge) — обеспечивает взаимодействие между ЦП и жестким диском, картами PCI,
низкоскоростными интерфейсами PCI Express, интерфейсами IDE, SATA, USB и пр.
Иногда в состав чипсета включают микросхему Super I/O, которая подключается к южному мосту по шине
Low Pin Count и отвечает за низкоскоростные порты: RS232, LPT, PS/2.
Существуют и чипсеты, заметно отличающиеся от традиционной схемы. Например, у процессоров для
разъёма LGA 1156 функциональность северного моста (соединение с видеокартой и памятью) полностью
встроена в сам процессор, и следовательно, чипсет для LGA 1156 состоит из одного южного моста,
соединенного с процессором через шину DMI[5].
Создание полноценной вычислительной системы для персонального и домашнего компьютера на базе,
состоящих из столь малого количества микросхем (чипсет и микропроцессор) является следствием развития
техпроцессов микроэлектроники развивающихся по закону Мура (см. историю вычислительной техники).
36
Южный мост (от англ. Southbridge) (функциональный контроллер), также известен как контроллерконцентратор ввода-вывода (от англ. I/O Controller Hub, ICH).
Обычно это одна микросхема, которая связывает «медленные» (по сравнению со связкой «Центральный
процессор-ОЗУ») взаимодействия (например, Low Pin Count, Super I/O или разъёмы шин для подключения
периферийных устройств) на материнской плате с ЦПУ через Северный мост, который, в отличие от
Южного, обычно подключён напрямую к центральному процессору.

Компоненты южного моста
Функционально южный мост включает в себя:








контроллеры шин PCI, PCI Express, SMBus, I2C, LPC, Super I/O
DMA контроллер;
контроллер прерываний;
PATA (IDE) и SATA контроллеры;
часы реального времени (Real Time Clock);
управление питанием (Power management, APM и ACPI);
энергонезависимую память BIOS (CMOS);
звуковой контроллер (обычно AC'97 или Intel HDA).
Опционально южный мост также может включать в себя контроллер Ethernet, RAID-контроллеры,
контроллеры USB, контроллеры FireWire и аудио-кодек.
Реже южный мост включает в себя поддержку клавиатуры, мыши и последовательных портов, но обычно
эти устройства подключаются с помощью другого устройства — Super I/O (контроллера ввода-вывода).
Поддержка шины PCI включает в себя традиционную спецификацию PCI, но может также обеспечивать
поддержку шины PCI-X и PCI Express. Хотя поддержка шины ISA используется достаточно редко, она
осталась, что интересно, неотъемлемой частью современного южного моста. Шина SM используется для
связи с другими устройствами на материнской плате (например, для управления вентиляторами).
Контроллер DMA позволяет устройствам на шине ISA или LPC получать прямой доступ к оперативной
памяти, обходясь без помощи центрального процессора.
Контроллер прерываний обеспечивает механизм информирования ПО, исполняющегося на ЦПУ, о
событиях в периферийных устройствах. IDE интерфейс позволяет «увидеть» системе жёсткие диски. Шина
LPC обеспечивает передачу данных и управление SIO (это такие устройства, как клавиатура, мышь,
параллельный, последовательный порт, инфракрасный порт и флоппи-контроллер) и BIOS ROM (флэш).
APM или ACPI функции позволяют перевести компьютер в «спящий режим» или выключить его.
Системная память CMOS, поддерживаемая питанием от батареи, позволяет создать ограниченную по
объёму область памяти для хранения системных настроек (настроек BIOS).
Северный мост (англ. Northbridge; в отдельных чипсетах Intel, также — контроллер-концентратор
памяти англ. Memory Controller Hub, MCH[1]) — системный контроллер[2][3] чипсета на материнской плате
платформы x86, к которому в рамках организации взаимодействия подключены:


через Front Side Bus — микропроцессор,
если в составе процессора нет контроллера памяти, то через шину контроллера памяти —
оперативная память,
37

через шину графического контроллера — видеоадаптер (в материнских платах нижнего ценового
диапазона видеоадаптер часто встроенный). В таком случае северный мост, произведенный Intel,
называется GMCH (от англ. Chipset Graphics and Memory Controller Hub)[1]).
Название можно объяснить представлением архитектуры чипсета в виде карты. В результате процессор
будет располагаться на вершине карты, на севере.
Исходя из назначения, северный мост определяет параметры (возможный тип, частоту, пропускную
способность):



системной шины и, косвенно, процессора (исходя из этого — до какой степени может быть
разогнан компьютер),
оперативной памяти (тип — например SDRAM, DDR, её максимальный объем),
подключенного видеоадаптера.
Во многих случаях именно параметры и быстродействие северного моста определяют выбор реализованных
на материнской плате шин расширения (PCI, PCI Express) системы.
В свою очередь, северный мост соединён с остальной частью материнской платы через согласующий
интерфейс и южный мост.
На этапе, когда технологии производства не позволяют скомпенсировать возросшее, вследствие усложнения
внутренней схемы, тепловыделение чипа, современные мощные микросхемы северного моста, помимо
пассивного охлаждения (радиатора), для своей бесперебойной работы требуют использования
индивидуального вентилятора или системы жидкостного охлаждения.
В современных системах, начиная от Intel Nehalem и AMD Sledgehammer отсутствует северный мост в виде
отдельного контроллера (чипа). Его функция была перенесена в центральный процессор, тем самым
упростив проектирование системных плат и уменьшив количество активных компонентов последнего.
38
Тема 3. ПЗУ, ОЗУ и способы их организации. Ассоциативная
память (кэш).
ПЗУ
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — энергонезависимая память, используется для хранения
массива неизменяемых данных.
По типу исполнения


Массив данных совмещён с устройством выборки (считывающим устройством), в этом случае
массив данных часто в разговоре называется «прошивка»:
o микросхема ПЗУ;
o Один из внутренних ресурсов однокристальной микроЭВМ (микроконтроллера), как
правило FlashROM.
Массив данных существует самостоятельно:
o Компакт-диск;
o перфокарта;
o перфолента;
o монтажные «1» и монтажные «0».
По разновидностям микросхем ПЗУ


По технологии изготовления кристалла:
o ROM — (англ. read-only memory, постоянное запоминающее устройство), масочное ПЗУ,
изготавливается фабричным методом. В дальнейшем нет возможности изменить
записанные данные.
o PROM — (англ. programmable read-only memory, программируемое ПЗУ (ППЗУ)) — ПЗУ,
однократно «прошиваемое» пользователем.
o EPROM — (англ. erasable programmable read-only memory, перепрограммируемое ПЗУ
(ПППЗУ)). Например, содержимое микросхемы К537РФ1 стиралось при помощи
ультрафиолетовой лампы. Для прохождения ультрафиолетовых лучей к кристаллу в
корпусе микросхемы было предусмотрено окошко с кварцевым стеклом.
o EEPROM — (англ. electrically erasable programmable read-only memory, электрически
стираемое перепрограммируемое ПЗУ). Память такого типа может стираться и заполняться
данными несколько десятков тысяч раз. Используется в твердотельных накопителях. Одной
из разновидностей EEPROM является флеш-память (англ. flash memory).
o ПЗУ на магнитных доменах, например К1602РЦ5, имело сложное устройство выборки и
хранило довольно большой объём данных в виде намагниченных областей кристалла, при
этом не имея движущихся частей (см. Компьютерная память). Обеспечивалось
неограниченное количество циклов перезаписи.
o NVRAM, non-volatile memory — «неразрушающаяся» память, строго говоря, не является
ПЗУ. Это ОЗУ небольшого объёма, конструктивно совмещённое с батарейкой. В СССР такие
устройства часто назывались «Dallas» по имени фирмы, выпустившей их на рынок. В
NVRAM современных ЭВМ батарейка уже конструктивно не связана с ОЗУ и может быть
заменена.
По виду доступа:
o С параллельным доступом (parallel mode или random access): такое ПЗУ может быть
доступно в системе в адресном пространстве ОЗУ. Например, К573РФ5;
o С последовательным доступом: такие ПЗУ часто используются для однократной загрузки
констант или прошивки в процессор или ПЛИС, используются для хранения настроек
каналов телевизора, и др. Например, 93С46, AT17LV512A.
39

По способу программирования микросхем (записи в них прошивки):
o Непрограммируемые ПЗУ;
o ПЗУ, программируемые только с помощью специального устройства — программатора
ПЗУ (как однократно, так и многократно прошиваемые). Использование программатора
необходимо, в частности, для подачи нестандартных и относительно высоких напряжений
(до +/- 27 В) на специальные выводы.
o Внутрисхемно (пере)программируемые ПЗУ (ISP, in-system programming) — такие
микросхемы имеют внутри генератор всех необходимых высоких напряжений, и могут
быть перепрошиты без программатора и даже без выпайки из печатной платы,
программным способом.
Применение
В постоянную память часто записывают микропрограмму управления техническим устройством:
телевизором, сотовым телефоном, различными контроллерами, или компьютером (BIOS или OpenBoot на
машинах SPARC).
BootROM — прошивка, такая, что если её записать в подходящую микросхему ПЗУ, установленную в
сетевой карте, то становится возможна загрузка операционной системы на компьютер с удалённого узла
локальной сети. Для встроенных в ЭВМ сетевых плат BootROM можно активировать через BIOS.
ПЗУ в IBM PC-совместимых ЭВМ располагается в адресном пространстве с F600:0000 по FD00:0FFF
Исторические типы ПЗУ
Постоянные запоминающие устройства стали находить применение в технике задолго до появления ЭВМ и
электронных приборов. В частности, одним из первых типов ПЗУ был кулачковый валик, применявшийся в
шарманках, музыкальных шкатулках, часах с боем.
С развитием электронной техники и ЭВМ возникла необходимость в быстродействующих ПЗУ. В эпоху
вакуумной электроники находили применение ПЗУ на основе потенциалоскопов, моноскопов, лучевых
ламп. В ЭВМ на базе транзисторов в качестве ПЗУ небольшой емкости широко использовались
штепсельные матрицы. При необходимости хранения больших объёмов данных (для ЭВМ первых
поколений — несколько десятков килобайт) применялись ПЗУ на базе ферритовых колец (не следует путать
их с похожими типами ОЗУ). Именно от этих типов ПЗУ и берет свое начало термин «прошивка» —
логическое состояние ячейки задавалось направлением навивки провода, охватывающего кольцо. Поскольку
тонкий провод требовалось протягивать через цепочку ферритовых колец для выполнения этой операции
применялись металлические иглы, аналогичные швейным. Да и сама операция наполнения ПЗУ
информацией напоминала процесс шитья. Да и вообще прошивали молодые девушки [источник не указан 103 дня].
Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)
Очень часто в различных применениях требуется хранение информации, которая не изменяется в процессе
эксплуатации устройства. Это такая информация как программы в микроконтроллерах, начальные
загрузчики (BIOS) в компьютерах, таблицы коэффициентов цифровых фильтров в сигнальных процессорах,
DDC и DUC, таблицы синусов и косинусов в NCO и DDS. Практически всегда эта информация не требуется
одновременно, поэтому простейшие устройства для запоминания постоянной информации (ПЗУ) можно
построить на мультиплексорах. Иногда в переводной литературе постоянные запоминающие устройства
называются ROM (read only memory - память доступная только для чтения). Схема такого постоянного
запоминающего устройства (ПЗУ) приведена на рисунке 1.
40
Рисунок 1. Схема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), построенная на мультиплексоре.
В этой схеме построено постоянное запоминающее устройство на восемь одноразрядных ячеек.
Запоминание конкретного бита в одноразрядную ячейку производится запайкой провода к источнику
питания (запись единицы) или запайкой провода к корпусу (запись нуля). На принципиальных схемах такое
устройство обозначается как показано на рисунке 2.
Рисунок 2. Обозначение постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах.
Для того, чтобы увеличить разрядность ячейки памяти ПЗУ эти микросхемы можно соединять параллельно
(выходы и записанная информация естественно остаются независимыми). Схема параллельного соединения
одноразрядных ПЗУ приведена на рисунке 3.
41
Рисунок 3. Схема многоразрядного ПЗУ (ROM).
В реальных ПЗУ запись информации производится при помощи последней операции производства
микросхемы - металлизации. Металлизация производится при помощи маски, поэтому такие ПЗУ получили
название масочных ПЗУ. Еще одно отличие реальных микросхем от упрощенной модели, приведенной
выше - это использование кроме мультиплексора еще и демультиплексора. Такое решение позволяет
превратить одномерную запоминающую структуру в двухмерную и, тем самым, существенно сократить
объем схемы дешифратора, необходимого для работы схемы ПЗУ. Эта ситуация иллюстрируется
следующим рисунком:
42
Рисунок 4. Схема масочного постоянного запоминающего устройства (ROM).
Масочные ПЗУ изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 5. Адреса ячеек памяти в
этой микросхеме подаются на выводы A0 ... A9. Микросхема выбирается сигналом CS. При помощи этого
сигнала можно наращивать объем ПЗУ (пример использования сигнала CS приведён при обсуждении ОЗУ).
Чтение микросхемы производится сигналом RD.
Рисунок 5. Условно-графическое обозначение масочного ПЗУ (ROM) на принципиальных схемах.
Программирование масочного ПЗУ производится на заводе изготовителе, что очень неудобно для мелких и
средних серий производства, не говоря уже о стадии разработки устройства. Естественно, что для
43
крупносерийного производства масочные ПЗУ являются самым дешевым видом ПЗУ, и поэтому широко
применяются в настоящее время. Для мелких и средних серий производства радиоаппаратуры были
разработаны микросхемы, которые можно программировать в специальных устройствах - программаторах.
В этих ПЗУ постоянное соединение проводников в запоминающей матрице заменяется плавкими
перемычками, изготовленными из поликристаллического кремния. При производстве ПЗУ изготавливаются
все перемычки, что эквивалентно записи во все ячейки памяти ПЗУ логических единиц. В процессе
программирования ПЗУ на выводы питания и выходы микросхемы подаётся повышенное питание. При
этом, если на выход ПЗУ подаётся напряжение питания (логическая единица), то через перемычку ток
протекать не будет и перемычка останется неповрежденной. Если же на выход ПЗУ подать низкий уровень
напряжения (присоединить к корпусу), то через перемычку запоминающей матрицы будет протекать ток,
который испарит ее и при последующем считывании информации из этой ячейки ПЗУ будет считываться
логический ноль.
Такие микросхемы называются программируемыми ПЗУ (ППЗУ) или PROM и изображаются на
принципиальных схемах как показано на рисунке 6. В качестве примера ППЗУ можно назвать микросхемы
155РЕ3, 556РТ4, 556РТ8 и другие.
Рисунок 6. Условно-графическое обозначение программируемого постоянного запоминающего устройства
(PROM) на принципиальных схемах.
Программируемые ПЗУ оказались очень удобны при мелкосерийном и среднесерийном производстве.
Однако при разработке радиоэлектронных устройств часто приходится менять записываемую в ПЗУ
программу. ППЗУ при этом невозможно использовать повторно, поэтому раз записанное ПЗУ при
ошибочной или промежуточной программе приходится выкидывать, что естественно повышает стоимость
разработки аппаратуры. Для устранения этого недостатка был разработан еще один вид ПЗУ, который мог
бы стираться и программироваться заново.
ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием строится на основе запоминающей матрицы построенной на ячейках
памяти, внутреннее устройство которой приведено на следующем рисунке:
44
Рисунок 7. Запоминающая ячейка ПЗУ с ультрафиолетовым и электрическим стиранием.
Ячейка представляет собой МОП транзистор, в котором затвор выполняется из поликристаллического
кремния. Затем в процессе изготовления микросхемы этот затвор окисляется и в результате он будет
окружен оксидом кремния - диэлектриком с прекрасными изолирующими свойствами. В описанной ячейке
при полностью стертом ПЗУ, заряда в плавающем затворе нет, и поэтому транзистор ток не проводит. При
программировании ПЗУ, на второй затвор, находящийся над плавающим затвором, подаётся высокое
напряжение и в плавающий затвор за счет туннельного эффекта индуцируются заряды. После снятия
программирующего напряжения индуцированный заряд остаётся на плавающем затворе, и, следовательно,
транзистор остаётся в проводящем состоянии. Заряд на плавающем затворе подобной ячейки может
храниться десятки лет.
Структурная схема описанного постоянного запоминающего устройства не отличается от описанного ранее
масочного ПЗУ. Единственное отличие - вместо плавкой перемычки используется описанная выше ячейка.
Такой вид ПЗУ называется репрограммируемыми постоянными запоминающими устройствами (РПЗУ) или
EPROM. В РПЗУ стирание ранее записанной информации осуществляется ультрафиолетовым излучением.
Для того, чтобы этот свет мог беспрепятственно проходить к полупроводниковому кристаллу, в корпус
микросхемы ПЗУ встраивается окошко из кварцевого стекла.
При облучении микросхемы РПЗУ, изолирующие свойства оксида кремния теряются, накопленный заряд из
плавающего затвора стекает в объем полупроводника, и транзистор запоминающей ячейки переходит в
закрытое состояние. Время стирания микросхемы РПЗУ колеблется в пределах 10 - 30 минут.
Количество циклов записи - стирания микросхем EPROM находится в диапазоне от 10 до 100 раз, после чего
микросхема РПЗУ выходит из строя. Это связано с разрушающим воздействием ультрафиолетового
излучения на оксид кремния. В качестве примера микросхем EPROM можно назвать микросхемы 573 серии
российского производства, микросхемы серий 27сXXX зарубежного производства. В РПЗУ чаще всего
хранятся программы BIOS универсальных компьютеров. РПЗУ изображаются на принципиальных схемах
как показано на рисунке 8.
45
Рисунок 8. Условно-графическое обозначение РПЗУ (EPROM) на принципиальных схемах.
Так так корпуса с кварцевым окошком очень дороги, а также малое количество циклов записи - стирания
привели к поиску способов стирания информации из РПЗУ электрическим способом. На этом пути
встретилось много трудностей, которые к настоящему времени практически решены. Сейчас достаточно
широко распространены микросхемы с электрическим стиранием информации. В качестве запоминающей
ячейки в них используются такие же ячейки как и в РПЗУ, но они стираются электрическим потенциалом,
поэтому количество циклов записи - стирания для этих микросхем достигает 1000000 раз. Время стирания
ячейки памяти в таких ПЗУ уменьшается до 10 мс. Схема управления для электрически стираемых
программируемых ПЗУ получилась сложная, поэтому наметилось два направления развития этих
микросхем:
1.
2.
ЕСППЗУ (EEPROM) - электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее
устройство
FLASH-ПЗУ
Электрически стираемые ППЗУ (EEPROM) дороже и меньше по объему, но зато позволяют перезаписывать
каждую ячейку памяти отдельно. В результате эти микросхемы обладают максимальным количеством
циклов записи - стирания. Область применения электрически стираемых ПЗУ - хранение данных, которые
не должны стираться при выключении питания. К таким микросхемам относятся отечественные
микросхемы 573РР3, 558РР3 и зарубежные микросхемы EEPROM серии 28cXX. Электрически стираемые
ПЗУ обозначаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 9.
46
Рисунок 9. Условно-графическое обозначение электрически стираемого постоянного запоминающего
устройства (EEPROM) на принципиальных схемах.
В последнее время наметилась тенденция уменьшения габаритов ЭСППЗУ за счет уменьшения количества
внешних выводов микросхем. Для этого адрес и данные передаются в микросхему и из микросхемы через
последовательный порт. При этом используются два вида последовательных портов - SPI порт и I2C порт
(микросхемы 93сXX и 24cXX серий соответственно). Зарубежной серии 24cXX соответствует отечественная
серия микросхем 558РРX.
FLASH - ПЗУ отличаются от ЭСППЗУ тем, что стирание производится не каждой ячейки отдельно, а всей
микросхемы в целом или блока запоминающей матрицы этой микросхемы, как это делалось в РПЗУ.
Рисунок 10. Условно-графическое обозначение FLASH памяти на принципиальных схемах.
При обращении к постоянному запоминающему устройству сначала необходимо выставить адрес ячейки
памяти на шине адреса, а затем произвести операцию чтения из микросхемы. Эта временная диаграмма
приведена на рисунке 11.
47
Рисунок 11. Временные диаграммы сигналов чтения информации из ПЗУ.
На рисунке 11 стрелочками показана последовательность, в которой должны формироваться управляющие
сигналы. На этом рисунке RD - это сигнал чтения, A - сигналы выбора адреса ячейки (так как отдельные
биты в шине адреса могут принимать разные значения, то показаны пути перехода как в единичное, так и в
нулевое состояние), D - выходная информация, считанная из выбранной ячейки ПЗУ.
Статические оперативные запоминающие устройства - ОЗУ (RAM)
В радиоаппаратуре часто требуется хранение временной информации, значение которой не важно при
включении устройства. Такую память можно было бы построить на микросхемах EEPROM или FLASH памяти, но, к сожалению, эти микросхемы дороги, обладают малым количеством перезаписей и
чрезвычайно низким быстродействием при считывании и особенно записи информации. Для хранения
временной информации можно воспользоваться параллельными регистрами. Так как запоминаемые слова не
нужны одновременно, то можно воспользоваться механизмом адресации, который применяется в ПЗУ.
Схемы, в которых в качестве запоминающей ячейки используется параллельный регистр называются
статическим оперативным запоминающим устройством - статическим ОЗУ (RAM - random access memory память с произвольным доступом), т.к. информация в нем сохраняется все время, пока к микросхеме ОЗУ
подключено питание. В отличие от статической ОЗУ в микросхемах динамического ОЗУ постоянно
требуется регенерировать их содержимое, иначе информация будет испорчена.
В микросхемах ОЗУ присутствуют две операции: операция записи и операция чтения. Для записи и чтения
информации можно использовать различные шины данных (как это делается в сигнальных процессорах), но
чаще используется одна и та же шина данных. Это позволяет экономить внешние выводы микросхем,
подключаемых к этой шине и легко осуществлять коммутацию сигналов между различными устройствами.
Структурная схема статического ОЗУ приведена на рисунке 1. Вход и выход ОЗУ в этой схеме объединены
при помощи шинного формирователя. Естественно, что схемы реальных ОЗУ будут отличаться от
приведенной на этом рисунке. Тем не менее, приведенная схема позволяет понять как работает реальное
ОЗУ. Условно-графическое обозначение ОЗУ на принципиальных схемах приведено на рисунке 2.
48
Рисунок 1. Структурная схема ОЗУ (RAM).
Рисунок 2. Условно-графическое обозначение ОЗУ (RAM)
Сигнал записи WR позволяет записать логические уровни, присутствующие на информационных входах во
внутреннюю ячейку ОЗУ (RAM). Сигнал чтения RD позволяет выдать содержимое внутренней ячейки
памяти на информационные выходы микросхемы. В приведенной на рисунке 1 схеме невозможно
одновременно производить операцию записи и чтения, но обычно это и не нужно.
Конкретная ячейка ОЗУ выбирается при помощи двоичного кода - адреса ячейки. Объем памяти ОЗУ (RAM)
зависит от количества ячеек, содержащихся в ней или, что то же самое, от количества адресных проводов.
Количество ячеек в ОЗУ можно определить по количеству адресных проводов, возводя 2 в степень, равную
количеству адресных выводов в микросхеме:
49
Вывод выбора кристалла CS микросхем ОЗУ позволяет объединять несколько микросхем для увеличения
объема памяти ОЗУ. Такая схема приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема ОЗУ, построенного на нескольких микросхемах памяти.
Статические ОЗУ требуют для своего построения большой площади кристалла, поэтому их ёмкость
относительно невелика. Статические ОЗУ применяются для построения микроконтроллерных схем из-за
простоты построения принципиальной схемы и возможности работать на сколь угодно низких частотах,
вплоть до постоянного тока. Кроме того статические ОЗУ применяются для построения КЭШ-памяти в
универсальных компьютерах из-за высокого быстродействия статического ОЗУ.
Временные диаграммы чтения из статического ОЗУ совпадают с временными диаграммами чтения из ПЗУ.
Временные диаграммы записи в статическое ОЗУ и чтения из него приведены на рисунке 4.
50
Рисунок 4. Временная диаграмма обращения к ОЗУ принятая для схем, совместимых со стандартом фирмы
INTEL.
На рисунке 4 стрелочками показана последовательность, в которой должны формироваться управляющие
сигналы ОЗУ. На этом рисунке RD - это сигнал чтения; WR - сигнал записи; A - сигналы выбора адреса
ячейки (так как отдельные биты в шине адреса могут принимать разные значения, то показаны пути
перехода как в единичное, так и в нулевое состояние); DI - входная информация, предназначенная для
записи в ячейку ОЗУ, расположенную по адресу A1; DO - выходная информация, считанная из ячейки ОЗУ,
расположенной по адресу A2.
51
Рисунок 5. Временная диаграмма обращения к ОЗУ принятая для схем, совместимых со стандартом фирмы
MOTOROLA.
На рисунке 5 стрелочками показана последовательность, в которой должны формироваться управляющие
сигналы. На этом рисунке R/W - это сигнал выбора операции записи или чтения; DS - сигнал стробирования
данных; A - сигналы выбора адреса ячейки (так как отдельные биты в шине адреса могут принимать разные
значения, то показаны пути перехода как в единичное, так и в нулевое состояние); DI - входная информация,
предназначенная для записи в ячейку ОЗУ, расположенную по адресу A1; DO - выходная информация,
считанная из ячейки ОЗУ, расположенной по адресу A2.
SDRAM (англ. Synchronous Dynamic Random Access Memory — синхронная динамическая память с
произвольным доступом) — тип запоминающего устройства, использующегося в компьютере в качестве
ОЗУ.
В отличие от других типов DRAM, использовавших асинхронный обмен данными, ответ на поступивший в
устройство управляющий сигнал возвращается не сразу, а лишь при получении следующего тактового
сигнала. Тактовые сигналы позволяют организовать работу SDRAM в виде конечного автомата,
исполняющего входящие команды. При этом входящие команды могут поступать в виде непрерывного
потока, не дожидаясь, пока будет завершено выполнение предыдущих инструкций (конвейерная обработка):
сразу после команды записи может поступить следующая команда, не ожидая, когда данные окажутся
записаны. Поступление команды чтения приведёт к тому, что на выходе данные появятся спустя некоторое
количество тактов — это время называется задержкой (англ. SDRAM latency) и является одной из важных
характеристик данного типа устройств.
Циклы обновления выполняются сразу для целой строки, в отличие от предыдущих типов DRAM,
обновлявших данные по внутреннему счётчику, используя способ обновления по команде CAS перед RAS.
История использования
Массовый выпуск SDRAM начался в 1993 году. Первоначально этот тип памяти предлагался в качестве
альтернативы для дорогой видеопамяти (VRAM), однако вскоре SDRAM завоевал популярность и стал
применяться в качестве ОЗУ, постепенно вытесняя другие типы динамической памяти. Последовавшие
затем технологии DDR позволили сделать SDRAM ещё эффективнее. За разработкой DDR SDRAM,
последовал стандарт DDR2 SDRAM, а затем и DDR3 SDRAM.
SDR SDRAM
Первый стандарт SDRAM с появлением последующих стандартов стал именоваться SDR (Single Data
Rate — в отличие от Double Data Rate). За один такт принималась одна управляющая команда и
передавалось одно слово данных. Типичными тактовыми частотами были 66, 100 и 133 МГц. Микросхемы
SDRAM выпускались с шинами данных различной ширины (обычно 4, 8 или 16 бит), но как правило, эти
микросхемы входили в состав 168-пинного модуля DIMM, который позволял прочитать или записать 64
бита (в варианте без контроля чётности) или 72 бита (с контролем чётности) за один такт.
Использование шины данных в SDRAM оказалось осложнено задержкой в 2 или 3 такта между подачей
сигнала чтения и появлением данных на шине данных, тогда как во время записи никакой задержки быть не
должно. Потребовалась разработка достаточно сложного контроллера, который не позволял бы
использовать шину данных для записи и для чтения в один и тот же момент времени.
Управляющие сигналы
Команды, управляющие модулем памяти SDR SDRAM, подаются на контакты модуля по 7 сигнальным
линиям. По одной из них подается тактовый сигнал, передние (нарастающие) фронты которого задают
моменты времени, в которые считываются команды управления с остальных 6 командных линий. Имена (в
скобках — расшифровки имен) шести командных линий и описания команд приведены ниже:
52






CKE (clock enable) — при низком уровне сигнала блокируется подача тактового сигнала на
микросхему. Команды не обрабатываются, состояние других командных линий игнорируется.
/CS (chip select) — при высоком уровне сигнала все прочие управляющие линии, кроме CKE,
игнорируются. Действует как команда NOP (нет оператора).
DQM (data mask) — высокий уровень на этой линии запрещает чтение/запись данных. При
одновременно поданной команде записи данные не записываются в DRAM. Присутствие этого
сигнала в двух тактах, предшествующих циклу чтения приводит к тому, что данные не считываются
из памяти.
/RAS (row address strobe) — несмотря на название, это не строб, а всего лишь один командный бит.
Вместе с /CAS и /WE кодирует одну из 8 команд.
/CAS (column address strobe) — несмотря на название, это не строб, а всего лишь один командный
бит. Вместе с /RAS и /WE кодирует одну из 8 команд.
/WE (write enable) — Вместе с /RAS и /CAS кодирует одну из 8 команд.
Устройства SDRAM внутренне разделены на 2 или 4 независимых банка памяти. Входы адреса первого и
второго банка памяти (BA0 и BA1) определяют, какому банку предназначена текущая команда.
DDR SDRAM (от англ. Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory — синхронная
динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных) — тип
компьютерной памяти, используемой в вычислительной технике в качестве оперативной и видеопамяти.
Пришла на смену памяти типа SDRAM.
При использовании DDR SDRAM достигается удвоенная скорость работы, нежели в SDRAM, за счёт
считывания команд и данных не только по фронту, как в SDRAM, но и по спаду тактового сигнала. За счёт
этого удваивается скорость передачи данных без увеличения частоты тактового сигнала шины памяти.
Таким образом, при работе DDR на частоте 100 МГц мы получим эффективную частоту 200 МГц (при
сравнении с аналогом SDR SDRAM). В спецификации JEDEC есть замечание, что использовать термин
«МГц» в DDR некорректно, правильно указывать скорость «миллионов передач в секунду через один вывод
данных».
Специфическим режимом работы модулей памяти является двухканальный.
Описание
Микросхемы памяти DDR SDRAM выпускаются в корпусах TSOP и (освоено позднее) корпусах типа BGA
(FBGA), производятся по нормам 0,13 и 0,09-микронного техпроцесса
Напряжение питания микросхем: 2,6 В +/- 0,1 В
Потребляемая мощность: 527 мВт
Интерфейс ввода-вывода: SSTL_2
Ширина шины памяти составляет 64 бита, то есть по шине за один такт одновременно передаётся 8 байт. В
результате получаем следующую формулу для расчёта максимальной скорости передачи для заданного типа
памяти: тактовая частота шины памяти x 2 (передача данных дважды за такт) x 8 (число байтов
передающихся за один такт). Например, чтобы обеспечить передачу данных дважды за такт, используется
специальная архитектура «2n Prefetch». Внутренняя шина данных имеет ширину в два раза больше внешней.
При передаче данных сначала передаётся первая половина шины данных по фронту тактового сигнала, а
затем вторая половина шины данных по спаду.
Помимо удвоенной передачи данных, DDR SDRAM имеет несколько других принципиальных отличий от
простой памяти SDRAM. В основном они являются технологическими. Например, был добавлен сигнал
QDS, который располагается на печатной плате вместе с линиями данных. По нему происходит
синхронизация при передаче данных. Если используется два модуля памяти, то данные от них приходят к
контроллеру памяти с небольшой разницей из-за разного расстояния. Возникает проблема в выборе
синхросигнала для их считывания и использование QDS успешно это решает.
JEDEC устанавливает стандарты для скоростей DDR SDRAM, разделённых на две части: первая для чипов
памяти, а вторая для модулей памяти, на которых, собственно, и размещаются чипы памяти.
53
Чипы памяти
В состав каждого модуля DDR SDRAM входит несколько идентичных чипов DDR SDRAM. Для модулей
без коррекции ошибок (ECC) их количество кратно 4, для модулей с ECC — формула 4+1.
Характеристики чипов


Ёмкость чипа (DRAM density). Записывается в мегабитах, например 256 Мбит — чип ёмкостью 32
мегабайта.
Организация (DRAM organization). Записывается в виде 64M x 4, где 64M — это количество
элементарных ячеек хранения (64 миллиона), а x4 (произносится «by four») — разрядность чипа, то
есть разрядность каждой ячейки. Чипы DDR бывают x4 и x8, последние стоят дешевле в пересчёте
на мегабайт ёмкости, но не позволяют использовать функции Chipkill, memory scrubbing и Intel
SDDC.
Модули памяти
Модули DDR SDRAM выполнены в форм-факторе DIMM. На каждом модуле расположено несколько
одинаковых чипов памяти и конфигурационный чип SPD. На модулях регистровой (registered) памяти также
располагаются регистровые чипы, буферизующие и усиливающие сигнал на шине, на модулях
нерегистровой (небуферизованной, unbuffered) памяти их нет.
Характеристики модулей



Объём. Указывается в мегабайтах или гигабайтах.
Количество чипов (# of DRAM Devices). Кратно 8 для модулей без ECC, для модулей с ECC — кратно
9. Чипы могут располагаться на одной или обеих сторонах модуля. Максимальное умещающееся на
DIMM количество — 36 (9x4).
Количество строк (рангов) (# of DRAM rows (ranks)).
Чипы, как видно из их характеристики, имеют 4- или 8-ми битную шину данных. Чтобы обеспечить более
широкую полосу (например DIMM требует 64 бита и 72 бита для памяти с ECC), чипы связываются в ранги.
Ранг памяти имеет общую шину адреса и дополняющие друг-друга линии данных. На одном модуле может
размещаться несколько рангов. Но если нужно больше памяти, то добавлять ранги можно и дальше,
установкой нескольких модулей на одной плате и используя тот же принцип: все ранги сидят на одной
шине, только чип селекты разные - у каждого свой. Большое количество рангов электически нагружает
шину, точнее контроллер и чипы памяти, и замедляет их работу. Отсюда начали применять многоканальную
архитектуру, которая позволяет также независимо обращатся к несколькольким модулям.

Задержки (тайминги): CAS Latency (CL), Clock Cycle Time (tCK), Row Cycle Time (tRC), Refresh Row Cycle
Time (tRFC), Row Active Time (tRAS).
Характеристики модулей и чипов, из которых они состоят, связаны.
Объём модуля равен произведению объёма одного чипа на число чипов. При использовании ECC это число
дополнительно умножается на коэффициент 9/8, так как на каждый байт приходится один бит избыточности
для контроля ошибок. Таким образом один и тот же объём модуля памяти можно набрать большим числом
(36) маленьких чипов или малым числом (9) чипов большего объёма.
Общая разрядность модуля равна произведению разрядности одного чипа на число чипов и равна
произведению числа ранков на 64 (72) бита. Таким образом, увеличение числа чипов или использование
чипов x8 вместо x4 ведёт к увеличению числа ранков модуля.
54
Кэш
Кэш[1][2][3] или кеш[4][5][6] (англ. cache, от фр. cacher — «прятать»; произносится [kæʃ] — «кэш») —
промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с
наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из
оперативной (ОЗУ) и быстрее внешней (жёсткий диск или твердотельный накопитель) памяти, за счёт чего
уменьшается среднее время доступа и увеличивается общая производительность компьютерной системы.
Доступ к данным, хранящимся в кэше программным путем на процессорах линейки [x86] невозможен.
Впервые слово «кэш» в компьютерном контексте было использовано в 1967 году во время подготовки
статьи для публикации в журнале «IBM Systems Journal». Статья касалась усовершенствования памяти в
разрабатываемой модели 85 из серии IBM System/360. Редактор журнала Лайл Джонсон попросил
придумать более описательный термин, нежели «высокоскоростной буфер», но из-за отсутствия идей сам
предложил слово «кэш». Статья была опубликована в начале 1968 года, авторы были премированы IBM, их
работа получила распространение и впоследствии была улучшена, а слово «кэш» вскоре стало
использоваться в компьютерной литературе как общепринятый термин. [7]
Функционирование
Диаграмма кэша памяти ЦПУ
Кэш — это память с большей скоростью доступа, предназначенная для ускорения обращения к данным,
содержащимся постоянно в памяти с меньшей скоростью доступа (далее «основная память»). Кэширование
применяется ЦПУ, жёсткими дисками, браузерами, веб-серверами, службами DNS и WINS.
Кэш состоит из набора записей. Каждая запись ассоциирована с элементом данных или блоком данных
(небольшой части данных), которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись
имеет идентификатор, определяющий соответствие между элементами данных в кэше и их копиями в
основной памяти.
Когда клиент кэша (ЦПУ, веб-браузер, операционная система) обращается к данным, прежде всего
исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором
затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Такой случай называется
попаданием кэша. Если в кэше не найдена запись, содержащая затребованный элемент данных, то он
читается из основной памяти в кэш, и становится доступным для последующих обращений. Такой случай
называется промахом кэша. Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, называется уровнем
попаданий или коэффициентом попаданий в кэш.
Например, веб-браузер проверяет локальный кэш на диске на наличие локальной копии веб-страницы,
соответствующей запрошенному URL. В этом примере URL — это идентификатор, а содержимое вебстраницы — это элементы данных.
Если кэш ограничен в объёме, то при промахе может быть принято решение отбросить некоторую запись
для освобождения пространства. Для выбора отбрасываемой записи используются разные алгоритмы
вытеснения.
При модификации элементов данных в кэше выполняется их обновление в основной памяти. Задержка во
времени между модификацией данных в кэше и обновлением основной памяти управляется так называемой
политикой записи.
55
В кэше с немедленной записью каждое изменение вызывает синхронное обновление данных в основной
памяти.
В кэше с отложенной записью (или обратной записью) обновление происходит в случае вытеснения
элемента данных, периодически или по запросу клиента. Для отслеживания модифицированных элементов
данных записи кэша хранят признак модификации (изменённый или «грязный»). Промах в кэше с
отложенной записью может потребовать два обращения к основной памяти: первое для записи заменяемых
данных из кэша, второе для чтения необходимого элемента данных.
В случае, если данные в основной памяти могут быть изменены независимо от кэша, то запись кэша может
стать неактуальной. Протоколы взаимодействия между кэшами, которые сохраняют согласованность
данных, называют протоколами когерентности кэша.
Кэш центрального процессора
Ряд моделей центральных процессоров (ЦП) обладают собственным кэшем, для того чтобы минимизировать
доступ к оперативной памяти (ОЗУ), которая медленнее, чем регистры. Кэш-память может давать
значительный выигрыш в производительности, в случае когда тактовая частота ОЗУ значительно меньше
тактовой частоты ЦП. Тактовая частота для кэш-памяти обычно ненамного меньше частоты ЦП.
В процессорах с поддержкой виртуальной адресации часто вводят небольшой быстродействующий буфер
трансляций адресов (TLB). Его скорость важна, т.к. он опрашивается на каждом обращении в память.
Уровни кэша
Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. В универсальном процессоре в настоящее
время число уровней может достигать 3. Кэш-память уровня N+1 как правило больше по размеру и
медленнее по скорости доступа и передаче данных, чем кэш-память уровня N.
Самой быстрой памятью является кэш первого уровня — L1-cache. По сути, она является неотъемлемой
частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных
блоков. В современных процессорах обычно кэш L1 разделен на два кэша, кэш команд (инструкций) и кэш
данных (Гарвардская архитектура). Большинство процессоров без L1 кэша не могут функционировать. L1
кэш работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый
такт. Зачастую является возможным выполнять несколько операций чтения/записи одновременно.
Латентность доступа обычно равна 2−4 тактам ядра. Объём обычно невелик — не более 384 Кбайт.
Вторым по быстродействию является L2-cache — кэш второго уровня, обычно он расположен на кристалле,
как и L1. В старых процессорах — набор микросхем на системной плате. Объём L2 кэша от 128 Кбайт до
1−12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле,
является памятью раздельного пользования — при общем объёме кэша в nM Мбайт на каждое ядро
приходится по nM/nC Мбайта, где nC количество ядер процессора. Обычно латентность L2 кэша,
расположенного на кристалле ядра, составляет от 8 до 20 тактов ядра.
Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может быть очень внушительного размера —
более 24 Мбайт. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная
память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании и предназначен для синхронизации
данных различных L2.
Иногда существует и 4 уровень кэша, обыкновенно он расположен в отдельной микросхеме. Применение
кэша 4 уровня оправдано только для высоко производительных серверов и мейнфреймов.
Проблема синхронизации между различными кэшами (как одного, так и множества процессоров) решается
когерентностью кэша. Существует три варианта обмена информацией между кэш-памятью различных
уровней, или, как говорят, кэш-архитектуры: инклюзивная, эксклюзивная и неэксклюзивная.
56
Инклюзивная архитектура предполагает дублирование информации кэша верхнего уровня в нижнем
(предпочитает фирма Intel).
Эксклюзивная кэш-память предполагает уникальность информации, находящейся в различных уровнях
кэша (предпочитает фирма AMD).
В неэксклюзивной кэши могут вести себя как угодно.
Ассоциативность кэша
Одна из фундаментальных характеристик кэш-памяти — уровень ассоциативности — отображает её
логическую сегментацию. Дело в том, что последовательный перебор всех строк кэша в поисках
необходимых данных потребовал бы десятков тактов и свёл бы на нет весь выигрыш от использования
встроенной в ЦП памяти. Поэтому ячейки ОЗУ жёстко привязываются к строкам кэш-памяти (в каждой
строке могут быть данные из фиксированного набора адресов), что значительно сокращает время поиска. С
каждой ячейкой ОЗУ может быть связано более одной строки кэш-памяти: например, n-канальная
ассоциативность (англ. n-way set associative) обозначает, что информация по некоторому адресу
оперативной памяти может храниться в n местах кэш-памяти.
При одинаковом объеме кэша схема с большей ассоциативностью будет наименее быстрой, но наиболее
эффективной (после 4-way эффективность на 1 поток растет мало).
Кэширование внешних накопителей
Многие периферийные устройства хранения данных используют кэш для ускорения работы, в частности,
жёсткие диски используют кэш-память от 1 до 64 Мбайт (модели с поддержкой NCQ/TCQ используют её
для хранения и обработки запросов), устройства чтения CD/DVD/BD-дисков также кэшируют прочитанную
информацию для ускорения повторного обращения. Операционная система также использует часть
оперативной памяти в качестве кэша дисковых операций (например, для внешних устройств, не
обладающих собственной кэш-памятью, в том числе жёстких дисков, flash-памяти и гибких дисков).
Применение кэширования внешних накопителей обусловлено следующими факторами:
1.
2.
3.
4.
скорость доступа процессора к оперативной памяти во много раз больше, чем к памяти внешних
накопителей;
некоторые блоки памяти внешних накопителей используются несколькими процессами
одновременно и имеет смысл прочитать блок один раз, затем хранить одну копию блока в
оперативной памяти для всех процессов;
доступ к некоторым блокам оперативной памяти происходит гораздо чаще, чем к другим, поэтому
использование кэширования для таких блоков в целом увеличивает производительность системы;
для некоторых блоков памяти внешних накопителей не требуется непосредственной записи после
модификации, и использование кэша для таких блоков оптимизирует использование ввода-вывода.
Кэширование, выполняемое операционной системой
Кэш оперативной памяти состоит из следующих элементов:
1.
2.
3.
4.
набор страниц оперативной памяти, разделённых на буферы, равные по длине блоку данных
соответствующего устройства внешней памяти;
набор заголовков буферов, описывающих состояние соответствующего буфера;
хеш-таблицы, содержащей соответствие номера блока заголовку;
списки свободных буферов.
57
Алгоритм работы кэша с отложенной записью
Изначально все заголовки буферов помещаются в список свободных буферов. Если процесс намеревается
прочитать или модифицировать блок, то он выполняет следующий алгоритм:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
пытается найти в хеш-таблице заголовок буфера с заданным номером;
в случае, если полученный буфер занят, ждёт его освобождения;
в случае, если буфер не найден в хеш-таблице, берёт первый буфер из хвоста списка свободных;
в случае, если список свободных буферов пуст, то выполняется алгоритм вытеснения (см. ниже);
в случае, если полученный буфер помечен как «грязный», выполняет асинхронную запись
содержимого буфера во внешнюю память.
удаляет буфер из хеш-таблицы, если он был помещён в неё;
помещает буфер в хеш-таблицу с новым номером.
Процесс читает данные в полученный буфер и освобождает его. В случае модификации процесс перед
освобождением помечает буфер как «грязный». При освобождении буфер помещается в голову списка
свободных буферов.
Таким образом:
1.
2.
если процесс прочитал некоторый блок в буфер, то велика вероятность, что другой процесс при
чтении этого блока найдёт буфер в оперативной памяти;
запись данных во внешнюю память выполняется только тогда, когда не хватает «чистых» буферов,
либо по запросу.
Алгоритм вытеснения
Основная статья: Алгоритмы кэширования
Если список свободных буферов пуст, то выполняется алгоритм вытеснения буфера. Алгоритм вытеснения
существенно влияет на производительность кэша. Существуют следующие алгоритмы:
1.
2.
3.
4.
LRU (Least Recently Used) — вытесняется буфер, неиспользованный дольше всех;
MRU (Most Recently Used) — вытесняется последний использованный буфер;
LFU (англ.) (Least Frequently Used) — вытесняется буфер, использованный реже всех;
ARC (англ.) (Adaptive Replacement Cache) — алгоритм вытеснения, комбинирующий LRU и LFU,
запатентованный IBM.
Применение того или иного алгоритма зависит от стратегии кэширования данных. LRU наиболее
эффективен, если данные гарантированно будут повторно использованы в ближайшее время. MRU наиболее
эффективен, если данные гарантированно не будут повторно использованы в ближайшее время. В случае,
если приложение явно указывает стратегию кэширования для некоторого набора данных, то кэш будет
функционировать наиболее эффективно.
Политика записи при кэшировании
При чтении данных кэш-память даёт однозначный выигрыш в производительности. При записи данных
выигрыш можно получить только ценой снижения надёжности. Поэтому в различных приложениях может
быть выбрана та или иная политика записи кэш-памяти..
Существуют две основные политики записи кэш-памяти — сквозная запись (write-through) и отложенная
запись (write-back):
58
1.
2.
Сквозная запись — запись производится непосредственно в основную память (и дублируется в
кэш), т.е. запись не кэшируется.
Отложенная запись — запись данных производится в кэш. Запись же в основную память
производится позже (при вытеснении или по истечению времени), группируя в одной операции
несколько операций записи в соседние ячейки. Технология обратной записи на некоторое время
делает данные в основной памяти неактуальными, для самого ЦП эти неактуальности не заметны,
но перед обращением к памяти другого ведущего системной шины (контроллера DMA, bus-masterустройства шины PCI) кэш должен быть записан в память принудительно. При использовании
обратной записи в многопроцессорной системе кэши различных ЦП должны быть согласованы (или
процессоры должны использовать одну кеш-память).
Кэширование интернет-страниц
В процессе передачи информации по сети может использоваться кэширование интернет-страниц — процесс
сохранения часто запрашиваемых документов на (промежуточных) прокси-серверах или машине
пользователя, с целью предотвращения их постоянной загрузки с сервера-источника и уменьшения трафика.
Таким образом, информация перемещается ближе к пользователю. Управление кэшированием
осуществляется при помощи HTTP-заголовков.
Как вариант, кэширование веб-страниц может осуществляться с помощью CMS конкретного сайта для
снижения нагрузки на сервер при большой посещаемости (например, кэширование часто стало
использоваться Vkontakte). Кэширование может производиться как в память, так и в файловый кэш (кэш на
файлах). [8] Недостаток кеширования заключается в том, что изменения внесенные на одном браузере могут
не сразу отражаться в другом браузере, в котором данные берутся из кеш-памяти.
Кэширование результатов работы
Многие программы записывают куда-либо промежуточные или вспомогательные результаты работы, чтобы
не вычислять их каждый раз, когда они понадобятся. Это ускоряет работу, но требует дополнительной
памяти (оперативной или дисковой). Примером такого кэширования является индексирование баз данных.
59
Тема 4. Накопители данных: накопители на жестких
магнитных дисках, накопители на гибких магнитных
дисках, накопители на магнитных лентах, оптические
накопители, flash-память
Жёсткий диск
Накопи́тель на жёстких магни́тных ди́сках или НЖМД (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD),
жёсткий диск, в компьютерном сленге «винче́стер» — запоминающее устройство (устройство хранения
информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным
накопителем данных в большинстве компьютеров.
В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или
стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома —
магнитные диски. В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки
в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха,
образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет
несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм[1]), а отсутствие механического контакта
обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у
шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью
дисков.
Также, в отличие от гибкого диска, носитель информации совмещён с накопителем, приводом и блоком
электроники и (в персональных компьютерах в большинстве случаев) обычно установлен внутри
системного блока компьютера.
Название «Винчестер»
По одной из версий[2][3], название «винчестер» (англ. Winchester) накопитель получил благодаря
работавшему в фирме IBM Кеннету Хотону (англ. Kenneth E. Haughton), руководителю проекта, в
результате которого в 1973 году был выпущен жёсткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном
неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке инженеры использовали
краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 МБ
каждый, что по созвучию совпало с обозначением популярного охотничьего оружия — винтовки
«Winchester Model 1894» использующего винтовочный патрон «.30-30 Winchester». Также существует
версия[4], что название произошло исключительно из-за названия патрона, также выпускавшегося Winchester
Repeating Arms Company, первого созданного в США боеприпаса для гражданского оружия «малого»
калибра на бездымном порохе, который превосходил патроны старых поколений по всем показателям и
немедленно завоевал широчайшую популярность.
В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах, в русском же языке
сохранилось и получило полуофициальный статус, а в компьютерном сленге сократилось до слова «винт»
(наиболее употребимый вариант).
Характеристики
Интерфейс (англ. interface) — совокупность линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям,
технических средств, поддерживающих эти линии, и правил (протокола) обмена. Современные серийно
выпускаемые внутренние жёсткие диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE и PATA), SATA,
eSATA, SCSI, SAS, FireWire, SDIO и Fibre Channel.
60
Ёмкость (англ. capacity) — количество данных, которые могут храниться накопителем. С момента создания
первых жёстких дисков в результате непрерывного совершенствования технологии записи данных их
максимально возможная ёмкость непрерывно увеличивается. Ёмкость современных жёстких дисков (с
форм-фактором 3,5 дюйма) на сентябрь 2011 г. достигает 4000 ГБ (4 Терабайт) и близится к 5 Тб[5]. В
отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину (см.:
двоичные приставки), производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины,
кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 ГБ», составляет 186,2 ГиБ.[6][7]
Физический размер (форм-фактор) (англ. dimension). Почти все современные (2001—2008 года) накопители
для персональных компьютеров и серверов имеют ширину либо 3,5, либо 2,5 дюйма — под размер
стандартных креплений для них соответственно в настольных компьютерах и ноутбуках. Также получили
распространение форматы 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма. Прекращено производство
накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов.
Время произвольного доступа (англ. random access time) — среднее время, за которое винчестер выполняет
операцию позиционирования головки чтения/записи на произвольный участок магнитного диска. Диапазон
этого параметра — от 2,5 до 16 мс. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски
(например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — 3,7 мс[8]), самым большим из актуальных — диски для портативных
устройств (Seagate Momentus 5400.3 — 12,5 мс[9]). Для сравнения, у SSD накопителей этот параметр меньше
1 мс.
Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого
параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее
время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200
(ноутбуки), 5400, 5900, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и
высокопроизводительные рабочие станции). Увеличению скорости вращения шпинделя в винчестерах для
ноутбуков препятствует гироскопический эффект, влияние которого пренебрежимо мало в неподвижных
компьютерах.
Надёжность (англ. reliability) — определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF). Также
подавляющее большинство современных дисков поддерживают технологию S.M.A.R.T.
Количество операций ввода-вывода в секунду(англ. IOPS) — у современных дисков это около 50 оп./с при
произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.
Потребление энергии — важный фактор для мобильных устройств.
Сопротивляемость ударам (англ. G-shock rating) — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления
или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.
Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate) при последовательном доступе:


внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;
внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.
Объём буфера — буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий
скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных дисках он обычно варьируется от 8 до 64
Мб.
Уровень шума
Уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах.
Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума
вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.
Для снижения шума от жестких дисков применяют следующие методы:
61


Программный, c помощью настройки, встроенной в большинство современных дисков, системы
AAM. Переключение жёсткого диска в малошумный режим приводит к снижению
производительности в среднем на 5-25 %, но делает шум при работе практически неслышным.
Использование шумопоглощающих устройств[10], закрепления дисков на резиновых или
силиконовых шайбах или даже полная замена крепления на гибкую подвеску.
Производители
Изначально на рынке было большое разнообразие жёстких дисков, производившихся множеством
компаний. В связи с ужесточением конкуренции, бурным ростом ёмкости, требующим современных
технологий, и понижением норм прибыли большинство производителей было либо куплено конкурентами,
либо перешло на другие виды продукции.
Fujitsu продолжает выпускать жёсткие диски для ноутбуков и SCSI-диски, но покинула массовый рынок
настольных накопителей в 2001 году из-за фатальной неудачи, связанной с массово выходившей из строя
микросхемой контроллера Cirrus Logic на самом диске (в 2009 году производство жёстких дисков было
полностью передано компании Toshiba[11]). До этого, жёсткие диски Fujitsu считались лучшими в секторе
настольных компьютеров, имея превосходные характеристики вращающихся поверхностей, практически без
перенесённых на заводе секторов. Toshiba является основным производителем 2,5- и 1,8-дюймовых ЖД для
ноутбуков. Достаточно яркий след в истории жёстких дисков оставила компания Quantum, но и она в начале
2000-ных потерпела неудачи, даже ещё более фатальные, чем IBM и Fujitsu. В отличие от IBM, где
окислялись контакты неудачно выполненного разъёма гермобанки, в жёстких дисках Quantum серии CX
выходила из строя микросхема коммутатора головок, расположенная в гермобанке диска, что приводило к
весьма дорогостоящему извлечению данных с вышедшего из строя диска. Жёсткие диски выпускала и
компания Nec. Одним из лидеров в производстве дисков являлась компания Maxtor. В 2001 году Maxtor
выкупила подразделение жёстких дисков компании Quantum, и тоже не избежала проблем с репутацией изза так называемых "тонких" дисков. В 2006 году состоялось слияние Seagate и Maxtor. В середине 1990-х
годов существовала компания Conner Peripherials, которую впоследствии купила Seagate. В первой половине
1990-х существовала фирма Micropolis, производившая очень дорогие SCSI-диски premium-класса для
серверов. Но при выпуске первых в отрасли винчестеров на 7200 об/мин ею были использованы
некачественные подшипники шпинделя, поставлявшиеся фирмой Nidec, и Micropolis понесла фатальные
убытки на возвратах, разорилась и была полностью выкуплена компанией Seagate. Бывшее подразделение
IBM, чьи диски доселе считались практически эталонными, после фатальных неудач, связанных с
массовыми отказами дисков для настольных компьютеров в начале 2000-ных, выкупленное фирмой Hitachi,
весной 2011г приобрела компания Western Digital.[источник не указан 93 дня] В тоже время Samsung продала своё
HDD подразделение Seagate.[источник не указан 93 дня] На 2011 год осталось всего 3 производителя - Seagate
Technology, Western Digital и Toshiba.[источник не указан 93 дня]
В настоящее время, в связи с продвижением на рынок внешних накопителей и развитием технологий типа
SSD, количество фирм, предлагающих готовые решения вновь возросло.
Устройство
62
Схема устройства накопителя на жёстких магнитных дисках.
Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники.
Гермозона
Разобранный жёсткий диск Samsung HD753LJ ёмкостью 750 ГБ, произведенный в марте 2008 года
Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным
покрытием, в некоторых моделях разделённые сепараторами, а также блок головок с устройством
позиционирования, и электропривод шпинделя.
Вопреки расхожему мнению, в подавляющем большинстве устройств внутри гермозоны нет вакуума. Одни
производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом
или нейтральными газами, в частности, азотом, а для выравнивания давления устанавливают тонкую
металлическую или пластиковую мембрану. (В таком случае внутри корпуса жёсткого диска
предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля, который абсорбирует водяные пары,
оставшиеся внутри корпуса после его герметизации). Другие производители выравнивают давление через
небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько микрометров) частицы.
Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание
давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного
давления (например, в самолёте) и температуры, а также при прогреве устройства во время работы.
Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на
ещё один фильтр — пылеуловитель.
Блок головок — пакет кронштейнов (рычагов) из упругой стали (обычно по паре на каждый диск). Одним
концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.
Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из
пластика и даже стекла (IBM), но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости
пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика — окислов железа,
марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения составляют коммерческую тайну.
Большинство бюджетных устройств содержит одну или две пластины, но существуют модели с бо́льшим
числом пластин.
Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько
тысяч оборотов в минуту (3600, 4200, 5000, 5400, 5900, 7200, 9600, 10 000, 12 000, 15 000). При такой
скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает
головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при
работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости,
необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это
предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин. Шпиндельный двигатель жёсткого
диска трёхфазный, что обеспечивает стабильность вращения магнитных дисков, смонтированных на оси
(шпинделе) двигателя. Статор двигателя содержит три обмотки, включенных «звездой» с отводом
посередине, а ротор — постоянный секционный магнит.
63
Сепаратор (разделитель) — пластина, изготовленная из пластика или алюминия, находящаяся между
блинами и над верхним блином. Используется для выравнивания потоков воздуха внутри гермозоны[12].
Устройство позиционирования
Разобранный жесткий диск. Снята верхняя пластина статора соленоидного двигателя
Устройство позиционирования (сервопривод, жарг. актуатор) головок представляет из себя
малоинерционный[источник не указан 129 дней] соленоидный двигатель.[13] Оно состоит из неподвижной пары
сильных неодимовых постоянных магнитов, а также катушки (соленоид) на подвижном кронштейне блока
головок.
Принцип работы двигателя заключается в следующем: обмотка находится внутри статора (обычно два
неподвижных магнита), ток, подаваемый с различной силой и полярностью, заставляет ее точно
позиционировать кронштейн (коромысло) с головками по радиальной траектории. От скорости работы
устройства позиционирования зависит время поиска данных на поверхности пластин. [13]
В каждом накопителе существует специальная зона, называемая парковочной, именно на ней
останавливаются головки в те моменты, когда накопитель выключен, либо находится в одном из режимов
низкого энергопотребления. В состоянии парковки кронштейн (коромысло) блока головок находится в
крайнем положении и упирается в ограничитель хода. При операциях доступа к информации (чтение/запись)
основным источником шума является вибрация вследствие ударов кронштейнов, удерживающих магнитные
головки, об ограничители хода в процессе возвращения головок в нулевую позицию. Для снижения шума на
ограничителях хода установлены демпфирующие шайбы из мягкой резины. Значительно уменьшить шум
жёсткого диска можно программным путем, меняя параметры режимов ускорения и торможения блока
головок. Для этого разработана специальная технология — Automatic Acoustic Management. Официально
возможность программного управления уровнем шума жёсткого диска появилась в стандарте ATA/ATAPI-6,
хотя некоторые производители делали экспериментальные реализации и в более младших версиях этого
стандарта. Согласно стандарту, управление осуществляется путем изменения значения управляющей
переменной в диапазоне от 128 до 254, что позволяет регулировать шум, производительность, температуру,
потребление электроэнергии и срок эксплуатации жёсткого диска.
Блок электроники
В ранних жёстких дисках управляющая логика была вынесена на MFM или RLL контроллер компьютера, а
плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управления шпиндельным двигателем,
позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков
уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жёстких дисках блок электроники
обычно содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память,
интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала.
Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жёсткого диска с остальной системой.
Блок управления представляет собой систему управления, принимающую электрические сигналы
позиционирования головок, и вырабатывающую управляющие воздействия приводом типа «звуковая
катушка», коммутации информационных потоков с различных головок, управления работой всех остальных
64
узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя), приёма и обработки сигналов с датчиков
устройства (система датчиков может включать в себя одноосный акселерометр, используемый в качестве
датчика удара, трёхосный акселерометр, используемый в качестве датчика свободного падения, датчик
давления, датчик угловых ускорений, датчик температуры).
Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также
служебную информацию винчестера.
Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется
быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти в некоторых случаях
позволяет увеличить скорость работы накопителя.
Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его
декодирование (извлечение цифровой информации). Для цифровой обработки применяются различные
методы, например, метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood — максимальное правдоподобие при
неполном отклике). Осуществляется сравнение принятого сигнала с образцами. При этом выбирается
образец, наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.
Низкоуровневое форматирование
На заключительном этапе сборки устройства поверхности пластин форматируются — на них формируются
дорожки и секторы. Конкретный способ определяется производителем и/или стандартом, но, как минимум,
на каждую дорожку наносится магнитная метка, обозначающая её начало.
Существуют утилиты, способные тестировать физические секторы диска, и ограниченно просматривать и
править его служебные данные.[14] Конкретные возможности подобных утилит сильно зависят от модели
диска и технических сведений, известных автору по соответствующему семейству моделей. [15]
Геометрия магнитного диска
С целью адресации пространства поверхности пластин диска делятся на дорожки — концентрические
кольцевые области. Каждая дорожка делится на равные отрезки — секторы. Адресация CHS предполагает,
что все дорожки в заданной зоне диска имеют одинаковое число секторов.
Цилиндр — совокупность дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин
жёсткого диска. Номер головки задает используемую рабочую поверхность (то есть конкретную дорожку из
цилиндра), а номер сектора — конкретный сектор на дорожке.
Чтобы использовать адресацию CHS, необходимо знать геометрию используемого диска: общее количество
цилиндров, головок и секторов в нем. Первоначально эту информацию требовалось задавать вручную; в
стандарте ATA-1 была введена функция автоопределения геометрии (команда Identify Drive).[16]
65
Особенности геометрии жёстких дисков со встроенными контроллерами
Зонирование
На пластинах современных «винчестеров» дорожки сгруппированы в несколько зон (англ. Zoned Recording).
Все дорожки одной зоны имеют одинаковое количество секторов. Однако, на дорожках внешних зон
секторов больше, чем на дорожках внутренних. Это позволяет, используя бо́льшую длину внешних
дорожек, добиться более равномерной плотности записи, увеличивая ёмкость пластины при той же
технологии производства.
Резервные секторы
Для увеличения срока службы диска на каждой дорожке могут присутствовать дополнительные резервные
секторы. Если в каком-либо секторе возникает неисправимая ошибка, то этот сектор может быть подменён
резервным (англ. remapping). Данные, хранившиеся в нём, при этом могут быть потеряны или
восстановлены при помощи ECC, а ёмкость диска останется прежней. Существует две таблицы
переназначения: одна заполняется на заводе, другая — в процессе эксплуатации. Границы зон, количество
секторов на дорожку для каждой зоны и таблицы переназначения секторов хранятся в ПЗУ блока
электроники.
Логическая геометрия
По мере роста емкости выпускаемых жёстких дисков их физическая геометрия перестала вписываться в
ограничения, накладываемые программными и аппаратными интерфейсами (см.: Барьеры размеров жёстких
дисков). Кроме того, дорожки с различным количеством секторов несовместимы со способом адресации
CHS. В результате контроллеры дисков стали сообщать не реальную, а фиктивную, логическую геометрию,
вписывающуюся в ограничения интерфейсов, но не соответствующую реальности. Так, максимальные
номера секторов и головок для большинства моделей берутся 63 и 255 (максимально возможные значения в
функциях прерывания BIOS INT 13h), а число цилиндров подбирается соответственно ёмкости диска. Сама
же физическая геометрия диска не может быть получена в штатном режиме работы [17] и другим частям
системы неизвестна.
Адресация данных
Минимальной адресуемой областью данных на жёстком диске является сектор. Размер сектора
традиционно равен 512 байт.[18] В 2006 году IDEMA объявила о переходе на размер сектора 4096 байт,
который планируется завершить к 2010 году[19]. Компания Western Digital уже сообщила[20] о начале
использования новой технологии форматирования, названой Advanced Format, и выпустил серию
накопителей, использующих новую технологию. К этой серии относятся линейки AARS/EARS и BPVT в
отличие от BEVT, которые при тех же характеристиках используют "старый" 512-байтный сектор.
Перед использованием накопителя с технологией Advanced Format для работы в Windows XP необходимо
выполнить процедуру выравнивания с помощью специальной утилиты. [21] Для Windows Vista, Windows 7 и
Mac OS выравнивание не требуется.[22]
В Windows Vista, Windows 7, Windows Server 2008 и Windows Server 2008 R2 присутствует ограниченная
поддержка дисков с таким размером сектора.[23][24]
Существует 2 основных способа адресации секторов на диске: цилиндр-головка-сектор (англ. cylinder-headsector, CHS) и линейная адресация блоков (англ. linear block addressing, LBA).
CHS
При этом способе сектор адресуется по его физическому положению на диске 3 координатами — номером
цилиндра, номером головки и номером сектора. В дисках, объёмом больше 528 482 304 байт (504 Мб), со
66
встроенными контроллерами эти координаты уже не соответствуют физическому положению сектора на
диске и являются «логическими координатами» (см. выше).
LBA
При этом способе адрес блоков данных на носителе задаётся с помощью логического линейного адреса.
LBA-адресация начала внедряться и использоваться в 1994 году совместно со стандартом EIDE (Extended
IDE). Стандарты ATA требуют однозначного соответствия между режимами CHS и LBA:
LBA = [ (Cylinder * no of heads + heads) * sectors/track ] + (Sector-1)
Метод LBA соответствует Sector Mapping для SCSI. BIOS SCSI-контроллера выполняет эти задачи
автоматически, то есть для SCSI-интерфейса метод логической адресации был характерен изначально.
Технологии записи данных
Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется
относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в
магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки
возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности
диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При
считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в
магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке изза эффекта электромагнитной индукции.
В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках
магниторезистивные головки. В них изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в
зависимости от изменения напряжённости магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить
вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи
информации).
Метод продольной записи
Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая, проходя над поверхностью
вращающегося диска, намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей — доменов. При
этом вектор намагниченности домена расположен продольно, то есть параллельно поверхности диска.
Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от направления
намагниченности.
Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23
Гбит/см². К 2010 году этот метод был практически вытеснен методом перпендикулярной записи.
Метод перпендикулярной записи
Метод перпендикулярной записи — это технология, при которой биты информации сохраняются в
вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь
материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у современных (на 2009 год) образцов — 400
Гбит на кв/дюйм (62 Гбит/см²).[25]
Жёсткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года.
Метод тепловой магнитной записи
Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat-assisted magnetic recording, HAMR) на данный момент самый
перспективный из существующих, сейчас он активно разрабатывается. При использовании этого метода
67
используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области
его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». На рынке ЖД данного
типа пока не представлены (на 2009 год), есть лишь экспериментальные образцы, плотность записи которых
150 Гбит/см².[26] Разработка HAMR-технологий ведется уже довольно давно, однако эксперты до сих пор
расходятся в оценках максимальной плотности записи. Так, компания Hitachi называет предел в 2,3−3,1
Тбит/см², а представители Seagate Technology предполагают, что плотность записи HAMR-носителей
достигнет 7,75 Тбит/см².[27] Широкого распространения данной технологии следует ожидать в 2011—2012
годах.
История прогресса накопителей
Шесть типоразмеров жёстких дисков, образовавшихся в ходе их развития. Для масштаба рядом лежит
дюймовая линейка.



















1956 год — жёсткий диск IBM 350 в составе первого серийного компьютера IBM 305 RAMAC.
Накопитель занимал ящик размером с большой холодильник и имел вес 971 кг, а общий объём
памяти 50 вращавшихся в нём покрытых чистым железом тонких дисков диаметром 610 мм
составлял около 5 миллионов 6-битных байт (3,5 Мб в пересчёте на 8-битные байты).
1980 год — первый 5,25-дюймовый Winchester, Shugart ST-506, 5 Мб.
1981 год — 5,25-дюймовый Shugart ST-412, 10 Мб.
1986 год — стандарты SCSI, ATA(IDE).
1990 год — максимальная ёмкость 320 Мб.
1995 год — максимальная ёмкость 2 Гб.
1997 год — максимальная ёмкость 10 Гб.
1998 год — стандарты UDMA/33 и ATAPI.
1999 год — IBM выпускает Microdrive ёмкостью 170 и 340 Мб.
2000 год — IBM выпускает Microdrive ёмкостью 500 Мб и 1 Гб.
2002 год — стандарт ATA/ATAPI-6 и накопители емкостью свыше 137 Гб.
2003 год — появление SATA.
2003 год — Hitachi выпускает Microdrive ёмкостью 2 Гб.
2004 год — Seagate выпускает ST1 — аналог Microdrive ёмкостью 2.5 и 5 Гб.
2005 год — максимальная ёмкость 500 Гб.
2005 год — стандарт Serial ATA 3G (или SATA II).
2005 год — появление SAS (Serial Attached SCSI).
2005 год — Seagate выпускает ST1 — аналог Microdrive ёмкостью 8 Гб.
2006 год — применение перпендикулярного метода записи в коммерческих накопителях.
68











2006 год — появление первых «гибридных» жёстких дисков, содержащих блок флеш-памяти.
2006 год — Seagate выпускает ST1 — аналог Microdrive ёмкостью 12 Гб.
2007 год — Hitachi представляет первый коммерческий накопитель ёмкостью 1 Тб.
2009 год — на основе 500-гигабайтных пластин Western Digital, затем Seagate Technology LLC
выпустили модели ёмкостью 2 Тб.[28]
2009 год — Samsung выпустила первые жёсткие диски с интерфейсом USB 2.0 [29]
2009 год — Western Digital объявила о создании 2,5-дюймовых HDD объемом 1 Тб (плотность
записи — 333 Гб на одной пластине)[30]
2009 год — появление стандарта SATA 3.0 (SATA 6G).
2010 год — Seagate выпускает жёсткий диск объемом 3 Тб [5].
2010 год — Samsung выпускает жёсткий диск с пластинами, у которых плотность записи — 667 Гб на
одной пластине [31]
2011 год — Western Digital выпустила первый диск на 750 Гб пластинах[32].
2011 год — Hitachi выпустила первый диск на 1 Тб пластинах[33].
Накопитель на гибких дисках
Накопитель на гибких дисках (англ. floppy disk drive) — дисковод предназначенный для считывания и
записи информации с дискеты — портативного носителя информации представляющей собой помещённый
в защитный пластиковый корпус гибкий магнитный диск диаметром 8″, 5¼″ или 3½ ″, покрытый
ферромагнитным слоем, с отверстием в центре.
Приводы (позиционирования головок и вращения) и система считывания-записи управляется электронной
схемой, размещённой на печатной плате, которая находится внутри корпуса дисковода. В отечественной
терминологии система управления называлась КНГМД — контроллер накопителя на гибких магнитных
дисках.
Накопители гибких дисков, равно как и сами носители — дискеты, были массово распространены с 1970-х и
до конца 1990-х годов. В XXI веке НГМД всё сильнее уступают более ёмким CD, DVD и удобным в
использовании флеш-накопителям.








1967 — Алан Шугарт возглавлял команду, которая разрабатывала дисководы в лаборатории фирмы
IBM, где были созданы накопители на гибких дисках. Дэвид Нобль (англ. David Noble), один из
старших инженеров, работающих под его руководством, предложил гибкий диск (прообраз
дискеты диаметром 8″) и защитный кожух с тканевой прокладкой.
1971 — фирмой IBM была представлена первая дискета диаметром в 8″ (200 мм) с
соответствующим дисководом.
1973 — Алан Шугарт основывает собственную фирму Shugart Associates.
1976 — Финне Коннер (англ. Finis Conner) пригласил Алана Шугарта принять участие в разработке и
выпуске дисководов с жёсткими дисками диаметром 5¼″, в результате чего фирма Shugart
Associates, разработав контроллер и оригинальный интерфейс Shugart Associates SA-400, выпустила
дисковод для миниатюрных (mini-floppy) гибких дисков на 5¼″, который, быстро вытеснив
дисководы для дисков 8″, стал популярным в персональных компьютерах. Компания Shugart
Associates также создала интерфейс Shugart Associates System Interface (SASI), который после
формального одобрения комитетом ANSI в 1986 году был переименован в Small Computer System
Interface (SCSI).
1981 — Sony выводит на рынок дискету диаметром 3½″ (90 мм). В первой версии (DD) объём
составляет 720 килобайт (9 секторов). В 1984 году фирма Hewlett-Packard впервые использовала
этот накопитель в своем компьютере HP-150. Поздняя версия (HD) имеет объём 1440 килобайт или
1,44 мегабайт (18 секторов).
1984 год — фирма Apple стала использовать накопители 3½″ в компьютерах Macintosh
1987 год — 3½″ HD накопитель появился в компьютерных системах PS/2 фирмы IBM и становится
стандартом для массовых ПК.
1987 год — официально представлены разработанные в 1980-х годах фирмой Toshiba Corporation
дисководы сверхвысокой плотности (англ. Extra High Density, ED) носителем для которых служила
дискета ёмкостью 2880 килобайт или 2,88 мегабайт (36 секторов).
69
Конструкция
Для считывания (и записи) информации, записанной на диске, дисковод оснащён установленной на приводе
головок парой магнитных головок, представляющих собой электромагнитные катушки с сердечниками из
мягкого сплава железа, снабженных пружинами и под небольшим давлением прижимающихся к
поверхности диска. Двигатель, который осуществляет перемещения головок по диску в двух направлениях с
определенным приращением, или шагом, называется шаговым двигателем. Двигатель управляется
контроллером диска, который устанавливает головки в соответствии с любым относительным приращением
в пределах границ перемещения привода головок. В миниатюрных дисководах на 3½″ головки монтируются
на червячной передаче, приводимой в движение непосредственно валом шагового двигателя.
Диски имеют два типа плотности — радиальную и линейную. Радиальная плотность указывает, сколько
дорожек может быть записано на диске, и выражается в количестве дорожек на дюйм (англ. Track Per Inch,
TPI). Линейная плотность — это способность отдельной дорожки накапливать данные и выражается в
количестве битов на дюйм (англ. Bits Per Inch, BPI). Шаговые двигатели не могут осуществлять
непрерывное позиционирование, обычно он поворачивается на точно определенный угол и останавливается.
Большинство шаговых двигателей, установленных в дисководах гибких дисков, осуществляют перемещение
с определенным шагом, связанным с расстоянием между дорожками на диске. За исключением дисковода
гибких дисков диаметром 5¼″ ёмкостью 360 Кбайт, которые выпускались только с плотностью 48 TPI и в
которых использовался шаговый двигатель с приращением 3,6°, во всех остальных типах дисководов (96
или 135 TPI) обычно используется шаговый двигатель с приращением 1,8°. Кроме того, шаговый двигатель
выполняет перемещение между фиксированными ограничителями и должен останавливаться при
определенном положении ограничителя.
Позиционирование головок — это операция расположения головок относительно дорожек на диске (узкие
концентрические кольца на диске), позволяет приступить к чтению или записи информации на диск.
Цилиндр (англ. cylinder) — количество дорожек, с которых можно считать информацию, не перемещая
головок. Термин обычно используется как синоним дорожки, а поскольку гибкий диск в дискете имеет две
стороны, а дисковод для гибких дисков — только две головки, в гибком диске на один цилиндр приходится
две дорожки.

Конструкция дисководов

70

Конструкция 3½″ дисковода гибких дисков.

Головки чтения/записи 3½″ дисковода гибких дисков.
Подключение
Для подключения дисковода имеются два разъема: один для электрического питания, а другой для передачи
данных и сигналов управления. Эти разъемы в компьютерной промышленности стандартизованы: для
подключения питания используется четырехконтактный линейный разъем Mate-N-Lock фирмы AMP
большого и малого размеров, сигнальный — 34-контактные разъемы. В дисководах формата 5¼″ обычно
используется большой разъем для питания, в то время как в большинстве дисководов формата 3½″ для
питания используется разъем меньшего размера.
«Странность» сигнального кабеля заключается в том, что линии 10—16 разрезаны и переставлены
(перекручены) между разъемами дисководов. Это перекручивание переставляет первое и второе положения
перемычки выбора дисковода и сигналы включения двигателя, а следовательно, меняет на
противоположные установки сигнала «DS» для дисковода, находящегося за перекручиванием.
Соответственно все дисководы в компьютере с этим типом кабеля имеют перемычки, установленные
одинаково, а настройка и установка дисководов (вместо первый и второй, они обозначаются в системе как A
и B) упрощается. Как правило, материнская плата содержит интегрированный контроллер дисководов
(равно как и отдельная плата контроллера, существовавшая в раннее), обеспечивающий установку пары
дисководов.
При подключении кабелей необходимо учитывать их ориентацию, в случае если неправильно подключен
сигнальный кабель, лампочка на лицевой панели дисковода будет светиться сразу после подачи питания. В
71
случае же неправильной ориентации кабеля питания на электронную схему управления дисководом вместо
5 В подается питание 12 В, что гарантированно приводит к выходу её из строя. Учитывая, что стоимость
ремонта штучной платы превышает оптовую стоимость самого дисковода, ремонт дисковода, как правило,
экономически не целесообразен.

Колодки для подключения 5¼″ (слева на фото) и 3½″ (справа) дисководов различны. Для
подключения на кабеле 3½″ дисковода к колодке для 5¼″ дисковода, мог быть использован
специальный переходник.
Дисководы формата 3½″ высокой плотности (неформатированная ёмкость дискеты, определяемая
плотностью записи и площадью носителя, составляет 2 Мб) впервые появились в компьютерах IBM PS/2 в
1987 году. Эти дисководы записывают 80 цилиндров с 18 секторами на дорожке, создавая в результате
емкость 1,44 Мб, имеют скорость вращения 300 об/мин и записывают в 1,2 раза больше данных, чем
дисководы формата 5¼″ на 1,2 Мб (скорость передачи данных в этих дисководах высокой плотности
одинакова, и они совместимы с одними и теми же контроллерами высокой и низкой плотности). Для того,
чтобы использовать максимальную для большинства стандартных контроллеров дисководов высокой и
низкой плотности скорость передачи данных 500 000 бит/с, эти дисководы должны иметь скорость 300
об/мин. Если дисковод будет вращать дискету со скоростью 360 об/мин (как дисковод формата 5¼″) число
секторов на дорожку должно быть уменьшено до 15, иначе контроллер не будет успевать обрабатывать
сигналы.
Промышленный выпуск дисководов сверхвысокой ёмкости на 2,88 Мбайт Toshiba начала 1989 году. В 1991
году IBM официально приняла эти дисководы для установки в компьютерах PS/2, и практически все PS/2,
выпущенные с тех пор, содержат эти дисководы как стандартное оборудование. Для работы с такими
дисководами требуется установленная ОС MS-DOS версии 5.0 или старше.
Для правильной работы дисковода на 2,88 Мб необходимо обновление дискового контроллера, так как эти
дисководы имеют ту же скорость вращения 300 об/мин, но записывают 36, а не 18 секторов на одной
дорожке. В отличие от контроллеров дисководов предыдущих форматов, максимальная скорость передачи
данных которых составляет 500 000 бит/с, для того что бы эти 36 секторов были считаны или записаны за то
же время, которое требуется дисководу на 1,44 Мбайт для чтения и записи 18 секторов, от контроллера
требуется гораздо более высокой скорости передачи данных, 1 000 000 бит/с.
Оптический диск
Оптический диск (англ. optical disc) — собирательное название для носителей информации, выполненных
в виде дисков, чтение с которых ведётся с помощью оптического излучения. Диск обычно плоский, его
основа сделана из поликарбоната, на который нанесён специальный слой, который и служит для хранения
информации. Для считывания информации используется обычно луч лазера, который направляется на
специальный слой и отражается от него. При отражении луч модулируется мельчайшими выемками питами
(от англ. pit — ямка, углубление) на специальном слое, на основании декодирования этих изменений
устройством чтения восстанавливается записанная на диск информация.
72
Первое поколение оптических дисков



Лазерный диск
Компакт-диск
Магнитооптический диск
Второе поколение оптических дисков







DVD
MiniDisc
Digital Multilayer Disk
DataPlay
Fluorescent Multilayer Disc
GD-ROM
Universal Media Disc
Третье поколение оптических дисков






Blu-ray Disc
HD DVD
Forward Versatile Disc
Ultra Density Optical
Professional Disc for DATA
Versatile Multilayer Disc
Четвертое поколение оптических дисков


Holographic Versatile Disc
SuperRens Disc[1]
[править] Некоторые параметры оптических дисков
Базовая (1×) и максимальная (ориентировочно) скорости чтения
Базовая
Максимальная
Поколение
(Mbit/s)
(Mbit/s)
×
1-е (CD)
1.17
65.62
56×
2-е (DVD)
10.55
210.94
20×
3-е (BD)
36
432
12× [2]
Ёмкость и номенклатура[3][4]
Диаметр Ёмкость
СторонСлоёв
(см) (GB) (GiB)
Обозначение
CD–ROM 74 min
SS SL
1
1
120.6820.635
CD–ROM 80 min
SS SL
1
1
120.7370.687
CD–ROM
SS SL
1
1
80.1940.180
73
DDCD–ROM
SS SL
1
1
121.3641.270
DDCD–ROM
SS SL
1
1
80.3870.360
DVD–1
SS SL
1
1
8 1.46 1.36
DVD–2
SS DL
1
2
8 2.66 2.47
DVD–3
DS SL
2
2
8 2.92 2.72
DVD–4
DS DL
2
4
8 5.32 4.95
DVD–5
SS SL
1
1
12 4.70 4.37
DVD–9
SS DL
1
2
12 8.54 7.95
DVD–10
DS SL
2
2
12 9.40 8.74
DVD–14
DS DL/SL
2
3
1213.2412.32
DVD–18
DS DL
2
4
1217.0815.90
DVD–R 1.0
SS SL
1
1
12 3.95 3.68
DVD–R (2.0), +R, –RW, +RWSS SL
1
1
12 4.70 4.37
DVD-R, +R, –RW, +RW
DS SL
2
2
12 9.40 8.75
DVD–RAM
SS SL
1
1
8 1.46 1.36
DVD–RAM
DS SL
2
2
8 2.65 2.47
DVD–RAM 1.0
SS SL
1
1
12 2.58 2.40
DVD–RAM 2.0
SS SL
1
1
12 4.70 4.38
DVD–RAM 1.0
DS SL
2
2
12 5.16 4.80
DVD–RAM 2.0
DS SL
2
2
12 9.40 8.75
HD DVD
SS SL
1
1
8 4.70 4.38
HD DVD
SS DL
1
2
8 9.40 8.75
HD DVD
DS SL
2
2
8 9.40 8.75
HD DVD
DS DL
2
4
818.8017.50
HD DVD
SS SL
1
1
1215.0013.97
HD DVD
SS DL
1
2
1230.0027.94
HD DVD
DS SL
2
2
1230.0027.94
HD DVD
DS DL
2
4
1260.0055.88
HD DVD–RAM
SS SL
1
1
1220.0018.63
Флеш-память
Флеш-память (англ. flash memory) — разновидность полупроводниковой технологии электрически
перепрограммируемой памяти (EEPROM). Это же слово используется в электронной схемотехнике для
обозначения технологически законченных решений постоянных запоминающих устройств в виде микросхем
74
на базе этой полупроводниковой технологии. В быту это словосочетание закрепилось за широким классом
твердотельных устройств хранения информации.
Благодаря компактности, дешевизне, механической прочности, большому объему, скорости работы и
низкому энергопотреблению флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах и
носителях информации.
Предшественниками технологии флеш-памяти можно считать ультрафиолетово стираемые ПЗУ и
электрически стираемые (EEPROM). Эти приборы также имели матрицу транзисторов с плавающим
затвором, в которых инжекция электронов в плавающий затвор («запись») осуществлялась созданием
большой напряженности электрического поля в тонком диэлектрике. Однако площадь разводки
компонентов в матрице резко увеличивалась если требовалось создать поле обратной напряженности для
снятия электронов с плавающего затвора («стирания»). Поэтому и возникло два класса устройств: в одном
случае жертвовали цепями стирания получая память высокой плотности, а в другом случае делали
полнофункциональное устройство с гораздо меньшей емкостью.
Соответственно усилия инженеров были направлены на решение проблемы плотности компоновки цепей
стирания. Они увенчались успехом изобретением инженера компании Toshiba Фудзио Масуокой в 1984
году. Название «флеш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзио, Сёдзи Ариидзуми, потому что
процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (англ. flash). Масуока представил свою
разработку на IEEE 1984 International Electron Devices Meeting (IEDM), проходившей в Сан-Франциско,
Калифорния.
В 1988 году Intel выпустила первый коммерческий флеш-чип NOR-типа.
NAND-тип флеш-памяти был анонсирован Toshiba в 1989 году на International Solid-State Circuits Conference.
Принцип действия[1]
Принцип работы полупроводниковой технологии флеш-памяти основан на изменении и регистрации
электрического заряда в изолированной области (кармане) полупроводниковой структуры.
Изменение заряда («запись» и «стирание») производится приложением между затвором и истоком большого
потенциала чтобы напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и
карманом оказалась достаточна для возникновения туннельного эффекта. Для усиления эффекта
тунеллирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путем
пропускания тока через канал полевого транзистора (эффект Hot carrier injection (англ.)русск.).
Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет роль затвора. Потенциал
плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора, что и регистрируется цепями чтения.
Эта конструкция снабжается элементами которые позволяют ей работать в большом массиве таких же ячеек.

Разрез транзистора с плавающим затвором

75
Программирование флеш-памяти

NOR и NAND приборы
Различаются методом соединения ячеек в массив и алгоритмами чтения-записи.
Конструкция NOR использует классическую двумерную матрицу проводников («строки» и «столбцы») в
которой на пересечении установлено по одной ячейке. При этом проводник строк подключался к стоку
транзистора, а столбцов к второму затвору. Исток подключался к общей для всех подложке. В такой
конструкции было легко считать состояние конкретного транзистора подав положительное напряжение на
один столбец и одну строку.
Конструкция NAND — трехмерный массив. В основе та же самая матрица что и NOR, но вместо одного
транзистора в каждом пересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек. В такой
конструкции затворных цепей в одном пересечении получается много. Плотность компоновки можно резко
увеличить (ведь к одной ячейке в столбце подходит только один проводник затвора), однако алгоритм
доступа к ячейкам для чтения и записи заметно усложняется.
Технология NOR позволяет получить быстрый доступ индивидуально к каждой ячейке, однако площадь
ячейки велика. Наоборот, NAND имеют малую площадь ячейки, но относительно длительный доступ сразу
к большой группе ячеек. Соответственно различается область применения: NOR используется как
непосредственная память программ микропроцессоров и для хранения небольших вспомогательных данных.
Топовые значения объемов микросхем NOR — 64 МБайт. NAND имеет топовые значения объема на
микросхему в единицы гигабайт.
Названия NOR и NAND произошли от ассоциации схемы включения ячеек в массив со схемотехникой
микросхем КМОП логики.
Нужно заметить, что существовали и другие варианты объединения ячеек в массив, но они не прижились.

Компоновка шести ячеек NOR flash

Структура одного столбца NAND flash
76
SLC и MLC приборы
Различают приборы в которых элементарная ячейка хранит один бит информации и несколько. В
однобитовых ячейках различают только два уровня заряда на плавающем затворе. Такие ячейки называют
одноуровневыми (англ. single-level cell, SLC). В многобитовых ячейках различают больше уровней заряда,
их называют многоуровневыми (англ. multi-level cell, MLC[2]). MLC-приборы дешевле и более емкие чем
SLC-приборы, однако время доступа и количество перезаписей хуже.
[править] Аудиопамять
Естественным развитием идеи MLC ячеек была мысль записать в ячейку аналоговый сигнал. Наибольшее
применение такие аналоговые флеш-микросхемы получили в воспроизведении звука. Такие микросхемы
получили широкое распространение во всевозможных игрушках, звуковых открытках и т. д.[3]
[править] Технологические ограничения
Запись и чтение ячеек сильно различаются в энергопотреблении: устройства флеш-памяти потребляют
достаточно большой ток при записи для формирования высоких напряжений, тогда как при чтении затраты
энергии относительно малы.
Ресурс записи
Изменение заряда сопряжено с накоплением необратимых изменений в структуре и потому количество
записей для ячейки флеш-памяти ограничено (обычно до 10 тыс. раз для MLC-устройств).
Одна из причин деградации — невозможность индивидуально контролировать заряд плавающего затвора в
каждой ячейке. Дело в том, что запись и стирание производятся над множеством ячеек одновременно, — это
неотъемлемое свойство технологии флеш-памяти. Автомат записи контролирует достаточность инжекции
заряда по референсной ячейке или по средней величине. Постепенно заряд отдельных ячеек разбегается и
однажды выходит за допустимые границы которые может скомпенсировать инжекцией автомат записи и
воспринять устройство чтения. Понятно что на ресурс влияет степень идентичности ячеек. Забавное
следствие: с уменьшением топологических норм полупроводниковой технологии создавать идентичные
элементы все труднее, поэтому вопрос ресурса записи становится все острее.
MLC-устройства имеют гораздо худшие параметры ресурса записи чем SLC (типично до 100 тыс. раз).
[править] Срок хранения данных
Изоляция кармана неидеальна, заряд постепенно изменяется. Рекомендуемый максимальный срок хранения
заряда, заявляемый большинством производителей для бытовых изделий — 10—20 лет.
Специфические внешние условия могут катастрофически сократить срок хранения данных. Например,
повышенные температуры или радиационное (гамма-лучевое и высокоэнергичными частицами) облучение.
[править] Иерархическая структура
Стирание, запись и чтение флеш-памяти всегда происходит относительно крупными блоками разного
размера, при этом размер блока стирания всегда больше блока записи, а размер блока записи не меньше, чем
размер блока чтения. Собственно, это характерный отличительный признак флеш-памяти по отношению к
классической EEPROM.
Как следствие все микросхемы флеш-памяти имеют ярко выраженную иерархическую структуру. Память
разбивается на блоки, блоки состоят из секторов, секторы из страниц. В зависимости от назначения
конкретной микросхемы глубина иерархии и размер элементов может меняться.
77
Например, NAND-микросхема может иметь размер стираемого блока в сотни кБайт, размер страницы
записи и чтения 4 кБайт. Для NOR-микросхем размер стираемого блока варьируется от единиц до сотен
кБайт, размер сектора записи — от единиц до сотен байт, страницы чтения — единицы-десятки байт.
[править] Скорость чтения и записи
Скорость стирания варьируется от единиц до сотен миллисекунд в зависимости от размера стираемого
блока. Скорость записи — десятки—сотни микросекунд.
Обычно скорость чтения для NOR-микросхем нормируется в десятки наносекунд. Для NAND-микросхем
скорость чтения десятки микросекунд.
[править] Особенности применения
Стремление достичь предельных значений емкости для NAND-устройств привело к «стандартизации
брака» — праву выпускать и продавать микросхемы с некоторым процентом бракованных ячеек и без
гарантии непоявления новых «bad-блоков» в процессе эксплуатации. Чтобы минимизировать потери данных
каждая страница памяти снабжается небольшим дополнительным блоком в котором записывается
контрольная сумма, информация для восстановления при одиночных битовых ошибках, информация о
сбойных элементах на этой странице и количестве записей на эту страницу.
Сложность алгоритмов чтения и допустимость наличия некоторого количества бракованных ячеек
вынудило разработчиков оснастить NAND-микросхемы памяти специфическим командным интерфейсом.
Это означает, что нужно сначала подать специальную команду переноса указанной страницы памяти в
специальный буфер внутри микросхемы, дождаться окончания этой операции, считать буфер, проверить
целостность данных и, при необходимости, попытаться восстановить их.
Слабое место флеш-памяти — количество циклов перезаписи в одной странице. Ситуация ухудшается также
в связи с тем, что стандартные файловые системы — т. е. стандартные системы управления файлами для
широко распространенных файловых систем — часто записывают данные в одно и то же место. Часто
обновляется корневой каталог файловой системы, так что первые секторы памяти израсходуют свой запас
значительно раньше. Распределение нагрузки позволит существенно продлить срок работы памяти.
Подробнее про задачу равномерного распределения износа см. Wear leveling (англ.)русск..
Подробнее о проблемах управления NAND-памятью, вызванных разным размером страниц стирания и
записи см. Write amplification (англ.)русск..
[править] NAND-контроллеры
Для упрощения применения микросхем флеш-памяти NAND-типа они используются совместно со
специальными микросхемами — NAND-контроллерами. Эти контроллеры должны выполнять всю
черновую работу по обслуживанию NAND-памяти: преобразование интерфейсов и протоколов,
виртуализация адресации (с целью обхода сбойных ячеек), проверка и восстановление данных при чтении,
забота о разном размере блоков стирания и записи, забота о периодическом обновлении записанных блоков
(есть и такое требование), равномерное распределение нагрузки на сектора при записи.
Однако задача равномерного распределения износа не обязательна, что зачастую приводит к экономии в
дешевых изделиях. Такие флеш-карты памяти и USB-брелки быстро выйдут из строя при частой перезаписи.
Если вам нужно часто записывать на флешку — старайтесь брать дорогие изделия с SLC-памятью и
качественными контроллерами, а также старайтесь минимизировать запись в корневую директорию.
На дорогие NAND-контроллеры также может возлагаться задача «ускорения» микросхем флеш-памяти
путем распределения данных одного файла по нескольким микросхемам. Время записи и чтения файла при
этом сильно уменьшается.
Подробнее см. Flash memory controller (англ.)русск..
78
[править] Специальные файловые системы
Зачастую флеш-память подключается в устройстве напрямую — без контроллера. В этом случае задачи
контроллера должен выполнять программный NAND-драйвер в операционной системе. Чтобы не выполнять
избыточную работу по равномерному распределению записи по страницам стараются эксплуатировать
такие носители со специально придуманными файловыми системами (англ.)русск.: JFFS2[4] и YAFFS[5] для
GNU/Linux и др.
См. также TRIM.
[править] Применение
Существует два основных применения флеш-памяти: как мобильный носитель информации и как
хранилище программного обеспечения («прошивки») цифровых устройств. Зачастую эти два применения
совмещаются в одном устройстве.
Флеш-память позволяет обновлять прошивку устройств в процессе эксплуатации.
NOR
Применение NOR флеши — устройства энергонезависимой памяти относительно небольшого объема
требующие быстрого доступа по случайным адресам и с гарантией отсутствия сбойных элементов.




Встраиваемая память программ однокристальных микроконтроллеров. Типовые объемы — от 1
кБайта до 1 МБайта.
Стандартные микросхемы ПЗУ произвольного доступа для работы вместе с микропроцессором.
Специализированные микросхемы начальной загрузки компьютеров (POST и BIOS), процессоров
ЦОС и программируемой логики. Типовые объемы — единицы..десятки МБайт.
Микросхемы хранения среднего размера данных, например DataFlash. Обычно снабжаются
интерфейсом SPI и упаковываются в миниатюрные корпуса. Типовые объемы — от сотен кБайт до
технологического максимума.
[править] NAND
Флеш-карты разных типов (спичка для сравнения масштабов)
Там где требуются рекордные объемы памяти — NAND флеш вне конкуренции.
79
В первую очередь это всевозможные мобильные носители данных и устройства требующие для работы
больших объемов хранения. В основном это USB брелоки и карты памяти всех типов, а также мобильные
медиаплееры.
Флеш память NAND типа позволила миниатюризировать и удешевить вычислительные платформы на базе
стандартных операционных систем с развитым программным обеспечением. Их стали встраивать во
множество бытовых приборов: сотовые телефоны и телевизоры, сетевые маршрутизаторы и точки доступа,
медиаплееры и игровые приставки, фоторамки и навигаторы.
Высокая скорость чтения делает NAND память привлекательной для кэширования винчестеров. При этом
часто используемые данные операционная система хранит на относительно небольшом твердотельном
устройстве, а данные общего назначения записывает на дисковый накопитель большого объема [6].
Благодаря большой скорости, объёму и компактным размерам NAND память активно вытесняет из
обращения носители других типов. Сначала исчезли дискеты и дисководы гибких магнитных дисков [7],
ушли в небытие накопители на магнитной ленте. Магнитные носители практически полностью вытеснены
из мобильных и медиа- применений. Сейчас флеш-память активно теснит винчестеры в ноутбуках[8] и
уменьшает долю записываемых оптических дисков.
Стандартизацией применения чипов флеш-памяти типа NAND занимается Open NAND Flash Interface
Working Group (ONFI). Текущим стандартом считается спецификация ONFI версии 1.0[9], выпущенная 28
декабря 2006 года. Группа ONFI поддерживается конкурентами Samsung и Toshiba в производстве NANDчипов: Intel, Hynix и Micron Technology.[10]
В 2005 году Toshiba и SanDisk представили NAND-чипы объёмом 1 Гб[11], выполненные по технологии
многоуровневых ячеек, где один транзистор может хранить несколько бит, используя разный уровень
электрического заряда на плавающем затворе.
Компания Samsung в сентябре 2006 года представила 4-гигабайтный чип, выполненный по 40-нм
технологическому процессу.[12]
В конце 2007 года Samsung сообщила о создании первого в мире MLC (multi-level cell) чипа флеш-памяти
типа NAND, выполненного по 30-нм технологическому процессу с ёмкостью чипа 8 Гб. В декабре 2009 года
компанией начато производство этой памяти, но объёмом 4 Гб (32 Гбит).[13]
На конец 2008 года, лидерами по производству флеш-памяти являются Samsung (31 % рынка) и Toshiba
(19 % рынка, включая совместные заводы с Sandisk). (Данные согласно iSuppli на 4 квартал 2008 года).
В то же время, в декабре 2009 года, Toshiba заявила, что 64 Гб NAND память уже поставляется заказчикам, а
массовый выпуск начался в первом квартале 2010 года.[14]
16 июня 2010 года Toshiba объявила о выпуске первого в истории 128 Гб чипа, состоящего из 16 модулей по
8 Гб. Одновременно с ним в массовую продажу выходят и чипы в 64 Гб. [15][16]
Для увеличения объёма в устройствах часто применяется массив из нескольких чипов. К 2007 году USB
устройства и карты памяти имели объём от 512 Мб до 64 Гб. Самый большой объём USB-устройств
составлял 4 терабайта.
В 2010 году Intel и Micron сообщили об успешном совместном освоении выпуска 3-битной (TLC) флешпамяти типа NAND с использованием норм 25-нм техпроцесса [2].
В апреле 2011 года Intel и Micron объявили о разработке MLC NAND флэш-чипа емкостью 8 Гбайт (64
Гбит), произведенного по технологии 20 нм. Первый 20-нм NAND чип имеет площадь 118 мм², что на 3040 % меньше, чем у доступных в настоящее время 25-нм чипов на 8 Гбайт. Согласно данным от
разработчиков, новинка обеспечивает такую же производительность и надежность, как и предыдущее 25-нм
поколение, повысив плотность размещения. Массовое производство данного чипа начнется во второй
половине 2011 года. Конечных продуктов на базе новых 20-нм флэш-чипов не стоит ожидать до 2012
года.[17]
80
6 декабря 2011 на мероприятиях в Санта-Кларе, Калифорния и в Бойсе, Айдахо корпорация Intel и Micron
Technology, Inc. анонсировали первую в мире NAND флеш-память по технологии 20 нм объёмом 128 Гб,
состоящую из нескольких ячеек памяти с кристаллами по 16 Гб. Первые образцы устройств с 128 Гб памяти
ожидаются в январе 2012 года, а массовые поставки в первом полугодии 2012 года. [18]
27 августа 2011 компания Transcend совместно с институтом ITRI представили USB-накопитель с флешпамятью ёмкостью 2 Тб и подключением по стандарту USB 3.0.[19][20]
Твердотельный накопитель
Твердотельный накопитель (англ. SSD, solid-state drive) — компьютерное запоминающее устройство на
основе микросхем памяти. Кроме них, SSD содержит управляющий контроллер. Не содержит движущихся
механических частей,
Различают два вида твердотельных накопителей: SSD на основе памяти, подобной оперативной памяти
компьютеров, и SSD на основе флеш-памяти.
В настоящее время твердотельные накопители используются в компактных устройствах: ноутбуках,
нетбуках, коммуникаторах и смартфонах. Некоторые известные производители переключились на выпуск
твердотельных накопителей уже полностью, например Samsung продал бизнес по производству жёстких
дисков компании Seagate.[1]
Существуют и так называемые, гибридные жесткие диски[2], появившееся, в том числе, из-за текущей,
пропорционально более высокой стоимости твердотельных накопителей. Такие устройства сочетают в
одном устройстве накопитель на жёстких магнитных дисках (HDD) и твердотельный накопитель
относительно небольшого объёма, в качестве кэша (для увеличения производительности и срока службы
устройства, снижения энергопотребления). Пока, такие диски используются, в основном, в переносных
устройствах (ноутбуках, сотовых телефонах и т. п.).
В настоящее время наиболее заметными компаниями, которые интенсивно развивают SSD-направление в
своей деятельности, можно назвать Intel, Kingston, Samsung Electronics, SanDisk, Corsair, Renice, OCZ
Technology, Crucial и ADATA. Кроме того, свой интерес к этому рынку демонстрирует Toshiba.
[править] NAND SSD
Накопители, построенные на использовании энергонезависимой памяти (NAND SSD), появились
относительно недавно, но в связи с гораздо более низкой[источник не указан 71 день] стоимостью (от 2 долларов
США[7] за гигабайт) начали уверенное завоевание рынка. До недавнего времени существенно уступали
традиционным накопителям — жестким дискам — в скорости записи, но компенсировали это высокой
скоростью поиска информации (начального позиционирования). Сейчас уже выпускаются твердотельные
накопители Flash со скоростью чтения и записи, в разы превосходящие возможности жестких дисков. [8]
Характеризуются относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением.
[править] RAM SSD
Эти накопители, построенные на использовании энергозависимой памяти (такой же, какая используется в
ОЗУ персонального компьютера) характеризуются сверхбыстрыми чтением, записью и поиском
информации. Основным их недостатком является чрезвычайно высокая стоимость (от 80 до 800 долларов
США за Гигабайт). Используются, в основном, для ускорения работы крупных систем управления базами
данных и мощных графических станций. Такие накопители, как правило, оснащены аккумуляторами для
сохранения данных при потере питания, а более дорогие модели — системами резервного и/или
оперативного копирования.
Преимущества, по сравнению с жёсткими дисками (HDD):

отсутствие движущихся частей;
81









высокая скорость чтения/записи, нередко превосходящая пропускную способность интерфейса
жесткого диска (SAS/SATA II 3 Gb/s, SAS/SATA III 6 Gb/s, SCSI, Fibre Channel и т. д.);
низкое энергопотребление;
полное отсутствие шума из-за отсутствия движущихся частей и охлаждающих вентиляторов;
высокая механическая стойкость;
широкий диапазон рабочих температур;
стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации;
малые габариты и вес;
большой модернизационный потенциал как у самих накопителей так и у технологий их
производства.
намного меньшая чувствительность к внешним электромагнитным полям.
Недостатки



Главный недостаток SSD — ограниченное количество циклов перезаписи. Обычная (MLC, Multi-level
cell, многоуровневые ячейки памяти) флеш-память позволяет записывать данные примерно 10 000
раз. Более дорогостоящие виды памяти (SLC, Single-level cell, одноуровневые ячейки памяти) —
более 100 000 раз[9] Для борьбы с неравномерным износом применяются схемы балансирования
нагрузки. Контроллер хранит информацию о том, сколько раз какие блоки перезаписывались и при
необходимости «меняет их местами»;
Подпроблема совместимости SSD накопителей с устаревшими и даже многими актуальными
версиями ОС семейства Microsoft Windows, которые не учитывают специфику SSD накопителей и
дополнительно изнашивают их. Использование операционными системами механизма свопинга
(подкачки) на SSD также, с большой вероятностью, уменьшает срок эксплуатации накопителя;
Цена гигабайта SSD-накопителей существенно выше цены гигабайта HDD. К тому же, стоимость SSD
прямо пропорциональна их ёмкости, в то время как стоимость традиционных жёстких дисков
зависит от количества пластин и медленнее растёт при увеличении объёма накопителя.
82
Тема 5. Устройства ввода и вывода данных: принтеры,
сканеры, факс-модемы, мыши, клавиатуры, мониторы,
электронная бумага
Принтер
Принтер (от англ. print — печать) — периферийное устройство компьютера, предназначенное для перевода
текста или графики на физический носитель из электронного вида.
Получили распространение многофункциональные устройства (МФУ), в которых в одном приборе
объединены функции принтера, сканера, копировального аппарата и телефакса. Такое объединение
рационально технически и удобно в работе.
[править] Классификация
По принципу переноса изображения на носитель принтеры делятся на:





матричные;
лазерные (также светодиодные принтеры);
струйные;
сублимационные
твердочернильные
Некоторые принтеры (в основном струйные фотопринтеры) располагают возможностью автономной (то
есть без посредства компьютера) печати, обладая устройством чтения flash-карт или портом сопряжения с
цифровым фотоаппаратом, что позволяет осуществлять печатать фотографий напрямую с карты памяти или
фотоаппаратов. Принтеры, поддерживающие технологию AirPrint, дают возможность распечатывать
документы и фотографии с непосредственно мобильных устройств на базе iOS без использования кабеля
(соединение осуществляется по Wi-Fi). AirPrint доступна для iPad, а также для iPhone и iPod Touch не ниже
третьего поколения.[1]
Сетевой принтер — принтер позволяющий принимать задания на печать (см. Очередь печати) от
нескольких компьютеров, подключенных к локальной сети. Программное обеспечение сетевых принтеров
поддерживает один или несколько специальных протоколов передачи данных, таких как IPP. Такое решение
является наиболее универсальным, так как обеспечивает возможным вывод на печать из различных
операционных систем, чего нельзя сказать о Bluetooth- и USB-принтерах.
[править] Матричные принтеры
Матричные принтеры — старейшие из ныне применяемых типов принтеров, их механизм был изобретён в
1964 году японской корпорацией Seiko Epson.[источник не указан 500 дней]
Изображение формируется печатающей головкой, которая состоит из набора иголок (игольчатая матрица),
приводимых в действие электромагнитами. Головка передвигается построчно вдоль листа, при этом иголки
ударяют по бумаге через красящую ленту, формируя точечное изображение.
Основными недостатками матричных принтеров являются монохромность (хотя существовали и цветные
матричные принтеры, по очень высокой цене), очень низкая скорость работы и высокий уровень шума,
который достигает 65 дБ.
83
Интерфейсы — Один стандартный двунаправленный 8-разрядный параллельный интерфейс с поддержкой
полубайтового режима IEEE 1284, один последовательный интерфейс EIA-232D
Выпускаются также высокоскоростные линейно-матричные принтеры, в которых большое количество
иголок равномерно расположены на челночном механизме (фрете) по всей ширине листа.
Матричные принтеры, несмотря на полное вытеснение их из бытовой и офисной сферы, до сих пор
достаточно широко используются в некоторых областях (печать товарных чеков, банковское дело — печать
документов под копирку, и др.)
[править] Сравнение с другими типами








Качество печати. Очень низкое, сравнимое с качеством пишущей машинки. Впрочем, возможна
графика.
Цветопередача. Существовали цветные матричные принтеры с несколькими лентами, о какой-либо
цветопередаче говорить не стоило. Впрочем, в те времена (1980-е) это был единственный способ
настольной печати в цвете.
Скорость печати. Для «обычных» 9- и 24-игольных принтеров в текстовом режиме — десятки
секунд на страницу, в графическом — несколько минут. Высокоскоростные принтеры в несколько
раз быстрее. Возможна печать через копирку.
Стоимость отпечатка. Крайне низка (расходный материал — красящая лента). Отлично печатают на
бумаге крайне плохого качества, что ещё снижает стоимость. Возможны нестандартные форматы
бумаги, это важно для бланков строгой отчётности, которые делают из качественной бумаги
(например, железнодорожный билет АСУ «Экспресс», 2011 год).
Устойчивость отпечатка к внешним воздействиям. Очень хороша; отпечатки стойки к воде и
трению. Следы от иголок дополнительно усложняют подделку документов. Со временем отпечатки
выцветают.
Возможная длина отпечатка. Не ограничена. Возможны ограничения спулера печати (как,
например, в Windows — печать идёт только страницами). Подача бумаги бывает ручная (поштучная)
и рулонная.
Экологичность. Громкий шум.
Простота обслуживания. Работает в самых спартанских условиях. Прежде, чем кончиться, картридж
предупреждает об этом неконтрастными отпечатками. Не имея возможности купить ленту,
пользователи находили способы красить имеющуюся, вставляли в картридж ленту от пишущих
машинок и т. д. При печати с рулона — бумага практически не заминается.
[править] Струйные принтеры
Принцип действия струйных принтеров похож на матричные принтеры тем, что изображение на носителе
формируется из точек. Но вместо головок с иголками в струйных принтерах используется матрица дюз (т. н.
головка), печатающая жидкими красителями. Печатающая головка может быть встроена в картриджи с
красителями (в основном такой подход используется на офисных принтерах компаниями Hewlett-Packard,
Lexmark). В других моделях офисных принтеров используются сменные картриджи, печатающая головка,
при замене картриджа не демонтируется. На большинстве принтеров промышленного назначения чернила
подаются в головы, закреплённые в каретке, через систему автоматической подачи чернил.
Существуют два способа технической реализации способа распыления красителя:


Пьезоэлектрический (Piezoelectric Ink Jet) — над дюзой расположен пьезокристалл. Когда на
пьезоэлемент подаётся электрический ток, он (в зависимости от типа печатающей головы)
изгибается, удлинняется или тянет диафрагму вследствие чего создаётся локальная область
повышенного давления возле дюзы — формируется капля, которая впоследствии выталкивается на
материал. В некоторых головках технология позволяет изменять размер капли.
Термический (Thermal Ink Jet) (также называемый BubbleJet, разработчик — компания Canon,
принцип был разработан в конце 1970-х годов) — в дюзе расположен микроскопический
нагревательный элемент, который при прохождении электрического тока мгновенно нагревается
84
до температуры в несколько сотен градусов, при нагревании в чернилах образуются газовые
пузырьки (англ. bubbles — отсюда и название технологии), которые выталкивают капли жидкости из
сопла на носитель.
Печатающие головки струйных принтеров создаются с использованием следующих типов подачи красителя:

Непрерывная подача (Continuous Ink Jet) — подача красителя во время печати происходит
непрерывно, факт попадания красителя на запечатываемую поверхность определяется
модулятором потока красителя (утверждается, что патент на данный способ печати выдан Вильяму
Томпсону (William Thomson) в 1867 году[источник не указан 642 дня]). В технической реализации такой
печатающей головки в сопло под давлением подаётся краситель, который на выходе из сопла
разбивается на последовательность микро капель (объёмом нескольких десятков пиколитров),
которым дополнительно сообщается электрический заряд. Разбиение потока красителя на капли
происходит расположенным на сопле пьезокристаллом, на котором формируется акустическая
волна (частотой в десятки килогерц). Отклонение потока капель производится электростатической
отклоняющей системой (дефлектором). Те капли красителя, которые не должны попасть на
запечатываемую поверхность, собираются в сборник красителя и, как правило, возвращаются
обратно в основной резервуар с красителем. Первый струйный принтер, изготовленный с
использованием данного способа подачи красителя, выпустила Siemens в 1951 году. [2]

Подача по требованию[3] — подача красителя из сопла печатающей головки происходит только
тогда, когда краситель действительно надо нанести на соответствующую соплу область
запечатываемой поверхности. Именно этот способ подачи красителя и получил самое широкое
распространение в современных струйных принтерах.
[править] Классификация
По типу печатаемого материала:

Рулонный — оснащаются системами подмотки и смотки рулонного материала, предназначены для
печати на самоклейке, бумаге, холсте, банерной ткани

Листовой твёрдый — для печати на ПВХ, полистироле, пенокартоне. Лист материала фиксируется на
станине при помощи вакуумного прижима или струбцинами. Каретка(оборудованная приводом
движения по оси Х) закреплена на портале, который вместе с кареткой движется над материалом
(по оси Y).

Сувенирный — перемещение заготовки относительно головы, по оси Y, обеспечивается
сервоприводом подвижного стола, кроме этого стол оснащается механизмом регулировки
расстояния между заготовкой и кареткой(для печати на заготовках разной высоты). Применяются
для печати на дисках, телефонах, для маркировки деталей.

Листовой гибкий — для печати на бумаге и плёнке стандартных форматов (A3, A4 и т. п.).
Оснащаются механизмом захвата и подмотки листового материала.
Кроме этого существуют струйные принтеры для 3D-печати объёмных форм.
По типу используемых чернил:


Водные на основе водорастворимого красителя. Используются в абсолютном большинстве бытовых
и офисных струйных принтеров и в некоторых интерьерных широкоформатных принтерах. Главный
недостаток - слабая светостойкость, т.е. быстрое выгорание на солнце.
Cольвентные чернила. Сольвентные чернила применяются в широкоформатной и интерьерной
печати. Характеризуются очень высокой стойкостью к воздействию воды и атмосферных осадков.
85





Характеризуются вязкостью сольвента, зернистостью и используемой фракцией пигментного
красителя.
Спиртовые — широкого применения не получили, так как головы, печатающие спиртовыми
чернилами очень быстро высыхают.
Масляные — используются в системах промышленной маркировки и для тестирования печатающих
головок.
Пигментные — используются для получения изображений высокого качества, в интерьерной и в
фотопечати.
УФ-отверждаемые чернила — применяются как экологичная замена сольвентным чернилам и для
печати на жёстких материалах.
Термотрансферные чернила — отличительная особенность термотрансферных чернил —
возможность, при помощи термопресса, перенести отпечатанное изображение с подложки на
изделие. Используются для нанесения логотипов на одежду.
По назначению:







Широкоформатные — основное назначение широкоформатной печати — наружная реклама.
Широкоформатные принтеры характеризуются большой шириной печати (чаще всего 3200 мм),
высокой скоростью печати (от 20 м² в час), не самым высоким оптическим разрешением.
Интерьерные — область применения интерьерной печати — печать элементов оформления
интерьера, печать плакатов, информационных стендов, чертежей. Основной формат — 1600 мм.
Основные производители интерьерных принтеров: Roland, Mimaki.
Фотопринтеры — предназначены для печати фотографий, печатают на материалах малых
форматов(обычно на рулонах шириной 1000 мм). Цветовая модель не хуже, чем
CMYK+Lc+Lm(шестицветная печать), иногда цветовая модель дополняется оранжевым цветом,
белой краской, серебрянкой(для получения эффектов металла) и т. п.
Сувенирные — применяются для печати на небольших деталях, для печати на дисках, и заготовках
сложной формы. Производятся множеством фирм: TechnoJet, Epson, Canon, HP и т. п.
Офисные — отличаются, от фотопринтеров, отсутствием лайтов и листовой подачей материала.
Основные производители офисных принтеров: Epson, HP, Canon, Lexmark.
Маркировочные — включаются в состав поточных линий. Печатающая головка, неподвижно
закреплённая над конвейерной лентой, наносит маркировку на движущиеся изделия.
Маникюрные — используются для нанесения на ногти сложного рисунка в нейл-арт салонах.
По системе подачи чернил:

Непрерывная, с расположение субтанков и головок на одном уровне (давление на входе голов
регулируется высотой субтанков).
Структура: канистры с чернилами --> помпа --> фильтр --> гибкий тракт --> каретка --> обратный клапан -->
субтанк, оснащённый датчиками уровня чернил --> головка.

Непрерывная, с субтанками, расположенными выше голов. Давление высокого столба чернил на
головы уравновешивается вакуумной системой, состоящей из вакуумной помпы и устройств
регулировки вакуума.
Структура: канистры с чернилами --> помпа --> фильтр --> гибкий тракт --> каретка --> обратный клапан -->
субтанки, оснащённый датчиками уровня чернил и подключенные к вакуумной системе --> головы.

Самотёком. Головы и канистры с чернилами соединяются трубками, проходящими через гибкий
тракт. Единственный промежуточный элемент — демпфер, фильтрующий чернила и гасящий
колебания давления, возникающие при движении гибкого тракта.

Подача чернил из картриджей, движущихся вместе с кареткой. Основное достоинство этой
системы — низкая стоимость. Недостатки: малый запас чернил в картриджах, утяжеление каретки
86
картриджами, медленное падает давление на входе голов, вызываемое уменьшением уровня
чернил в картриджах.
Основная характеристика принтера, от которой наиболее сильно зависит оптическое разрешение — тип,
количество и расположение печатающих голов на каретке.
Фотопринтеры и офисные принтеры редко комплектуются более, чем одной головкой на каждый цвет. Это
связано с невысокими требованиями к скорости печати, кроме того чем меньше голов, тем проще и
эффективнее система их калибровки и сведения.
Широкоформатные и интерьерные принтеры комплектуются двумя — четырьмя головами на каждый цвет.
Для эффективной сушки и предотвращения слипания материала струйные принтеры оборудуются
системами подогрева станины.
В офисных принтерах, для уменьшения стоимости печати и улучшения некоторых других характеристик
печати также применяют систему непрерывной подачи чернил (СНПЧ), представляющая некое подобие
системы подачи краски «самотёком». Роль демпфера играет картридж.
В настоящее время струйные принтеры форматов А4 и А3 активно вытесняются цветными лазерными
принтерами. Эта тенденция обусловлена значительно меньшим расходом и меньшей стоимостью расходных
материалов используемых для лазерной печати, простотой технического обслуживания цветных лазерных
принтеров, которое сводится лишь к замене тонера и валов. Самое значительное преимущество струйной
печати перед лазерной — длина непрерывного отпечатка, ограниченная лишь длинной рулонного
материала. На лазерных принтерах длина отпечатка ограничена длинной окружности промежуточного
носителя — вала или ленты. На самых больших лазерных принтерах длина печати может достигать метра.
На офисных струйных принтерах, вследствие чрезвычайно узкой специализации и автоматизации
принтеров, низкой производительности Диспетчера печати (Windows), высокой стоимости программ,
замещающих Диспетчер печати(Windows), таких как FlexiSign, Caldera и т. п. и полного отсутствия
механизмов, необходимых для печати на рулонных носителях, в большинстве случаев, невозможно
реализовать непрерывную печать неограниченной длинны.
[править] Сублимационные принтеры
Термосублимация (возгонка) — это быстрый нагрев красителя, когда минуется жидкая фаза. Из твёрдого
красителя сразу образуется пар. Чем меньше порция, тем больше фотографическая широта (динамический
диапазон) цветопередачи. Пигмент каждого из основных цветов, а их может быть три или четыре, находится
на отдельной (или на общей многослойной) тонкой лавсановой ленте (термосублимационные принтеры
фирмы Mitsubishi Electric). Печать окончательного цвета происходит в несколько проходов: каждая лента
последовательно протягивается под плотно прижатой термоголовкой, состоящей из множества
термоэлементов. Эти последние, нагреваясь, возгоняют краситель. Точки, благодаря малому расстоянию
между головкой и носителем, стабильно позиционируются и получаются весьма малого размера.
К серьёзным проблемам сублимационной печати можно отнести чувствительность применяемых чернил к
ультрафиолету. Если изображение не покрыть специальным слоем, блокирующим ультрафиолет, то краски
вскоре выцветут. При применении твёрдых красителей и дополнительного ламинирующего слоя с
ультрафиолетовым фильтром для предохранения изображения, получаемые отпечатки не коробятся и
хорошо переносят влажность, солнечный свет и даже агрессивные среды, но возрастает цена фотографий. За
полноцветность сублимационной технологии приходится платить большим временем печати каждой
фотографии (печать одного снимка 10×15 см принтером Sony DPP-SV77 занимает около 90 секунд). Фирмыпроизводители пишут о фотографической широте цвета в 24 бит, что больше желаемое, чем действительное.
Реально, фотографическая широта цвета не более 18 бит.
Наиболее известными производителями термосублимационных принтеров являются Canon и Sony.
87
[править] Сравнение с другими типами
Речь идёт только о фотопечати.








Качество печати. Хорошая, без растра, картинка. По линиатуре близки к журнальной фотографии.
Цветопередача. Хорошая.
Скорость печати. Около минуты на фотографию 10×15. Профессиональные принтеры 6—15 секунд.
Стоимость отпечатка. На бытовом принтере 13—15 рублей за отпечаток. На профессиональном —
менее 5 рублей.
Устойчивость отпечатка к внешним воздействиям. Покрывается плёнкой после печати. Защита от
воды и выцветания.
Возможная длина отпечатка. Только по формату фотографии, обычно 10×15.
Экологичность. Низкий шум.
Простота обслуживания. Надёжнее струйных; простои сублимационным принтерам не страшны.
Боятся пыли.
[править] Лазерные принтеры
Технология — прародитель современной лазерной печати появилась в 1938 году — Честер Карлсон изобрёл
способ печати, названный электрография, затем переименованный в ксерографию.
Принцип технологии заключался в следующем. По поверхности фотобарабана коротроном (скоротроном)
заряда (вал заряда) равномерно распределяется статический заряд, после этого светодиодным лазером (в
светодиодных принтерах — светодиодной линейкой) в нужных местах этот заряд снимается — тем самым
на поверхность фотобарабана помещается скрытое изображение. Далее на фотобарабан наносится тонер.
Тонер притягивается к разряженным участкам поверхности фотобарабана, сохранившей скрытое
изображение. После этого фотобарабан прокатывается по бумаге, и тонер переносится на бумагу
коротроном переноса (вал переноса). После этого бумага проходит через блок термозакрепления (печка) для
фиксации тонера, а фотобарабан очищается от остатков тонера и разряжается в узле очистки.
Первым лазерным принтером стал EARS (Ethernet, Alto, Research character generator, Scanned Laser Output
Terminal), изобретённый и созданный в 1971 году в корпорации Xerox, а их серийное производство было
налажено во второй половине 1970-х. Принтер Xerox 9700 можно было приобрести в то время за 350 тысяч
долларов, зато печатал он со скоростью 120 стр./мин.
[править] Сравнение с другими типами







Качество печати. Высокое, в дорогих моделях приближается к офсетной печати (разрешение
ограничивается величиной примерно 1200 dpi).
Цветопередача. Изготовляемый на основе парафинов тонер имеет стабильные характеристики.
Впрочем, количество красок нельзя повышать безгранично, как в струйных принтерах — так что
обходятся стандартными четырьмя. Поэтому фотоизображение обычно имеет крупный растр,
особенно в светлых тонах.
Скорость печати. Даже в персональных принтерах 10—20 страниц в минуту.
Стоимость отпечатка. Невысока (единицы центов США на страницу для чёрно-белой печати и
десятки — для цветной). Заправка дорога, но её и хватает надолго (в персональных принтерах — от
1,5 до 3 тысяч страниц).
Устойчивость отпечатка к внешним воздействиям. Хорошо держат цвет, водостойки, но совсем не
выдерживают трение. Поэтому документы, выдаваемые надолго (например, паспорт), печатают
либо на принтерах других типов, либо очень жирным и чётким шрифтом.
Возможная длина отпечатка. Лазерная печать — непрерывный процесс, и документ должен быть
забуферизирован и подготовлен в памяти принтера; этим ограничивается печать на чёрно-белых
принтерах. На цветных — также длиной ленты переноса, на которой совмещаются все четыре
тонера. Подача бумаги только автоматическая поштучная.
Экологичность. Практически бесшумны. Загрязняют воздух озоном и тонером.
88

Простота обслуживания. Надёжно работает в обычных домашних и офисных условиях. О скорой
замене картриджа принтер обычно «предупреждает» полосами на отпечатке. Впрочем, тонер
пачкается и трудно отстирывается, поэтому не стоит в домашних условиях заправлять пустой
картридж.
[править] Другие принтеры
Барабанные принтеры (англ. drum printer). Первый принтер, получивший название UNIPRINTER, был
создан в 1953 году компанией Remington Rand для компьютера UNIVAC. Основным элементом такого
принтера был вращающийся барабан, на поверхности которого располагались рельефные изображения букв
и цифр. Ширина барабана соответствовала ширине бумаги, а количество колец с алфавитом было равно
максимальному количеству символов в строке. За бумагой располагалась линейка молоточков, приводимых
в действие электромагнитами. В момент прохождения нужного символа на вращающемся барабане,
молоточек ударял по бумаге, прижимая её через красящую ленту к барабану. Таким образом, за один оборот
барабана можно было напечатать всю строку. Далее бумага сдвигалась на одну строку и машина печатала
дальше. В СССР такие машины назывались алфавитно-цифровыми печатающими устройствами (АЦПУ). Их
распечатки можно узнать по шрифту, похожему на шрифт пишущей машины и «прыгающим» по строке
буквам. Скорость вывода барабанного принтера была и остаётся самой высокой среди всех известных
печатающих устройств, но и она далеко не являлась пределом возможности данной технологии. Печать
производилась на рулонной бумаге, из-за чего системщики называли результат распечатки «простынёй».
Ромашковые (лепестковые) принтеры (daisywheel printer) по принципу действия были похожи на
барабанные, однако имели один набор букв, располагающийся на гибких лепестках пластмассового диска.
Диск вращался, и специальный электромагнит прижимал нужный лепесток к красящей ленте и бумаге. Так
как набор символов был один, требовалось перемещение печатающей головки вдоль строки, и скорость
печати была заметно ниже, чем у барабанных принтеров. Заменив диск с символами, можно было получить
другой шрифт, а, вставив ленту не чёрного цвета — получить «цветной» отпечаток.
Шаровые принтеры (IBM Selectric) по принципу действия похожи на ромашковые принтеры, но
литероноситель (печатающая головка) имел форму шара с выпуклыми буквами. Этот образ лёг в основу
логотипа Википедии.
Гусеничные принтеры (train printer). Набор букв закреплён на гусеничной цепи;
Цепные печатающие устройства (chain printer). Отличались размещением печатающих элементов на
соединённых в цепь пластинах;
Телетайпные принтеры состояли из электромеханической части, повторяющей электрическую печатную
машинку, и модема. То есть, в один блок были объединены электрическая клавиатура, электромеханический
рычаговый символьный принтер и устройство приёма и передачи информации по каналу связи.
Дополнительно подключалось устройство записи и считывания перфоленты, обычно 5-рядной (5-битной).
Термические принтеры фирмы Xerox. Характеризуются расходным материалом — веществом на основе
парафина, плавящимся при 60 град. по Цельсию.
Самый экологичный принтер. Японская компания PrePeat всерьез задумалась о защите окружающей среды и
выпустила принтер, не требующий для работы ни чернил, ни тонера, ни бумаги. Для печати используется
тонкий белый пластик. Перед повторной печатью лист автоматически очищается в принтере. [4]
[править] Интернет-принтеры
Основная статья: Интернет-принтер
В последнее время на рынке офисной техники появились принтеры, программное обеспечение которых
поддерживает непосредственное подключение к Интернету (обычно через роутер), что позволяет такому
принтеру функционировать независимо от компьютера. Такое подключение обеспечивает ряд
дополнительных возможностей:
89




печать документов или веб-страниц прямо с дисплея принтера;
печать документов или веб-страниц с любого веб-устройства (в том числе удалённого) без
необходимости установки на нём драйвера принтера;
просмотр состояния принтера и управление заданиями печати с помощью любого браузера вне
зависимости от местонахождения;
оперативное автоматическое обновление программного обеспечения принтера.
[править] История и принципы работы
Эра домашних принтеров началась с 1985 года, когда на рынке появились принтеры LaserJet от HewlettPackard и LaserWriter от Apple Computer.
В 1981 году термическая технология струйной печати была представлена на выставке Canon Grand Fair. В
1985 году — появилась первая коммерческая модель такого монохромного принтера — Canon BJ-80, в
1988 году появился первый цветной принтер — BJC-440 формата A2, разрешением 400 dpi.
[править] Обзор современных технологий цифровой печати
По распространённости лидером является струйная печать[источник не указан 1019 дней], второй — лазерная,
третьей — термосублимационная, четвёртой — матричная. При струйном, лазерном и матричном способах
печати линеатура составляет 300-80-30 lpi, и зависит от разрешающей способности устройства. При
сублимационной печати линеатура получаемых полутонов более 300 lpi, поэтому наиболее массовое
применение монохромные лазерная и матричная технологии находят при печати текстов и графики, а
полноцветная термосублимационная технология используется в фотопринтерах. Цветная струйная печать
показывает хорошие результаты при печати текстов, графики и фотографий.
По цветообразованию к полноцветным (англ. continuous tone — непрерывный тон цвета) относится только
термосублимационная технология. Струйная, лазерная и матричная технологии — растровые (англ. bilevel — два уровня), то есть для получения одной полноцветной точки растра (2 уровень) нужен
микрорастр — по 16х16=256 «служебных» микропиксел каждого цвета (1 уровень). Главный
конструктивный недостаток лазерных технологий — трудности достижения разрешения более 1200dpi,
точек на дюйм. В настоящее время предел для лазерной печати каждого цвета при растрировании 2400dpi
/16=150 lpi, что на порядок хуже характеристик аналоговой цветной фотобумаги.
Новые модификации лазерных, струйных и термосублимационных технологий печати дают хорошие
результаты и относятся к комбинированным (англ. contone — полутоновый цвет). Contone = bi-level +
continuous tone. Такое полутоновое изображение местами печатается точками, а местами непрерывной
заливкой красителем. Струйная и лазерная технологии печатают точки с «резкими» границами, без
перекрытия, что хорошо при высоком разрешении, а если разрешение менее 4800dpi, то на конечном
изображении виден растр, в аналоговой фотографии говорили о зернистости изображения. На аналоговой
цветной фотобумаге изображение создаётся тоже точками (зерном) с «резкими» границами, но разрешение
фотобумаги высокое и изображение получается мелкозернистым и отличного качества. При
термосублимационной технологии соседние пиксели частично перекрываются. Это снижает разрешение до
300 lpi (300 lpi для растра — 300х16=4800dpi), но создаёт эффект непрерывности изображения, как на
аналоговой цветной фотобумаге. Визуально фото, отпечатанное на термосублимационном принтере,
выглядит отлично.
К достоинствам лазерных принтеров относится высокая скорость печати и относительно небольшое время,
необходимое для приведения оборудования в состояние готовности. Лазерные принтеры печатают быстрее
струйных и др. принтеров. Лазерные принтеры могут использовать разную (например, текстурную) бумагу и
плёнки. Отпечатки с лазерного принтера более стойки к влаге, агрессивным средам. Но, поскольку тонер
термически напекается на носитель, со временем может происходить осыпание изображения, особенно если
бумага подвергается механическому воздействию.
Для лазерных принтеров краситель (тонер) является не единственным расходным материалом. Регулярной
замены также требует т. н. фотобарабан (drum).
90
Сменные картриджи лазерных принтеров начального уровня интегрированы с фотобарабаном, что упрощает
обслуживание устройства. Однако, ресурс работы самого барабана, как правило, значительно превышает
заявленный производителем ресурс картриджа. Благодаря этому сейчас широко развился так называемый
ресайклинговый бизнес. Компания-ресайклер осуществляет перезаправку использованного оригинального
картриджа с применением совместимых материалов. Это позволяет пользователю значительно сэкономить
на эксплуатации принтера, поскольку заправка в несколько раз дешевле нового картриджа.
Расходные материалы для лазерных принтеров в пересчёте на 1 стандартную страницу почти вдвое дешевле,
чем для струйных принтеров[источник не указан 743 дня]. Самые дешёвые расходные материалы для матричных
принтеров[источник не указан 743 дня].
Полноцветный лазерный принтер состоит фактически из 4 монохромных, поэтому эта аппаратура стоит
достаточно дорого (от 250 евро) по сравнению со струйными, термосублимационными и матричными
принтерами (45-150 евро). Комплект картриджа со светочувствительным барабаном для лазерного
монохромного принтера ценой до 150 евро стоит около 70 евро. Комплект картриджей для полноцветного
лазерного принтера со светочувствительными барабанами стоит примерно в 5 раз дороже одного
монохромного картриджа.
Главные конструктивные недостатки струйных технологий: проблемы с засыханием чернил и засорением
сопел и дефекты воспроизведения слабоокрашенных фрагментов изображения.
Причин засорения сопел много. Например: а) на поверхности чернил образуется плёнка окисла, которая при
полном израсходовании чернил картриджа устремляется в сопла, б) испарение воды из чернильной
суспензии и загустение чернил, в) слипание зёрен в пигментных чернилах, г) чернила пригорают на
термоэлементах и эта чешуя летит в фильтр и сопла и т. д.
Фильтры картриджа из поролона не достаточно эффективны и накапливают «мусор» при неоднократном
использовании картриджа после перезаправки. При разрешении 4800dpi капли должны падать на бумагу с
шагом 25,4\4800=0,0053 мм. При каждой распечатке термические или пьезоэлектрические насосы
выталкивают из каждого сопла миллионы капель чернил ёмкостью от 1 пиколитра. При встрече с бумагой
капля разбрызгивается, чернила впитываются и расплываются. Пятно чернил по диаметру получается
примерно в 2 раза больше сопла, выбросившего каплю. Сопло имеет диаметр порядка 0,0053\2=2,6 микрон.
Естественно, что засориться соплу диаметром менее 3 микрон очень просто. Какое-то из более 400 сопел
печатающей головки обязательно засорится.
Для воспроизведения светлого участка изображения любого цвета требуется мало окрашенных
«служебных» микропикселей, в результате получаются редкие точки на «большой» площади
изображения — просто неокрашенная бумага. А человек судит о качестве изображения, в первую очередь,
исходя из достоверности воспроизведения именно светлых оттенков изображения. Чтобы смягчить этот
недостаток, к четырём базовым цветам (CMYK) добавляются по одному или по два светлых (light) варианта
голубых (C-light), пурпурных (M-light), жёлтых (Y-light) и чёрных (К-light или grey) чернил. Обычно бывает
не более 8 чернильниц. Комплект фирменных картриджей для струйного принтера ёмкостью по 5-10 мл
стоит достаточно дорого (12-30 евро), а расходуются чернила не только на печать, но и на прочистку сопел.
Лучше, когда чернильницы неподвижны на корпусе принтера, они больше по объёму, можно использовать
больше светлых цветов, они не снижают скорости печати за счёт инерции и создаются условия для
снижения эффекта засыхания чернил за счёт продувки воздухом сопел печатающей головки после
окончания работы. см Система непрерывной подачи чернил СНЧП
Другие недостатки струйных технологий: невысокая скорость полноцветной печати, обусловленная в
основном растрированием и количеством дополнительных светлых цветов, выцветание красок изображения,
«водобоязнь» отпечатков, при использовании водорастворимых чернил и осыпание
изображения[источник не указан 1019 дней], при использовании пигментных чернил, чувствительность к сорту бумаги.
Однако стоит отметить, что в последнее время стали появляться офисные струйные принтеры (например,
некоторые принтеры из линеек HP OfficeJet Pro или Epson Office), которые имеют возможность замены
головок и влагостойкие чернила, а так же по скорости печати, стоимости самого принтера, объему и цене
расходных материалов не уступают цветным лазерным принтерам начального уровня (стоимостью до 300$)
или даже обходятся дешевле их в эксплуатации.[5].
91
К достоинствам сублимационной печати относится возможность смешивать на носителе изображения
(бумаге) цвета в достаточно широком диапазоне (до 6 бит каждого из базовых цветов). Наиболее светлые
тона формируются в облачке красителя также естественно, как и более тёмные. У струйных принтеров эта
задача частично решается за счёт добавления чернильниц светлых тонов — то есть усложнения аппаратуры
и удорожания печати. Не менее трудны пути решения этой задачи для лазерных технологий, где используют
предварительное смешивание цветов на барабане с помощью магнитных добавок к тонеру или смешивание
цветов на промежуточном носителе с последующей печатью на бумагу.
К серьёзным проблемам сублимационной печати можно отнести крайне медленный вывод фотографий
(фото 10×15 см печатается более 1 минуты) и чувствительность применяемых чернил к ультрафиолету.
Комплекты для сублимационной печати пока ещё дороги (одно фото 10×15 см стоит не меньше 0,4 евро,
комплект на 100 листов стоит 35 евро).
Сейчас наиболее популярный, наилучший по качеству и самый дешёвый способ печати полноцветных
фотографий с цифровых носителей — это печать на аналоговую цветную фотобумагу в фотосалонах (одно
фото 10×15 см стоит 0,10-0,17 евро).
Печать на аналоговую цветную фотобумагу в фотосалонах проводится на цифровых печатающих
автоматических машинах. Бумага движется в печатающей машине, цифровая информация построчно
преобразуется в световой поток, световой поток построчно экспонирует цветную аналоговую фотобумагу,
затем фотобумагу проявляют «мокрым» химическим способом. Скорость печати около 1000 фотографий в
час, то есть в 5-15 раз быстрее цифровой печати. На цветной аналоговой фотобумаге в каждом из 3
субтрактивных слоёв разрешение более 2000 lpi, фотографическая широта до 6,7 Бит, то есть фотография,
сделанная на цветной аналоговой фотобумаге, может содержать до 1-123,836 (20,1 бит) цветов с плавными,
реальными полутонами.
Аналоговую цветную фотографию изобрёл в 1868—1869 годах француз Луи Дюко дю Орон, а цифровая
цветная фотография молода, она — дитя американской космической разведки времён холодной войны и
сегодня бурно развиваются все её разделы, в том числе и цифровая полноцветная печать.
[править] Картридж принтера
Краситель (чернила, тонер), используемый в принтере, обычно хранится в картриджах. Производители
принтеров рекомендуют заправлять их принтеры чернилами/тонером их же производства, однако,
технически предотвратить использование чернил/тонера от сторонних производителей сложно (как и
сделать автомобиль, работающий только на бензине от производителя автомобиля). Покупка так
называемых фирменных картриджей обходится дороже, чем перезаправка картриджей чернилами или
тонером от сторонних производителей. Существует целая отрасль производителей чернил, которые
поставляют их производителям принтеров по OEM-соглашениям, а также напрямую пользователям под
своей торговой маркой, например, inktec, ink-mate. В современных моделях принтеров Canon используются
картриджи Fine со встроенным чипом, который контролирует подачу и уровень расхода чернил. Но это не
мешает перезаправке таких картриджей, даже без перепрограммирования чипа, если после перезаправки
остается информация, что чернила закончились, принтер печатать не отказывается, лишь сообщает о
перезаправке.
Картриджи допускают неоднократную их заправку, при соблюдении определённых требований (требуются
либо совместимые чернила, либо промывка картриджа и головки, для струйных принтеров).
Кроме картриджной системы заправки, для струйных принтеров существует и система подачи чернил из
внешнего сосуда (т. н. СНПЧ).
[править] Печатающая головка
Печатающая головка — механизм, при помощи которого и происходит собственно нанесение красителя на
поверхность материала.
92
Техническое обслуживание печатающих головок струйных принтеров
В процессе печати к головам, неизбежно, прилипает пыль, это приводит к скоплению краски возле пылинок.
Дюзы работают, чернила накапливаются возле пылинки, растёт капля, закрывающая собой всё новые и
новые дюзы. Изображение становится «полосатым». Кроме этого пыль может попадать в голову через
чернильный канал, вместе с чернилами, блокируя работу пьезоэлементов. Иногда, по разным причинам,
вместе с чернилами, в голову, попадают пузырьки воздуха. Это приводит к почти мгновенному выбиванию
большого количества дюз. Основной способ восстановления нормальной работы дюз — промывка.
На принтерах, не оборудованных системой раздельной промывки головок, при промывке, происходит
значительный расход чернил. Некоторые модели принтеров(Roland, Mimaki и большинство офисных
принтеров) оборудованы системой автоматической протирки печатающих головок, включающей в себя
резиновый вайпер и механизм, поднимающий вайпер до уровня головы. Если вайпер работает неправильно,
сильно испачкан или сильно изношен, на голове, остаются капли чернил, что пагубно сказывается на
качестве печати. После печати голова паркуется (в ручном или в автоматическом режиме, в зависимости от
конструкции принтера). При аварийном завершении работы принтера голову следует запарковать вручную.
При неправильной работе автоматической парковки (перекосе резиновых кап или неплотном прилегании к
голове), при неграмотном использовании ручной парковки головок происходит высыхание остатков чернил
в дюзах печатающих головок. Большинство принтеров оборудованы системой автоматической промывки
головок.
Копировальный аппарат
Копировальный аппарат (сокр. копир; жарг. ксерокс; копировально-множительный аппарат) —
устройство, предназначенное для получения копий документов, фотографий, рисунков и других
двухмерных изображений на бумаге и других материалах. В отличие от полиграфических машин может
использоваться для изготовления малых тиражей книг, брошюр и пр. Помимо специальных машин, к
копировальным аппаратам можно отнести факсимильный аппарат, дупликатор и соединённые между собой
сканер и принтер.
Характеристики
Основные характеристики КА:





формат оригинала и копии;
скорость копирования;
стоимость копирования;
производительность;
рекомендуемый объём копирования (ресурс);
Методы получения изображения
В КА наиболее распространён электрографический метод печати. Для больших тиражей используется
трафаретный метод. Также (в факсимильных аппаратах и недорогих цветных ксероксах) используется метод
струйной печати и метод термопечати. Остальные методы получения изображения распространения не
получили или были вытеснены с рынка копировальной техники.
По способу обработки исходного изображения копировальные аппараты делятся на аналоговые и цифровые.
Они различаются по способу передачи изображения от оригинала к копии. В аналоговых аппаратах
(электрографических) свет, отражённый от оригинала через систему движущихся зеркал и объектива,
передаётся на фотобарабан. В цифровых — изображение с оригинала сначала сканируется с помощью
линейки фоточувствительных элементов (фотодиодов) в память контроллера, обрабатывается по
определённому алгоритму, а затем выводится на печать через принтер, являющийся, в данном случае,
неотъемлемой частью копировального аппарата («МФУ» или «МФА»).
Цифровые копировальные аппараты делятся на монохромные и полноцветные.
93
По производительности выделяют копиры малой (до 20 копий/мин), средней (20—40 копий/мин) и высокой
(свыше 40 копий/мин) производительности.
По компоновке копиры делятся на напольные и настольные. Из настольных отдельно выделяют переносные
(портативные).
Настольные аппараты малой производительности формата А4 обычно называют персональными.
Отдельно выделяют копиры большого формата (А0, А1), которые часто называют инженерными системами.
Несмотря на широкое использование термина ксерокс, в официальной литературе и особенно рекламных
материалах его стараются избегать из-за сходства с именем фирмы «Ксерокс» (по-английски произносится
как «зирокс»). Её аппараты на основе технологии ксерографии (от греч. «сухой» и «написание») в своё
время доминировали на рынке, потеснив другие технологии копирования, и потому её товарный знак стал
нарицательным для целого класса устройств. Подобный переход термина с названия фирмы-производителя
на весь вид изделий встречается часто (ср.: джип, памперс, патефон, и т. п.). Само же название «ксерокс»
для копировальных аппаратов на основе технологии ксерографии (или, более научно, электрографии) было
предложено ещё изобретателем метода Честером Карлсоном, а фирма «Ксерокс» получила своё имя после
переименования, когда её аппараты с этим названием стали весьма известными.
В русский язык слово ксерокс вошло в 70-е годы, когда в СССР появились первые копировальные машины
фирмы «Ксерокс». Также широкое распространение в то время получили отечественные копировальные
машины «ЭРА» и РЭМ.



Первые копировальные аппараты, появившиеся в СССР в 1966 году[источник не указан 974 дня], были
аппаратами фирмы «Ксерокс», в результате чего «ксерокс» стало именем нарицательным для
подобной техники. В то же время, например, в Монголию первой копировальные аппараты стала
поставлять фирма Canon («Кэнон»), поэтому по-монгольски копировальные аппараты называются
«канон».
В СССР копировальные и множительные аппараты (гектографы) в обязательном порядке
регистрировались в КГБ, и вёлся строгий учёт того кто, что и где копировал. Очевидной целью этих
мер была борьба с самиздатом и распространением закрытой информации (в том числе
топографических карт).
В 1953 году В. М. Фридкин, только что окончивший Московский университет, создал первый
ксерокс, а впоследствии развил теорию ксерографии.[1]
Модем
Моде́м (акроним, составленный из слов модулятор и демодулятор) — устройство, применяющееся в
системах связи для физического сопряжения информационного сигнала со средой его распространения, где
он не может существовать без адаптации (то есть переносе его на несущую с модуляцией), и выполняющее
функцию модуляции и демодуляции этого сигнала (чаще всего в речевом диапазоне).
Модулятор в модеме осуществляет модуляцию несущего сигнала, то есть изменяет его характеристики в
соответствии с изменениями входного информационного сигнала, демодулятор — осуществляет обратный
процесс. Модем выполняет функцию оконечного оборудования линии связи. Само формирование данных
для передачи и обработки принимаемых данных осуществляет т. н. терминальное оборудование (в его роли
может выступать и персональный компьютер).
Модемы широко применяются для связи компьютеров (одно из их периферийных устройств), позволяющее
одному из них связываться с другим (также оборудованным модемом) через телефонную сеть (телефонный
модем) или кабельную сеть (кабельный модем). Также модемы ранее применялись в сотовых телефонах
(пока не были вытеснены цифровыми способами передачи данных).
По исполнению:
94



внешние — подключаются через COM или LPT[1], USB порт или стандартный разъем в сетевой карте
RJ-45, обычно имеют отдельный блок питания (существуют и USB-модемы с питанием от шины
USB).
внутренние — дополнительно устанавливаются внутрь аппарата (в слот ISA, PCI, PCI-E, PCMCIA, AMR,
CNR)
встроенные — являются частью аппарата, куда встроены (например ноутбука или док-станции).
По принципу работы:



аппаратные — все операции преобразования сигнала, поддержка физических протоколов обмена,
производятся встроенным в модем вычислителем (например с использованием DSP, контроллера).
Так же в аппаратном модеме присутствует ПЗУ, в котором записана микропрограмма, управляющая
модемом.
программные (софт-модемы, Host based soft-modem) — все операции по кодированию сигнала,
проверки на ошибки и управление протоколами реализованы программно и производятся
центральным процессором компьютера. В модеме находятся только входные аналоговые цепи и
преобразователи (ЦАП и АЦП), также контроллер интерфейса (например USB).
полупрограммные (Controller based soft-modem) — модемы, в которых часть функций модема
выполняет компьютер, к которому подключён модем.
По виду соединения:








Модемы для коммутируемых телефонных линий — наиболее распространённый тип модемов,
использующие коммутируемый удалённый доступ
ISDN — модемы для цифровых коммутируемых телефонных линий
DSL — используются для организации выделенных (некоммутируемых) линий используя обычную
телефонную сеть. Отличаются от коммутируемых модемов тем, что используют другой частотный
диапазон, а также тем, что по телефонным линиям сигнал передается только до АТС. Обычно
позволяют одновременно с обменом данными осуществлять использование телефонной линии в
обычном порядке.
Кабельные — используются для обмена данными по специализированным кабелям — к примеру,
через кабель коллективного телевидения по протоколу DOCSIS.
Радио — работают в радиодиапазоне, используют собственные наборы частот и протоколы.
Сотовые — работают по протоколам сотовой связи — GPRS, EDGE, и т. п. Часто имеют исполнения в
виде USB-брелка. В качестве таких модемов также часто используют терминалы мобильной связи.
Спутниковые — используются для организации спутникового интернета.Принимают и
обрабатывают сигнал полученный со спутника.
PLC — используют технологию передачи данных по проводам бытовой электрической сети.
Наиболее распространены в настоящее время:



внутренний программный модем
внешний аппаратный модем
встроенные в ноутбуки модемы.
Устройство
1.
2.
3.
4.
Порты ввода-вывода — схемы, предназначенные для обмена данными между телефонной линией
и модемом с одной стороны, и модемом и компьютером — с другой. Для взаимодействия с
аналоговой телефонной линией зачастую используется трансформатор.
Сигнальный процессор (Digital Signal Processor, DSP) Обычно модулирует исходящие сигналы и
демодулирует входящие на цифровом уровне в соответствии с используемым протоколом
передачи данных. Может также выполнять другие функции.
Контроллер управляет обменом с компьютером.
Микросхемы памяти:
95
o
o
o
ROM — энергонезависимая память, в которой хранится микропрограмма управления
модемом — прошивка, которая включает в себя наборы команд и данных для управления
модемом, все поддерживаемые коммуникационные протоколы и интерфейс с
компьютером. Обновление прошивки модема доступно в большинстве современных
моделей, для чего служит специальная процедура описанная в руководстве пользователя.
Для обеспечения возможности перепрошивки для хранения микропрограмм применяется
флэш-память (EEPROM). Флэш-память позволяет легко обновлять микропрограмму модема,
исправляя ошибки разработчиков и расширяя возможности устройства. В некоторых
моделях внешних модемов она так же используется для записи входящих голосовых и
факсимильных сообщений при выключенном компьютере.
NVRAM — энергонезависимая электрически перепрограммируемая память, в которой
хранятся настройки модема (профиль модема)[2]. Пользователь может изменять установки,
например используя набор AT-команд.
RAM — оперативная память модема, используется для буферизации принимаемых и
передаваемых данных, работы алгоритмов сжатия и прочего.
Дополнительные функции
Факс-модем — позволяет компьютеру, к которому он присоединён, передавать и принимать факсимильные
изображения на другой факс-модем или обычную факс-машину.
Голосовой модем — с функцией оцифровки сигнала с телефонной линии и воспроизведения произвольного
звука в линию. Часть голосовых модемов имеет встроенный микрофон. Такой модем позволяет
осуществить:


передачу голосовых сообщений в режиме реального времени на другой удалённый голосовой
модем, приём сообщений от него и воспроизведение их через внутренний динамик;
использование в режиме автоответчика и для организации голосовой почты.
История
Компания AT&T Dataphone Modems в Соединённых Штатах была частью SAGE (ПВО системы) в 50-х
годах. Она соединяла терминалы на различных воздушных базах, радарах и контрольных центрах с
командными центрами SAGE, разбросанными по США и Канаде. SAGE использовала выделенные линии
связи, но устройства на каждом из концов этих линий были такими же по принципу как современные
модемы.
Первым модемом для персональных компьютеров стало устройство компании Hayes Microcomputer
Products, которая в 1979 году выпустила Micromodem II для персонального компьютера Apple II. Модем
стоил 380 долл. и работал со скоростью 110/300 б/сек.
В 1981 году фирма Hayes выпустила модем Smartmodem 300 б/сек, система команд которого стала
стандартом де-факто
Модуляция
Модуля́ция (лат. modulatio — размеренность, ритмичность) — процесс изменения одного или нескольких
параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала
(сообщения).
Передаваемая информация заложена в управляющем (модулирующем) сигнале, а роль переносчика
информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. Модуляция, таким образом,
представляет собой процесс «посадки» информационного колебания на заведомо известную несущую.
96
В результате модуляции спектр низкочастотного управляющего сигнала переносится в область высоких
частот. Это позволяет при организации вещания настроить функционирование всех приёмо-передающих
устройств на разных частотах с тем, чтобы они «не мешали» друг другу.
В качестве несущего могут быть использованы колебания различной формы (прямоугольные, треугольные
и т. д.), однако чаще всего применяются гармонические колебания. В зависимости от того, какой из
параметров несущего колебания изменяется, различают вид модуляции (амплитудная, частотная, фазовая и
др.). Модуляция дискретным сигналом называется цифровой модуляцией или манипуляцией.
[править] Виды модуляции
[править] Аналоговая модуляция




Амплитудная модуляция (АМ)
o Амплитудная модуляция с одной боковой полосой (SSB — однополосная АМ)
o Балансная амплитудная модуляция (БАМ) — АМ с подавлением несущей
o Квадратурная модуляция (QAM)
Угловая модуляция
o Частотная модуляция (ЧМ)
 Линейная частотная модуляция (ЛЧМ)
o Фазовая модуляция (ФМ)
Сигнально-кодовая модуляция (СКМ), в англоязычном варианте Signal Code Modulation (SCM)
Сигма-дельта модуляция (∑Δ)
97
[править] Цифровая модуляция
Основная статья: Манипуляция (модуляция)
[править] Импульсная модуляция







Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ или PCM — Pulse Code Modulation)
o Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ или DPCM — Differential PCM)
o Адаптивная импульсно-кодовая модуляция (АДИКМ или ADPCM — Adaptive DPCM)
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)
Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ)
Фазово-импульсная модуляция (ФИМ)
Дельта-модуляция (ДМ или Δ-модуляция)
Сигма-дельта-модуляция (ΣΔ)
Основные характеристики

Энергетическая эффективность (потенциальная помехоустойчивость) характеризует достоверность
передаваемых данных при воздействии на сигнал аддитивного белого гауссовского шума, при
условии, что последовательность символов восстановлена идеальным демодулятором.
Определяется минимальным отношением сигнал/шум (Eb/N0), которое необходимо для передачи
данных через канал с вероятностью ошибки, не превышающей заданную. Энергетическая
эффективность определяет минимальную мощность передатчика, необходимую для приемлемой
работы. Характеристикой метода модуляции является кривая энергетической эффективности —
зависимость вероятности ошибки идеального демодулятора от отношения сигнал/шум (Eb/N0).

Спектральная эффективность
— отношение скорости передачи данных к используемой
полосе пропускания радиоканала.
o AMPS: 0,83
o NMT: 0,46
98



o GSM: 1,35
Устойчивость к воздействиям канала передачи характеризует достоверность передаваемых данных
при воздействии на сигнал специфичных искажений: замирания вследствие многолучевого
распространения, ограничение полосы, сосредоточенные по частоте или времени помехи, эффект
Доплера и др.
Требования к линейности усилителей. Для усиления сигналов с некоторыми видами модуляции
могут быть использованы нелинейные усилители класса C, что позволяет существенно снизить
энергопотребление передатчика, при этом уровень внеполосного излучения не превышает
допустимые пределы. Данный фактор особенно важен для систем подвижной связи.
Сложность реализации модемов определяется вычислительным ресурсом, требуемым для
реализации алгоритма демодуляции, и требованиями к характеристикам аналоговой части.
xDSL
хDSL (англ. digital subscriber line, цифровая абонентская линия) — семейство технологий, позволяющих
значительно повысить пропускную способность абонентской линии телефонной сети общего пользования
путём использования эффективных линейных кодов и адаптивных методов коррекции искажений линии на
основе современных достижений микроэлектроники и методов цифровой обработки сигнала.
Технологии хDSL появились в середине 90-х годов как альтернатива цифровому абонентскому окончанию
ISDN.
В аббревиатуре xDSL символ «х» используется для обозначения первого символа в названии конкретной
технологии, а DSL обозначает цифровую абонентскую линию DSL (англ. Digital Subscriber Line — цифровая
абонентская линия; также есть другой вариант названия — Digital Subscriber Loop — цифровой абонентский
шлейф). Технологии хDSL позволяют передавать данные со скоростями, значительно превышающими те
скорости, которые доступны даже самым лучшим аналоговым и цифровым модемам. Эти технологии
поддерживают передачу голоса, высокоскоростную передачу данных и видеосигналов, создавая при этом
значительные преимущества как для абонентов, так и для провайдеров. Многие технологии хDSL позволяют
совмещать высокоскоростную передачу данных и передачу голоса по одной и той же медной паре.
Существующие типы технологий хDSL различаются в основном по используемой форме модуляции и
скорости передачи данных.
Службы xDSL разрабатывались для достижения определенных целей: они должны работать на
существующих телефонных линиях, они не должны мешать работе различной аппаратуры абонента, такой
как телефонный аппарат, факс и т. д., скорость работы должна быть выше теоретического предела в
56Кбит/сек., и наконец, они должны обеспечивать постоянное подключение. Широкое распространение
технологий хDSL должно сопровождаться некоторой перестройкой работы поставщиков услуг Интернета и
поставщиков услуг телефонных сетей, так как их оборудование теперь должно работать совместно.
Возможен также вариант, когда альтернативный оператор связи берёт оптом в аренду большое количество
абонентских окончаний у традиционного местного оператора или же арендует некоторое количество
модемов в DSLAM.
К основным типам xDSL относятся ADSL, HDSL, IDSL, MSDSL, PDSL, RADSL, SDSL, SHDSL, UADSL,
VDSL. Все эти технологии обеспечивают высокоскоростной цифровой доступ по абонентской телефонной
линии. Некоторые технологии xDSL являются оригинальными разработками, другие представляют собой
просто теоретические модели, в то время как третьи уже стали широко используемыми стандартами.
Основным различием данных технологий являются методы модуляции, используемые для кодирования
данных.
Методы кодирования
Технологии xDSL поддерживают несколько вариантов кодирования информации:


2B1Q: Two-binary, one-quaternary, используется для IDSL и HDSL
CAP: Carrierless Amplitude Phase Modulation - используется для HDSL
99

DMT: Discrete multitone modulation, наиболее распространенный метод, известен также как OFDM
(Orthogonal frequency-division multiplexing)
Достижения технологий xDSL во многом определяются достижениями техники кодирования, которая за
счет применения процессоров DSP (Цифровой сигнальный процессор) смогла повысить скорость передачи
данных при одновременном увеличении расстояния между модемом и оборудованием DSLAM.
Сравнительный анализ технологий xDSL
Максимальная
Технология
скорость
Максимальное
Количество
расстояние
телефонных пар
DSL
Основное применение
(прием/передача)
ADSL
24
Мбит/с
/
Мбит/с
3,5
5,5 км
1
Доступ
в
Интернет,
голос,
видео, HDTV (ADSL2+)
IDSL
144 кбит/с
5,5 км
1
Передача данных
HDSL
2 Мбит/с
4,5 км
1,2,3
Объединение сетей, услуги E1
SDSL
2 Мбит/с
3 км
1
Объединение сетей, услуги E1
VDSL
1,5 км
65 Мбит/с / 35 Мбит/с
скорости
SHDSL
2,32 Мбит/с
UADSL
1,5
Мбит/с
на
7,5 км
/
3843,5
кбит/с
км
скорости
max.
1
1
на
max.
1
Объединение сетей, HDTV
Объединение сетей
Доступ
в
Интернет,
голос,
видео
Преимущества xDSL перед ISDN
Широкое применение доступа через xDSL имеет ряд преимуществ по сравнению с технологией ISDN.
Пользователь получает интегрированное обслуживание двух сетей – телефонной и компьютерной. Но для
пользователя наличие двух сетей оказывается незаметным, для него только ясно, что он может
одновременно пользоваться обычным телефоном и подключенным к Интернету компьютером. Скорость же
компьютерного доступа при этом превосходит возможности интерфейса PRI сети ISDN при существенно
более низкой стоимости, определяемой низкой стоимостью инфраструктуры IP-сетей[1].
Факс
Факс (англ. Fax (сокращ. от facsimile (от латинского fac simile, "делать одинаково"))) или Факсими́льная
связь — телекоммуникационная технология передачи изображений электрическими сигналами.
Исторически включалась в состав телеграфной связи и является разновидностью электросвязи.
Артур Корн в 1902 году в Германии продемонстрировал первую фотоэлектрическую факс-систему, а в 1922
году — систему на основе радиосигналов. Факсы стали широко использовать для передачи газетных статей
и карт погоды. Но только в 1968 году Международный союз электросвязи утвердил первые международные
стандарты для факсимильной передачи (Группа 1), в 1972 году — Группу 2 и в 1980 году — Группу 3.
Принятие стандартов стало важным фактором развития факсимильной передачи: время передачи страницы
сократилось с шести минут до менее одной минуты. Бум факс-технологий пришелся на 80-е годы ХХ века.
100
Принцип действия
Факсимильная связь включает в себя основные операции:




деление всей площади предназначенного для передачи оригинала на большое количество
элементов малого размера, отличающихся друг от друга по какому-либо определённому
физическому параметру. Типично для изображений — по оптической плотности;
последовательное измерение для каждого такого элемента этого физического параметра,
преобразование в величину электрического тока или в набор электрических импульсов, в
соответствии с предусмотренным протоколом связи;
трансляция сигнала по линии связи;
преобразование полученного сигнала, как правило, синхронное и синфазное процессу передачи,
запись в приёмном устройстве полученной информации.
Устройство
Тракт факсимильной связи включает передатчик, линию связи и приёмник.
Этот раздел не завершён.
Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.
[править] Развёртка
В передатчике происходит анализ оригинала перемещающимся или переключаемым световым пятном. Оно
обегает всю площадь изображения построчно, причём отражённый световой поток оказывается
модулирован по интенсивности. Далее он попадает на фотоэлектрический преобразователь, в результате
чего колебания интенсивности потока преобразуются в электрические — видеосигнал.
Как правило, развёртка по строке осуществляется электронным переключением элементов строки сканера, а
развёртка по вертикали — путём механической его протяжки перпендикулярно строке.
В качестве фотоэлектрических преобразователей в факсимильной аппаратуре использовались
фотоэлектронные умножители (ФЭУ), фотоэлементы. Современные аппараты имеют полупроводниковые
линейные или матричные датчики изображения.
[править] Модуляция
Передающее устройство производит модуляцию несущей частоты видеосигналом в соответствии с одним из
выбранных протоколов связи, тем самым достигая максимальной совместимости с конкретным типом
канала связи.
В факсимильной связи применяется, как правило, амплитудная модуляция, реже частотная.
Применяемые в факсимильной связи протоколы первоначально были полностью отделены от протоколов
передачи данных, однако по мере развития техники унификация свела некоторые из них воедино, и
наиболее современное факсовое оборудование принимает и передаёт изображения по некоторым модемным
протоколам:
название стандарта ITUДата публикации
Скорости, бит/с
Способ модуляции
V.27
1988
4800, 2400
Фазовая манипуляция
V.29
1988
9600, 7200, 4800
Квадратурная модуляция
101
V.17
1991
14 400, 12 000, 9600, 7200Треллис-модуляция
V.34
1994
28 800
Квадратурная модуляция
V.34bis
1998
33 600
Квадратурная модуляция
[править] Каналы связи
В настоящее время основными каналами связи для передачи факсов стали стандартные телефонные
коммутируемые линии с характерной для них полосой пропускания 0,3 до 3,4 кГц. Однако ещё при
организации фототелеграфной связи для передачи газетных полос полиграфического качества при
децентрализованной печати ежедневных газет понадобилась большая полоса пропускания. Поэтому
основными каналами передачи факсимильных сообщений по телеграфным линиям связи были выделенные
каналы — первичный, с полосой 48 кГц, или вторичный — 240 кГц.
[править] Приём сигнала
Принимающая аппаратура осуществляет демодуляцию сигнала, получая из него исходный видеосигнал.
[править] Свёртка
Большинство факс-машин осуществляет преобразование видеосигнала в копию изображения, обратное
развёртке, синхронно и синфазно с развёрткой на передающей стороне. Копия создаётся в печатающем
блоке факса из принятых значений видеосигнала и располагает элементарные участки изображения на
носителе в той же последовательности, в какой располагались соответствующие оригинальные. Эта
операция в факсимильной связи называется свёрткой изображения.
[править] Запись изображения
В факсимильной связи массово применяются или применялись следующие методы записи изображения:




фотографический — запись ведётся источником света, яркость которого промодулирована
видеосигналом, на светочувствительный материал (обычно — фотобумагу);
электрохимический — в нём применяется специальная бумага, меняющая цвет при пропускании
электрического тока через неё (в этом случае она проходит между двумя точечными электродами,
на которые подаётся усиленный видеосигнал) или в малой области на одной из сторон;
штриховой, или чернильный, — в качестве носителя используется обычная бумага, запись
совершается роликом, смазанным краской, или чернильным пером, положение которого
определяется электромагнитом, на который подаётся видеосигнал. Также возможно механическое
воздействие электромагнитом через копировальную бумагу;
термопечать — в качестве носителя применяется темнеющая при нагревании бумага, а
воздействует на неё в таком случае излучение инфракрасного светодиода.
При всех вышеописанных способах записывающий элемент перемещается по носителю вдоль строки
(применяется также электронное переключение элементов, например, светодиодов при термопечати), а
затем переходит на следующую строку, как и развёртывающий элемент на передающей стороне. Если
передатчик и приёмник не соблюдают синхронность и синфазность перемещения, появляются
геометрические искажения принятого изображения. Синхронизация и фазирование в факсимильной связи
ранее осуществлялось вручную (особыми органами управления аппаратурой), в современных протоколах
факсовой связи — автоматически.
Способы записи делят на закрытые и открытые по возможности контролировать визуально качество копии
непосредственно в процессе создания изображения (а значит, и в процессе передачи информации по каналу
связи).
102
Фотографический способ — закрытый: фотоматериал помещается в светонепроницаемую кассету и не
позволяет убедиться в качестве принятой информации до завершении последующей фотохимической
обработки. Все прочие способы записи — открытые.
[править] Запись информации
Всё большее распространение получает информационный способ приёма факсов — при нём происходит
запись декодированной информации в виде графического файла на компьютер, файловый сервер или в
память специализированного оборудования, где она хранится до запроса пользователя на визуализацию или
печать.
Перечисленные программы позволяют принимать и отправлять факсы с ПК, оборудованного факс-модемом.







PamFax for Skype
Fax4Word
Fax4Outlook
Joy Fax Server
Joyfax Server
ActFax
VentaFax & Voice
Части современного офисного факс-аппарата




Сканер, в большинстве случаев — протяжного типа;
принтер с устройством подачи рулонной (реже — листовой) бумаги;
модем — модулятор-демодулятор электрического сигнала;
узлы телефонного аппарата — номеронабиратель, телефонная трубка
Современный факсовый аппарат в конкретном сеансе передачи факсимильного сообщения может выступать
как приёмник или как передатчик.
По мере удешевления компьютерного оборудования и доступа к сети Интернет всё чаще для передачи
изображений используется подключённый к сети компьютер общего назначения, имеющий принтер, сканер.
Такой тип компьютеров по цели использования иногда носит отдельное название «Офисный компьютер». В
ряде случаев использование такого компьютера именно в процессе передачи изображений также называют
«факсимильной связью». Главным преимуществом перед традиционным факсом является отсутствие
необходимости в синхронной и синфазной работе всех элементов тракта связи. Благодаря же создаваемым
факс-гейтам точная граница между традиционной факсимильной связью и такой компьютерной отсутствует
совершенно.
Виды изображений
Изображения, передаваемые в рамках факсимильной связи, так же как и факсимильные аппараты,
подразделяются на три основные группы:


чёрно-белые — содержат две градации оптической плотности (обычно чёрный и белый цвета
оригинала). к ним относят рукописи, чертежи, карты, изображения газетных полос и машинописный
текст. Для представления яркости конкретного элемента изображения достаточно одного бита.
Записываются с достаточной точностью и качеством любым из использовавшихся в факсимильной
связи методов записи;
полутоновые — имеют несколько градаций плотности. Таковы, например, художественные
фотографии, для воспроизведения которых необходимо иметь возможность передавать не менее
8—12 градаций оптической плотности. Приемлемое качество достигается только фотографическим
способом передачи;
103

цветные — отличаются от полутонового изображения тем, что для передачи вместо одного канала
оптической плотности используются три — R,G и B, причем полоса пропускания каждого равна
полосе частот «черно-белого» факсимильного сигнала. Отсюда следует вывод, что для передачи
цветного изображения требуется канал связи в 3 раза более широкий, чем для передачи
полутонового изображения, либо время передачи увеличится втрое. В связи с этим в настоящее
время цветные факсимильные аппараты, использующие «чистые» факсимильные технологии не
применяются. На смену им пришли комбинированные устройства, использующие более
совершенные способы сжатия изображения.
Развитие вычислительной техники и математического аппарата позволило «экономить» пропускную
способность линий. Например, Canon Fax B215C осуществляет передачу ч/б изображений по стандартным
факсовым протоколам MH, MR, MMR, JBIG, а цветных изображений со сжатием по стандарту JPEG. При
этом время передачи цветной страницы составляет около 4 мин. для цветного изображения и 3 мин. для
полутоновой изображения среднего качества.[источник не указан 409 дней]
Количественные показатели
Для сравнения традиционных систем факсимильной связи используются следующие параметры:

Размер передаваемого изображения. Существует два основных стандарта:






220×290 мм — размер, близкий формату A4 и используемый в делопроизводстве;
422×600 мм — размер для передачи газетных полос.
Скорость, измеряемая числом строк, передаваемых в минуту. Для телефонных и радиотелефонных
линий связи установлены стандартные скорости 60, 120 и 250 строк в мин. Передача газетных полос
ведётся со скоростями 178, 1500 или 2250 строк в мин.
Время передачи изображения зависит от скорости передачи и составляет: для формата 220×290 мм
— от 6 до 25 мин; для газетной полосы — от 2,8 до 50 мин.
Чёткость, или разрешающая способность (в инструкциях к оборудованию иногда употребляется
термин линеатура, однако это употребление неточно) — определяет качество воспроизведения
мелких деталей изображения. Измеряется как максимальное количество линий, приходящихся на 1
мм (в Европе — на дюйм) длины строки, которые раздельно, не сливаясь, воспроизводятся
приёмником. Значение чёткости в обычных факсимильных аппаратах — 5 линий на мм, а в
аппаратуре для передачи газетных полос — от 13 до 16 линий на мм. В англоязычной литературе
единица измерения — lpi (англ. lines per inch).
Число градаций — для полутоновых аппаратов: сколько градаций оптической плотности раздельно
воспроизводятся на принятой копии.
Считается, что факсимильная связь вытесняется электронной почтой и иными средствами передачи файлов,
однако ее роль в современном бизнесе уменьшается достаточно медленными темпами. Помимо удобства и
простоты этого вида связи, значительную роль играет распространенность факсимильных аппаратов,
возможность передачи цветных изображений, а также нежелание некоторых организаций переходить на
иные методы связи, поскольку это потребует капитальных затрат и усилий на переподготовку персонала.
Кроме того, современные факсы имеют возможность использовать обычную писчую бумагу взамен
использовавшейся ранее специальной термобумаги.
Компьютерная мышь
Манипуля́тор «мышь» (просто «мышь» или «мышка») — механический манипулятор, преобразующий
механические движения в движение курсора на экране.
Мышь воспринимает своё перемещение в рабочей плоскости (обычно — на участке поверхности стола) и
передаёт эту информацию компьютеру. Программа, работающая на компьютере, в ответ на перемещение
мыши производит на экране действие, отвечающее направлению и расстоянию этого перемещения. В
104
универсальных интерфейсах (например, в оконных) с помощью мыши пользователь управляет специальным
курсором — указателем — манипулятором элементами интерфейса. Иногда используется ввод команд
мышью без участия видимых элементов интерфейса программы: при помощи анализа движений мыши.
Такой способ получил название «жесты мышью» (англ. mouse gestures).
В дополнение к детектору перемещения, мышь имеет от одной до трёх и более кнопок, а также
дополнительные элементы управления (колёса прокрутки, потенциометры, джойстики, трекболы, клавиши
и т. п.), действие которых обычно связывается с текущим положением курсора (или составляющих
специфического интерфейса).
Элементы управления мыши во многом являются воплощением идей аккордной клавиатуры (то есть,
клавиатуры для работы вслепую). Мышь, изначально создаваемая в качестве дополнения к аккордной
клавиатуре, фактически её заменила.
В некоторые мыши встраиваются дополнительные независимые устройства — часы, калькуляторы,
телефоны.
9 декабря 1968 года компьютерная мышь была представлена на демонстрации интерактивных устройств в
Калифорнии.[1]
Первым компьютером, в комплект которого включалась мышь, был миникомпьютер Xerox 8010 Star
Information System (англ.), представленный в 1981 году. Мышь фирмы Xerox имела три кнопки и стоила 400
долларов США, что соответствует примерно $930 в ценах 2009 года с учётом инфляции [1]. В 1983 году
фирма Apple выпустила свою собственную модель однокнопочной мыши для компьютера Lisa, стоимость
которой удалось уменьшить до $25. Широкую популярность мышь приобрела благодаря использованию в
компьютерах Apple Macintosh и позднее в ОС Windows для IBM PC совместимых компьютеров.
Датчики перемещения
В процессе «эволюции» компьютерной мыши наибольшие изменения претерпели датчики перемещения.
Прямой привод
Первая компьютерная мышь
Изначальная конструкция датчика перемещения мыши, изобретённой Дугласом Энгельбартом в
Стенфордском исследовательском институте в 1963 году, состояла из двух перпендикулярных колес,
выступающих из корпуса устройства. При перемещении колеса мыши крутились каждое в своем измерении.
Такая конструкция имела много недостатков и довольно скоро была заменена на мышь с шаровым
приводом.
[править] Шаровой привод
105
В шаровом приводе движение мыши передается на выступающий из корпуса обрезиненный стальной шарик
(его вес и резиновое покрытие обеспечивают хорошее сцепление с рабочей поверхностью). Два прижатых к
шарику ролика снимают его движения по каждому из измерений и передают их на датчики, преобразующие
эти движения в электрические сигналы.
Основной недостаток шарового привода — загрязнение шарика и снимающих роликов, приводящее к
заеданию мыши и необходимости в периодической её чистке (отчасти эта проблема сглаживалась путём
металлизации роликов). Несмотря на недостатки, шаровой привод долгое время доминировал, успешно
конкурируя с альтернативными схемами датчиков. В настоящее время шаровые мыши почти полностью
вытеснены оптическими мышами второго поколения.
Существовало два варианта датчиков для шарового привода.
[править] Контактные датчики
Контактный датчик представляет собой текстолитовый диск с лучевидными металлическими дорожками и
тремя контактами, прижатыми к нему. Такой датчик достался шаровой мыши «в наследство» от прямого
привода.
Основными недостатками контактных датчиков является окисление контактов, быстрый износ и невысокая
точность. Поэтому со временем все мыши перешли на бесконтактные оптопарные датчики.
[править] Оптопарные (оптомеханические) датчики
Оптронный датчик состоит из двойной оптопары — светодиода и двух фотодиодов (обычно —
инфракрасных) и диска с отверстиями или лучевидными прорезями, перекрывающего световой поток по
мере вращения. При перемещении мыши диск вращается, и с фотодиодов снимается сигнал с частотой,
соответствующей скорости перемещения мыши.
Второй фотодиод, смещённый на некоторый угол или имеющий на диске датчика смещённую систему
отверстий/прорезей, служит для определения направления вращения диска (свет на нём появляется/исчезает
раньше или позже, чем на первом, в зависимости от направления вращения).
[править] Оптические мыши первого поколения
Оптические датчики призваны непосредственно отслеживать перемещение рабочей поверхности
относительно мыши. Исключение механической составляющей обеспечивало более высокую надёжность и
позволяло увеличить разрешающую способность детектора.
Первое поколение оптических датчиков было представлено различными схемами оптопарных датчиков с
непрямой оптической связью — светоизлучающих и воспринимающих отражение от рабочей поверхности
светочувствительных диодов. Такие датчики имели одно общее свойство — они требовали наличия на
рабочей поверхности (мышином коврике) специальной штриховки (перпендикулярными или ромбовидными
линиями). На некоторых ковриках эти штриховки выполнялись красками, невидимыми при обычном свете
(такие коврики даже могли иметь рисунок).
Недостатками таких датчиков обычно называют:



необходимость использования специального коврика и невозможность его замены другим. Кроме
всего прочего, коврики разных оптических мышей часто не были взаимозаменяемыми и не
выпускались отдельно;
необходимость определённой ориентации мыши относительно коврика, в противном случае мышь
работала неправильно;
чувствительность мыши к загрязнению коврика (ведь он соприкасается с рукой пользователя) —
датчик неуверенно воспринимал штриховку на загрязнённых местах коврика;
106

высокую стоимость устройства.
В СССР оптические мыши первого поколения, как правило, встречались только в зарубежных
специализированных вычислительных комплексах.
[править] Оптические светодиодные мыши
Второе поколение оптических мышей имеет более сложное устройство. В нижней части мыши установлен
специальный светодиод, который подсвечивает поверхность, по которой перемещается мышь. Миниатюрная
камера «фотографирует» поверхность более тысячи раз в секунду, передавая эти данные процессору,
который и делает выводы об изменении координат. Оптические мыши второго поколения имеют огромное
преимущество перед первым: они не требуют специального коврика и работают практически на любых
поверхностях, кроме зеркальных. Они также не нуждаются в чистке.
Предполагалось, что такие мыши будут работать на произвольной поверхности, однако вскоре выяснилось,
что многие продаваемые модели (в особенности первые широко продаваемые устройства) не так уж и
безразличны к рисункам на коврике. На некоторых участках рисунка графический процессор способен
сильно ошибаться, что приводит к хаотичным движениям указателя, не отвечавших реальному
перемещению. Для склонных к таким сбоям мышей необходимо подобрать коврик с иным рисунком или
вовсе с однотонным покрытием.
Отдельные модели также склонны к детектированию мелких движений при нахождении мыши в состоянии
покоя, что проявляется дрожанием указателя на экране, иногда с тенденцией сползания в ту или иную
сторону.
Датчики второго поколения постепенно совершенствуются, и в настоящее время мыши, склонные к сбоям,
встречаются гораздо реже. Кроме совершенствования датчиков, некоторые модели оборудуются двумя
датчиками перемещения сразу, что позволяет, анализируя изменения сразу на двух участках поверхности,
исключать возможные ошибки. Такие мыши иногда способны работать на стеклянных, оргстеклянных и
зеркальных поверхностях (на которых не работают другие мыши).
Также выпускаются коврики для мышей, специально ориентированные на оптические мыши. Например,
коврик, имеющий на поверхности силиконовую плёнку с взвесью блёсток (предполагается, что оптический
сенсор гораздо чётче определяет перемещения по такой поверхности).
Недостатком данной мыши является сложность её одновременной работы с графическими планшетами,
последние ввиду своей аппаратной особенности иногда теряют истинное направление сигнала при
движении пера и начинают искажать траекторию движения инструмента при рисовании. При использовании
мышей с шаровым приводом подобных отклонений не наблюдается. Для устранения данной проблемы
рекомендуется использовать лазерные манипуляторы. Также, к недостаткам оптических мышей некоторые
люди относят свечение таких мышей даже при выключенном компьютере. Поскольку большинство
недорогих оптических мышей имеют полупрозрачный корпус, он пропускает красный свет светодиодов,
который мешает уснуть в случае, если компьютер находится в спальне. Это происходит, если напряжение на
порты PS/2 и USB подаётся от линии дежурного напряжения; большинство материнских плат позволяют
изменить это перемычкой +5V <-> +5VSB, но в этом случае не будет возможности включать компьютер с
клавиатуры.
[править] Оптические лазерные мыши
В последние годы была разработана новая, более совершенная разновидность оптического датчика,
использующего для подсветки полупроводниковый лазер.
О недостатках таких датчиков пока известно мало, но известно об их преимуществах:

более высоких надёжности и разрешении
107


отсутствии заметного свечения (сенсору достаточно слабой подсветки лазером видимого или,
возможно, инфракрасного диапазона)
низком энергопотреблении
[править] Индукционные мыши
Индукционные мыши используют специальный коврик, работающий по принципу графического планшета
или собственно входят в комплект графического планшета. Некоторые планшеты имеют в своем составе
манипулятор, похожий на мышь со стеклянным перекрестием, работающий по тому же принципу, однако
немного отличающийся реализацией, что позволяет достичь повышенной точности позиционирования за
счёт увеличения диаметра чувствительной катушки и вынесения её из устройства в зону видимости
пользователя.
Индукционные мыши имеют хорошую точность, и их не нужно правильно ориентировать. Индукционная
мышь может быть «беспроводной» (к компьютеру подключается планшет, на котором она работает), и
иметь индукционное же питание, следовательно, не требовать аккумуляторов, как обычные беспроводные
мыши.
Мышь в комплекте графического планшета позволит сэкономить немного места на столе (при условии, что
на нём постоянно находится планшет).
Индукционные мыши редки, дороги и не всегда удобны. Мышь для графического планшета практически
невозможно поменять на другую (например, больше подходящую по руке, и т. п.).
[править] Гироскопические мыши
Мышь, оснащённая гироскопом, распознаёт движение не только на поверхности, но и в пространстве: её
можно взять со стола и управлять движением кисти в воздухе.
Гироскопические датчики совершенствуются, например по заявлению Logitech, механические датчики
выполненные по её технологии MEMS, используемые, например в мыши MX Air миниатюрнее
традиционных гироскопических. На сегодняшний день, самым миниатюрным гироскопическим датчиком
укомплектованы мыши (NEO MOUSE) разработанные Корейской компанией NEO REFLECTION. Вес Нео
мыши составляет всего 13 грамм, а по размеру она не больше пальчиковой батарейки.
[править] Дополнительные кнопки
Производители постоянно стараются добавить на топовые модели дополнительные кнопки, чаще всего —
кнопки под большой или указательный и реже — под средний палец. Некоторые кнопки служат для
внутренней настройки мыши (например, для изменения чувствительности) или двойные-тройные щелчки
(для программ и игр), на другие — в драйвере и/или специальной утилитой назначаются некоторые
системные функции, например:






горизонтальная прокрутка;
двойное нажатие (double click);
навигация в браузерах и файловых менеджерах;
управление уровнем громкости и воспроизведением аудио- и видеоклипов;
запуск приложений;
и т. п.
[править] Сенсорное управление
В 2009 году фирмой Apple представлена мышь Magic Mouse, являющаяся первой в мире мышью с
сенсорным управлением и поддержкой технологии мультитач. Вместо кнопок, колёсиков и прочих
108
элементов управления в этой мыши используется сенсорный тачпад[2], позволяющий при помощи различных
жестов осуществлять нажатия, прокрутку в любом направлении, масштабирование картинки, переходы по
истории документов и пр.
[править] Другие элементы управления
Большинство элементов, не являющихся кнопками, служат для прокрутки (скроллинга) контента (вебстраница, документ, список, листбокс и т. п.) в окнах приложений и других элементах интерфейса
(например, полосах прокрутки). Среди них можно выделить несколько конструктивов.
[править] Колёса и потенциометры
Колёса и потенциометры — диски, выступающие из корпуса, доступные для вращения. Потенциометры, в
отличие от колёс, имеют крайние положения.
Наличие одного колеса между кнопками (или «скролла»; для вертикальной прокрутки) на сегодняшний день
является стандартом де-факто. Такое колесо может отсутствовать у концептуальных моделей, имеющих для
прокрутки иные конструктивы.
Также колёса и потенциометры могут быть использованы для регулировки, например, громкости.
[править] Миниджойстик
Миниджойстик — плечо с двумя кнопками, исключающее одновременное нажатие обеих кнопок (или
сдвоенное под прямым углом плечо, ориентированное в четырёх основных направлениях). Плечо может
иметь центральный рычажок или, наоборот, центральное углубление (аналогично джойстикам игровых
пультов). Изредка встречаются миниджойстики с потенциометром.
Кроме вертикальной и горизонтальной прокрутки, джойстики мыши могут быть использованы для
альтернативного перемещения указателя или регулировок, аналогично колёсам.
[править] Трекболы
Трекбол — шарик, вращающийся в любом направлении. Движения шарика снимаются механическим (как в
механической мыши) или оптическим способом (применяемым в современных трекболах).
Трекбол можно рассматривать как двухмерное колесо прокрутки. Аналогично джойстику, трекбол может
быть использован для альтернативного перемещения указателя. Трекболы обычно используются
специалистами, такими, как звукооператорами и другими, так как чтобы вращать шарик пальцами, нужно
достаточно долго привыкать. Однако, трекбол обеспечивает более точное позиционирование курсора, чем
мыши. В настоящее время почти не используется.
[править]
Сенсорные полоски и панели
Сенсорные полоски и панели — элементы, определяющие перемещение пальца по поверхности точно так
же, как тачпад. Полоски определяют движение в одном измерении, панели — в двух.
Сенсорные полоски и панели аналогичны колесам и трекболам без движущихся частей.
[править] Интерфейсы подключения
Первые мыши подключались к компьютерам x86 через последовательный коммуникационный интерфейс
RS-232 (последовательные мыши) с разъёмом DB25F и, позднее, DB9F, и с помощью своего адаптера
109
(шинные мыши англ. bus mouse). В 1990-х годах большинство выпускавшихся мышей имели
последовательное подключение.
В компьютере PS/2 фирма IBM предусмотрела для мыши специальный порт с разъемом mini-DIN, точно
таким же, как и для клавиатуры. Позднее разъёмы клавиатуры и мыши типа PS/2 были включены в
современный стандарт материнских плат x86 — ATX. Такие мыши лидировали в продаже в период 2001—
2007 гг. и используются до сих пор, постепенно уступая свои позиции интерфейсу USB.
Ещё одним интерфейсом, через который можно подключить мышь, является универсальный беспроводной
радиоинтерфейс Bluetooth; он поддерживается на многих платформах.
Основная часть современных мышей имеет интерфейс USB, иногда — с адаптером для PS/2. Фирма Apple
для своих компьютеров в настоящее время поставляет мыши только с интерфейсом Bluetooth, хотя
возможно использование и мышей USB.
Последовательная мышь питается от провода DTR («готовность компьютера») разъёма RS-232 и имеет
преимущество в виде возможности передавать отсчеты в компьютер с более высокой частотой — частота
опроса USB мыши ограничена частотой фреймов шины USB, что для низкоскоростных устройств равна 1
КГц.
[править] Беспроводные мыши
Сигнальный провод мыши иногда рассматривается как мешающий и ограничивающий фактор. Этого
фактора лишены беспроводные мыши. Однако беспроводные мыши имеют серьёзную проблему — вместе с
сигнальным кабелем они теряют стационарное питание и вынуждены иметь автономное, от аккумуляторов
или батарей, которые часто далеки от совершенства.
Другими недостатками беспроводных мышей являются:








высокие цены, которые, впрочем, имеют тенденцию к снижению
увеличенный вес
низкая частота опроса, типично 20-50 Гц
не всегда устойчивое соединение
задержки при передаче-преобразовании сигнала
интерференция (взаимовлияние) при использовании рядом нескольких беспроводных устройств,
особенно одинаковых
нарушение приватности (радиообмен легко перехватить). Недостаток не критичен, поскольку мышь
передает только информацию о перемещениях и нажатиях кнопок, не представляющую высокой
ценности (в отличие от информации о клавишах, нажимаемых на клавиатуре).
зависимость связи от ориентации мыши относительно приёмника (наиболее подвержены 27-МГц
устройства).
Аккумуляторы беспроводной мыши могут подзаряжаться как вне мыши, так и внутри неё (точно так же, как
аккумуляторы в мобильных телефонах). В последнем случае, мышь должна периодически подсоединяться к
стационарному питанию через кабель, док-станцию или площадку для индукционного питания.
[править] Оптическое соединение
Первыми попытками было внедрение инфракрасной связи между мышью и специальным приёмным
устройством, которое, в свою очередь, подключалось к порту компьютера.
Оптическая связь на практике проявила крупный недостаток: любое препятствие между мышью и датчиком
мешало работе.
[править] Радиосвязь
110
Радиосвязь между мышью и приёмным устройством, подключённым к компьютеру, позволила избавиться
от недостатков инфракрасной связи, но породила не менее курьезную проблему: поскольку радиус действия
этих мышей составлял несколько метров, а организации, как правило, закупали однотипную технику
партиями, бывали случаи, когда курсором на экране компьютера управляла мышь, расположенная даже на
соседнем этаже. Такие мыши, как правило, имеют переключатель, позволяющий выбрать один из двух
радиочастотных каналов, в большинстве случаев переход на другой канал снимал проблемы.
Изначально для мыши каждый производитель разрабатывал свой собственный метод передачи сигнала.
Однако впоследствии для связи стало всё более широко применяться Bluetooth-соединение. Это позволило
ввести единый стандарт и решить проблему идентификации мыши, а также позволило избавиться от
приёмного устройства, так как Bluetooth испольуется для передачи информации между различными
устройствами и некоторые компьютеры (особенно ноутбуки) уже оснащены Bluetooth-адаптером, Кроме
того, появились пока немногочисленные[3] модели беспроводных мышей, использующих протокол Wi-Fi.
Wi-Fi обеспечивает значительно меньшее потребление энергии по сравнению Bluetooth[4], но в то же время
обладает меньшей помехозащищённостью.
[править] Индукционные мыши
Индукционные мыши чаще всего имеют индукционное питание от рабочей площадки («коврика») или
графического планшета. Но такие мыши являются беспроводными лишь отчасти — планшет или площадка
всё равно подключаются кабелем. Таким образом, кабель не мешает двигать мышью, но и не позволяет
работать на расстоянии от компьютера, как с обычной беспроводной мышью.
[править] Дополнительные функции
Siemens AG разработал для систем управления мышь с дактилоскопическим сканером отпечатков пальцев.
С конца XX-го века все бо́льшую силу набирает производство аксессуаров специально для любителей
компьютерных игр. Эта тенденция не обошла стороной и компьютерные мыши. От своих обычных офисных
собратьев этот подвид отличается большей чувствительностью (до 6400 dpi у Razer Mamba 2012), наличием
дополнительных, индивидуально настраиваемых кнопок, нескользящей внешней поверхностью, а также
дизайном. В геймерских мышах высшего класса настраивается развесовка — это нужно для того, чтобы все
ножки мыши были равномерно загружены (так мышь более плавно скользит).
Как и всякий элемент компьютера, мышь стала объектом для моддинга.
Некоторые производители мышей добавляют в мышь функции оповещения о каких-либо событиях,
происходящих в компьютере. В частности, Genius и Logitech выпускают модели, оповещающие о наличии
непрочитанных электронных писем в почтовом ящике свечением светодиода или воспроизведением музыки
через встроенный в мышь динамик.
111
Водяное охлаждение, установленное моддером на мышь
Известны случаи помещения внутрь корпуса мыши вентилятора для охлаждения во время работы руки
пользователя потоком воздуха через специальные отверстия. Некоторые модели мышей, предназначенные
для любителей компьютерных игр, имеют встроенные в корпус мыши маленькие эксцентрики, которые
обеспечивают ощущение вибрации при выстреле в компьютерных играх. Примерами таких моделей
является линейка мышей Logitech iFeel Mouse.
Кроме того, существуют мини-мыши, созданные для владельцев ноутбуков, имеющие малые габариты и
массу.
Некоторые беспроводные мыши имеют возможность работы как пульта ДУ (например, Logitech MediaPlay).
Они имеют немного изменённую форму для работы не только на столе, но и при удержании в руке.
[править] Достоинства и недостатки
Мышь стала основным координатным устройством ввода из-за следующих особенностей:




Очень низкая цена (по сравнению с остальными устройствами наподобие сенсорных экранов).
Мышь пригодна для длительной работы. В первые годы мультимедиа кинорежиссёры любили
показывать компьютеры «будущего» с сенсорным интерфейсом, но на поверку такой способ ввода
довольно утомителен, так как руки приходится держать на весу.
Высокая точность позиционирования курсора. Мышью (за исключением некоторых «неудачных»
моделей) легко попасть в нужный пиксель экрана.
Мышь позволяет множество разных манипуляций — двойные и тройные щелчки, перетаскивания,
жесты, нажатие одной кнопки во время перетаскивания другой и т. д. Поэтому в одной руке можно
сконцентрировать большое количество органов управления — многокнопочные мыши позволяют
управлять, например, браузером вообще без привлечения клавиатуры.
Недостатками мыши являются:



Опасность синдрома запястного канала.
Для работы требуется ровная гладкая поверхность достаточных размеров (за исключением разве
что гироскопических мышей).
Ножки мыши накапливают грязь и служат сравнительно недолго.
Тачпад
Тачпа́д (англ. touchpad — сенсорная площадка), се́нсорная пане́ль — указательное устройство ввода,
применяемое чаще всего в ноутбуках.
Как и другие указательные устройства, тачпад обычно используется для управления «указателем» путем
перемещения пальца по поверхности устройства. Тачпады имеют различные размеры, но обычно их
площадь не превышает 50 см². Форма исполнения - чаще всего прямоугольник, но существуют модели и в
виде круга[1].
Компания Apple традиционно использует для обозначения тачпада слово «трекпад» (англ. trackpad).
До тачпадов в ноутбуках использовались трекпоинты и трекболы.
В 1988 году Джордж Герфайде (George E. Gerpheide) изобрел сенсорную панель (тачпад). Фирма Apple
лицензировала его проект и начала использовать его в своих ноутбуках PowerBook, начиная с 1994 года. С
тех пор, тачпад стал наиболее распространенным устройством управления курсором для ноутбуков.
112
Работа тачпадов основана на измерении ёмкости пальца или измерении ёмкости между сенсорами.
Ёмкостные сенсоры расположены вдоль вертикальной и горизонтальной осей тачпада, что позволяет
определить положение пальца с нужной точностью.
Поскольку работа устройства основана на измерении ёмкости, тачпад не будет работать, если водить по
нему каким-либо непроводящим предметом, например, основанием карандаша. В случае использования
проводящих предметов тачпад будет работать только при достаточной площади соприкосновения.
(Попробуйте касаться тачпада пальцем лишь чуть-чуть). Влажные пальцы затрудняют работу тачпада.
Тачпады являются устройствами с довольно низким разрешением. Этого достаточно для использования их в
повседневной работе за компьютером (офисные приложения, веб-браузеры, логические игры), но затрудняет
работу в графических программах и делает практически невозможной игру в 3D-шутерах.
Однако у тачпадов есть и ряд преимуществ, по сравнению с другими манипуляторами:







не требуют ровной поверхности (в отличие от мыши);
не требуют большого пространства (в отличие от мыши или графического планшета)
расположение тачпада фиксировано относительно клавиатуры (в отличие от мыши);
для перемещения курсора на весь экран достаточно лишь небольшого перемещения пальца (в
отличие от мыши или крупного графического планшета);
работа с ними не требует особого привыкания, как например, в случае с трекболом.
с помощью одного тачпада (не прикасаясь к кнопкам) можно выполнять часть манипуляций левой
кнопки мыши:
o короткое касание — щелчок
o двойное короткое касание — двойной щелчок
o незавершённое двойное касание с последующим перемещением — перемещение объекта
или выделение
отдельные участки тачпада (полоска справа и сверху/снизу) могут быть использованы для
вертикальной и горизонтальной прокрутки.
Тачпады ноутбуков Apple, Asus, а также практически любые от Synaptics (с помощью отдельной
программы[2]) могут имитировать нажатие правой кнопки и колесика без использования дополнительных
кнопок:





прокрутка — нажатие двумя пальцами и перемещение
правая кнопка — короткое нажатие двумя пальцами (тремя у Asus)
увеличение/уменьшение — стягивание или растягивание двух пальцев на поверхности тачпада друг
относительно друга
переворот — изменение плоскости положения двух пальцев на тачпаде в требуемом направлении
перелистывание — легкое касание в движении слева направо или наоборот тремя пальцами
Также имеются различные жесты, задействующие и четыре пальца.
Тачпад отключается на ноутбуке сочетанием клавиш Fn (рядом с кнопкой Ctrl)+F10 (или + одна из от F1 до
F12). На некоторых ноутбуках тачпад отключается специальной кнопкой (например Acer Aspire 5738G).
Компьютерная клавиатура
Компьютерная клавиатура — одно из основных устройств ввода информации от пользователя в
компьютер. Стандартная компьютерная клавиатура, также называемая клавиатурой PC/AT или ATклавиатурой (поскольку она начала поставляться вместе с компьютерами серии IBM PC/AT), имеет 101 или
102 клавиши. Клавиатуры, которые поставлялись вместе с предыдущими сериями — IBM PC и IBM
PC/XT, — имели 86 клавиш[источник не указан 923 дня]. Расположение клавиш на AT-клавиатуре подчиняется
единой общепринятой схеме, спроектированной в расчёте на английский алфавит.
По своему назначению клавиши на клавиатуре делятся на шесть групп:
113






функциональные;
алфавитно-цифровые;
управления курсором;
цифровая панель;
специализированные;
модификаторы.
Двенадцать функциональных клавиш расположены в самом верхнем ряду клавиатуры. Ниже располагается
блок алфавитно-цифровых клавиш. Правее этого блока находятся клавиши управления курсором, а с самого
правого края клавиатуры — цифровая панель.
[править] Алфавитно-цифровой блок
К алфавитно-цифровому блоку относятся клавиши для ввода букв, цифр, знаков пунктуации и
арифметических действий, специальных символов. В стандартной клавиатуре PC/AT этот блок включает 47
клавиш. В тех странах, где число букв в алфавите больше 26, производители клавиатур выпускают
клавиатуры с дополнительными клавишами в алфавитно-цифровом блоке. Например, на клавиатурах для
украинского языка их уже 48. Для русского алфавита с его 33 буквами специальные клавиатуры не
производятся. Все буквы русского алфавита размещены на клавишах стандартной клавиатуры PC/AT.
Клавиши алфавитно-цифрового блока делятся по рядам и по зонам. Нижний ряд блока находится над
клавишей «пробел» и клавишами-модификаторами Ctrl , Alt , AltGr . Он считается первым. Выше —
второй, в методе слепой десятипальцевой печати также называемый «домашним» рядом. Ещё выше —
третий. Самый верхний ряд клавиш блока — четвёртый — в латинской раскладке QWERTY не содержит
клавиш для ввода букв, но включает все клавиши ввода цифр. По этой причине его часто называют
цифровым рядом.
Зоной называется совокупность клавиш, закреплённых в методе слепой десятипальцевой печати за
пальцами каждой из рук. Нумерация зон идёт слева направо.
Результат действия алфавитно-цифровых клавиш зависит от регистра (нижний — верхний) и уровня
(первый — второй) в котором осуществляется нажатие этих клавиш.
[править] Клавиши-модификаторы
К числу клавиш-модификаторов относятся клавиши ⇧ Shift , Ctrl , Caps Lock , Alt и AltGr (правый
Alt). Они предназначены для изменения (модификации) действий других клавиш. Включение верхнего
регистра клавиш (при отключённом Caps Lock ) осуществляется нажатием и удержанием клавиши ⇧
Shift . Нажатие и удержание клавиши AltGr используется для перехода на второй уровень клавиатуры.
Клавиши-модификаторы используются наиболее часто, поэтому они имеют увеличенный размер. К тому же
клавиши ⇧ Shift и Ctrl продублированы по обеим сторонам блока алфавитно-цифровых клавиш.
[править] Функциональные клавиши
На верхней части клавиатуры, а иногда в другом месте, располагается блок так называемых
функциональных клавиш — от F1 до F12 . Функции этих клавиш определяются программой и
операционной системой, с которой пользователь работает в данный момент. Часто программы
устанавливают те или иные функции и для комбинаций функциональных клавиш с клавишами ⇧ Shift ,
Ctrl и Alt . Во многих программах при нажатии F1 на экран выводится встроенный справочник по
программе (часто уже открытый на странице, соответствующей режиму программы, в котором она
находится).
114
[править] Цифровая панель
Основное назначение клавиш цифровой панели — дублирование функций клавиш алфавитно-цифрового
блока в части ввода цифр и арифметических операторов. Клавиши этой панели более удобны для ввода
цифр и арифметических операторов, нежели клавиши алфавитно-цифрового блока.
Многие современные компьютерные клавиатуры, помимо стандартного набора из ста четырёх клавиш,
снабжаются дополнительными клавишами (как правило, другого размера и формы), которые предназначены
для упрощённого управления некоторыми основными функциями компьютера:







управление громкостью звука: громче, тише, включить или выключить звук;
управление лотком в приводе для компакт-дисков: извлечь диск, принять диск;
управление аудиопроигрывателем: играть, поставить на паузу, остановить воспроизведение,
промотать аудиозапись вперёд или назад, перейти к следующей или предыдущей аудиозаписи;
управление сетевыми возможностями компьютера: открыть почтовую программу, открыть браузер,
показать домашнюю страницу, двигаться вперёд или назад по истории посещённых страниц,
открыть поисковую систему;
управление наиболее популярными программами: открыть калькулятор, открыть файловый
менеджер;
управление состоянием окон операционной системы: свернуть окно, закрыть окно, перейти к
следующему или к предыдущему окну;
управление состоянием компьютера: перевести в ждущий режим, перевести в спящий режим,
пробудить компьютер, выключить компьютер.
Так как многие из этих функций (управление звуком и воспроизведением звукозаписей, управление
компакт-дисками и т. п.) относятся к сфере мультимедиа, то такие клавиатуры часто называются
«мультимедийными клавиатурами».
Фирменные драйверы таких клавиатур, как правило, не предоставляют пользователям возможности
управлять назначением большинства дополнительных клавиш (кроме, возможно, специальной группы
«пользовательских клавиш»), а также не дают возможности определять дополнительные сочетания из
нескольких клавиш (с участием мультимедийных) и назначать им новые специальные функции. Однако, эта
проблема может быть решена при помощи независимых универсальных драйверов от сторонних
разработчиков.
Монитор (устройство)
Монито́р — устройство, предназначенное для визуального отображения информации. Современный
монитор состоит из корпуса, блока питания, плат управления и экрана. Информация (видеосигнал) для
вывода на монитор поступает с компьютера посредством видеокарты, либо с другого устройства,
формирующего видеосигнал.
[править] Классификация мониторов
[править] По виду выводимой информации


алфавитно-цифровые [система текстового (символьного) дисплея (character display system) –
начиная с MDA][1]
o дисплеи, отображающие только алфавитно-цифровую информацию
o дисплеи, отображающие псевдографические символы
o интеллектуальные дисплеи, обладающие редакторскими возможностями и
осуществляющие предварительную обработку данных
графические[1] для вывода текстовой и графической (в том числе видео) информации.
o векторные (vector-scan display) – лазерное световое шоу
115
o
растровые (raster-scan display) – используются практически в каждой графической
подсистеме PC; IBM назвала этот тип отображения информации (начиная с CGA)
отображением с адресацией всех точек (All-Points-Addressable, APA), – в наст. время
дисплеи такого типа обычно называют растровыми (графическими)[1], поскольку каждому
элементу изображения на экране соответствует один или несколько бит в видеопамяти
[править] По типу экрана







ЭЛТ — на основе электронно-лучевой трубки (англ. cathode ray tube, CRT)
ЖК — жидкокристаллические мониторы (англ. liquid crystal display, LCD)
Плазменный — на основе плазменной панели (plasma display panel, PDP, gas-plazma display panel)
Проектор — видеопроектор и экран, размещённые отдельно или объединённые в одном корпусе
(как вариант — через зеркало или систему зеркал); и Проекционный телевизор
OLED-монитор — на технологии OLED (англ. organic light-emitting diode — органический
светоизлучающий диод)
Виртуальный ретинальный монитор — технология устройств вывода, формирующая изображение
непосредственно на сетчатке глаза.
Лазерный — на основе лазерной панели (пока только внедряется в производство)
[править] По размерности отображения


двухмерный (2D) - одно изображение для обоих глаз
трехмерный (3D) - для каждого глаза формируется отдельное изображение для получения эффекта
объема.
[править] По типу видеоадаптера




HGC
CGA
EGA
VGA, SVGA
[править] По типу интерфейсного кабеля








композитный
раздельный
D-Sub
DVI
USB
HDMI
DisplayPort
S-Video
[править] Основные параметры мониторов






Соотношение сторон экрана — стандартный (4:3), широкоформатный (16:9, 16:10) или другое
соотношение (например 5:4)
Размер экрана — определяется длиной диагонали, чаще всего в дюймах
Разрешение — число пикселей по вертикали и горизонтали
Глубина цвета — количество бит на кодирование одного пикселя (от монохромного до 32-битного)
Размер зерна или пикселя
Частота обновления экрана (Гц)
116


Время отклика пикселей (не для всех типов мониторов)
Угол обзора
ЖК-дисплей
Жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей, ЖКД, англ. Liquid crystal display, LCD), также
жидкокристаллический монитор (ЖК-монитор) — плоский дисплей на основе жидких кристаллов, а также
монитор на основе такого дисплея.
LCD TFT (англ. Thin film transistor — тонкоплёночный транзистор) — разновидность
жидкокристаллического дисплея, в котором используется активная матрица, управляемая тонкоплёночными
транзисторами. Усилитель для каждого субпикселя применяется для повышения быстродействия,
контрастности и чёткости изображения дисплея.
Жидкокристаллические дисплеи были разработаны в 1963 году в исследовательском центре Дэвида Сарнова
компании RCA (Принстон, штат Нью-Джерси).
Дисплей на жидких кристаллах используется для отображения графической информации в компьютерных
мониторах (также и в ноутбуках), телевизорах, телефонах, цифровых фотоаппаратах, электронных книгах,
навигаторах, также — электронных переводчиках, калькуляторах, часах и т. п., а также во многих других
электронных устройствах.
Изображение в нём формируется с помощью отдельных элементов, как правило, через систему развёртки.
Простые приборы с дисплеем (электронные часы, телефоны, плееры, термометры и пр.) могут иметь
монохромный или 2—5-цветный дисплей. Многоцветное изображение формируется с помощью RGB-триад.
На 2008 год в большинстве настольных мониторов на основе TN- (и некоторых *VA) матриц, а также во
всех дисплеях ноутбуков используются матрицы с 18-битным цветом (6 бит на каждый RGB-канал), 24битность эмулируется мерцанием с дизерингом.
[править] Технические характеристики
Важнейшие характеристики ЖК-дисплеев:







Разрешение — горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях. В отличие от
ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно фиксированное разрешение, остальные достигаются
интерполяцией.
Размер точки (размер пикселя) — расстояние между центрами соседних пикселей.
Непосредственно связан с физическим разрешением.
Соотношение сторон экрана (пропорциональный формат) — отношение ширины к высоте (5:4, 4:3,
3:2 (15÷10), 8:5 (16÷10), 5:3 (15÷9), 16:9 и др.)
Видимая диагональ — размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев
зависит также от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9
при одинаковой диагонали.
Контрастность — отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек при заданной яркости
подсветки. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием
дополнительных ламп, приведённая для них цифра контрастности (так называемая динамическая)
не относится к статическому изображению.
Яркость — количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный
метр.
Время отклика — минимальное время, необходимое пикселю для изменения своей яркости.
Составляется из двух величин:
o Время буферизации (input lag). Высокое значение мешает в динамичных играх; обычно
умалчивается; измеряется сравнением с кинескопом в скоростной съёмке. Сейчас (2011) в
пределах 20—50 мс; в отдельных ранних моделях достигало 200 мс.
117
o


Время переключения — именно оно указывается в характеристиках монитора. Высокое
значение ухудшает качество видео; методы измерения неоднозначны. Сейчас практически
во всех мониторах заявленное время переключения составляет 2—6 мс.
Угол обзора — угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц
и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению. Некоторые
производители указывают в тех. параметрах своих мониторов углы обзора такие к примеру как: CR
5:1 — 176°/176°, CR 10:1 — 170°/160°. Аббревиатура CR (contrast ratio) обозначает уровень
контрастности при указанных углах обзора относительно перпендикуляра к экрану. При углах
обзора 170°/160° контрастность в центре экрана снижается до значения не ниже чем 10:1, при углах
обзора 176°/176° не ниже чем до значения 5:1.
Тип матрицы — технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.
[править] Устройство
Субпиксел цветного ЖК-дисплея
Конструктивно дисплей состоит из ЖК-матрицы (стеклянной пластины, между слоями которой и
располагаются жидкие кристаллы), источников света для подсветки, контактного жгута и обрамления
(корпуса), чаще пластикового, с металлической рамкой жёсткости.
Каждый пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами, и двух
поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. В отсутствие
жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.
Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной
ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны,
поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура
преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через
него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины
неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной.
Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении
электрического поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому,
и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине
поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры.
Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности.
Если постоянное напряжение приложено в течение долгого времени, жидкокристаллическая структура
может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток или
118
изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при
включении тока, вне зависимости от его полярности).
Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это
становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде
применяется адресация по строкам и столбцам.
Проходящий через ячейки свет может быть естественным — отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без
подсветки). Но чаще применяют искусственный источник света, кроме независимости от внешнего
освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения.
Таким образом, полноценный монитор с ЖК-дисплеем состоит из высокоточной электроники,
обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса с
элементами управления. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом,
хотя некоторые характеристики важнее других.
[править] Технологии
Основные технологии при изготовлении ЖК дисплеев: TN+film, IPS (SFT) и MVA. Различаются эти
технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода.
Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, применённый в
конкретных разработках.
Время отклика ЖК мониторов, сконструированных по технологии SXRD (англ. Silicon X-tal Reflective
Display — кремниевая отражающая жидкокристаллическая матрица), уменьшено до 5 мс.
Компании Sony, Sharp и Philips совместно разработали технологию PALC (англ. Plasma Addressed Liquid
Crystal — плазменное управление жидкими кристаллами), которая соединила в себе преимущества ЖК
(яркость и насыщенность цветов, контрастность) и плазменных панелей (большие углы видимости по
горизонту и вертикали, высокую скорость обновления). В качестве регулятора яркости в этих дисплеях
используются газоразрядные плазменные ячейки, а для цветовой фильтрации применяется ЖК-матрица.
Технология PALC позволяет адресовать каждый пиксель дисплея по отдельности, а это означает наилучшую
управляемость и качество изображения.[источник не указан 1007 дней]
[править] TN+film (Twisted Nematic + film)
TN + film — самая простая технология. Часть film в названии технологии означает дополнительный слой,
применяемый для увеличения угла обзора (ориентировочно — от 90° до 150°). В настоящее время приставку
film часто опускают, называя такие матрицы просто TN. К сожалению, способа улучшения контрастности и
углов обзора для панелей TN пока не нашли, причём время отклика у данного типа матриц является на
настоящий момент одним из лучших, а вот уровень контрастности — нет.
Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселям не прилагается напряжение, жидкие
кристаллы (и поляризованный свет, который они пропускают) поворачиваются друг относительно друга на
90° в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя пластинами. И поскольку направление
поляризации фильтра на второй пластине составляет как раз угол в 90° с направлением поляризации
фильтра на первой пластине, свет проходит через него. Если красные, зеленые и синие субпиксели
полностью освещены, на экране образуется белая точка.
К достоинствам технологии можно отнести самое маленькое время отклика среди современных матриц, а
также невысокую себестоимость. Недостатки: худшая цветопередача, наименьшие углы обзора.
[править] IPS, или SFT (Super Fine TFT)
119
Технология In-Plane Switching (Super Fine TFT) была разработана компаниями Hitachi и NEC. Эти компании
пользуются этими двумя разными названиями одной технологии — NEC technologies ltd. использует SFT, а
Hitachi — IPS. Технология предназначалась для избавления от недостатков TN + film. Хотя с помощью IPS и
удалось добиться увеличения угла обзора до 178°, а также высокой контрастности и цветопередачи, время
отклика осталось на низком уровне.
По состоянию на 2008 год, матрицы, изготовленные по технологии IPS (SFT), — единственные из ЖКмониторов, всегда передающие полную глубину цвета RGB — 24 бита, по 8 бит на канал.[1] Старые TNматрицы имеют 6-бит на канал, как и часть MVA.
Если к матрице IPS не приложено напряжение, молекулы жидких кристаллов не поворачиваются. Второй
фильтр всегда повернут перпендикулярно первому, и свет через него не проходит. Поэтому отображение
чёрного цвета близко к идеалу. При выходе из строя транзистора «битый» пиксель для панели IPS будет не
белым, как для матрицы TN, а чёрным.
При приложении напряжения молекулы жидких кристаллов поворачиваются перпендикулярно своему
начальному положению и пропускают свет.
IPS в настоящее время вытеснено технологией Н-IPS, которая наследует все преимущества технологии IPS с
одновременным уменьшением времени отклика и увеличением контрастности. Цветность лучших Н-IPS
панелей не уступает обычным мониторам ЭЛТ. Н-IPS и более дешевая е-IPS активно используется в панелях
размером от 20". LG.Philips, Dell, NEC, Samsung, Chimei остаются единственными производителями панелей
по данной технологии [2].
AS-IPS (Advanced Super IPS — расширенная супер-IPS) — также была разработана корпорацией Hitachi в
2002 году. В основном улучшения касались уровня контрастности обычных панелей S-IPS, приблизив его к
контрастности S-PVA панелей. AS-IPS также используется в качестве названия для мониторов корпорации
NEC (например, NEC LCD20WGX2) созданных по технологии S-IPS, разработанной консорциумом
LG.Philips.
H-IPS A-TW (англ. Horizontal IPS with Advanced True Wide Polarizer) — разработана LG.Philips для
корпорации NEC[3]. Представляет собой H-IPS панель с цветовым фильтром TW (True White — «настоящий
белый») для придания белому цвету большей реалистичности и увеличения углов обзора без искажения
изображения (исключается эффект свечения ЖК-панелей под углом — так называемый «глоу-эффект»).
Этот тип панелей используется при создании профессиональных мониторов высокого качества. [4]
AFFS (Advanced Fringe Field Switching, неофициальное название S-IPS Pro). Технология является
дальнейшим улучшением IPS, разработана компанией BOE Hydis в 2003 году. Усиленная мощность
электрического поля позволила добиться ещё больших углов обзора и яркости, а также уменьшить
межпиксельное расстояние. Дисплеи на основе AFFS в основном применяются в планшетных ПК, на
матрицах производства Hitachi Displays.
[править] *VA (Vertical Alignment)
Матрицы MVA/PVA считаются компромиссом между TN и IPS, как по стоимости, так и по потребительским
свойствам.
[править] MVA (Multi-domain Vertical Alignment).
Эта технология разработана компанией Fujitsu как компромисс между TN и IPS технологиями.
Горизонтальные и вертикальные углы обзора для матриц MVA составляют 160° (на современных моделях
мониторов до 176—178°), при этом благодаря использованию технологий ускорения (RTC) эти матрицы не
сильно отстают от TN+Film по времени отклика, но значительно превышают характеристики последних по
глубине цветов и точности их воспроизведения.
MVA стала наследницей технологии VA, представленной в 1996 году компанией Fujitsu. Жидкие кристаллы
матрицы VA при выключенном напряжении выровнены перпендикулярно по отношению ко второму
120
фильтру, то есть не пропускают свет. При приложении напряжения кристаллы поворачиваются на 90°, и на
экране появляется светлая точка. Как и в IPS-матрицах, пиксели при отсутствии напряжения не пропускают
свет, поэтому при выходе из строя видны как чёрные точки.
Достоинствами технологии MVA являются глубокий чёрный цвет (при перпендикулярном взгляде) и
отсутствие как винтовой структуры кристаллов, так и двойного магнитного поля. Недостатки MVA в
сравнении с S-IPS: пропадание деталей в тенях при перпендикулярном взгляде, зависимость цветового
баланса изображения от угла зрения.
Аналогами MVA являются технологии:



PVA (Patterned Vertical Alignment) от Samsung.
Super PVA от Sony-Samsung (S-LCD).
Super MVA от CMO.
[править] PLS (Plane-to-Line Switching)[7]
PLS-матрица была разработана компанией Samsung как альтернатива IPS и впервые продемонстрирована в
декабре 2010 года. Предполагается, что эта матрица будет на 15 % дешевле, чем IPS.
Достоинства:





плотность пикселей выше по сравнению с IPS (и аналогична с *VA/TN);
высокая яркость и хорошая цветопередача;
большие углы обзора;
полное покрытие диапазона sRGB;
низкое энергопотребление, сравнимое с TN.
Недостатки:



время отклика (5—10 мс) сравнимо с S-IPS, лучше чем у *VA, но хуже чем у TN;
более низкая контрастность (600:1), чем у всех остальных типов матриц;
неравномерная подсветка.
[править] Преимущества и недостатки
В настоящее время ЖК-мониторы являются основным, бурно развивающимся направлением в технологии
мониторов. К их преимуществам можно отнести: малые размер и масса в сравнении с ЭЛТ. У ЖКмониторов, в отличие от ЭЛТ, нет видимого мерцания, дефектов фокусировки лучей, помех от магнитных
полей, проблем с геометрией изображения и четкостью. Энергопотребление ЖК-мониторов в зависимости
от модели, настроек и выводимого изображения может как совпадать с потреблением ЭЛТ и плазменных
экранов сравнимых размеров, так и быть существенно — до пяти[8] раз — ниже. Энергопотребление ЖКмониторов на 95 % определяется мощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки
(англ. backlight — задний свет) ЖК-матрицы. Во многих мониторах 2007 года для настройки пользователем
яркости свечения экрана используется широтно-импульсная модуляция ламп подсветки частотой от 150 до
400 и более герц.
С другой стороны, ЖК-мониторы имеют и некоторые недостатки, часто принципиально трудноустранимые,
например:


В отличие от ЭЛТ, могут отображать чёткое изображение лишь в одном («штатном») разрешении.
Остальные достигаются интерполяцией с потерей чёткости. Причем слишком низкие разрешения
(например 320×200) вообще не могут быть отображены на многих мониторах [источник не указан 529 дней].
Многие из ЖК-мониторов имеют сравнительно малый контраст и глубину чёрного цвета.
Повышение фактического контраста часто связано с простым усилением яркости подсветки, вплоть
121





до некомфортных значений. Широко применяемое глянцевое покрытие матрицы влияет лишь на
субъективную контрастность в условиях внешнего освещения.
Из-за жёстких требований к постоянной толщине матриц существует проблема неравномерности
однородного цвета (неравномерность подсветки) — на некоторых мониторах есть неустранимая
неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах), связанная с использованием блоков
линейных ртутных ламп.
Фактическая скорость смены изображения также остаётся ниже, чем у ЭЛТ и плазменных дисплеев.
Технология overdrive решает проблему скорости лишь частично.
Зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаётся существенным минусом технологии.
Массово производимые ЖК-мониторы плохо защищены от повреждений. Особенно чувствительна
матрица, незащищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация. Также
существует проблема дефектных пикселей. Предельно допустимое количество дефектных
пикселей, в зависимости от размеров экрана, определяется в международном стандарте ISO 134062 (в России — ГОСТ Р 52324-2005). Стандарт определяет 4 класса качества ЖК-мониторов. Самый
высокий класс — 1, вообще не допускает наличия дефектных пикселей. Самый низкий — 4,
допускает наличие до 262 дефектных пикселей на 1 миллион работающих.
Пиксели ЖК-мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая из всех технологий
отображения, за исключением лазерных дисплеев, не подверженных ей.
Перспективной технологией, которая может заменить ЖК-мониторы, часто считают OLED-дисплеи
(матрица с органическими светодиодами), однако она встретила сложности в массовом производстве,
особенно для матриц с большой диагональю.
Электронная бумага
Электро́нная бума́га (англ. e-paper, electronic paper; также электронные чернила, англ. e-ink) —
технология отображения информации, разработанная для имитации обычной печати на бумаге и основанная
на явлении электрофореза. В отличие от традиционных плоских жидкокристаллических дисплеев, в которых
используется просвет матрицы для формирования изображения, электронная бумага формирует
изображение в отражённом свете, как обычная бумага, и может хранить изображение текста и графики в
течение достаточно длительного времени, не потребляя при этом электрической энергии и затрачивая её
только на изменение изображения. В отличие от традиционной бумаги технология позволяет произвольно
изменять записанное изображение. Электронную бумагу следует отличать от цифровой бумаги.
[править] История разработки
Электронная бумага была разработана в процессе совершенствования устройств отображения информации.
ЖК-дисплеи на момент создания электронной бумаги уже были одними из самых экономичных устройств,
имеющих в статическом режиме потребление на уровне единиц микроампер и даже менее, и не требовавших
затрат энергии на излучение света, так как являлись устройствами светомодулирующего типа. Но, вопервых, они обладали большими световыми потерями в силу наличия в их конструкции двух поляризаторов
и сравнительно малой оптической плотности «включённых» ЖК — из чего следуют достаточно низкие
яркость с контрастностью получаемого изображения и достаточно малый угол обзора; во-вторых, они не
могли хранить отображаемую информацию: хотя эту задачу можно было перенести на экономичные в
статике КМОП элементы с учётом того, что данный тип дисплея сам имеет малое потребление в
статическом режиме, но в силу физико-химических особенностей молекул практически используемых ЖК,
чтобы избежать разрушения молекул, требуется питание переменным напряжением (динамический режим),
что в силу ёмкостной природы ЖК-ячейки приводит к заметному росту потребления электроэнергии, либо
же, в случае применения специальных ЖК устойчивых к постоянному току, приводило к сильному
усложнению для больших дисплеев схемотехники устройства — экономически неоправданному в силу
ограничений имевшейся на тот момент технологии.[1]
Создание технологии «электронной бумаги» было призвано преодолеть эти ограничения. Изображение на
ней формируется аналогично письму по обычной бумаге карандашом — твёрдыми пигментными частицами,
на (в) микроструктурном материале, дисперсно рассеивающем свет подобно волокнам бумаги. Из-за чего
угол обзора получается практически такой же, как и обычной бумаги — много превосходя таковой у
плоских жидкокристаллических дисплеев. Электронная бумага также является устройством
122
светомодулирующего типа с присущими ему положительными свойствами и работает в чистом виде в
отражённом свете без промежуточных преобразований светового потока[2] — как обычный лист с печатным
текстом или изображением, вследствие чего достигается высокая яркость и контрастность получаемого
изображения. Эффект памяти обеспечивается удержанием пигментных частиц на поверхности твёрдого тела
(подложки) силами Ван-дер-Ваальса.[3]
Технически точный термин — электрофоретический индикатор, так как практически все модификации
данной технологии используют явление электрофореза.[3]
Принцип действия «электронных чернил»
Электронная бумага была впервые разработана в Исследовательском Центре компании Xerox в Пало Альто
(англ. Xerox’s Palo Alto Research Center) Ником Шеридоном (англ. Nick Sheridon) в 1970-х годах. Первая
электронная бумага, названная Гирикон (англ. Gyricon), состояла из полиэтиленовых сфер от 20 до 100 мкм
в диаметре. Каждая сфера состояла из отрицательно заряженной чёрной и положительно заряженной белой
половины[4]. Все сферы помещались в прозрачный силиконовый лист, который заполнялся маслом, чтобы
сферы свободно вращались. Полярность подаваемого напряжения на каждую пару электродов определяла,
какой стороной повернется сфера, давая, таким образом, белый или чёрный цвет точки на дисплее [5].
[править] Электронные чернила
В 90-х годах ХХ века Джозеф Якобсон (Joseph Jacobson) изобрел другой тип электронной бумаги.
Впоследствии он основал корпорацию E Ink Corporation, которая, совместно с Philips, через два года
разработала и вывела эту технологию на рынок.
Принцип действия был следующий: в микрокапсулы, заполненные окрашенным маслом, помещались
электрически заряженные белые частички. В ранних версиях низлежащая проводка контролировала, будут
ли белые частички вверху капсулы (чтобы она была белой для того, кто смотрит) или внизу (смотрящий
увидит цвет масла).[6] Это было фактически повторное использование уже хорошо знакомой
электрофоретической (от электро- и греч. φορέω — переносить) технологии отображения, но использование
капсул позволило сделать дисплей с использованием гибких пластиковых листов вместо стекла.
[править] Многоцветная (полихромная) электронная бумага
Принцип действия многоцветной электронной бумаги использующей светофильтры
Обычно цветная электронная бумага состоит из тонких окрашенных оптических фильтров [7], которые
добавляются к монохромному дисплею, описанному выше. Множество точек разбиты на триады, как
правило, состоящие из трёх стандартных цветов CMY: циановый, пурпурный и жёлтый. В отличие от
дисплеев с подсветкой, где применяется RGB и сложение цвета, в e-ink цвета формируются методом
вычитания, как и в полиграфии.
[править] Преимущества и недостатки
В настоящее время дисплеи на основе электронной бумаги имеют очень большое время обновления по
сравнению с ЖК-дисплеями. Это не позволяет производителям использовать сложные интерактивные
элементы интерфейса (анимированные меню и указатели мыши, скроллинг), которые широко
123
распространены на КПК. Сильнее всего это сказывается на способности электронной бумаги показывать
увеличенный фрагмент большого текста или изображения на маленьком экране.
Преимуществом же можно назвать бо́льшее время автономной работы, которое отличается в лучшую
сторону по сравнению с прочими электронными устройствами с дисплеями.
[править] Применение
Электронная бумага легка, надёжна, а дисплеи на её основе могут быть гибкими (хотя и не настолько, как
обычная бумага). Предполагаемое применение включает электронные книги, которые могут хранить
цифровые версии многих литературных произведений, электронные вывески, наружную и внутреннюю
рекламу.
Технологические компании изобретают новые типы электронной бумаги и ищут пути внедрения данной
технологии. Например, модификация жидкокристаллических дисплеев, электрохромные дисплеи (смартстекло), а также электронный эквивалент детской игрушки «Волшебный экран», на котором изображение
появляется за счет прилипания пленки к подложке, разработанный японским университетом Кюсю. В той
или иной форме, электронная бумага разрабатывалась компанией Gyricon (выделившаяся из Xerox), Philips,
Kent Displays (холестерические дисплеи (англ. cholesteric)), Nemoptic (бистабильный нематический
(англ. bistable nematic) — BiNem — технология), NTERA (электрохромные NanoChromics дисплеи), E Ink
and SiPix Imaging (электрофоретические) и многие другие. Компания Fujitsu демонстрировала
разработанную ими электронную бумагу на выставке в Токийском Международном Форуме.
Корпорация E Ink Corporation, совместно с Philips и Sony, внесла наибольший вклад во внедрение и
популяризацию электронной бумаги. В октябре 2005 года она объявила, что будет поставлять комплекты
для разработчиков, состоящие из 6-дюймовых дисплеев с разрешением 800×600 начиная с 1 ноября 2005
года.
[править] Альтернативные технологии


Технология Mirasol, разрабатываемая компанией Qualcomm. Эти дисплеи сочетают в себе
преимущества стандартных жидкокристаллических экранов и технологии «электронных чернил»
(E-Ink). Благодаря специальной технологии, в основе которой лежат микроэлектромеханические
элементы, Mirasol дисплеи имеют очень низкое энергопотребление и в то же время способны
отображать полноцветные изображения. Более того, уже были продемонстрированы образцы
Mirasol дисплеев Qualcomm, способных отображать цветное видео с частотой в 30 кадров в секунду.
Уже сейчас существуют действующие образцы таких дисплеев с диагональю 5,7 дюйма и
разрешением 1024 x 768 пикселей, которые могут использоваться в связке с емкостными
сенсорными экранами. Компания Qualcomm на конгрессе Mobile World Congress 2010 в Барселоне
подтвердила, что первые электронные книги с цветными дисплеями, выполненными на основе
фирменной технологии Mirasol, должны появиться на рынке уже осенью 2010 года.
FOLED — технология изготовления гибких цветных дисплеев на основе органических светодиодов
OLED
124
Тема 6. Сетевые устройства: сетевые платы, сетевое
оборудование
Компьютерная сеть (вычислительная сеть, сеть передачи данных) — система связи компьютеров и/или
компьютерного оборудования (серверы, маршрутизаторы и другое оборудование). Для передачи
информации могут быть использованы различные физические явления, как правило — различные виды
электрических сигналов, световых сигналов или электромагнитного излучения.
Сетевое оборудование — устройства, необходимые для работы компьютерной сети, например:
маршрутизатор, коммутатор, концентратор, патч-панель и др. Можно выделить активное и пассивное
сетевое оборудование.
Активное сетевое оборудование
Под этим названием подразумевается оборудование, за которым следует некоторая «интеллектуальная»
особенность. То есть маршрутизатор, коммутатор (свитч) и т.д. являются активным сетевым оборудованием.
Напротив — повторитель (репитер) и концентратор (хаб) не являются АСО, так как просто повторяют
электрический сигнал для увеличения расстояния соединения или топологического разветвления и ничего
«интеллектуального» собой не представляют. Но управляемые хабы относятся к активному сетевому
оборудованию, так как могут быть наделены некой «интеллектуальной особенностью»
Пассивное сетевое оборудование
Под пассивным сетевым оборудованием подразумевается оборудование, не наделенное
«интеллектуальными» особенностями. Например - кабельная система: кабель (коаксиальный и витая пара
(UTP/STP)), вилка/розетка (RG58, RJ45, RJ11, GG45), повторитель (репитер), патч-панель, концентратор
(хаб), балун (balun) для коаксиальных кабелей (RG-58) и т.д. Также, к пассивному оборудованию можно
отнести монтажные шкафы и стойки, телекоммуникационные шкафы. Монтажные шкафы разделяют на:
типовые, специализированные и антивандальные. По типу монтажа: настенные и напольные и другие.
Маршрутиза́тор (проф. жарг. ра́утер (от англ. router /ˈɹu:tə(ɹ)/ или /ˈɹaʊtəɹ/[1], /ˈɹaʊtɚ/) или ро́утер
(прочтение слова англ. router как транслитерированного)) — сетевое устройство, пересылающее пакеты
данных между различными сегментами сети и принимающее решения на основании информации о
топологии сети и определённых правил, заданных администратором.
Маршрутизаторы делятся на программные и аппаратные. Маршрутизатор работает на более высоком
«сетевом» уровне 3 сетевой модели OSI, нежели коммутатор и сетевой мост.
[править] Принцип работы
Avaya Маршрутизатор основной (ERS-8600)
125
Обычно маршрутизатор использует адрес получателя, указанный в пакетах данных, и определяет по таблице
маршрутизации путь, по которому следует передать данные. Если в таблице маршрутизации для адреса нет
описанного маршрута, пакет отбрасывается.
Существуют и другие способы определения маршрута пересылки пакетов, когда, например, используется
адрес отправителя, используемые протоколы верхних уровней и другая информация, содержащаяся в
заголовках пакетов сетевого уровня. Нередко маршрутизаторы могут осуществлять трансляцию адресов
отправителя и получателя, фильтрацию транзитного потока данных на основе определённых правил с целью
ограничения доступа, шифрование/дешифрование передаваемых данных и т. д.
[править] Таблица маршрутизации
Таблица маршрутизации содержит информацию, на основе которой маршрутизатор принимает решение о
дальнейшей пересылке пакетов. Таблица состоит из некоторого числа записей — маршрутов, в каждой из
которых содержится адрес сети получателя, адрес следующего узла, которому следует передавать пакеты и
некоторый вес записи — метрика. Метрики записей в таблице играют роль в вычислении кратчайших
маршрутов к различным получателям. В зависимости от модели маршрутизатора и используемых
протоколов маршрутизации, в таблице может содержаться некоторая дополнительная служебная
информация. Например:
192.168.64.0/16 [110/49] via 192.168.1.2, 00:34:34, FastEthernet0/0.1
где 192.168.64.0/16 — сеть назначения,
110/- административное расстояние
/49 — метрика маршрута,
192.168.1.2 — адрес следующего маршрутизатора, которому следует
передавать пакеты для сети 192.168.64.0/16,
00:34:34 — время, в течение которого был известен этот маршрут,
FastEthernet0/0.1 — интерфейс маршрутизатора, через который можно
достичь «соседа» 192.168.1.2.
Таблица маршрутизации может составляться двумя способами:


статическая маршрутизация — когда записи в таблице вводятся и изменяются вручную. Такой
способ требует вмешательства администратора каждый раз, когда происходят изменения в
топологии сети. С другой стороны, он является наиболее стабильным и требующим минимума
аппаратных ресурсов маршрутизатора для обслуживания таблицы.
динамическая маршрутизация — когда записи в таблице обновляются автоматически при
помощи одного или нескольких протоколов маршрутизации — RIP, OSPF, IGRP, EIGRP, IS-IS,
BGP, и др. Кроме того, маршрутизатор строит таблицу оптимальных путей к сетям назначения на
основе различных критериев — количества промежуточных узлов, пропускной способности
каналов, задержки передачи данных и т. п. Критерии вычисления оптимальных маршрутов чаще
всего зависят от протокола маршрутизации, а также задаются конфигурацией маршрутизатора.
Такой способ построения таблицы позволяет автоматически держать таблицу маршрутизации в
актуальном состоянии и вычислять оптимальные маршруты на основе текущей топологии сети.
Однако динамическая маршрутизация оказывает дополнительную нагрузку на устройства, а
высокая нестабильность сети может приводить к ситуациям, когда маршрутизаторы не успевают
синхронизировать свои таблицы, что приводит к противоречивым сведениям о топологии сети в
различных её частях и потере передаваемых данных.
Зачастую для построения таблиц маршрутизации используют теорию графов.
[править] Применение
Маршрутизаторы помогают уменьшить загрузку сети, благодаря её разделению на домены коллизий или
широковещательные домены, а также благодаря фильтрации пакетов. В основном их применяют для
объединения сетей разных типов, зачастую несовместимых по архитектуре и протоколам, например для
объединения локальных сетей Ethernet и WAN-соединений, использующих протоколы xDSL, PPP, ATM,
126
Frame relay и т. д. Нередко маршрутизатор используется для обеспечения доступа из локальной сети в
глобальную сеть Интернет, осуществляя функции трансляции адресов и межсетевого экрана.
В качестве маршрутизатора может выступать как специализированное (аппаратное) устройство, так и
обычный компьютер, выполняющий функции маршрутизатора. Существует несколько пакетов
программного обеспечения (на основе ядра Linux, на основе операционных систем BSD) с помощью
которого можно превратить ПК в высокопроизводительный и многофункциональный маршрутизатор,
например, Quagga, IPFW или простой в применении PF.
Сетевой коммутатор
Сетевой коммутатор (жарг. свич, свитч от англ. switch — переключатель) — устройство, предназначенное
для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов сети. В
отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем
остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю, исключение составляет
широковещательный трафик (на MAC-адрес FF:FF:FF:FF:FF:FF) всем узлам сети. Это повышает
производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и
возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.
Коммутатор работает на канальном (2) уровне модели OSI и потому в общем случае может только
объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Коммутаторы были разработаны с использованием
мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты. Для соединения нескольких
сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы.
Принцип работы коммутатора
Коммутатор хранит в памяти таблицу коммутации (хранящуюся в ассоциативной памяти), в которой
указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица
пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные
передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры (фреймы) и,
определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу. Впоследствии, если на один из портов
коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот
кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не
ассоциирован с каким-либо портом коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты. Со временем
коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате трафик локализуется. Стоит
отметить малую латентность (задержку) и высокую скорость пересылки на каждом порту интерфейса.
[править] Режимы коммутации
Существует три способа коммутации. Каждый из них — это комбинация таких параметров, как время
ожидания и надёжность передачи.
1.
2.
3.
С промежуточным хранением (Store and Forward). Коммутатор читает всю информацию в кадре,
проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает в него
кадр.
Сквозной (cut-through). Коммутатор считывает в кадре только адрес назначения и после выполняет
коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нём нет метода обнаружения
ошибок.
Бесфрагментный (fragment-free) или гибридный. Этот режим является модификацией сквозного
режима. Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий (кадры размером 64
байта обрабатываются по технологии store-and-forward, остальные по технологии cut-through).
Задержка, связанная с «принятием коммутатором решения», добавляется к времени, которое требуется
кадру для входа на порт коммутатора и выхода с него, и вместе с ним определяет общую задержку
коммутатора.
[править] Симметричная и асимметричная коммутация
127
Свойство симметрии при коммутации позволяет дать характеристику коммутатора с точки зрения ширины
полосы пропускания для каждого его порта. Симметричный коммутатор обеспечивает коммутируемые
соединения между портами с одинаковой шириной полосы пропускания, например, когда все порты имеют
ширину пропускания 10 Мб/с или 100 Мб/с.
Асимметричный коммутатор обеспечивает коммутируемые соединения между портами с различной
шириной полосы пропускания, например, в случаях комбинации портов с шириной полосы пропускания 10
Мб/с и 100 Мб/с или 100 Мб/с и 1000 Мб/с.
Асимметричная коммутация используется в случае наличия больших сетевых потоков типа клиент-сервер,
когда многочисленные пользователи обмениваются информацией с сервером одновременно, что требует
большей ширины пропускания для того порта коммутатора, к которому подсоединен сервер, с целью
предотвращения переполнения на этом порте. Для того чтобы направить поток данных с порта 100 Мб/с на
порт 10 Мб/с без опасности переполнения на последнем, асимметричный коммутатор должен иметь буфер
памяти.
Асимметричный коммутатор также необходим для обеспечения большей ширины полосы пропускания
каналов между коммутаторами, осуществляемых через вертикальные кросс-соединения, или каналов между
сегментами магистрали.
[править] Буфер памяти
Для временного хранения пакетов и последующей их отправки по нужному адресу коммутатор может
использовать буферизацию. Буферизация может быть также использована в том случае, когда порт пункта
назначения занят. Буфером называется область памяти, в которой коммутатор хранит передаваемые данные.
Буфер памяти может использовать два метода хранения и отправки пакетов: буферизация по портам и
буферизация с общей памятью. При буферизации по портам пакеты хранятся в очередях (queue), которые
связаны с отдельными входными портами. Пакет передается на выходной порт только тогда, когда все
пакеты, находившиеся впереди него в очереди, были успешно переданы. При этом возможна ситуация,
когда один пакет задерживает всю очередь из-за занятости порта его пункта назначения. Эта задержка
может происходить даже в том случае, когда остальные пакеты могут быть переданы на открытые порты их
пунктов назначения.
При буферизации в общей памяти все пакеты хранятся в общем буфере памяти, который используется всеми
портами коммутатора. Количество памяти, отводимой порту, определяется требуемым ему количеством.
Такой метод называется динамическим распределением буферной памяти. После этого пакеты,
находившиеся в буфере, динамически распределяются по выходным портам. Это позволяет получить пакет
на одном порте и отправить его с другого порта, не устанавливая его в очередь.
Коммутатор поддерживает карту портов, в которые требуется отправить пакеты. Очистка этой карты
происходит только после того, как пакет успешно отправлен.
Поскольку память буфера является общей, размер пакета ограничивается всем размером буфера, а не долей,
предназначенной для конкретного порта. Это означает, что крупные пакеты могут быть переданы с
меньшими потерями, что особенно важно при асимметричной коммутации, то есть когда порт с шириной
полосы пропускания 100 Мб/с должен отправлять пакеты на порт 10 Мб/с.
[править] Возможности и разновидности коммутаторов
Коммутаторы подразделяются на управляемые и неуправляемые (наиболее простые).
Более сложные коммутаторы позволяют управлять коммутацией на сетевом (третьем) уровне модели OSI.
Обычно их именуют соответственно, например «Layer 3 Switch» или просто, сокращенно «L3 Switch».
Управление коммутатором может осуществляться посредством Web-интерфейса, протокола SNMP, RMON
и т. п.
128
Многие управляемые коммутаторы позволяют настраивать дополнительные функции: VLAN, QoS,
агрегирование, зеркалирование.
Сложные коммутаторы можно объединять в одно логическое устройство — стек – с целью увеличения
числа портов. Например, можно объединить 4 коммутатора с 24 портами и получить логический коммутатор
с 90 (4*24-6=90) портами либо с 96 портами (если для стекирования используются специальные порты).
Сетевой концентратор
Сетевой концентратор или хаб (жарг. от англ. hub — центр деятельности) — сетевое устройство,
предназначенное для объединения нескольких устройств Ethernet в общий сегмент сети. Устройства
подключаются при помощи витой пары, коаксиального кабеля или оптоволокна. Термин концентратор
(хаб) применим также к другим технологиям передачи данных: USB, FireWire и пр.
В настоящее время хабы почти не выпускаются — им на смену пришли сетевые коммутаторы (свитчи),
выделяющие каждое подключённое устройство в отдельный сегмент. Сетевые коммутаторы ошибочно
называют «интеллектуальными концентраторами».
Принцип работы
Концентратор работает на физическом уровне сетевой модели OSI, повторяет приходящий на один порт
сигнал на все активные порты. В случае поступления сигнала на два и более порта одновременно возникает
коллизия, и передаваемые кадры данных теряются. Таким образом, все подключённые к концентратору
устройства находятся в одном домене коллизий. Концентраторы всегда работают в режиме полудуплекса,
все подключённые устройства Ethernet разделяют между собой предоставляемую полосу доступа.
Многие модели концентраторов имеют простейшую защиту от излишнего количества коллизий,
возникающих по причине одного из подключённых устройств. В этом случае они могут изолировать порт от
общей среды передачи. По этой причине, сетевые сегменты, основанные на витой паре, гораздо стабильнее в
работе сегментов на коаксиальном кабеле, поскольку в первом случае каждое устройство может быть
изолировано концентратором от общей среды, а во втором случае несколько устройств подключаются при
помощи одного сегмента кабеля, и, в случае большого количества коллизий, концентратор может
изолировать лишь весь сегмент.
В последнее время концентраторы используются достаточно редко, вместо них получили распространение
коммутаторы — устройства, работающие на канальном уровне модели OSI и повышающие
производительность сети путём логического выделения каждого подключённого устройства в отдельный
сегмент, домен коллизии.
[править] Упрощённое описание принципа работы
Хаб работает по следующему принципу: копирует все полученные пакеты во все порты. При этом может
возникнуть проблема, при которой по двум и более портам приходят пакеты в одно и то же время. Другая
проблема — безопасность — все пакеты доходят до всех компьютеров сети, поэтому существует
возможность несанкционированного доступа к информации. И, наконец, ещё одной проблемой является то,
что копирование пакетов повышает нагрузку на сеть, причём весьма существенно — весь трафик сегмента
сети поступает к каждому из компьютеров и тем самым загружает сеть.
[править] Характеристики сетевых концентраторов

Количество портов — разъёмов для подключения сетевых линий, обычно выпускаются
концентраторы с 4, 5, 6, 8, 12, 16, 24 и 48 портами (наиболее популярны с 4, 8 и 16). Концентраторы
с большим количеством портов значительно дороже. Однако концентраторы можно соединять
каскадно друг к другу, наращивая количество портов сегмента сети. В некоторых для этого
предусмотрены специальные порты.
129



Скорость передачи данных — измеряется в Мбит/с, выпускаются концентраторы со скоростью 10,
100 и 1000. Кроме того, в основном распространены концентраторы с возможностью изменения
скорости, обозначаются как 10/100/1000 Мбит/с. Скорость может переключаться как автоматически,
так и с помощью перемычек или переключателей. Обычно, если хотя бы одно устройство
присоединено к концентратору на скорости нижнего диапазона, он будет передавать данные на все
порты с этой скоростью.
Тип сетевого носителя — обычно это витая пара или оптоволокно, но существуют концентраторы
и для других носителей, а также смешанные, например для витой пары и коаксиального кабеля.
Тип питания — концентраторы без внешнего питания называются «пассивными», с внешним
питанием — «активными». Пассивные сетевые концентраторы до сих пор нередко применяются для
построения малых сетей в условиях частого отключения электричества (при условии наличия у всех
рабочих станций автономного питания — например, если они являются портативными
компьютерами).
Межсетевой экран
Иллюстрация, показывающая расположение файрволла в сети.
Межсетевой экран или сетевой экран — комплекс аппаратных или программных средств,
осуществляющий контроль и фильтрацию проходящих через него сетевых пакетов в соответствии с
заданными правилами.
Основной задачей сетевого экрана является защита компьютерных сетей или отдельных узлов от
несанкционированного доступа. Также сетевые экраны часто называют фильтрами, так как их основная
задача — не пропускать (фильтровать) пакеты, не подходящие под критерии, определённые в
конфигурации.
Некоторые сетевые экраны также позволяют осуществлять трансляцию адресов — динамическую замену
внутрисетевых (серых) адресов или портов на внешние, используемые за пределами ЛВС.
Другие названия
Брандма́уэр (нем. Brandmauer) — заимствованный из немецкого языка термин, являющийся аналогом
английского firewall в его оригинальном значении (стена, которая разделяет смежные здания, предохраняя
от распространения пожара). Интересно, что в области компьютерных технологий в немецком языке
употребляется слово «Firewall».
Разновидности сетевых экранов
Сетевые экраны подразделяются на различные типы в зависимости от следующих характеристик:


обеспечивает ли экран соединение между одним узлом и сетью или между двумя или более
различными сетями;
на уровне каких сетевых протоколов происходит контроль потока данных;
130

отслеживаются ли состояния активных соединений или нет.
В зависимости от охвата контролируемых потоков данных сетевые экраны делятся на:


традиционный сетевой (или межсетевой) экран — программа (или неотъемлемая часть
операционной системы) на шлюзе (сервере, передающем трафик между сетями) или аппаратное
решение, контролирующие входящие и исходящие потоки данных между подключенными сетями.
персональный сетевой экран — программа, установленная на пользовательском компьютере и
предназначенная для защиты от несанкционированного доступа только этого компьютера.
Вырожденный случай — использование традиционного сетевого экрана сервером, для ограничения доступа
к собственным ресурсам.
В зависимости от уровня, на котором происходит контроль доступа, существует разделение на сетевые
экраны, работающие на:



сетевом уровне, когда фильтрация происходит на основе адресов отправителя и получателя
пакетов, номеров портов транспортного уровня модели OSI и статических правил, заданных
администратором;
сеансовом уровне (также известные как stateful) — отслеживающие сеансы между приложениями,
не пропускающие пакеты нарушающих спецификации TCP/IP, часто используемых в
злонамеренных операциях — сканировании ресурсов, взломах через неправильные реализации
TCP/IP, обрыв/замедление соединений, инъекция данных.
уровне приложений, фильтрация на основании анализа данных приложения, передаваемых внутри
пакета. Такие типы экранов позволяют блокировать передачу нежелательной и потенциально
опасной информации на основании политик и настроек.
Некоторые решения, относимые к сетевым экранам уровня приложения, представляют собой проксисерверы с некоторыми возможностями сетевого экрана, реализуя прозрачные прокси-серверы, со
специализацией по протоколам. Возможности прокси-сервера и многопротокольная специализация
делают фильтрацию значительно более гибкой, чем на классических сетевых экранах, но такие
приложения имеют все недостатки прокси-серверов (например, анонимизация трафика).
В зависимости от отслеживания активных соединений сетевые экраны бывают:


stateless (простая фильтрация), которые не отслеживают текущие соединения (например, TCP), а
фильтруют поток данных исключительно на основе статических правил;
stateful, stateful packet inspection (SPI) (фильтрация с учётом контекста), с отслеживанием текущих
соединений и пропуском только таких пакетов, которые удовлетворяют логике и алгоритмам
работы соответствующих протоколов и приложений. Такие типы сетевых экранов позволяют
эффективнее бороться с различными видами DoS-атак и уязвимостями некоторых сетевых
протоколов. Кроме того, они обеспечивают функционирование таких протоколов, как H.323, SIP,
FTP и т. п., которые используют сложные схемы передачи данных между адресатами, плохо
поддающиеся описанию статическими правилами, и, зачастую, несовместимых со стандартными,
stateless сетевыми экранами.
[править] Типичные возможности





фильтрация доступа к заведомо незащищенным службам;
препятствование получению закрытой информации из защищенной подсети, а также внедрению в
защищенную подсеть ложных данных с помощью уязвимых служб;
контроль доступа к узлам сети;
может регистрировать все попытки доступа как извне, так и из внутренней сети, что позволяет
вести учёт использования доступа в Интернет отдельными узлами сети;
регламентирование порядка доступа к сети;
131

уведомление о подозрительной деятельности, попытках зондирования или атаки на узлы сети или
сам экран;
Вследствие защитных ограничений могут быть заблокированы некоторые необходимые пользователю
службы, такие как Telnet, FTP, SMB, NFS, и так далее. Поэтому настройка файрвола требует участия
специалиста по сетевой безопасности. В противном случае вред от неправильного конфигурирования может
превысить пользу.
Так же следует отметить, что использование файрвола увеличивает время отклика и снижает пропускную
способность, поскольку фильтрация происходит не мгновенно.
[править] Проблемы, не решаемые файрволом
Межсетевой экран сам по себе не панацея от всех угроз для сети. В частности, он:



не защищает узлы сети от проникновения через «люки» (англ. back doors) или уязвимости ПО;
не обеспечивает защиту от многих внутренних угроз, в первую очередь — утечки данных;
не защищает от загрузки пользователями вредоносных программ, в том числе вирусов;
Для решения последних двух проблем используются соответствующие дополнительные средства, в
частности, антивирусы. Обычно они подключаются к файрволу и пропускают через себя соответствующую
часть сетевого трафика, работая как прозрачный для прочих сетевых узлов прокси, или же получают с
файрвола копию всех пересылаемых данных. Однако такой анализ требует значительных аппаратных
ресурсов, поэтому обычно проводится на каждом узле сети самостоятельно.
132
Тема
7.
Параллельные
архитектуры,
графические
процессоры. Языки CUDA и OpenCL. Квантовые вычисления,
ДНК-компьютеры, нанопроцессоры.
Квантовый компьютер
3 кубита квантового регистра против 3 битов обычного
Квантовый компьютер — вычислительное устройство, работающее на основе квантовой механики.
Квантовый компьютер принципиально отличается от классических компьютеров, работающих на основе
классической механики. Полномасштабный квантовый компьютер является пока гипотетическим
устройством, сама возможность построения которого связана с серьёзным развитием квантовой теории в
области многих частиц и сложных экспериментов; эта работа лежит на переднем крае современной физики.
Ограниченные (до 128[1] кубитов) квантовые компьютеры уже построены; элементы квантовых
компьютеров могут применяться для повышения эффективности вычислений уже на существующей
приборной базе.
Идея построения квантового компьютера была предложена в 1980 году советским математиком
Ю. И. Маниным, который во введении (с. 15) к книге «Вычислимое и невычислимое»[2] выдвинул идею
квантовых автоматов. Эту идею поддержали[источник не указан 321 день] физики, в частности, П. Бениоф и
Нобелевский лауреат Р. Фейнман.
Необходимость в квантовом компьютере возникает тогда, когда мы пытаемся исследовать методами физики
сложные многочастичные системы, подобные биологическим. Пространство квантовых состояний таких
систем растет как экспонента от числа составляющих их реальных частиц, что делает невозможным
моделирование их поведения на классических компьютерах уже для
. Поэтому Фейнман и
предложил построение квантового компьютера.
Квантовый компьютер использует для вычисления не обычные (классические) алгоритмы, а процессы
квантовой природы, так называемые квантовые алгоритмы, использующие квантовомеханические эффекты,
такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.
Если классический процессор в каждый момент может находиться ровно в одном из состояний
, (обозначения Дирака) то квантовый процессор в каждый момент находится
одновременно во всех этих базисных состояниях, при этом в каждом состоянии
— со своей комплексной
амплитудой . Это квантовое состояние называется «квантовой суперпозицией» данных классических
состояний и обозначается как
133
Базисные состояния могут иметь и более сложный вид. Тогда квантовую суперпозицию можно
проиллюстрировать, например, так: «Вообразите атом, который мог бы подвергнуться радиоактивному
распаду в определённый промежуток времени. Или не мог бы. Мы можем ожидать, что у этого атома есть
только два возможных состояния: „распад“ и „не распад“, <…> но в квантовой механике у атома может
быть некое объединённое состояние — „распада — не распада“, то есть ни то, ни другое, а как бы между.
Вот это состояние и называется „суперпозицией“»[3].
Квантовое состояние
1.
2.
может изменяться во времени двумя принципиально различными путями:
Унитарная квантовая операция (квантовый вентиль, англ. quantum gate), в дальнейшем просто
операция.
Измерение (наблюдение).
Если классические состояния
управляемых внешним полем
потенциала.
есть пространственные положения группы электронов в квантовых точках,
, то унитарная операция есть решение уравнения Шредингера для этого
Измерение есть случайная величина, принимающая значения
с
вероятностями
соответственно. В этом состоит квантово-механическое правило Борна (англ.).
Измерение есть единственная возможность получения информации о квантовом состоянии, так как значения
нам непосредственно не доступны. Измерение квантового состояния не может быть сведено к унитарной
шредингеровской эволюции, так как, в отличие от последней, оно необратимо. При измерении происходит
так называемый коллапс волновой функции
, физическая природа которого до конца не ясна.
Спонтанные вредоносные измерения состояния в ходе вычисления ведут к декогерентности, то есть
отклонению от унитарной эволюции, что является главным препятствием при построении квантового
компьютера (см. Физические реализации квантовых компьютеров).
Квантовое вычисление есть контролируемая классическим управляющим компьютером последовательность
унитарных операций простого вида (над одним, двумя или тремя кубитами). В конце вычисления состояние
квантового процессора измеряется, что и дает искомый результат вычисления.
Содержание понятия «квантовый параллелизм» в вычислении может быть раскрыто так: «Данные в
процессе вычислений представляют собой квантовую информацию, которая по окончании процесса
преобразуется в классическую путём измерения конечного состояния квантового регистра. Выигрыш в
квантовых алгоритмах достигается за счёт того, что при применении одной квантовой операции большое
число коэффициентов суперпозиции квантовых состояний, которые в виртуальной форме содержат
классическую информацию, преобразуется одновременно»[4].
Теория
[править] Кубиты
Идея квантовых вычислений, впервые высказанная Ю. И. Маниным[2][5][нет в источнике] и Р. Фейнманом[6],
состоит в том, что квантовая система из L двухуровневых квантовых элементов (квантовых битов, кубитов)
имеет 2L линейно независимых состояний, а значит, вследствие принципа квантовой суперпозиции,
пространством состояний такого квантового регистра является 2 L-мерное гильбертово пространство.
Операция в квантовых вычислениях соответствует повороту вектора состояния регистра в этом
пространстве. Таким образом, квантовое вычислительное устройство размером L кубит фактически
задействует одновременно 2L классических состояний.
Физическими системами, реализующими кубиты, могут быть любые объекты, имеющие два квантовых
состояния: поляризационные состояния фотонов, электронные состояния изолированных атомов или ионов,
спиновые состояния ядер атомов, и т. д.
134
Один классический бит может находиться в одном и только в одном из состояний
бит, называемый кубитом, находится в состоянии
или
. Квантовый
, так что |a|² и |b|² — вероятности
получить 0 или 1 соответственно при измерении этого состояния;
; |a|² + |b|² = 1. Сразу после
измерения кубит переходит в базовое квантовое состояние, соответствующее классическому результату.
Пример:
Имеется кубит в квантовом состоянии
В этом случае, вероятность получить при измерении
0составляет(4/5)²=16/25= 64 %,
1
(-3/5)²=9/25= 36 %.
В данном случае, при измерении мы получили 0 с 64 % вероятностью.
В результате измерения кубит переходит в новое квантовое состояние
, то есть, при следующем
измерении этого кубита мы получим 0 со стопроцентной вероятностью (предполагается, что по
умолчанию унитарная операция тождественна; в реальных системах это не всегда так).
Приведем для объяснения два примера из квантовой механики: 1) фотон находится в состоянии
суперпозиции двух поляризаций. Это состояние есть вектор в двумерной плоскости, систему координат в
которой можно представлять как две перпендикулярные оси, так что
и есть проекции
на эти оси;
измерение раз и навсегда коллапсирует состояние фотона в одно из состояний
или
, причем
вероятность коллапса равна квадрату соответствующей проекции. Полная вероятность получается по
теореме Пифагора.
Перейдем к системе из двух кубитов. Измерение каждого из них может дать 0 или 1. Поэтому у системы
есть 4 классических состояния: 00, 01, 10 и 11. Аналогичные им базовые квантовые состояния:
. И наконец, общее квантовое состояние системы имеет вид
. Теперь |a|² — вероятность измерить 00 и т. д.
Отметим, что |a|²+|b|²+|c|²+|d|²=1 как полная вероятность.
Если мы измерим только первый кубит квантовой системы, находящейся в состоянии
1.
С вероятностью
состояние
2.
С вероятностью
состояние
первый кубит перейдет в состояние
, у нас получится:
а второй — в
,а
первый кубит перейдет в состояние
а второй — в
.
135
В первом случае измерение даст состояние
, во
втором — состояние
Мы снова видим, что результат такого измерения невозможно записать как вектор в гильбертовом
пространстве состояний. Такое состояние, в котором участвует наше незнание о том, какой же результат
получится на первом кубите, называют смешанным состоянием. В нашем случае такое смешанное состояние
называют проекцией исходного состояния
вида
на второй кубит, и записывают в виде матрицы плотности
где матрица плотности состояния
определяется как
.
В общем случае системы из L кубитов, у неё 2L классических состояний (00000…(L-нулей), …00001(Lцифр), … , 11111…(L-единиц)), каждое из которых может быть измерено с вероятностями 0—100 %.
Таким образом, одна операция над группой кубитов затрагивает все значения, которые она может
принимать, в отличие от классического бита. Это и обеспечивает беспрецедентный параллелизм
вычислений.
[править] Вычисление
Упрощённая схема вычисления на квантовом компьютере выглядит так: берется система кубитов, на
которой записывается начальное состояние. Затем состояние системы или её подсистем изменяется
посредством унитарных преобразований, выполняющих те или иные логические операции. В конце
измеряется значение, и это результат работы компьютера. Роль проводов классического компьютера играют
кубиты, а роль логических блоков классического компьютера играют унитарные преобразования. Такая
концепция квантового процессора и квантовых логических вентилей была предложена в 1989 году Дэвидом
Дойчем. Также Дэвид Дойч в 1995 году нашёл универсальный логический блок, с помощью которого можно
выполнять любые квантовые вычисления.
Оказывается, что для построения любого вычисления достаточно двух базовых операций. Квантовая
система дает результат, только с некоторой вероятностью являющийся правильным. Но за счет небольшого
увеличения операций в алгоритме можно сколь угодно приблизить вероятность получения правильного
результата к единице.
С помощью базовых квантовых операций можно симулировать работу обычных логических элементов, из
которых сделаны обычные компьютеры. Поэтому любую задачу, которая решена сейчас, квантовый
компьютер решит, и почти за такое же время. Следовательно, новая схема вычислений будет не слабее
нынешней.
Чем же квантовый компьютер лучше классического? Большая часть современных ЭВМ работают по такой
же схеме: n бит памяти хранят состояние и каждый такт времени изменяются процессором. В квантовом
случае система из n кубитов находится в состоянии, являющимся суперпозицией всех базовых состояний,
поэтому изменение системы касается всех 2n базовых состояний одновременно. Теоретически новая схема
может работать намного (в экспоненциальное число раз) быстрее классической. Практически (квантовый)
алгоритм Гровера поиска в базе данных показывает квадратичный прирост мощности против классических
алгоритмов
[править] Алгоритмы
Главная статья Квантовый алгоритм
136




Алгоритм Гровера позволяет найти решение уравнения
за время
.
Алгоритм Шора позволяет разложить натуральное число n на простые множители за
полиномиальное от log(n) время.
Алгоритм Залки — Визнера позволяет моделировать унитарную эволюцию квантовой системы
системы частиц за почти линейное время с использованием
кубит.
Алгоритм Дойча — Джоза позволяет «за одно вычисление» определить, является ли функция
двоичной переменной f(n) постоянной (f1(n) = 0, f2(n) = 1 независимо от n) или «сбалансированной»
(f3(0) = 0, f3(1) = 1; f4(0) = 1, f4(1) = 0).
Было показано, что не для всякого алгоритма возможно «квантовое ускорение». Более того, возможность
получения квантового ускорения для произвольного классического алгоритма является большой
редкостью[7].
[править] Квантовая телепортация
Основная статья: Квантовая телепортация
Алгоритм телепортации реализует точный перенос состояния одного кубита (или системы) на другой. В
простейшей схеме используются 4 кубита: источник, приёмник и два вспомогательных. Отметим, что в
результате работы алгоритма первоначальное состояние источника разрушится — это пример действия
общего принципа невозможности клонирования — невозможно создать точную копию квантового
состояния, не разрушив оригинал. На самом деле, довольно легко создать одинаковые состояния на кубитах.
К примеру, измерив 3 кубита, мы переведем каждый из них в базовые состояния (0 или 1) и хотя бы на двух
из них они совпадут. Не получится скопировать произвольное состояние, и телепортация — замена этой
операции.
Телепортация позволяет передавать квантовое состояние системы с помощью обычных классических
каналов связи. Таким образом, можно, в частности, получить связанное состояние системы, состоящей из
подсистем, удаленных на большое расстояние.
[править] Применение квантовых компьютеров
[править] Специфика применения
Может показаться, что квантовый компьютер — это разновидность аналоговой вычислительной машины.
Но это не так: по своей сути это цифровое устройство, но с аналоговой природой.
Основные проблемы, связанные с созданием и применением квантовых компьютеров:


необходимо обеспечить высокую точность измерений;
внешние воздействия могут разрушить квантовую систему или внести в неё искажения.
[править] Приложения к криптографии
Благодаря огромной скорости разложения на простые множители, квантовый компьютер позволит
расшифровывать сообщения, зашифрованные при помощи популярного асимметричного
криптографического алгоритма RSA. До сих пор этот алгоритм считается сравнительно надёжным, так как
эффективный способ разложения чисел на простые множители для классического компьютера в настоящее
время неизвестен. Для того, например, чтобы получить доступ к кредитной карте, нужно разложить на два
простых множителя число длиной в сотни цифр. Даже для самых быстрых современных компьютеров
выполнение этой задачи заняло бы больше времени, чем возраст Вселенной, в сотни раз. Благодаря
алгоритму Шора эта задача становится вполне осуществимой, если квантовый компьютер будет построен.
137
Применение идей квантовой механики уже открыли новую эпоху в области криптографии, так как методы
квантовой криптографии открывают новые возможности в области передачи сообщений[8]. Прототипы
систем подобного рода находятся на стадии разработки[9].
[править] Физические реализации квантовых компьютеров
Построение квантового компьютера в виде реального физического прибора является фундаментальной
задачей физики XXI века. В настоящее время построены только ограниченные его варианты (в пределах 10
кубит). Вопрос о том, до какой степени возможно масштабирование такого устройства, является предметом
новой интенсивно развивающейся области — многочастичной квантовой механики. Центральным здесь
является вопрос о природе декогерентности (точнее, о коллапсе волновой функции), который пока остается
открытым. Различные трактовки этого процесса можно найти в книгах [10],[11],[12].
На рубеже 21 века во многих научных лабораториях были созданы однокубитные квантовые процессоры (по
существу, управляемые двухуровневые системы, о которых можно было предполагать возможность
масштабирования на много кубитов). Очень скоро был реализован жидкостной ЯМР — квантовый
компьютер (до 7 кубит, IBM, И. Чанг)[источник не указан 297 дней]. В 2005 году группой Ю. Пашкина (NEC, Япония)
был построен двухкубитый квантовый процессор на сверхпроводящих элементах[источник не указан 297 дней].
Примерно в это время до десятка кубит было сделано на ионах в ловушках Пауля (Д. Винланд, П. Золлер, Р.
Блатт)[источник не указан 297 дней].

В России разработкой вопросов физической реализации квантового компьютера занимается ряд
исследовательских групп, ядро которых составляет школа академика К. А. Валиева: Физикотехнологический институт РАН (лаборатория ФКК), МГУ (ф-т ВМК, кафедра КИ, физический ф-т,
кафедра КЭ), МФТИ, МИФИ, МИЭТ, КГУ, ЯрГУ, а также ряд сотрудников институтов РАН (ИТФ,
ИФТТ и др.) и вузов[источник не указан 297 дней].
Главные технологии для квантового компьютера:
1.
2.
3.
4.
Твердотельные квантовые точки на полупроводниках: в качестве логических кубитов используются
либо зарядовые состояния (нахождение или отсутствие электрона в определенной точке) либо
направление электронного и/или ядерного спина в данной квантовой точке. Управление через
внешние потенциалы или лазерным импульсом.
Сверхпроводящие элементы (джозефсоновские переходы, сквиды и др.). В качестве логических
кубитов используются присутствие/отсутствие куперовской пары в определенной пространственной
области. Управление: внешний потенциал/магнитный поток.
Ионы в вакуумных ловушках Пауля (или атомы в оптических ловушках). В качестве логических
кубитов используются основное/возбужденное состояния внешнего электрона в ионе. Управление:
классические лазерные импульсы вдоль оси ловушки или направленные на индивидуальные ионы +
колебательные моды ионного ансамбля.
Смешанные технологии: использование заранее приготовленных запутанных состояний фотонов
для управления атомными ансамблями или для как элементы управления классическими
вычислительными сетями.

В ноябре 2009 года физикам из Национального института стандартов и технологий в США впервые
удалось собрать программируемый квантовый компьютер, состоящий из двух кубит [13].

В феврале 2012 года компания IBM сообщила о достижении значительного прогресса в физической
реализации квантовых вычислений с использованием сверхпроводящих кубитов которые, по
мнению компании, позволят начать работы по созданию квантового компьютера [14].
[править] Пример реализации операции CNOT на зарядовых состояниях электрона в квантовых
точках
Один кубит можно представить в виде электрона в двух ямном потенциале, так что
его в левой яме, а
означает нахождение
— в правой. Это называется кубит на зарядовых состояниях. Общий вид квантового
138
состояния такого электрона:
времени амплитуд
гамильтониан
константы
. Зависимость его от времени есть зависимость от
; она задается уравнением Шредингера вида
имеет в силу одинакового вида ям и эрмитовости вид
, так что вектор
где
для некоторой
есть собственный вектор этого гамильтониана с
собственным значением 0 (так называемое основное состояние), а
—
собственный вектор со значением
(первое возбужденное состояние). Никаких других собственных
состояний (с определенным значением энергии) здесь нет, так как наша задача двумерная. Поскольку
каждое состояние
переходит за время в состояние
для реализации операции NOT (перехода
, то
и наоборот достаточно просто подождать время
. То есть гейт NOT дается просто естественной квантовой эволюцией нашего кубита при
условии, что внешний потенциал задает двух ямную структуру; это делается с помощью технологии
квантовых точек.
Для реализации CNOT надо расположить два кубита (то есть две пары ям) перпендикулярно друг другу, и в
каждой из них расположить по отдельному электрону. Тогда константа для первой (управляемой) пары ям
будет зависеть от того, в каком состоянии находится электрон во второй (управляющей) паре ям: если
ближе к первой, будет больше, если дальше — меньше. Поэтому состояние электрона во второй паре
определяет время совершения NOT в первой яме, что позволяет снова выбрать нужную длительность
времени для производства операции CNOT.
Эта схема очень приблизительная и идеализирована; реальные схемы сложнее и их реализация представляет
вызов экспериментальной физике.
[править] Заявления D-Wave
Канадская компания D-Wave заявила в феврале 2007 года о создании образца квантового компьютера,
состоящего из 16 кубит (устройство получило название Orion[15]). Информация об этом устройстве не
отвечала требованиям достоверного научного сообщения, поэтому новость не получила научного
признания. Более того, дальнейшие планы компании — создать уже в ближайшем будущем 1024-кубитный
компьютер — вызвали скепсис у членов экспертного сообщества[16].
В ноябре 2007 года та же компания D-Wave продемонстрировала работу образца 28-кубитного компьютера
(устройство получило название Leda) онлайн на конференции, посвященной суперкомпьютерам [17]. Данная
демонстрация также вызвала скепсис.
В январе 2008 года компания привлекла 17 млн долларов США от международных инвесторов на
поддержание своей деятельности (англ. product development, operations and business development activity).[18]
В декабре 2008 года компания организовала проект распределенных вычислений [email protected] (Adiabatic
QUantum Algorithms)[19], в котором тестируются алгоритмы, оптимизирующие вычисления на
адиабатических сверхпроводящих квантовых компьютерах D-Wave.
8 декабря 2009 года на конференции NIPS (англ.) научный сотрудник Google Hartmut Neven (англ.)
продемонстрировал на компьютере D-Wave работу программы распознавания образов.[20]
Более подробно о компании D-Wave Systems Inc., проводящихся в ней исследованиях и последних
результатах можно узнать в блоге сооснователя компании Geordie Rose. [21]
139
11 мая 2011 года представлен компьютер D-Wave One, созданный на базе 128-кубитного процессора.[22]
С 20 мая 2011 года D-Wave Systems продает за $ 11 млн квантовый компьютер D-Wave One с 128-кубитным
чипсетом, который выполняет только одну задачу — дискретную оптимизацию.[23] Компьютер расположен в
вычислительном центре Южно-Калифорнийского университета (университетский городок института
информатики в Марина-дель-Рэе (англ. Marina del Rey)). Его рабочая температура составляет 20 мкК,
компьютер тщательно экранирован от внешних электрических и магнитных полей. [24][25]
25 мая 2011 года Lockheed Martin подписала многолетний контракт с D-Wave Systems, касающийся
выполнения сложных вычислительных задач на квантовых процессорах. Контракт также включает в себя
техническое обслуживание, сопутствующие услуги и покупку квантового компьютера D-Wave One.[26]
См. также











Компьютеры пятого поколения
ДНК-компьютер
Молекулярный компьютер
Недетерминированная машина Тьюринга
Квантовый алгоритм
Квантовая информация
Квантовая память
Список новых перспективных технологий
Квантовое программирование
Квантовая нанотехнология
Эффект Джозефсона
Транзисторы на нанотрубках
Хорошо известно, что традиционная кремниевая пленарная технология для изготовления электронных
микросхем подошла близко к своему теоретическому пределу по миниатюризации отдельных элементов.
Дальше – размер в единицы нанометров: транзистор, сравнимый по величине с отдельно взятой молекулой.
И здесь, в числе других «претендентов», на сцену опять выходят углеродные нанотрубки (УНТ).
140
Прототипы транзисторов на УНТ уже созданы; мало того, что они меньше своих кремниевых
«предков», – они ещё и значительно превосходят их по быстродействию.
Как его сделать?
С помощью УНТ можно создать полевой транзистор, принцип действия которого полностью эквивалентен
работе традиционного полевого транзистора, – за исключением того, что каналом переноса носителей
заряда является углеродная трубка. Простейшая схема такого транзистора изображена на рисунке
Транзистор изготавливают следующим образом. На кремниевую пластину наносят пару электродов – сток и
исток, между которыми располагают нанотрубку. Сама пластина является затвором. В обычном состоянии
канал закрыт, т.к. имеется потенциальный барьер для дырок. Зона проводимости и валентная зона разделены
запрещённой зоной с шириной в несколько эВ.
Но если на затвор подать напряжение, которое приведёт к возникновению электрического поля там, где
находится УНТ, то её зонная диаграмма перестраивается, она становится хорошим проводником . Таким
образом, меняя напряжение на затворе, можно управлять проводимостью нанотрубки и соответственно
открывать или запирать транзистор.
Чем он может быть лучше кремниевого?
Во-первых, скорость работы УНТ- транзистора намного превосходит быстродействие кремниевых
транзисторов. По некоторым оценкам, нанотрубка может работать на частоте в I ТГц, что в сотни раз
быстрее, чем скорости современных компьютеров. В настоящее время уже созданы устройства на основе
нанотрубок, работающие на частотах до 30 ГГц, что на порядок больше тактовой частоты хорошего
современного процессора. Это достигается за счёт высокой подвижности электронов в пан отрубках (в
кремнии этот параметр составляет 1400 см2/В-с, а в нанотрубках – около 100 ООО смуВ-с).
Во-вторых, теоретический предел для миниатюризации кремниевых эле
ментов составляет 12 нм. Для УНТ такого предела нет, размеры элементов на их основе могут достигать
размеров молекулы. Уже созданы транзисторы размером 18×1 нм, которые, даже без существенной
оптимизации технологии их изготовления, по многим параметрам работают не хуже кремниевых, гораздо
больших по размерам. И это не предел миниатюризации.
В-третьих, процесс производства транзисторов на основе УНТ может быть сделан значительно
более простым, чем производство кремниевых элементов. Это возможно благодаря технологии печати
141
транзисторов краской, состоящей из углеродных нанотрубок, разрабатываемой компанией NEC. В
настоящий момент возможна печать транзистора целиком, включая электроды, слои изоляции и канаты из
УНТ. Несомненным преимуществом создаваемой технологии станет резкое снижение количества вредных
веществ, поступающих в окружающую среду; например, выбросы углекислого газа, но оценкам, могут быть
уменьшены более чем на 90%.
Кроме того, возможен синтез Y-образных нанотрубок, которые сами по себе уже могут выполнять
функции транзистора, без каких-либо дополнительных элементов. ПЭМ-фотография и схема подобного
транзистора приведены на рис. 3. Для создания таких структур на готовую УНТ наносят на- ночастицы
каталитически активного титана, которые выступают в роли точки роста второй «ветви» на поверхности уже
сформированной трубки. При приложении напряжения к «стволу» нанотрубки протекание электронов от
одной ветви к другой прекращается. Как только восстанавливается нулевой потенциал «ствола»
нанотранзистора, протекание тока через «ветви» возобновляется. Таким образом, подобная структура
работает аналогично полевому транзистору. Поэтому из разветвлённых сетей нанотрубок возможно
создание чипов для компьютеров, которые будут отличаться сверхкомпактностью и сверхбольшой
скоростью работы.
Очень может быть, что мы стоим на пороге настоящей технической революции в обширной и важнейшей
области вычислительных и телекоммуникационных технологий.
Графический процессор
Графический процессор (англ. graphics processing unit, GPU) — отдельное устройство персонального
компьютера или игровой приставки, выполняющее графический рендеринг. Современные графические
процессоры очень эффективно обрабатывают и отображают компьютерную графику, благодаря
специализированной конвейерной архитектуре они намного эффективнее в обработке графической
информации, чем типичный центральный процессор.
Графический процессор в современных видеоадаптерах применяется в качестве ускорителя трёхмерной
графики, однако его можно использовать в некоторых случаях и для вычислений (GPGPU).
Отличительными особенностями по сравнению с ЦП являются:


архитектура, максимально нацеленная на увеличение скорости расчёта текстур и сложных
графических объектов;
ограниченный набор команд.
Примером может служить чип HD6990 от AMD или GTX590 от nVidia.
GPGPU
GPGPU (англ. General-purpose graphics processing units — «GPU общего назначения») — техника
использования графического процессора видеокарты, который обычно имеет дело с вычислениями только
для компьютерной графики, чтобы выполнять расчёты в приложениях для общих вычислений, которые
обычно проводит центральный процессор. Это стало возможным благодаря добавлению программируемых
шейдерных блоков и более высокой арифметической точности растровых конвейеров, что позволяет
разработчикам ПО использовать потоковые процессоры для не-графических данных.
CUDA
CUDA (англ. Compute Unified Device Architecture) — программно-аппаратная архитектура, позволяющая
производить вычисления с использованием графических процессоров NVIDIA, поддерживающих
технологию GPGPU (произвольных вычислений на видеокартах). Впервые появились на рынке с выходом
чипа NVIDIA восьмого поколения — G80 и присутствует во всех последующих сериях графических чипов,
которые используются в семействах ускорителей GeForce, Quadro и NVidia Tesla.
142
CUDA SDK позволяет программистам реализовывать на специальном упрощённом диалекте языка
программирования Си алгоритмы, выполнимые на графических процессорах NVIDIA, и включать
специальные функции в текст программы на Cи. CUDA даёт разработчику возможность по своему
усмотрению организовывать доступ к набору инструкций графического ускорителя и управлять его
памятью, организовывать на нём сложные параллельные вычисления.
[править] Программная архитектура
Первоначальная версия CUDA SDK была представлена 15 февраля 2007 года. В основе CUDA API лежит
язык Си с некоторыми ограничениями. Для успешной трансляции кода на этом языке, в состав CUDA SDK
входит собственный Си-компилятор командной строки nvcc компании Nvidia. Компилятор nvcc создан на
основе открытого компилятора Open64 и предназначен для трансляции host-кода (главного, управляющего
кода) и device-кода (аппаратного кода) (файлов с расширением .cu) в объектные файлы, пригодные в
процессе сборки конечной программы или библиотеки в любой среде программирования, например в
NetBeans.
Использует grid-модель памяти, кластерное моделирование потоков и SIMD инструкции. Применим в
основном для высокопроизводительных графических вычислений и разработок NVIDIA-совместимого
графического API. Включена возможность подключения к приложениям, использующим OpenGL и
Microsoft Direct3D 9. Создан в версиях для Linux, Mac OS X, Windows.
22 марта 2010 года nVidia выпустила CUDA Toolkit 3.0, который содержал поддержку OpenCL.[1]
[править] Оборудование
Первая серия оборудования, поддерживающая CUDA SDK, G8x, имела 32-битный векторный процессор
одинарной точности, использующий CUDA SDK как API (CUDA поддерживает тип double языка Си, однако
сейчас его точность понижена до 32-битного с плавающей запятой). Более поздние процессоры GT200
имеют поддержку 64-битной точности (только для SFU), но производительность значительно хуже, чем для
32-битной точности (из-за того что SFU всего 2 на каждый потоковый мультипроцессор, а скалярных
процессоров 8). Графический процессор организует аппаратную многопоточность, что позволяет
задействовать все ресурсы графического процессора. Таким образом, открывается перспектива переложить
функции физического ускорителя на графический ускоритель (пример реализации — nVidia PhysX). Также
открываются широкие возможности использования графического оборудования компьютера для
выполнения сложных неграфических вычислений: например, в вычислительной биологии и в иных отраслях
науки.
[править] Преимущества
По сравнению с традиционным подходом к организации вычислений общего назначения посредством
возможностей графических API, у архитектуры CUDA отмечают следующие преимущества в этой области:




Интерфейс программирования приложений CUDA (CUDA API) основан на стандартном языке
программирования Си с некоторыми ограничениями. По мнению разработчиков, это должно
упростить и сгладить процесс изучения архитектуры CUDA[2]
Разделяемая между потоками память (shared memory) размером в 16 Кб может быть использована
под организованный пользователем кэш с более широкой полосой пропускания, чем при выборке из
обычных текстур
Более эффективные транзакции между памятью центрального процессора и видеопамятью
Полная аппаратная поддержка целочисленных и побитовых операций
[править] Ограничения

Все функции, выполнимые на устройстве, не поддерживают рекурсии (в версии CUDA Toolkit 3.1
поддерживает указатели и рекурсию) и имеют некоторые другие ограничения
143

Архитектуру CUDA поддерживает и развивает только производитель NVidia
OpenCL
OpenCL (от англ. Open Computing Language — открытый язык вычислений) — фреймворк для написания
компьютерных программ, связанных с параллельными вычислениями на различных графических
(англ. GPU) и центральных процессорах (англ. CPU). В фреймворк OpenCL входят язык программирования,
который базируется на стандарте C99, и интерфейс программирования приложений (англ. API). OpenCL
обеспечивает параллелизм на уровне инструкций и на уровне данных и является реализацией техники
GPGPU. OpenCL является полностью открытым стандартом, его использование не облагается
лицензионными отчислениями.
Цель OpenCL состоит в том, чтобы дополнить OpenGL и OpenAL, которые являются открытыми
отраслевыми стандартами для трёхмерной компьютерной графики и звука, пользуясь возможностями GPU.
OpenCL разрабатывается и поддерживается некоммерческим консорциумом Khronos Group, в который
входят много крупных компаний, включая Apple, AMD, Intel, nVidia, ARM, Sun Microsystems, Sony
Computer Entertainment и другие.
OpenCL первоначально был разработан в компании Apple Inc. Apple внесла предложения по разработке
спецификации в комитет Khronos. Вскоре компания AMD решила поддержать разработку OpenCL (и
DirectX 11), который должен заменить фреймворк Close to Metal. [1] [2]
16 июня 2008 года была сформирована рабочая группа Khronos Compute для разработки спецификаций
OpenCL. В нее вошли Apple, nVidia, AMD, IBM, Intel, ARM, Motorola и другие компании, в том числе
специализирующиеся на создании компьютерных игр. Работа велась в течение пяти месяцев, по истечении
которых 9 декабря 2008 года организация Khronos Group представила первую версию стандарта.
OpenCL 1.0 была выпущена вместе с Mac OS X 10.6. [3]
20 апреля 2009 года nVidia представила бета-драйвер и комплект для разработки программного обеспечения
(SDK) с поддержкой открытого GPGPU-стандарта OpenCL. Данный бета-драйвер предназначен для
разработчиков, участвующих в программе «OpenCL Early Access», которые уже с 20 апреля могут принять
участие в тестировании бета-версии. Для участников программы «GPU Computing Registered Developers»
бета-версия драйвера OpenCL будет доступна позже.[4][5][6]
5 апреля 2009 года компания AMD анонсировала доступность для загрузки beta-версии комплекта
разработчика ATI Stream SDK v2.0 в который входит язык мультипроцессорного программирования
OpenCL.
26 ноября 2009 года компания nVidia выпустила драйвер с поддержкой OpenCL 1.0 (rev 48).
Для получения наглядного представления, как технология OpenCL использует возможности 24-х ядерной
системы для отрисовки видео эффектов, рекомендуется посмотреть следующий демо-ролик [1].
OpenCL 1.1 был представлен организацией Khronos Group 14 июня 2010 года. В новой версии значительно
расширены функциональные возможности для параллельного программирования, гибкость и
производительность, а так же:





Новые типы данных, включая 3-компонентные векторы и дополнительные форматы изображений;
Обработка команд из нескольких потоков хоста и обработки буфера между несколькими
устройствами;
Операции по регионам буфера включая чтение, запись и копирование 1D, 2D или 3D
прямоугольных областей;
Расширенное использование события для управления и контроля выполнения команд;
Улучшенное взаимодействие с OpenGL за счет эффективного обмена изображениями.
144
OpenCL 1.2 увидел свет 15 ноября 2011 года. В новой версии отмечено множество небольших улучшений,
связанных с увеличением гибкости языка и оптимизацией производительности. Из добавленных в OpenCL
1.2 значительных новшеств отмечается:





Партицирование устройств - возможность разбиения на уровне OpenCL-приложения устройства на
несколько подустройств для непосредственной привязки работ к конкретным вычислительным
блокам, резервирования ресурсов для более приоритетных задач или более эффективного
совместного использования аппаратных ресурсов, таких как кэш;
Раздельная компиляция и связывание объектов - появилась возможность создания динамических
библиотек, позволяющих использовать в сторонних программах, ранее реализованные
подпрограммы с OpenCL-вычислениями;
Расширенная поддержка изображений, включая возможность работы с одномерными
изображениями и массивами одномерных или двухмерных изображений. Кроме того, в расширении
для организации совместного доступа (sharing) добавлена возможность создания OpenCLизображения на основе отдельных текстур OpenGL или массивов текстур;
Встроенные OpenCL-ядра теперь позволяют использовать возможности специализированного или
непрограммируемого аппаратного обеспечения и связанных с ним прошивок. Например, появилась
возможность использования возможностей и более тесной интеграции с фреймворком OpenCL
таких устройств, как DSP-процессоры или видео кодировщики/декодировщики;
Возможность бесшовного совместного использования поверхностей (Media Surface Sharing) между
OpenCL и API DirectX 9/11.
Особенности языка
Ключевыми отличиями используемого языка от C99 являются:




Отсутствие поддержки указателей на функции, рекурсии, битовых полей, массивов переменной
длины (VLA), стандартных заголовочных файлов[8]
Расширения языка для параллелизма: векторные типы, синхронизация, функции для Workitems/Work-Groups[8]
Квалификаторы типов памяти: __global, __local, __constant, __private
Иной набор встроенных функций
Массово-параллельная архитектура
Массово-параллельная архитектура (англ. Massive Parallel Processing, MPP) — класс архитектур
параллельных вычислительных систем. Особенность архитектуры состоит в том, что память физически
разделена.
Система строится из отдельных узлов (англ. node), содержащих процессор, локальный банк оперативной
памяти, коммуникационные процессоры или сетевые адаптеры, иногда — жесткие диски и/или другие
устройства ввода/вывода. Доступ к банку оперативной памяти данного узла имеют только процессоры из
этого же узла. Узлы соединяются специальными коммуникационными каналами.
Пользователь может определить логический номер процессора, к которому он подключен, и организовать
обмен сообщениями с другими процессорами. На машинах массово-параллельной архитектуры
используются два варианта работы операционной системы:


В одном полноценная операционная система работает только на управляющей машине (front-end), а
на каждом отдельном узле функционирует сильно урезанный вариант ОС, обеспечивающий работу
расположенной в нем ветви параллельного приложения.
Во втором варианте на каждом модуле работает полноценная, чаще всего UNIX-подобная ОС,
устанавливаемая отдельно.
[править] Преимущества архитектуры
145
Главным преимуществом систем с раздельной памятью является хорошая масштабируемость: в отличие от
SMP-систем, в машинах с раздельной памятью каждый процессор имеет доступ только к своей локальной
памяти, в связи с чем не возникает необходимости в потактовой синхронизации процессоров. Практически
все рекорды по производительности в 1990-е годы установлены на машинах именно такой архитектуры,
состоящих из нескольких тысяч процессоров (ASCI Red, ASCI Blue Pacific).
[править] Недостатки архитектуры



отсутствие общей памяти заметно снижает скорость межпроцессорного обмена, поскольку нет
общей среды для хранения данных, предназначенных для обмена между процессорами. Требуется
специальная техника программирования для реализации обмена сообщениями между
процессорами;
каждый процессор может использовать только ограниченный объем локального банка памяти;
вследствие указанных архитектурных недостатков требуются значительные усилия для того, чтобы
максимально использовать системные ресурсы. Именно этим определяется высокая цена
программного обеспечения для массово-параллельных систем с раздельной памятью.
Многоядерный процессор
Многоя́дерный проце́ссор — центральный процессор, содержащий два и более вычислительных ядра на
одном процессорном кристалле или в одном корпусе.
[править] Архитектура многоядерных систем
Многоядерные процессоры можно классифицировать по наличию поддержки когерентности кеш-памяти
между ядрами. Бывают процессоры с такой поддержкой и без нее.
Способ связи между ядрами:




разделяемая шина
сеть (Mesh) на каналах точка-точка
сеть с коммутатором
общая кеш-память
Кеш-память: Во всех существующих на сегодняшний день многоядерных процессорах кеш-памятью 1-го
уровня обладает каждое ядро в отдельности, а кеш-память 2-го уровня существует в нескольких вариантах:


разделяемая — расположена на одном кристалле с ядрами и доступна каждому из них в полном
объёме. Используется в процессорах семейств Intel Core.
индивидуальная — отдельные кеши равного объёма, интегрированные в каждое из ядер. Обмен
данными из кешей 2-го уровня между ядрами осуществляется через контроллер памяти —
интегрированный (Athlon 64 X2, Turion X2, Phenom) или внешний (использовался в Pentium D, в
дальнейшем Intel отказалась от такого подхода).
[править] Производительность
В приложениях, оптимизированных под многопоточность, наблюдается прирост производительности на
многоядерном процессоре. Однако, если приложение не оптимизировано, то оно не будет получать
практически никакой выгоды от дополнительных ядер, а может даже выполняться медленнее, чем на
процессоре с меньшим количеством ядер, но большей тактовой частотой. Это в основном приложения,
разработанные до появления многоядерных процессоров, либо приложения, в принципе не использующие
многопоточность.
146
Большинство операционных систем позволяют выполнять несколько приложений одновременно. При этом
получается выигрыш в производительности даже если приложения однопоточные.
[править] Наращивание количества ядер
На сегодняшний день основными производителями процессоров — Intel и AMD дальнейшее увеличение
числа ядер процессоров признано как одно из приоритетных направлений увеличения производительности.
В 2011 год освоено производство 8-ядерных процессоров для домашних компьютеров,[1] и 16-ядерных для
серверных систем.[2]
Имеются экспериментальные разработки процессоров с большим количеством ядер (более 20). Некоторые
из таких процессоров уже нашли применение в специфических устройствах.
[править] История массовых многоядерных процессоров
Двуядерные процессоры различных архитектур существовали ранее, например IBM PowerPC-970MP (G5),
но их использование было ограничено узким кругом специализированных применений.
В апреле 2005 года AMD выпустила 2-ядерный процессор Opteron архитектуры AMD64, предназначенный
для серверов. В мае 2005 года Intel выпустила процессор Pentium D архитектуры x86-64, ставший первым 2ядерным процессором, предназначенным для персональных компьютеров.
В марте 2010 года появились первые 12-ядерные серийные процессоры, которыми стали серверные
процессоры Opteron 6100 компании AMD (архитектура x86/x86-64).[3]
В августе 2011 года компанией AMD были выпущены первые 16-ядерные серийные серверные процессоры
Opteron серии 6200 (кодовое наименование Interlagos). Процессор Interlagos объединяет в одном корпусе два
8-ядерных (4-модульных) чипа и является полностью совместимым с существующей платформой AMD
Opteron серии 6100 (Socket G34).[4]
[править] История экспериментальных многоядерных процессоров
27 сентября 2006 года Intel продемонстрировала прототип 80-ядерного процессора.[5] Предполагается, что
массовое производство подобных процессоров станет возможно не раньше перехода на 32-нанометровый
техпроцесс.
20 августа 2007 года компания Tilera, анонсировала чип TILE64 (англ.) с 64 процессорными ядрами и
встроенной высокопроизводительной сетью, посредством которой обмен данными между различными
ядрами может происходить со скоростью до 32 Тбит/с.[6][7]
26 октября 2009 года Tilera анонсировала[8] 100-ядерный процессор широкого назначения серии TILE-Gx
(англ.). Каждое процессорное ядро представляет собой отдельный процессор с кеш-памятью 1 и 2 уровней.
Ядра, память и системная шина связаны посредством топологии mesh network. Процессоры производятся по
40-нм техпроцессу и работают на тактовой частоте 1,5 ГГц. Выпуск 100-ядерных процессоров назначен на
начало 2011 года.
2 декабря 2009 года Intel продемонстрировала одночиповый «облачный» Single-chip Cloud Computer (SCC)
компьютер, представляющий собой 48-ядерный чип. «Облачность» процессора состоит в том, что все 48
ядер сообщаются между собой как сетевые узлы. SCC — часть проекта, целью которого является создание
100-ядерного процессора. Ожидается, что некоторые функции SCC появятся в серийных процессорах Intel в
2010 году.[9]
В июне 2011 года Intel раскрыла детали разрабатываемой архитектуры Many Integrated Core (MIC) — эта
технология выросла из проекта Larrabee. Микропроцессоры на основе этой архитектуры получат более 50
микроядер архитектуры x86 и начнут производится в 2012 году по 22-нм техпроцессу. Эти
147
микропроцессоры не могут быть использованы в качестве центрального процессора, но из нескольких чипов
этой архитектуры будут строиться вычислительные ускорители в виде отдельной карты расширения и
конкурировать на рынках GPGPU и высокопроизводительных вычислений с решениями типа Nvidia Tesla и
AMD FireStream.[10]
В октябре 2011 года компания Adapteva представила 64-ядерные микропроцессоры Epiphany IV, которые
показывают производительность до 70 гигафлопс, при этом потребляя менее 1 Вт электроэнергии.
Микропроцессоры спроектированы с использованием RISC-архитектуры и начнут массово производится в
начале 2012 года по 28-нм техпроцессу. Данные процессоры не могут быть использованы в качестве
центрального процессора, но компания Adapteva предлагает использовать их в качестве сопроцессора для
таких сложных задач, как распознавание лиц или жестов пользователя. Компания Adapteva утверждает, что
в дальнейшем число ядер данного микропроцессора может быть доведено до 4096[11].
В январе 2012 года компания ZiiLabs (дочернее предприятие Creative Technology) анонсировала 100ядерную систему на чипе ZMS-40. Эта система, объединяющая 4-ядерный процессор ARM Cortex-A9 1,5
ГГц (с мультимедийными блоками Neon) и массив из 96 более простых и менее универсальных
вычислительных ядер StemCell. Ядра StemCell — это энергоэффективная архитектура SIMD, пиковая
производительность при вычислениях с плавающей запятой (32 бит) — 50 гигафлопс, ядра которой
работают скорее как GPU в других системах на чипе, и могут быть использованы для обработки видео,
изображений и аудио, для ускорения 3D- и 2D-графики и других мультимедийных задач (поддерживается
OpenGL ES 2.0 и OpenCL 1.1)[12].
Hyper-threading
Hyper-threading (англ. Hyper-threading — Гиперпоточность, официальное название Hyper-Threading
Technology (HTT)) — торговая марка компании Intel для разработанной ею реализации технологии
«одновременной мультипоточности» (англ. Simultaneous multithreading) в процессорах на микроархитектуре
NetBurst. Расширенная форма суперпоточности (англ. Super-threading), впервые появившаяся в процессорах
Intel Xeon и позднее добавленная в процессоры Pentium 4.
Эта технология увеличивает производительность процессора при определённых рабочих нагрузках путём
предоставления «полезной работы» (англ. useful work) исполнительным устройствам (англ. execution units),
которые иначе будут бездействовать; к примеру, в случаях кэш-промаха. Процессоры Pentium 4 (с одним
физическим ядром) с включённым Hyper-threading операционная система определяет как два разных
процессора вместо одного.
В процессорах Core 2 Duo поддержка технологии Hyper-threading не была реализована. В процессорах Core
i7 снова используется Hyper-threading, при этом каждое физическое ядро процессора определяется
операционной системой как два логических. Также эта технология присутствует в мобильных процессорах
Core i3, Core i5 и даже в некоторых процессорах серии Atom.
[править] Принцип работы
В процессорах с использованием этой технологии каждый физический процессор может хранить состояние
сразу двух потоков, что для операционной системы выглядит как наличие двух логических процессоров
(англ. Logical processor). Физически у каждого из логических процессоров есть свой набор регистров и
контроллер прерываний (APIC), а остальные элементы процессора являются общими. Когда при исполнении
потока одним из логических процессоров возникает пауза (в результате кэш-промаха, ошибки предсказания
ветвлений, ожидания результата предыдущей инструкции), то управление передаётся потоку в другом
логическом процессоре. Таким образом, пока один процесс ждёт, например, данные из памяти,
вычислительные ресурсы физического процессора используются для обработки другого процесса. [1]
[править] Производительность
148
Были представлены следующие преимущества Hyper-threading: улучшенная поддержка многопоточного
кода, позволяющая запускать потоки одновременно; улучшенная реакция и время отклика; увеличенное
количество пользователей, которое может поддерживать сервер.
По словам Intel, первая реализация потребовала всего 5-процентного увеличения площади кристалла, но
позволяла увеличить производительность на 15—30 %.
Intel утверждает, что прибавка к скорости составляет 30 % по сравнению с идентичным процессорами
Pentium 4 без технологии «Simultaneous multithreading». Однако прибавка к производительности изменяется
от приложения к приложению: некоторые программы вообще несколько замедляются при включённой
технологии Hyper-threading. Это, в первую очередь, связано с «системой повторения» (англ. replay)
процессоров Pentium 4, занимающей необходимые вычислительные ресурсы, отчего и начинают «голодать»
другие потоки [2][3].
149
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа