<<

стр. 18
(всего 40)

СОДЕРЖАНИЕ

>>

чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе
ство памяти, разрядность шины данных, быстродействие.
работы конвейера, тем выше частота его работы. RISC-про-
Архитектуру микропроцессора (МП) определяет разряд-
цессоры с самого начала ориентированы на реализацию всех
ность слова и внутренней шины данных МП. Первые МП ос-
возможностей ускорения арифметических операций, поэто-
новывались на 4-разрядной архитектуре. Первые ПЭВМ ис-
му их конвейеры обладают значительно более высоким бы-
пользовали МП с 8-разрядной архитектурой, а современные
стродействием, чем в CISC-процессорах. Поэтому RISC-про-
МП основаны на 32- и 64-разрядной архитектуре.
цессоры в 2—4 раза быстрее имеющих ту же тактовую час-
Микропроцессоры с 4- и 8-разрядной архитектурой ис-
тоту CISC-процессоров с обычной системой команд и более
пользовали последовательный принцип выполнения команд,
высокопроизводительны, несмотря на больший размер про-
при котором очередная операция начинается только после
грамм. RISC-архитектура построена на 4 основных прин-
выполнения предыдущей. В некоторых МП с 16-разрядной
ципах:
архитектурой используются принципы параллельной работы,
1. Любая операция должна выполняться за один такт,
при которой одновременно с выполнением текущей команды
вне зависимости от ее типа.
производятся предварительная выборка и хранение последу-
2. Система команд должна содержать минимальное коли-
ющих команд. В МП с 32-разрядной архитектурой использу-
чество наиболее часто используемых простейших инструкций
ется конвейерный метод выполнения команд, при котором
одинаковой длины.
несколько внутренних устройств МП работают параллельно,
3. Операции обработки данных реализуются только в
производя одновременно обработку нескольких последова-
формате «регистр — регистр» (операнды выбираются из опе-
тельных команд программы.
ративных регистров процессора, и результат операции запи-
Адресное пространство памяти определяется разряд-
сывается также в регистр; а обмен между оперативными реги-
ностью адресных регистров и адресной шины МП. В 8-раз-
страми и памятью выполняется только с помощью команд за-
рядных МП адресные регистры обычно составляются из
грузки/записи).
двух 8-разрядных регистров, образуя 16-разрядную шину,
4. Состав системы команд должен быть удобен для ком-
адресующую 68 КБ памяти. В 16-разрядных МП, как пра-
пиляции операторов языков высокого уровня.
вило, используются 20-разрядные адресные регистры, ад-
Усложнение RISC-процессоров фактически приближает
ресующие 1 МБ памяти. В 32-разрядных МП используются
их архитектуру к CISC-архитектуре.
24- и 32-разрядные адресные регистры, адресующие от 16 МБ
В настоящее время число процессоров с RISC-архитек-
до 4 ГБ памяти.
турой существенно возросло и все ведущие фирмы США их
Для выборки команд и обмена данными с памятью МП
производят, в том числе фирмы Intel, Motorola — производи-
имеют шину данных, разрядность которой, как правило, сов-
тели основных семейств процессоров с CISC-архитектурой.
падает с разрядностью внутренней шины данных, определяе-
мой архитектурой МП. Однако для упрощения связи с внеш-
1.2. CISC ней аппаратурой внешняя шина данных может иметь разряд-
ность меньшую, чем внутренняя шина и регистры данных.
Микропроцессоры с архитектурой CISC (Complex Например, некоторые МП с 16-разрядной архитектурой име-
Instruction Set Computers — архитектура вычислений с полной ют 8-разрядную внешнюю шину данных. Они представляют
системой команд) реализуют на уровне машинного языка ком- собой специальные модификации обычных 16-разрядных МП
плексные наборы команд различной сложности, от простых, и обладают практически той же вычислительной мощностью.
характерных для микропроцессора первого поколения, до Одним из важных параметров МП является тактовая
очень сложных. Большинство современных процессоров для частота его работы и работы системной шины, которая обыч-
персональных компьютеров построено по архитектуре CISC. но задается внешними синхросигналами. Для современных про-
В последнее время появились гибридные процессоры, цессоров стандартными являются частоты системной шины
которые имеют систему команд CISC, однако внутри преобра- 66, 100, 133 МГц, а собственная частота достигает 3 ГГц. Вы-
зовывают их в цепочки RISC-команд, которые и исполняются полнение простейших команд (например, сложение двух опе-
ядром процессора. рандов из регистров или пересылка операндов в регистрах
Постепенное усложнение CISC-процессоров происходит МП) требует минимально двух периодов тактовых импуль-
в направлении более совершенного управления машинными сов (для выборки команды и ее выполнения). Более сложные
ресурсами, а также в направлении сближения машинных язы- команды требуют для выполнения до 10—20 периодов такто-
ков с языками высокого уровня. вых импульсов. Если операнды находятся не в регистрах, а в
В то же время сложная система команд и переменный памяти, дополнительное время расходуется на выборки опе-
формат команды процессором с CISC-архитектурой привели рандов в регистры и запись результата в память.
к быстрому росту сложности схем. Так, процессор 8086 со- Скорость работы МП определяется не только тактовой
держал 29 тыс. транзисторов, 80 386 — 275 000, Pentium — частотой, но и набором его команд, их гибкостью, развитой
3 100 000, Pentium 4 — 42 млн транзисторов. Для того чтобы системой прерываний.
такие процессоры вообще могли работать с приемлемым энер- В соответствии с законом Мура (сформулированным в
гопотреблением и размещаться на ограниченной площади, про- 1965 г. Гордоном Муром, одним из создателей Intel), CPU
изводители работают над миниатюризацией транзисторов. Уже удваивает свою мощность и возможности каждые 18 месяцев.
достигнут уровень 0,09 мкм. Этот закон действует на протяжении уже почти сорока лег.
270 Информатика

Однако законы физики ограничивают разработчиков Pentium II изготовлен по такой технологии, он был бы раз-
в непосредственном увеличении частоты, и хотя частоты мером 14x20 см и был бы медленным — быстрые транзисто-
растут каждый год, это не может дать того прироста произ- ры малы. Большинство процессоров сегодня используют
водительности, что мы используем сегодня. Вот почему ин- 0.13-микрониую технологию, а на подходе уже и 0.09-мик-
женеры постоянно ищут способ заставить процессор вы- ронный процесс.
полнять больше работы за каждый тик. Развитие состоит в
расширении шины данных и регистров. Даже 4-битные про-
цессоры способны складывать 32-битные числа, правда, вы- 2. ПРОЦЕССОРЫ INTEL ARCHITECTURE
полнив массу инструкций; 32-битные процессоры решают
эту задачу в одну инструкцию. Большинство сегодняшних 2.1. История процессоров IA
процессоров имеют 32-разрядную архитектуру, на повестке
Архитектура Intel Architecture стала стан;иртом «де-фак-
уже 64-разрядные.
то» современной компьютерной индустрии по:ле того, как в
1981 г. компания IBM выбрала для своего первого персо-
1.4. Процесс производства
нального компьютера IBM PC процессор Intei 8088. Осново-
полагающими факторами такой популярности Intel считает
Кремний или силикон — это основной материал для про-
полную совместимость программного обеспечэния, разрабо-
изводства чипов. Это полупроводник, который, будучи приса-
танного под Intel Architecture процессоры, и вс э более серьез-
жен добавками по специальной маске, становится транзисто-
ные увеличения производительности, предлагавшиеся с вы-
ром, основным строительным блоком цифровых схем. Процесс
ходом новых поколений процессоров.
подразумевает вытравливание транзисторов, резисторов, пере-
Родоначальниками процессорной архитектуры Intel
секающихся дорожек и т. д. на поверхности кремния.
Architecture являлись 16-разрядные процессора 8088 и 8086,
Сперва выращивается кремневая болванка. Она должна
причем объектный код, разработанный в расчете на них в 1978 г.,
иметь бездефектную кристаллическую структуру, этот аспект
и поныне без проблем исполняется на самых госледних про-
налагает ограничение на ее размер. В прежние дни болванка
цессорах 32-разрядной архитектуры IA-32.
ограничивалась диаметром в 2 дюйма, а сейчас — 8 дюймов. На
следующей стадии болванка разрезается на слои, называемые Процессор 8086 имел 16-разрядные регистры общего
пластинами (wafers). Они полируются до безупречной зеркаль- назначения, 16-разрядную шину данных и 20-разрядную шину
ной поверхности, На этой пластине и создается чип. Обычно адреса, что позволяло ему оперировать адрес ным простран-
из одной пластины делается много процессоров. ством в 1 МБ. Отличие процессора 8088 заключалось в 8-
разрядной шине данных.
Электрическая схема состоит из разных материалов.
Эти процессоры привнесли сегментацию в архитектуру
Например, диоксид кремния — это изолятор, из полисиликона
IA-32. Память разделялась на сегменты размером до 64 КБ.
изготавливаются проводящие дорожки. Когда появляется
Оперируя четырьмя сегментными регистрами одновременно,
открытая пластина, она бомбардируется ионами для создания
процессор имел возможность адресации до 256 КБ памяти без
транзисторов — .это и называется присадкой.
переключения между сегментами. При этом 20-разрядные ад-
Чтобы создать все требуемые детали, на всю поверхность
реса получались путем добавления 16-разря.!шого адреса к
пластины добавляются слои и лишние части вытравливаются
указателю сегментного регистра.
вновь. Для этого новый слой покрывается фоторезистором,
Процессор 80286 привнес в архитектуру (Д-32 защищен-
на который проектируется образ требуемых деталей. После
ный режим. В нем содержимое сегментных регистров исполь-
экспозиции проявление удаляет части фоторезистора, выстав-
зуется в качестве указателей на таблицы дескрипторов, кото-
ленные на свет, оставляя маску, через которую проходило
рые давали возможность 24-разрядной адресации, что состав-
вытравливание. Оставшийся фоторезистор удаляется раство-
ляло 16 МБ адресного пространства. К тому же появилась воз-
рителем.
можность проверки границ сегментов, опций read и execute-
Этот процесс повторяется, по слою за раз, до полного
only для сегментов и 4 уровня защиты кода операционной сис-
создания всей схемы. Излишне говорить, что детали размером
темы от приложений и защита приложений друг от друга.
в миллионную долю метра может испортить мельчайшая пылин-
Intel 80386 стал первым 32-разрядным процессором в
ка. Такая пьиинка может быть размером от микрона до ста — а
архитектуре IA-32. В архитектуру введены 32-разрядные ре-
это в 3—300 раз больше детали. Микропроцессоры произво-
гистры общего назначения (GP — general purpose), подходя-
дятся в сверхчистой среде, где операторы одеты в специаль-
щие как для хранения адресов, так и для операндов. Нижняя и
ные защитные костюмы.
верхняя половины сохранили возможность работы в качестве
В прежние времена производство полупроводников при-
самостоятельных регистров для обеспечения совместимости с
водило к удаче или неудаче с отношением успеха менее 50%
предыдущими процессорами. Для обеспечения эффективного
работающих чипов. Сегодня выход готовой продукции на-
выполнения кода, созданного под ранние процесс эры, на 32-раз-
много выше, но никто не ожидает 100%. Как только новый
рядных процессорах был введен виртуальный х86-режим.
слой добавляется на пластину, каждый чип тестируется и от-
Имея 32-разрядную шину адреса, 80386 процессор под-
мечается любое несоответствие. Индивидуальные чипы отде-
держивал адресацию до 4 ГБ памяти. При этои была возмож-
ляются. Плохие бракуются, а хорошие упаковываются в PGA-
ность использования как сегментированной ламяти, так и
корпус (Pin Grid Arrays) — керамический прямоугольник с
«плоской», при которой все сегментные регистры содержали
рядами штырьков на дне; именно такой корпус большинство
указатель на один и тот же адрес, и в каждом сегменте доступ-
людей принимают за процессор.
но все 4-гигабайтное адресное пространство. Для виртуально-
Intel 4004 использовал 10-микронный процесс: наимень-
го управления памятью вводится страничный метод, при ко-
шие детали составляли одну 10-миллионную метра. По сегод-
тором адресное пространство делится на фиксированные стра-
няшним стандартам это чудовищно. Если предположить, что
Процессор 271

ницы размером по 4 КБ, эффективность которого значительно и данные приходилось по 8 КБ, причем кэш данных использо-
превышала использование сегментов, 16-разрядные инструкции, вал более эффективную схему с обратной записью. Для эф-
доставшиеся в наследство от предыдущих процессоров, полу- фективного предсказания переходов в циклических конструк-
чили возможность работы с 32-разрядными операндами и ад- циях применялась встроенная таблица ветвлений.
ресами, а также был добавлен ряд новых 32-разрядных инст- В виртуальном х86-режиме в дополнение к 4-килобайт-
рукций. ным страницам появилась поддержка 4-мегабайтных страниц.
В архитектуре процессоров Intel поддержизается обрат- Регистры остались 32-разрядными, но некоторые внутрен-
ная совместимость с объектным кодом для сохранения совме- ние шины расширились до 64 и даже 128 разрядов. Также
стимости программного обеспечения, но в то ЖР время в каж- 64-разрядной стала внешняя шина данных.
дом новом поколении используются все более эффективные Последний процессор этого поколения, Pentium MMX,
микропроцессорные архитектуры и технологии конструиро- привнес в архитектуру расширенный набор команд, позво-
вания. Intel работала по внедрению и соединению сложной лявший эффективно оперировать упакованными целочислен-
техники архитектуры mainframe в микропроцессорную архи- ными данными, находящимися в 64-разрядных ММХ-регист-
тектуру. Многие модели параллельной обработки намного рах.
усиливали производительность техники, и процессор 80386 В 1995 г. было представлено семейство процессоров Р6,
был первым процессором IA, в который включили шесть па- имевшее уже 3 независимых конвейера. Первым процессором
раллельных стадий. Это интерфейсный блок шины (доступ к этого семейства был процессор Pentium Pro.
памяти и устройству ввода/вывода других блоков), блок пред- Принципиальное отличие этого семейства состоит в том,
варительного кода (получает объектный код из блока шины и что Р6 преобразует команды х86 во внутренние, RISC-подоб-
помещает его в 16 байтную очередь), блок декодирования ные команды, называемые микрокомандами (micro-ops). Это
инструкции (декодирует объектный код из предварительного позволяет устранить многие ограничения, свойственные на-
блока в микрокод), блок выполнения (выполняет инструкции бору команд х86: нерегулярность кодирования команд, опе-
микрокода), сегментный блок (переводит логические адреса в рации целочисленных пересылок типа «регистр—память» и пе-
линейные адреса и выполняет проверку защиты) и странич- ременная длина непосредственных операндов.
ный блок (переводит линейные адреса в физические, выпол- Шина адреса процессоров Р6 расширилась до 36 разря-
няет проверку страничной защиты и содержит кэш с инфор- дов, что позволяет использовать адресное пространство раз-
мацией о 32 наиболее часто используемых страницах). мером до 64 ГБ.
В процессор i486 добавлена возможность параллельного В процессор Pentium II к архитектуре процессора Pentium
выполнения с помощью расширения блока декодирования Pro добавлены команды ММХ. Для процессора Pentium II
инструкции и блока выполнения процессора 80386 в пять кон- вводится новая спецификация установки в материнскую пла-
вейерных стадий, где каждая стадия (если нужно) работает ту слота 1 и слота 2. В этой новой спецификации кэш L2 выно-
параллельно с другими и одновременно может выполняться сится из кристалла. Для слота 1 и слота 2 используется ножевое
до пяти инструкций в разных стадиях. Каждая стадия может соединение вместо сокета. В процессоре Pentium II увеличен
выполнить свою работу над одной инструкцией за один такт, кэш данных L1 и кэш инструкций L1 до 16 КБ каждый. В про-
то есть процессор i486 может выполнить работу над одной цессоре Pentium II размер кэша L2 может быть 256 КБ, 512 КБ и
инструкцией за один такт CPU. Также к процессору i486 был 1 МБ или 2 МБ (только для слота 2). Процессоры слота 1
добавлен 8-килобайтный кэш L1 для увеличения процента используют «половинную тактовую частоту» шины, а процес-
инструкций, которые могут быть выполнены за один такт: соры слота 2 используют «полную тактовую частоту» шины.
инструкции доступа в память (если операнд находился в кэше Процессор Pentium !!!, выпущенный в 1999 г., привнес
L1). В Процессоре i486 впервые на чип с CPU был интегри- в архитектуру IA-32 расширения SSE (Streaming SIMD
рован блок арифметического устройства с плавающей запя- (Single Instruction Multiple Data) Extensions) — стали дос-
той (FPU) и добавлены новые контакты, биты и инструкции тупны новые 128-разрядные регистры и SIMD-операции над
для поддержки более сложных и мощных систем (поддерж- упакованными операндами с плавающей запятой с одинар-
ку Ь2-кэша и мультипроцессорное™). ной точностью.
Позже Intel добавила в процессор i486 SL Enhanced (рас-
ширенный) функции поддержки энергосбережения и другие 2.2. Как работают процессоры IA-32
возможности системного управления. Эти функции были раз-
Полная обработка каждой инструкции занимает опреде-
виты в процессорах 80386 SL и i486 SL, которые были специ-
ленное количество тактов процессора. При этом возможно
ализированы для быстро растущего рынка ноутбуков PC, ра-
разделить процесс обработки на этапы, что позволит начать
ботающих от батарей. Эти функции включали новый режим
выполнение следующей команды сразу за тем, как предыду-
управления системой, запускаемый собственным выделенным
щая команда пройдет первый этап — это, собственно, и есть
контактом прерывания, который позволяет управлять систе-
принцип конвейерной обработки (pipelining), применяемый
мой (такой, как управление энергосбережением) и добавляет-
еще со времен процессоров i486 и Pentium, в которых исполь-
ся к системе прозрачно для других операционных систем И
зовался стандартный 5-ступенчатый конвейер.
всех приложений. Функции стоп таймер и автоматическая
Суперконвейеризация (superpipelining), примененная в
остановка позволяют CPU работать на пониженной частоте
семействе Р6, делит ступени стандартного конвейера на более
(для сохранения энергии) или остановиться (с сохранением
мелкие части. С увеличением числа ступеней каждая отдель-
текущего состояния).
ная ступень выполняет меньшую работу и, следовательно, со-
Процессор Pentium стал первым процессором, в котором
держит меньше аппаратной логики. Временной интервал меж
была применена суперскалярная архитектура — два конвейе-
ду поступлением набора входных воздействий на вкоды схе-
ра, называвшиеся U и V, позволяли выполнять 2 инструкции
мы и появлением результирующих сигналов на ее выходях -
за такт Количество Ll-кэша удвоилось — теперь на команды
274 Информатика

понентами. К микросхемам ядра и кэша прилагает термоплас-
тельности микроопераций, поступающих для выполнения в
тина, распределяющая тепло, к которой снаружи крепится вен-
исполнительные устройства процессора. Емкость этого кэша
тилятор (или иное охлаждающее устройство) Спереди карт-
составляет 12 000 микроопераций.
ридж закрыт крышкой.
Кэш 2-го уровня в Pentium 4, сделанном на ядре
2. SECC 2 — картридж для тех же процессоров, который
Willamette, остался объемом 256 КБ. Ширина шины кэша L2-
появился, начиная с частоты 350 МГц. От предыдущего отли-
составляет 256 бит, но латентность кэша уменьшилась в два
чается тем, что не имеет термопластины — внешние «холо-
раза, что позволило добиться пропускной способности кэша в
дильники» прижимаются прямо к корпусам микросхем ядра и
48 ГБ при частоте 1,5 ГГц.
кэша, что снижает тепловое сопротивление и повышает эф-
Самой интересной особенностью новых процессоров
фективность охлаждения. Сами процессоры, устанавливаемые
Pentium 4 является расширение набора команд процессора
на SECC 2, могут быть как в корпусах PLGA (Plastic Land Grid
инструкциями Streaming SIMD Extensions 2 (SSE2). В отли-
Array), так и в OLGA (Organic Land Grid Array).
чие от AMD, которая сильно переработала блок FPU, Intel
решила оставить его практически без изменений, но зато до- 3. SEPP (Single Edge Processor Package) - картридж про-
полнила его множеством команд для работы с потоками дан- цессоров Celeron, не имеющий ни термопласта чы, ни крышки.
ных. К 70 инструкциям SSE, работающим с потоковыми дан- Внешний радиатор прижимается прямо к корпусу ядра, а мик-
ными одинарной точности, добавились 144 инструкции для росхем вторичного кэша у процессоров Celercn нет.
работы с числами двойной точности, а также с целыми числа- В процессорах Celeron идея упаковки в картридж себя
ми длиной 1—8 байт. Оптимизация программ под SSE2 долж- изжила — одну микросхему ядра легко упаковать и в обычный
на увеличить их производительность в 2—5 раз. корпус со штырьковыми выводами. Так появился Celeron в
корпуее PPGA (Plastic Pin Grid Array), напоминающий по виду
Конструктивы процессоров Pentium в форм-факторе (Socket 370 (по числу выводов)). Он
Существуют разные типы корпусов, внутри которых раз- имеет 6 полных рядов контактов.
мещаются современные процессоры IA-32: Современные процессоры Pentium !!! и Pentium 4 также
1. PQFP (Plastic Quad Flat Package — плоский прямо- выпускаются в конструктиве PPGA
угольный пластмассовый корпус с выводами по четырем сто-
ронам) — корпус для установки методом поверхностного мон-
2.4. Процессоры IA-64
тажа. Выводы сделаны по каждой из сторон в плоскости кор-
пуеа, при монтаже соответствующим образом изгибаются. В В конце 2001 г. Intel представила Itanium — первый про-
этих корпусах выпускалось большинство процессоров 386, а цессор, построенный с использованием архитектуры нового
также варианты процессоров для ноутбуков. поколения, совместно разработанной двумя компаниями. Хотя
2. SQFP (Shrink Quad Flat Package — корпус с выводами эта 64-разрядная архитектура основана на многолетних ис-
по четырем сторонам, загнутыми внутрь) — для установки следованиях Intel, HP, других компаний и университетов, она
методом поверхностного монтажа или вставки в разъем. За радикально отличается от всего, что было до сих пор пред
счет того, что выводы загнуты под корпус, уменьшается пло- ставлено на рынке.
щадь, занимаемая корпусом на плате, а также увеличивается Архитектура эта известна под названием Intel
жесткость выводов, поскольку их концы упираются в специ- Architecture-64 (IA-64). I A - 6 4 не является 64-разрядным
ально сделанные выемки на нижней поверхности корпуса. расширением 32-разрядной архитектуры х86 компании Intel.
IA-64 представляет собой нечто абсолютно новое — пере-
3. PGA (Pin Grid Array — «решетчатая» структура выво-
довую архитектуру, использующую длинные слова команд
дов) - керамический корпус с вертикальными выводами, рас-
(long instruction words — LIW), прс;;нкаты команд
положенными по нижней поверхности корпуса в несколько
(instruction predication), устранение ветвлений (branch
рядов. Устанавливается преимущественно в разъем. В таких
elimination), предварительную загрузку данных (speculative
корпусах выпускалась часть процессоров 386 и подавляющее
loading) и другие ухищрения для того, чтобы «извлечь боль-
большинство процессоров 486.
ше параллелизма» из кода программ.
4. SPGA (Scattered PGA — модификация с «разбросан-
Архитектура IA-64 воплощает концепцию EPIC
ными» выводами) — вариант PGA, когда выводы расположе-
(Explicitly Parallel Instruction Computing - вычисления с
ны в шахматном порядке. В этих корпусах выпускались пер-
явным параллелизмом команд). Концепция EPIC разрабо-
вые процессоры Pentium.
тана совместно фирмами Intel и Hewlett-Packard; по их за-
5. PPGA (Plastic PGA — пластмассовый) - вариант PGA
явлениям, EPIC — концепция той же значимости, что CISC
с металлическим корпусом для кристалла и пластмассовым
И RISC. В IA-64 используется новый 64-разрядный набор
обрамлением, в которое запрессованы выводы. В таких кор-
команд, разработанный также совместно фирмами Intel и
пусах выпускаются процессоры Pentium, Celeron, Pentium !!! и
HP. К тому же Itanium полностью совместим с архитекту-
Pentium 4.
рой IA-32. Подобно тому, как процессоры IA-32 умели пе-
Современные процессоры отличаются большим разно-
реключаться между защищенным и реальным режимами, так
образием конструктивов. Процессоры Pentium II изготавлива-
и процессоры IA-64 посредством выбора режима выполня-
лись в конструктиве SECC и SEPP. Для этих процессоров был
ют либо инструкции 32-разрядного х86, л«5о свои 64-раз-
разработан Slot 1 - щелевой разъем с 242 контактами. В этот
рядные инструкции.
же слот устанавливаются и процессоры Celeron, и Pentium !!!.
В процессоре Itanium используется методика предпо-
Слот позволяет работать с частотой системной шины 66 или
ложения. Она заключается в том, что инструкции и данные
100 МГц. Для Slot 1 предназначены процессоры с разными
загружаются в процессор (используя процессор как кэш)
названиями «упаковки».
до того, как они могут понадобиться, а в некоторых случа-
1. SECC - картридж процессоров Pentium II и Pentium !!!
ях даже если они и не должны понадобиться. Такая ранняя
Представляет собой печатную плату с установленными ком
Память 275

загрузка должна происходить во время простоя процессо- Довольно большой процент площади кристалла (око-
ра. Преимущество этой методики в том, что при совпадении ло 10%) занят модулем работы с плавающей точкой (FPU).
загруженных данных с теми, которые потребовались для Для такой работы у процессора есть 128 82-битных реги-
дальнейшей работы, исчезает время ожидания на их загруз- стров.
ку из памяти. Что дает переход на 64-битный процессор? Одно - это
Itanium содержит несколько специальных регистров, по- возможность обрабатывать 8-байтную информацию за такт
зволяющих проводить менеджмент работы процессора в ре- процессора. Кроме процессора, это должна поддерживать сис-
альном времени, практически не ухудшая производительнос- темная шина.
ти собственно вычислений. Другое - возможность использования 64 бит для адре-
Itanium имеет три кэша. Два кэша, L1 и L2, находятся на s2
сации памяти. 32-битный процессор может адресовать 2 т. е
кристалле процессора. Кэш третьего уровня, L3, расположен приблизительно 4.3 млрд байт. А 64-битный - 2Ы, т. е. около
на картридже и имеет объем 4 МБ. 18.4 квинтильона байт.




ПАМЯТЬ
План
1. Оперативная память.
2. Синхронная динамическая память SDRAM.
3. Постоянная память.
4 Кэш.


Всем компьютерам требуется память нескольких видов и кладываемое напряжение может изменить направление дви-
на каждом шагу выполнения программ. Память нужна как для жения электронов. Причем существует только два направле-
исходных данных, так и для хранения результатов, для взаи- ния движения потока, что позволяет использовать данные цепи
модействия с периферией компьютера и даже для поддержа в качестве элементов памяти. Статическая память работает
ния образа, видимого на экране. наподобие выключателя, который переключает направление
Вся память компьютера делится на внутреннюю и вне- электронного потока.
шнюю. Эволюция микросхем ОЗУ вплотную связана с эволю-
В компьютерных системах работа с памятью основыва- цией персональных компьютеров. Для успеха настольных ком-
йся на очень простых концепциях. В принципе, все, что тре- пьютеров требовались миниатюрные чипы ОЗУ. По мере уве-
буется от компьютерной памяти, — это сохранять один бит личения емкости памяти цена скачкообразно возрастала, но
информации так, чтобы потом он мог быть извлечен оттуда. потом постоянно уменьшалась по мере отработки технологии
В настоящее время широкое распространение получили и роста объемов производства.
устройства динамической памяти, базирующиеся на способ- Динамические микросхемы памяти маркируются специ-
ности сохранять электрический заряд. Эти устройства назы- альным числом, говорящим об их скоростных возможностях.
ваются конденсаторами. Указанное на корпусе число отражает время доступа в нано-
На первый взгляд конденсатор не удовлетворяет основ- секундах без последнего нуля.
ному требованию устройств памяти. Он не способен сохра- Время доступа не является, однако, единственной или
нять заряд в течение длительного промежутка времени, но он наиболее важной характеристикой микросхем памяти. Более
позволяет делать это в течение нескольких миллисекунд, чего значимо такое понятие, как время цикла, которое говорит о
вполне достаточно, чтобы использовать это в электронике. За том, как быстро можно произвести повторное обращение. В
это время специальные цепи компьютера обеспечивают подза- динамических микросхемах это время больше времени досту
рядку конденсатора, то есть обновление информации. Из-за па, в статических чипах эти времена равны, что говорит о Со-
непрерывности этого процесса такая память называется дина- лее скоростных режимах последних.
мической. Чтобы справиться с ограничением по скорости, были не
В современных персональных компьютерах динамичес- пользованы специальные решения по организации памяти.
кая память реализуется на базе специальных цепей проводни- Наиболее простое из них — это использование обычной архи-
ков, заменивших обычные конденсаторы. Большое количе- тектуры с необходимым числом циклов ожидания
ство таких цепей объединяется в корпусе одного динамичес- Хорошая альтернатива предыдущему методу - исполь-
кого чипа. Однако, подобно памяти на конденсаторах, такая зование кэш-памяти, что позволит избежать полного заполне-
должна постоянно освежаться. ния всей машины быстрой RAM-памятью. Обычно программа
В то время как динамическая память, получив заряд элек- использует память какой-либо ограниченной области, храпя
тричества, удерживает его, так называемая статическая память нужную информацию в кэш-памяти, работа с которой цтво-
иочпеияет потоку электронов циркулировать по цепи. При ляет процессору обходиться без циклов ожидания
10*
276 Информатика

Так как данная технология не требует применения специ-
Не всякая кэш-память равнозначна. Большое значение
альных микросхем памяти, она является наиболее удобной для
имеет тот факт, как много информации может содержать кэш-
повышения скорости системы. Кроме того, OH;I может совме-
память. Чем больше кэд;-память, тем больше информации мо-
щаться с ОЗУ страничного режима, еще больше увеличивая
жет быть в ней размещено, а следовательно, тем больше веро-
оперативность.
ятность, что нужный байт будет содержаться в этой быстрой
памяти. Очевидно, что самый лучший вариант — это когда Помимо оперативной памяти существует еще и постоян-
объем кэш-памяти соответствует объему всей оперативной ная память (ПЗУ). Ее главное отличие от 03У — невозмож-
памяти. В этом случае вся остальная память становится не- ность в процессе работы изменить состоянш ячеек ПЗУ. В
нужной. Противоположная ситуация — 1 байт кэш-памяти - свою очередь и эта память делится на постоя шую и ренрог-
тоже не имеет практического значения, так как вероятность раммируемую. Принципы ее функционирования понятны из
того, что нужная информация окажется в этом байте, стремит- названия.
ся к нулю. Практически, диапазон используемой кэш-памяти
колеблется в пределах 16—64 КБ.
На самом деле реализация кэш-систем не так проста, как 1. ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ
это может показаться на первый взгляд. Микропроцессор дол-
жен не только читать из памяти, но и писать в нее. Что случит- Из микросхем памяти (RAM — Random Access Memory,
ся, если процессор занесет новую информацию в кэш-память, а память с произвольным доступом) используются два основ-
перед использованием этой информации она будет изменена в ных типа: статическая (SRAM — Static RAM) и динамическая
основной памяти. Во избежание подобной ситуации иногда (DRAM - Dynamic RAM).
реализуется метод, названный записью через кэш-память. Оче- В статической памяти элементы (ячейы ) построены на
видно, что этот метод снижает быстродействие системы, по- различных вариантах триггеров — схем с двумя устойчивы-
скольку приходится писать не только в кэш-память. Хуже того, ми состояниями. После записи бита в такую ячейку, она мо-
микропроцессору может понадобиться информация, которую жет пребывать в этом состоянии сколько иодно долго -
он только что записал и которая еще не была перезагружена в необходимо только наличие питания. При обращении к мик-
кэш-память. росхеме статической памяти на нее подаето: полный адрес,
Целостность памяти — это одна из самых больших про- который при помощи внутреннего дешифратора преобразу-
блем разработчиков кэш-памяти. ется в сигналы выборки конкретных ячеек. Ячейки стати-
Все вопросы по преодолению этих проблем были возло- ческой памяти имеют малое время срабатывания (единицы-
жены на отдельную микросхему —"кэш-контроллер. десятки наносекунд), однако микросхемы на их основе име-
ют низкую удельную плотность данных (перядка единиц
Еще одна разновидность архитектуры оперативной па-
Мбит на корпус) и высокое энергопотребление. Поэтому
мяти компьютера — это ее разбивка на отдельные секции и
статическая память используется в основном в качестве бу-
работа с этими секциями как с малой кэш-памятью. Большая
ферной (кэш-память). . •
скорость доступа к ограниченным областям памяти является
особенностью некоторых специфических микросхем, которые В динамической памяти ячейки построены на основе об-
позволяют некоторому объему, но не всей памяти, быть счи- ластей с накоплением зарядов, занимающих гораздо меньшую
танному без цикла Ожидания. Этот подход требует специаль- площадь, нежели триггеры, и практически не- потребляющих
ных RAM-микросхем, которые делят свои адреса по страни- энергии при хранении. При записи бита в такую ячейку в ней
цам. Такая технология получила название режима странично- формируется электрический заряд, сохраняющийся в течение
го доступа. Эти специальные микросхемы обеспечивают очень нескольких миллисекунд; для постоянного сохранения заря-
быстрый доступ в одном из двух направлений их организа- да ячейки необходимо регенерировать — перезаписывать со-
ций. Если требуется чтение или запись информации, храня- держимое для восстановления зарядов. Ячейки микросхем
щейся на определенной странице памяти, и предыдущая ко- динамической памяти организованы в виде прямоугольной
манда по работе с памятью использовала информацию с той жи (обычно — квадратной) матрицы; при обращении к микросхе-
страницы, цикла ожидания не требуется. Однако при переходе ме на ее входы вначале подастся адрес строки матрицы, сопро-
с одной страницы на другую циклы ожидания неизбежны. вождаемый сигналом RAS (Row Address Strobe — строб адреса
строки), а через некоторое время — адрес столбца, сопрово-
Следующая интересная технология, названная interleaved
ждаемый сигналом CAS (Column Address Strobe — строб адре-
memory, очень похожа на ОЗУ страничного режима. Она су-
са столбца). При каждом обращении к ячейке регенерируют
щественно Повышает скорость обращения к памяти, но не имеет
все ячейки выбранной строки, поэтому для полной регенера-
ограничений по страничной разбивке. При использовании этой
ции матрицы достаточно перебрать адреса строк. Ячейки ди-
технологии вся оперативная память разбивается на два или
намической памяти имеют большее время срабатывания (де-
большее число банков. Последовательность битов хранится в
сятки-сотни наносекунд), но большую удельную плотность (по-
разных банках, поэтому микропроцессор обращается то к од-
рядка десятков Мбит на корпус) и меньшее энергопотребле-
ному, то к другому банку при чтении этой последовательнос-
ние. Динамическая память используется в качестве основной.
ти. Во время обращения к одному банку другой реализует
Обычные виды SRAM и DRAM называют также асин-
цикл обновления, и поэтому процессору не приходится ждать.
хронными, поскольку установка адреса, подача управляющих
И только если микропроцессору приходится читать несмеж-
сигналов и чтение/запись данных могут выполняться в про-
ные биты, статус ожидания неминуем, но вероятность его по
извольные моменты времени — необходимо только соблюде-
явления уменьшается.
ние временных соотношений между этими сигналами. В эти
Наиболее типовая реализация этой технологии представ
временные соотношения включены так называемые охранные
ляется разбивкой оперативной памяти на два банка, а следова-
интервалы, необходимые для стабилизации сигналов, не позво-
тельно, вероятность возникновения ожидания - 50%. Четы
ляющих достичь теоретически возможного быстродействия
рехбанковая организация уменьшает эту вероятность до 25%
Память 277

мый в панель наподобие микросхем DIP/SIP; применялся в
памяти. Существуют также синхронные виды памяти, получа-
ранних AT;
ющие внешний синхросигнал, к импульсам которого жестко
— SIMM (Single In line Memory Module — модуль памя-
привязаны моменты подачи адресов и обмена данными; поми-
ти с одним рядом контактов) — модуль памяти, вставляемый
мо экономии времени на охранных интервалах, они позволя-
в зажимающий разъем; применяется во всех современных
ют более полно использовать внутреннюю конвейеризацию и
платах, а также во многих адаптерах, принтерах и прочих
блочный доступ.
устройствах. SIMM имеет контакты с двух сторон модуля,
FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM - динамическая
но все они соединены между собой, образуя как бы один ряд
память с быстрым страничным доступом). Память со странич-
контактов;
ным доступом позволяет ускорить блочные передачи, когда
весь блок данных или его часть находится внутри одной стро- — DIMM (Dual In line Memory Module — модуль памяти
ки матрицы, называемой в этой системе страницей, и снизить с двумя рядами контактов) — модуль памяти, похожий на
накладные расходы на регенерацию памяти. SIMM, но с раздельными контактами (обычно 2x84), за счет
чего увеличивается разрядность или число банков памяти в
EDO (Extended Data Out — расширенное время удержа-
модуле. Применяется Е последних платах для Pentium и во
ния данных на выходе) фактически представляют собой обыч-
всех платах для Pentium II и старше.
ные микросхемы FPM, на выходе которых установлены реги-
На SIMM в настоящее время устанавливаются преиму-
стры-защёлки данных. При страничном обмене такие микро-
щественно микросхемы FPM/EDO/BEDO, а на DIMM
схемы работают в режиме простого конвейера: удерживают на
EDO/BEDO/SDRAM.
выходах данных содержимое последней выбранной ячейки, в
то время как на их входы уже подается адрес следующей вы-
бираемой ячейки. Это позволяет примерно на 15% по сравне-
нию с FPM ускорить процесс считывания последовательных 2. СИНХРОННАЯ ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ -
массивов данных. При случайной адресации такая память ни- SDRAM
чем не отличается от обычной.
BEDO (Burst EDO - EDO с блочным доступом) - па- Стандартной для современных компьютеров является
мять на основе EDO, работающая ае одиночными, а пакетны- синхронная динамическая оперативная память — SDRAM.
ми циклами чтения/записи. Современные процессоры, благо- SDRAM — это первая технология оперативной памяти
даря внутреннему и внешнему кэшированию команд и дан- со случайным доступом (DRAM), разработанная для синхро-
ных, обмениваются с основной памятью преимущественно низации работы памяти с тактами работы центрального про-
блоками слов максимальной ширины. В случае памяти BEDO цессора с внешней шиной данных. SDRAM разработана на
отпадает необходимость постоянной подачи последователь- основе стандартной DRAM и работает почти так же, как стан-
ных адресов на входы микросхем с соблюдением требуемых дартная DRAM, no она имеет несколько отличительных ха-
временных задержек — достаточно перейти к очередному сло- рактеристик, делающих ее более прогрессивной.
ву отдельным сигналом. Синхронная работа SDRAM, в отличие от стандартной и
SDRAM (Synchronous DRAM - синхронная динамичес- асинхронной DRAM, имеет таймер ввода данных, таким обра-
кая память) — память с синхронным доступом, работающая зом, системный таймер, пошагово контролирующий деятель-
быстрее обычной асинхронной (FPM/EDO/BEDO). Помимо ность микропроцессора, может также управлять работой
синхронного метода доступа SDRAM использует внутреннее SDRAM. Это означает, что контроллер памяти знает точный
разделение массива памяти на два независимых банка, что поз- цикл таймера, на котором запрошенные данные будут обрабо-
воляет совмещать выборку из одного банка с установкой ад- таны. В результате это освобождает процессор от необходи-
реса в другом банке. SDRAM также поддерживает блочный мости находиться в состоянии ожидания между моментами
обмен. Основная выгода от использования SDRAM состоит в доступа к памяти.
поддержке последовательного доступа в синхронном режиме, Поскольку оперативная память компьютера хранит в себе
где не требуется дополнительных тактов ожидания. При слу- информацию, которая требуется процессору (CPU) для функ-
чайном доступе SDRAM работает практически с той же ско- ционирования, время прохождения данных между CPU и па-
ростью, что и FPM/EDO. мятью является критичным. Более быстрый процессор может
увеличить производительность системы только в том случае,
РВ SRAM (Pipelined Burst SRAM - статическая память с
если он не попадает в состояние цикла «поторопись и подож-
блочным конвейерным доступом) - разновидность синхрон-
ди», в то время как остальная часть системы борется за то,
ных SRAM с внутренней конвейеризацией, за счет чего при-
чтобы оставаться в этом состоянии. С тех пор как Intel пред
мерно вдвое повышается скорость обмена блоками данных.
ставила процессор х286, обычные микросхемы памяти боль-
В современных компьютерах оперативная память конст-
ше ке в состоянии идти в ногу с чрезвычайно возросшей про-
руктивно изготавливается в виде независимых модулей раз-
изводительностью процессоров.
ной емкости, которые устанавливаются в соответствующие
разъемы на материнской плате: Стандартная, асинхронная DRAM работает без управ-
— DIP (Dual In line Package — корпус с двумя рядами ления ввода таймером, который не требовался для передачи
выводов) — классические микросхемы, применявшиеся в бло- данных вплоть до второго десятилетия развития микропро-
ках основной памяти XT и ранних AT, а сейчас — в блоках цессоров. С этого момента в системах с более быстрыми про-
кэш-памяти; цессорами, которые используют стандартную DRAM, необ-
— SIP (Single In line Package — корпус с одним рядом ходимо принудительно устанавливать состояния ожидания
выводов) — микросхема с одним рядом выводов, устанавли- (временные задержки), чтобы избежать переполнения памя-
ваемая вертикально; ти. Состояние ожидания характеризуется так: микропроцес-
— SIPP (Single In line Pinned Package — модуль с одним сор приостанавливает исполнение всего, что он делает, пока
рядом проволочных выводов) — модуль памяти, вставляе- другие компоненты не перейдут в режим приема команд. По
280 Информатика

пускают перешивку BIOS средствами самой платы при помо- 4. КАК BIOS ЗАГРУЖАЕТ КОМПЬЮТЕР
щи специальной программы. Это позволяет исправлять за-
водские ошибки в BIOS, изменять заводские умолчания, вно- После включения компьютера на прошесор подается
сить другие изменения. напряжение питания, и он «просыпается». Первыми прочи-
Однако, кроме явных плюсов, в этой технологии есть и танными процессором командами являются инструкции из
слабые стороны. Например, в настоящее время существует чипа BIOS (об этом заботятся микросхемы системной платы).
группа вирусов, которые, пользуясь возможностью изме- Первым запускается POST — программа самотестирования.
нять содержимое BIOS, стирают или портят его и таким об- POST выполняет следующие шаги:
разом делают компьютер неработоспособным — из-за не- — инициализирует системные ресурсы и регистры чипсе-
правильного или отсутствующего BIOS компьютер отказы- тов, систему управления электропитанием;
вается загружаться. Исправить такую ситуацию можно толь- г
— определяет объем оперативной памя и, тестирует ее
ко в сервисном центре, где в специальном устройстве — про- (RAM);
грамматоре — на микросхему Flash ROM будет записана — инициализирует видеоадаптер;
исходная версия BIOS. Из таких вирусов наиболее извес- — включает клавиатуру;
тен вирус «Чернобыль», из-за эпидемии которого 26 апреля — тестирует последовательные и паралл -льные порты;
1999 г. были уничтожены миллионы BIOS по всему миру. — инициализирует дисководы и контроллеры жестких
После этой эпидемии некоторые производители стали снаб- дисков;
жать свои материнские платы двумя копиями BIOS. В <?лу- — отображает итоговую системную информацию.
чае повреждения основной копии загружается содержимое В процессе выполнения этих действий BIOS сравнивает
резервной микросхемы. Однако такие платы встречаются данные текущей системной конфигурации с информацией, хра-
достаточно редко. нящейся в CMOS, и при необходимости обновляет ее. Если
Свои настройки BIOS хранит в так называемой CMOS при выполнении какого-либо шага возникли сбои, BIOS ин-
RAM. CMOS RAM называется так потому, что она выпол- формирует об этом сообщениями на экране мснитора, а если
нена на основе CMOS-структур (CMOS — Complementary это невозможно (например, еще не был проинициализирован
Metal Oxide Semiconductor), которые отличаются малым видеоадаптер), выдает гудки через системный динамик. Ко-
энергопотреблением. Однако CMOS-память энергонезави- личество гудков соответствует кодам ошибки, которые мож-
сима только -постольку, поскольку постоянно подпитывает- но узнать в документации. Некоторые системные платы снаб-
ся, например, от аккумулятора, расположенного на систем- жаются жидкокристаллическим индикатором, где отобража-
ной плате, или батареи гальванических элементов, как пра- ются стадии прохождения POST-тестов и коды возникших
вило, смонтированной на корпусе системного блока. В то ошибок.
время, когда компьютер включен, CMOS RAM питается от После того как все POST-задания завершены, BIOS при-
блока питания компьютера. Энергопотребление CMOS RAM ступает к поиску программы-загрузчика. Современные вер-
настолько мало, что даже при выключенном компьютере и сии BIOS позволяют загружать операционную систему не
отсутствующей батарее ее содержимое может сохраняться только с флоппи-дисководов и жесткого диска, но и с при-
более суток только за счет остаточных зарядов на конден- вода CD-ROM, ZIP. Программа-загрузчик обычно распола-
саторах блока питания. гается в первом секторе диска, на котором раз иещена опера-
В CMOS RAM хранится информация о текущих показа- ционная система. Порядок перебора дисков три поиске за-
ниях часов, значении времени для будильника, конфигурации грузчика задается в настройках BIOS. Если загрузчик найден,
компьютера: количестве памяти, типах накопителей и т. д. В он помещается в память и ему передается управление. После
случае повреждения микросхемы CMOS RAM (а также раз- этого он находит и помещает в память собственно программу
ряде батареи или аккумулятора) BIOS имеет возможность вос- загрузки операционной системы (operation system loader), ко-
пользоваться настройками по умолчанию. торая загружает, инициализирует и конфигурирует операци-
онную систему и драйвера устройств. И уже в завершение,
когда операционная система загружена, если компьютер рабо-
тает под управлением Windows, запускаются программы пап-
3. НУЖНО ЛИ ИЗМЕНЯТЬ BIOS
ки «Автозагрузка».
Общий принцип, которого следует придерживаться: если
компьютер работает стабильно и никаких недостатков в его
работе, связанных с BIOS, не выявлено (при этом надо убе- 5. ИЗМЕНЕНИЕ НАСТРОЕК BIOS
диться, что эти недостатки вызваны именно BIOS, а не други-
ми причинами, например неправильными драйверами уст- После выполнения последовательности тестов POST
ройств, неверной настройкой операционной системы и т. д.), и перед началом поиска программы-загрузчгка BIOS пре-
то обновлять BIOS не следует. доставляет пользователю войти в программу настройки сис-
темы — System Setup. Об этом BIOS информирует надписью на
Однако существуют ситуации, когда обновление BIOS
экране (обычно «Нажмите клавишу Del для входа в Setup»).
необходимо. Обычно это выход нового процессора, поддерж-
Нажав соответствующую клавишу (чаще всего Delete), вы
ка которого не была заложена в прежней версии. Прежде чем
попадаете в меню программы настройки. Из него можно
устанавливать новую версию, нужно отправиться на сайт тех-
настроить массу различных параметров. Рассмотрим неко-
нической поддержки фирмы-производителя системной пла-
торые из них.
ты, прочитать спецификации новой версии BIOS и при необ-
ходимости скачать их, удостоверившись, что эта версия ис- На вкладке Standart Setup находятся основные настрой-
правляет именно те недостатки, которые были выявлены в ва- ки: текущие дата и время, количество и типы жестких дисков,
шем компьютере. дисководов, тип используемой видеосистемы и т. а.
Базовая система ввода/вывода (BIOS) 281

Опции Supe?visor Password и User Password заведуют обес- ется и переводится как «технология самодиагностики и мони-
печением управления доступом к компьютеру. С их помощью торинга состояния диска». С ее помощью можно заранее пре-
можно задать пароли на загрузку системы, причем только дотвратить потерю информации при сбое жесткого диска. Сис-
Supervisor Password ПОЗЕОЛИТ изменять настройки в BIOS. Без тема отслеживает нормальную работу механических И элект-
знания одного из этих паролей никто не получит доступ к ронных элементов накопителя и оценивает его состояние путем
информации, хранящейся на жестком диске или на любом дру- сравнения текущих параметров с заложенными пороговыми
гом носителе, установленном в компьютере. Единственным спо- значениями. Активизация этой функции несколько снижает
собом «взломать» систему останется вскрытие корпуса и замы- производительность компьютера, зато гарантирует сохранность
кание специальных контактов на материнской плате. То же са- данных, что особенно актуально для съемных дисков.
мое придется сделать, если пароль был забыт. Однако некото- Некоторые версии BIOS предоставляют возможность
рые версии BIOS имеют так называемые инженерные пароли, низкоуровневого форматирования жесткого диска (Low-level
предназначенные для работников сервисных центров, с помо- format), однако пользоваться ею следует с огромной осторож-
щью которых можно получить доступ к настройкам BIOS. ностью, а лучше не пользоваться вообще, чтобы избежать по-
Полезными опциями могут стать автоматическое вклю- вреждения жесткого диска.
чение и загрузка компьютера в заданное время, а также его Опция BIOS Update (другой вариант названия — Pentium
переход в «спящий режим» в случае бездействия. Для этого в II Microcode) включает механизм, необходимый для загрузки
BIOS необходимо включить функцию Power Management. микрокода, содержащего исправления ошибок в процессорах
Можно также настроить «пробуждение» компьютера через сеть, класса Pentium II. Включение данной опции повышает ста-
при звонке по телефону, по нажатию на клавишу на клавиату- бильность работы такой системы.
ре либо на кнопку мыши. Отключать параметр CPU LI and L2 Cache settings не
Опция Quick Power On Self Test (быстрый POST) указы- следует, так как это приводит к очень значительному сниже-
вает BIOS, что при прохождении POST-тестов не нужно про- нию производительности, однако может понадобиться в слу-
водить полное тестирование оборудования, а необходимо обой- чае нестабильной работы.
тись лишь минимально необходимым набором тестов. Некоторые нестандартные видеокарты могут некоррект-
Опция Boot Sequence задает порядок перебора BIOS на- но отображать цвета. В этом случае необходимо включить
копителей для поиска программы-загрузчика. Возможны ком- функцию PCI/VGA Palette Snoop.
бинации из дисков А:, С:, D:, CD-ROM, LS/ZIP, SCSI и др. В Через меню Integrated Perepherials можно настроить ра-
обычной ситуации наилучшим является вариант, в котором боту портов ввода/вывода, параметры клавиатуры и мыши,
первым опрашиваемым устройством является жесткий диск, включить поддержку PS/2 и USB, настроить режимы работы
чтобы система не тратила время на опрос других накопителей. жестких дисков.
Это также предотвратит попытку загрузиться со случайно
оставленной в дисководе дискеты.
Отключив опцию поиска дисковода Boot Up Floppy Seek, б. КАК BIOS УПРАВЛЯЕТ РАБОТОЙ
вы избавитесь от скрипа головок дисковода и шума его двига- ОБОРУДОВАНИЯ
теля при каждой перезагрузке компьютера.
Опция Halt On отвечает за остановку компьютера в про- Как уже говорилось ранее, в системах под управлением
цессе прохождения POST-тестов при обнаружении неисправ- DOS или Windows 9x BIOS берет на себя роль управления
ности или отсутствия необходимого устройства, например аппаратной частью ПК и служит посредником между операци-
клавиатуры. Здесь можно задать компьютеру условия, при онной системой и оборудованием.
которых загрузка будет продолжена: All Enars — при любых BIOS реализует свои функции через систему прерыва-
ошибках, All But Disk/Key — при всех, кроме ошибок клавиа- ний программного обеспечения. Для запуска подпрограммы,
туры, диска и т. д. содержащей специальную инструкцию микропроцессору по
Опция Virus Warning запрещает любую запись в загру- обработке какой-либо конкретной ситуации, выполняемая
зочный сектор жесткого диска, чем обычно занимаются boot- программа устанавливает соответствующий флажок преры-
вирусы. Однако в качестве неприятного побочного эффекта вания.
включение данной опции мешает установке операционной си- Прерывания программного обеспечения приводят к тому,
стемы Windows 9x. Boot Virus Detection же в процессе загрузки что микропроцессор приостанавливает выполнение текущей
выводит на экран предупреждающее сообщение в случае, если задачи и начинает выполнять подпрограмму по обработке пре-
содержимое загрузочного сектора отличается от предвари- рывания. Для реализации этого механизма микропроцессор,
тельно сохраненного в памяти. Далее, по усмотрению пользо- выполнив какую-либо элементарную операцию, исследует век-
вателя, можно либо продолжить загрузку, либо перезагрузить торы прерываний. Если прерывание выставлено, коды выпол-
ПК, используя системную дискету. няемой программы запоминаются, чтобы после обработки пре-
Раздел IDE HDD Auto detection предоставляет возмож- рывания выполнение прерванной программы могло быть про-
ность автоматического определения параметров жесткого диска должено. Каждый вектор прерывания является указателем,
и выбора режима, в котором тот будет работать. говорящим микропроцессору, где находятся коды по обра-
Режим UDMA поддерживается всеми современными ботке данного прерывания. Микропроцессор читает значение
жесткими дисками и позволяет повысить производительность вектора и начинает выполнять программы по указанному век-
системы в целом. Отключение его может понадобиться лишь в тором адресу.
случае проблем в работе операционной системы (такие про- Так как число имеющихся прерываний может оказаться
блемы иногда проявляются в работе, например, Windows 2000) намного меньше того числа функций, которое вы хотели бы
HDD S.M.A.R.T. capability включает или выключает под- использовать в своих программах, некоторые прерывания BIOS
держку дисками технологии S.M.A.R.T., что расшифровыва- используются для реализации нескольких функций. Эти функ-
284 Информатика

3. ВИДЕОКАРТЫ 3.2. Типы видеоадаптеров
MDA — адаптер монохромного дисплея
3.1. Из чего состоит видеокарта
MDA (Monochrome Display Adapter) - простейший ви-
Видеокарта состоит из четырех основных устройств:
деоадаптер, применявшийся в IBM PC. Его официальное имя -
памяти, контроллера, цифро-аналогового преобразователя
Monochrome Display.
(ЦАП, DAC) и видео-ПЗУ.
Слово монохромный отражает самую важную характе-
Видеопамять нужна для хранения изображения. От ее
ристику MDA. Он был создан для работы с одноцветным
объема зависит максимально возможное разрешение видео-
дисплеем. Первоначально он работал с экранами зеленого
карты. Полное разрешение видеокарты можно посчитать по
цвета, которыми обеспечивались почти все системы IBM того
формуле
времени.
ГхВхЦ, Слова «адаптер дисплея» являются ф) нкциональным
где Г — количество точек по горизонтали, описанием. Это устройство преобразует сигналы, распростра-
В — по вертикали, а няющиеся по шине PC, к форме, воспринимаемой видеосисте-
Ц — количество возможных цветов каждой точки. мой. Возможность подключения принтера к этому адаптеру
Например, для разрешения 640x480x16 достаточ- является его достоинством, потому что поЕЕоляет подклю-
но 256 КБ, для 800x600x256 - 512 КБ, для чить принтер без использования еще одного зазъема расши-
1024x768x65536 — 2 МБ. Для хранения цветов от- рения,
водится некоторое целое число двоичных разря- MDA является символьной системой, нг обеспечиваю-
дов, поэтому количество цветов всегда является щей никакой другой графики, за исключением расширенною
степенью двойки: 4 разряда — 16 цветов, 8 разря- множества символов IBM. Это был первый адаптер IBM и л»
дов — 256 цветов, 16 разрядов — 65 536 цветов недавнего времени он был лучшим адаптером для обработки
(так называемый режим High Color — высококаче- текстов, обеспечивающим самое четкое изображение симво-
ственное цветовоспроизведение), 24 разряда — лов, по сравнению с любыми дисплейными системами, выпу-
16 777 216 цветов (True Color — реалистичное цве- щенными до PS/2.
товоспроизведение). Текстовый режим был целью разработки адаптера. Тог-
да IBM не могла вообразить, что кому-либо : i жадобит.ся ри-
Видеоконтроллер отвечает за вывод изображения из
совать схемы на дисплее.
видеопамяти, обновление ее содержимого, формирование сиг-
Чтобы обеспечить подключение терминалов, используе-
налов для монитора (горизонтальной и вертикальной разверт-
мых в больших компьютерных системах, IBM для изображения
ки) и обработку запросов центрального процессора, который
символа в MDA использовала площадь экрана в 9x14 пиксе-
задает необходимый поток информации для вывода. Некото-
лей, а сам символ был 7x9. Дополнительное г;: остранство ис-
рые видеоконтроллеры являются потоковыми — их работа
пользовалось для разделения каждого символа, что увеличи-
основана на создании и смешивании воедино нескольких
вало читаемость.
потоков графической информации. Обычно это основное
Для реализации тогдашних стандартов видеотерминалов,
изображение, на которое накладывается изображение аппа-
обрабатывающих символы по 80 столбцам и !<> рядам, требо-
ратного курсора мыши и отдельное изображение в окне опе-
валось 740 горизонтальных пикселей и 350 вертикальных то-
рационной системы. Видеоконтроллер с потоковой обработ-
чек на экран.
кой, а также с аппаратной поддержкой некоторых типовых
При работе с таким количеством точек !!ЗМ пошла пя
функций называется акселератором, или ускорителем, и слу-
компромисс. При отображении информации с большой часто-
жит для разгрузки ЦП от рутинных операций по формирова-
той потребовался бы более широкополосны it монитор, чем
нию изображения.
тот, который был доступен (во всяком случае за небольшие
ЦАП служит для преобразования потока данных, фор-
деньги) во время разработки PC. IBM слегка уменьшила ис-
мируемых видеоконтроллером, в уровни интенсивности цве-
пользуемую частоту, доведя ее до 50 Гц, и компенсировала
та, подаваемые па монитор. Мониторы используют аналого-
возможность появления мерцания экрана использованием
вый видеосигнал, поэтому возможный диапазон цветности
люминофора с большим остаточным свечением. Таким обра-
изображения определяется только параметрами ЦАП. Боль-
зом появился стандарт IBM на монохромный дисплей.
шинство ЦАП имеют разрядность 8x3 — три канала основ-
ных цветов (красный, синий, зеленый, RGB), по 256 уровней
Геркулес
яркости на каждый цвет, что в сумме дает 16.7 млн цветов.
HGC (Hercules Graphics Card — граф!ческая Kapia
Обычно ЦАП совмещен на одном кристалле с видеоконт-
Hercules) — расширение MDA с графическим режимом
роллером.
720x348, разработанное фирмой Hercules.
Видео-ПЗУ — постоянное запоминающее устройство, в
которое записаны видео-BIOS, экранные шрифты, служебные
CGA — цветной графический адаптер
таблицы и т. п. ПЗУ не используется видеоконтроллером на-
Первым растровым дисплейным адаптером, разработан-
прямую — к нему обращается только центральный процессор,
ным IBM для PC, был цветной графический адаптер — CGA
и в результате выполнения им программ из ПЗУ происходят
(Color Graphic Adapter). Представленная альтернатива MDA
обращения к видеоконтроллеру и видеопамяти. ПЗУ необ-
ослепила компьютерный мир, привыкший к зеленому. Новый
ходимо только для первоначального запуска адаптера и ра-
адаптер обеспечивал 16 ярких чистых цветов. Помимо этого,
боты в режиме MS DOS; операционные системы с графичес-
он обладал способностью работать в несколькш: графических'
ким интерфейсом, например Windows, не используют ПЗУ
режимах с различной разрешающей способностью.
для управления адаптером
Устройства отображения информации 285

Как об этом говорит наименование адаптера, он предназ- Как ответ на заслуженную критику появился улучшен-
начался для формирования графического изображения на ный графический адаптер — EGA. Улучшение было много-
цветном экране. Однако он обеспечивал работу и с монохром- сторонним: возросшая разрешающая способность, возможность
ными дисплеями, созданными не IBM для платы MDA. Он обеспечивать графический режим монохромных экранов, в том
мог работать в паре и с монохромными, и с композитными числе любимых IBM зеленых дисплеев.
мониторами, и даже с модулятором телевизионных приемни- , Самое существенное изменение хорошо заметно по
ков. (Тем не менее вы не можете подключить CGA к телевизо- формируемому изображению. Разрешающая способность
ру, если у последнего нет композитного видеовхода.) Обеспе- была увеличена до 640x350 пикселей. Ячейки символов
чивает также работу светового пера. имеют размер 8x14. И хотя такая ячейка на одну точку уже,
CGA — это многорежимный дисплейный адаптер. Он чем поддерживаемая MDA, символ формируется той же
может применяться и для символьных, и для побитных техно- матрицей 7x9. Но более важным являлось то, что было вы-
логий. Для каждой из них он реализует несколько режимов. делено достаточно места для подстрочного и надстрочного
Он содержит 16 Кб памяти, прямо доступных центральному пространства. Благодаря этому смежные ряды не сливались
микропроцессору. и цветное изображение текста воспринималось так же хоро-
Символьный режим функционирования CGA устанавли- шо, как и монохромное.
вается по умолчанию. В этом режиме функционирование CGA Разрешающая способность 640x350 обеспечивалась в
напоминает MDA. Главным отличием этих двух адаптеров графическом режиме. Этот адаптер мог также поддерживать
является то, что второй был создан для работы с нестандарт- все графические режимы предыдущих адаптеров IBM. Это
ными вертикальными и горизонтальными частотами, обеспе- означает, что EGA способен обеспечить все режимы устарев-
чивая более четкое изображение. CGA же работает на стан- шего CGA.
дартных частотах — тех, что используются композиционными Возможности стандарта EGA по формированию цвето-
дисплеями. Это дает возможность быть совместимым с боль- вой гаммы существенно возросли. Посредством изменения
шим семейством мониторов, но в то же время уменьшает каче- интерфейса «адаптер — дисплей» реализуемая палитра EGA
ство изображения. была расширена до 64 оттенков (считая черный и различные
CGA разделил дисплей на матрицу в 640 горизонталь- оттенки серого как отдельные цвета). Кроме того, благодаря
пых пикселей и 200 вертикальных. Для того чтобы располо- наличию большого ресурса памяти стандарт EGA способен
жить 2000 символов на экране размером 80x25 символов в поддерживать более широкую палитру цветов с более высо-
формате MDA, используются ячейки 8x8 пикселей. ким урознем разрешающей способности. В режиме с макси-
В системах CGA каждый символ располагается в мат- мальной разрешающей способностью и полным использова-
рице 7x7. Одна точка зарезервирована для подстрочного нием ресурса памяти EGA в состоянии одновременно форми-
элемента и еще одна — для разделения. Очевидно, что под- ровать изображение в 16 цветовых оттенках, выбранных из 64
строчный элемент имеет протяженность на все изображе- цветной палитры на экране в 640x350 пикселей.
ние, что позволяет избежать дополнительных линий для
MCGA — многоцветный графический адаптер
разделения строк текста. Использование меньшего количе-
MCGA (Multicolor Graphics Adapter) введен фирмой IBM
ства точек при изображении символа означает, что его изоб-
в ранних моделях PS/2. Количество воспроизводимых цве-
ражение будет иметь более грубую и менее приятную фор-
тов увеличено до 262144 (по 64 уровня на каждый из основ-
му по сравнению с MDA.
ных цветов). Помимо палитры введено понятие таблицы цве-
В любом текстовом режиме IBM, управляя атрибутами,
тов, через которую выполняется преобразование 64-цветного
можно работать с 16-цветовой палитрой. Любой символ тек-
пространства цветов EGA в пространство цветов MCGA.
ст а может быть изображен любым из 16 цветов.
Введен также видеорежим 320x200x256, в котором вместо
Фом символа — точки, входящие в матрицу символа 8x8
битовых плоскостей используется представление экрана не-
и не учас гвующие в формировании символа, — может также
прерывной областью памяти объемом 64000 байт, где каж-
иметь один из 16 цветов, но с одним ограничением. В режиме,
дый байт описывает цвет соответствующей ему точки экра-
устанавливаемом по умолчанию, для фона можно использо-
на. Совместим с CGA по всем режимам и с EGA по тексто-
вать 8 цветов, потому что бит в байте параметров, устанавли-
вым, за исключением размера матрицы символа. Интерфейс
вающий яркость или интенсивность фонового цвета, предназ-
с монитором — аналогово-цифровой: цифровые сигналы син-
начается для другой цели. Он применяется для задания режи-
хронизации, аналоговые, сигналы основных цветов, переда-
ма мерцания символа.
ваемые монитору без дискретизации. Поддерживает под-
Специальный регистр CGA изменяет назначение этого
ключение монохромного монитора и его автоматическое
бита. Загружая определенные значения в этот регистр,
опознание, при этом в видео-BIOS включается режим сум-
пользователь или программа могут выбирать между мерца-
мирования цветов по так называемой шкале серого для по-
нием или изображением цвета фона с повышенной интен-
лучения полутонового черно-белого изображения. Сумми
сивностью. Однако этот регистр управляет всем текстом
рование выполняется только при выводе через BIOS: при
экрана, поэтому невозможно одновременно использовать и
непосредственной записи в видеопамять на монитор попа
мерцающие символы, и повышенную интенсивность цвето-
дает только сигнал зеленого цвета (если он не имеет встро
пого фона.
енного цветосмесителя).
EGA — улучшенный графический адаптер
VGA - массив визуальной графики
К 1984 г. недостатки CGA стали очевидными. Это вы-
VGA (Video Graphics Array) - расширение MCGA, со
явилось благодаря широкому его распространению. Тяжело
вместимое с EGA, введен фирмой IBM в средних моделях
читаемый текст и грубая графика портили зрение быстрее вся-
PS/2
кого другого приспособления
286 Информатика

Точно так же, как и в предыдущих системах, VGA обес- фического интерфейса пользователя (GUI) л операционных
печивает различные уровни разрешающей способности в системах (например, Windows, OS/2, X-Windows и т. п.). К
различных режимах функционирования. Но VGA обеспе- числу этих функций относятся перемещение оольших блоков
чивает гораздо большее количество режимов. Их общее изображения из одного участка экрана в другой (например,
число равно 17. Однако в графическом и Текстовом режи- при перемещении окна), заливка участков изээражения, рисо-
мах Достигаются отличающиеся уровни разрешающей спо- вание линий, дуг, масочных шрифтов, поддеркка аппаратного
собности. курсора и т. п.
В графических режимах при формировании растрово- Ускорители анимации обычно разгружают центральный
го Цветного изображения достигается разрешающая спо- процессор от заключительных стадий вывод;| видеоизображе-
собность 640x480 пикселей. При этом формируется 16 цве- ния на экран монитора, например, они могут переводить цвета
тов, выбранных из палитры в 256. Такой же уровень разре- из одного представления в другое, осуществлять масштаби-
шающей способности обеспечивается и для монохромного рование изображения и т. п.
изображения. Ускорители ЗИ-графики используются для ускорения
операций при построении трехмерных пространств и помога-
Переход к стандарту 640x480 пикселей от стандарта EGA
ют при визуализации сложных трехмерных объектов, в совре-
(640x350) позволил улучшить точность изображения. Стан-
менных ЗБ-играх и других областях, например в системах ав-
дарт VGA позволяет создать изображение более точное с ис-
томатического проектирования.
пользованием большей гаммы цветов. Отношение числа гори-
зонтальных пикселей к числу вертикальных (4:3) является Хотя функции ускорителей используются только на за-
благоприятным фактором, потому что оно равно отношению ключительных стадиях построения изображения и могут весь-
сторон экрана большинства мониторов. ма успешно выполняться и центральным процессором, но прак-
Новый стандарт способен поддерживать 256 оттенков эк- тически всегда это наиболее ресурсоемкие опеэации и приме-
рана одновременно. Цвета выбираются из палитры 262144 оттен- нение ускорителя может привести к очень сутпественнгжу при-
ка. В этом режиме разрешающая способность ограничена уров- росту производительности компьютера.
нем 320x200 пикселей. Эта разрешающая способность CGA,
ЗО-акселерация
работающего в режиме со средней разрешающей способнос-
Посмотрим, что делается в компьютере при отрисопке
тью, но последний может работать одновременно с четырьмя
трехмерной сцены, например в компьютерной игре. Каждая
цветами, выбранными из палитры в 16 цветов.
сцена рисуется в несколько этапов:
Специализированные 1. Определение состояния объектов. Эта часть програм-
адаптеры IBM мы не имеет прямого отношения к компьютерной графике, онл
моделирует тот мир, который будет отображаться в дальней-
IBM 8514/a — специализированный адаптер для работы с
шем. Например, в случае компьютерной игры э го правила игры
высокими разрешениями (640x480x256 и 1024x768x256) с эле-
и физические законы перемещения игрока, искусственный
ментами графического ускорителя. Не поддерживает видеоре-
интеллект монстров и т. д.
жимы VGA. Интерфейс с монитором аналогичен VGA/MCGA.
2. Определение соответствующих текущему состоя-
IBM XGA — следующий специализированный адаптер
IBM. Расширено цветовое пространство (добавлен режим нию геометрических моделей. Этот этап создает геометри-
640x480x65536), добавлен текстовый режим 132x25 ческое представление текущего момента этого маленького
(1056x400). Интерфейс с монитором аналогичен VGA/MCGA. «виртуального мира».
3. Разбиение геометрических моделей на примитивы.
SVGA - cynep-VGA На этом этапе создается внешний вид объектоЕ в виде набора
SVGA (Super VGA) — расширение VGA с добавлением определенных примитивов, разумеется, на основе информа-
более высоких разрешений и дополнительного сервиса. Ви- ции из предыдущего шага. Наиболее распространенным при-
деорежимы добавляются из ряда 800x600, 1024x768, митивом в наше время является треугольник, и большинство
1152x864, 1280x1024, 1600x1200 - все с соотношением 4:3. современных программ и ускорителей работают именно с тре-
Цветовое пространство расширено до 65536 (High Color) угольниками. На треугольники всегда можно разбить любой
или 16.7 млн (True Color). Также добавляются расширен- плоский многоугольник, и именно тремя точками можно од-
ные Текстовые режимы формата 132x25, 132x43, 132x50 нозначно задать плоскость в пространстве.
SVGA является фактическим стандартом видеоадаптера при- 4. Привязка текстур и освещения. На этой стадии опре-
мерно с 1992 г. и по настоящее время. деляется, как будут освещены геометрические примитивы (тре-
угольники), а также какие и как на них в дальнейшем будут
наложены текстуры (изображения, передающие внешний вил
3.3. Ускорители (акселераторы)
материала объекта, т. е. негеометрическую визуальную инфор-
Для перекладывания части типовых операций по работе мацию; пример текстуры — песок на абсолютнэ ровном пля-
с изображением на встроенный процессор адаптера видеокар- же). Как правило, на этой стадии информация вычисляется
ты стали дополняться набором аппаратных возможностей, на- только для вершин примитива.
зываемых ускорителем или акселератором. Существуют ус- 5. Видовые геометрические преобразования. Здесь оп-
корители графики, ускорители анимации, ускорители трехмер- ределяются новые координаты для всех вершш примитивов
ной графики (3D-aKce.4epaTopbi) с поддержкой многослойно- исходя из положения наблюдателя и направления его взгля-
го изображения, теней И пр. да. Сцена как бы проецируется на поверхность монитора, пре-
Ускорители 2П-графики производят выполнение неко- вращаясь в двухмерную, хотя информация о расстоянии от
торых графических функций на аппаратном уровне, и их воз- наблюдателя до вершин сохраняется для последующей обрл
можности обычно используются для ускорения работы гра- ботки.
Устройства отображения информации 287

6. Отбрасывание невидимых примитивов. На этой ста- ляются визуальным каналом связи со всеми прикладными про-
дии из списка примитивов исключаются полностью невиди- граммами и стали жизненно важным компонентом при опреде-
мые (оставшиеся позади или сбоку от зоны видимости). лении общего качества и удобства эксплуатации всей компью-
7. Установка примитивов. Здесь информация о при- терной системы.
митивах (координаты вершин, наложение текстур, освеще- В настоящее время развитие компьютерных технологий
ние и т. д.) прообразуется в вид, пригодный для последую- требует разработки новых мониторов, большего размера и
щей стадии. новых возможностей. Создаваемые новые программы по ра-
8. Закраска примитивов. На этой стадии, собственно, и боте с трехмерной графикой уже не могут нормально воспро-
происходит построение в буфере кадра (памяти, отведенной изводиться на старых мониторах. Все это подтолкнуло разра-
под результирующее изображение) картинки на основе ин- ботчиков к усовершенствованию уже имеющихся технологий
формации о примитивах, сформированной предыдущей ста- в области воспроизведения информации. Поэтому эта про-
дией, и прочих данных, таких, как текстуры, таблицы тумана и блема и стала одной из важных в компьютерной технике.
прозрачности и пр. Как правило, на этой стадии для каждой Попытаемся описать уже существующие типы монито-
точки закрашиваемого примитива определяется ее видимость, ров, как они появились и вследствие чего, принцип работы
например, с помощью буфера глубин (Z-буфера) и, если она не некоторых мониторов, а также появление новых технологий,
заслонена более близкой к наблюдателю точкой (другого при- которые приведут нас в мир будущего. Правда, многие из них
митива), вычисляется ее цвет. Цвет определяется на основе находятся на данный момент в стадии разработки, но все рав-
информации об освещении и наложении текстур, определен- но уже ясно, что они быстро завоюют рынок. Понятно, что не
ной ранее для вершин этого примитива. было нужды в усовершенствовании мониторов, если не было
9. Финальная обработка — обработка всей результиру- прогресса в других областях. Таким образом, развитие мони-
ющей картинки как единого целого какими-либо двухмерны- торов непосредственно связано с усовершенствованием дру-
ми эффектами. гих составных компьютера.
Ускоритель состоит из геометрического процессора, ме-
ханизма установки (ответственного за реализацию этапа 7) и 4,1. Мониторы с электронно-лучевой трубкой
механизма отрисовки примитивов — закраски (этапы 8 и 9),
Сегодня самый распространенный тип мониторов — это
который является комбинацией двух блоков — обработки тек-
мониторы с электронно-лучевой трубкой (CRT — Cathode
стур и обработки буфера кадра. Когда говорят о производи-
Ray Tube). Как видно из названия, в основе всех подобных
тельности ускорителя, как правило, приводятся два числа —
мониторов лежит катодно-лучевая трубка, но это дословный
максимальная пропускная способность (треугольников в се-
перевод, технически правильно говорить электронно-лучевая
кунду) и максимальная производи гельность закраски (точек
трубка (ЭЛТ). Используемая в этом типе мониторов техноло-
в секунду).
гия была разработана много лет назад и первоначально созда-
Закраска происходит следующим образом: блок обра-
валась в качестве специального инструментария для измере-
ботки буфера кадра определяет, видна ли закрашиваемая точ-
ния переменного тока, проще говоря, для осциллографа. Раз-
ка, например, с помощью буфера глубин (Z-буфер). Если она
витие этой технологии применительно к созданию мониторов
видна, блок обработки текстур вычисляет цвет текстуры, со-
за последние годы привело к производству все больших по
ответствующий этой точке примитива. Затем вычисленный
размеру экранов с высоким качеством и низкой стоимостью.
цвет текстуры помещается в буфер кадра, заменяя находив-
Сегодня найти 14"-й монитор очень сложно, хотя несколько
шееся там ранее значение, либо комбинируется с ним по како-
лет назад это был стандарт. Сегодня стандартными являются
му-либо правилу. Ускоритель должен уметь реализовать цвет-
15"-й и 17"-й мониторы. Высокий спрос также и на мониторы
ное освещение, эффекты типа металла или отражения и другие
с диагональю 19" и более, особенно среди людей, работа кото-
эффекты.
рых связана с подготовкой печатных изданий, графикой.
Как правило, для каждой точки текстуры, кроме цвета,
Рассмотрим принципы работы CRT-мониторов. CRT, или
можно задать степень ее прозрачности. Подобным образом
ЭЛТ, монитор имеет стеклянную трубку, внутри которой на-
накрашиваются, например, полупрозрачные по краям взрывы
ходится вакуум, т. е. весь воздух удален. С фронтальной сто-
и ореолы вокруг источников света в компьютерных играх.
роны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофо-
Последнее действие блока обработки буфера кадра —
ром. Для создания изображения в CRT-мониторе использует-
наложение глобальных эффектов на готовую картинку. На-
ся электронная пушка, испускающая поток электронов сквозь
пример, туман, дымка или темнота — с точки зрения ускори-
металлическую маску или решетку на внутреннюю поверх-
теля одно и то же. Устраняются резкие границы между тре-
ность стеклянного экрана монитора, которая покрыта разно-
угольниками, изображению придается приятный «монолит-
цветными люминофорными точками. Поток электронов на пути
ный» вид.
к фронтальной части трубки проходит через модулятор ин-
Ранее ускорители брали на себя лишь два-три последних
тенсивности и ускоряющую систему, работающие по принци-
этапа. Однако современные ускорители поддерживают гео-
пу разности потенциалов. В результате электроны приобрета-
метрические преобразования (этапы 5, 6) и способны значи-
ют большую энергию, часть которой расходуется на свечение
тельно увеличить скорость построения изображения.
люминофора. Эти светящиеся точки люминофора формируют
изображение, видимое на мониторе. Как правило, в цветном
CRT-мониторе используются три электронные пушки, в отли-
4. МОНИТОРЫ чие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах,
которые сейчас практически не производятся и мало кому
Монитор — это устройство вывода графической и тек- интересны. Люминофорный слой, покрывающий фронтальную
стовой информации в форме, доступной пользователю. Мони- часть ЭЛТ, состоит из очень маленьких элементов (настолько
торы входят и состав любой компьютерной системы. Они яв-
288 Информатика

тем выше качество изо бражения на мониторе. Щелевая мас-
маленьких, что человеческий глаз их не всегда может разли-
чить). Эти люминофорные элементы воспроизводят основ- ка используется, помимо мониторов от NEC (где ячейки эл-
ные цвета. Фактически имеются три типа разноцветных час- липтические), в мониторах Panasonic.
тиц, чьи цвета соответствуют основным цветам: красный, зе- Есть и еще один вид трубок, в которых используется
леный и синий. Каждая из трех пушек соответствует одному Aperture Grill (апертурная, или теневая, решетка). Эти трубки
из основных цветов и посылает пучок электронов- на различ- стали известны под именем Trinitron и впервые были пред-
ные частицы люминофор, чье свечение основными цветами с ставлены на рынке компанией Sony еще в 1932 г. В трубках с
различной интенсивностью комбинируется, и в результате апертурнои решеткой применяется оригина i лая технология,
формируется изображение с требуемым цветом. Например, где имеется три лучевые пушки, три катода ( три модулятора,
если активировать красную, зеленую и синюю люминофорные но при этом имеется одна общая фокусировка. Апертурная
частицы, то их комбинация сформирует белый цвет. решетка — это тип маски, используемый равными производи-
Для управления ЭЛТ необходима и управляющая элек- телями в своих технологиях для производства кинескопов,
троника, качество которой во многом определяет и каче- носящих разные названия, но имеющих одинаковую суть, на-
ство монитора. Кстати, именно разница в качестве управля- пример технология Trinitron от Sony или Diamondtron от
ющей электроники, создаваемой разными производителя- Mitsubishi.
ми, является одним ИЗ критериев, определяющих разницу Это решение не включает в себя мета^* гическую решет-
между мониторами с одинаковой ЭЛТ. Понятно, что элект- ку с отверстиями, как в случае с теневой маской, а имеет
ронный луч, предназначенный для красных люминофорных решетку из вертикальных линий. Вместо тэчек с люмино-
элементов, не должен влиять на люминофор зеленого или форными элементами трех основных цветов апертурная ре-
синего цвета. Чтобы добиться такого действия, использует- шетка содержит серию нитей, состоящих из люминофорных
ся специальная маска, чья структура зависит от типа кине- элементов, выстроенных в виде вертикальных полос трех
скопов от разных производителей, обеспечивающая диск- основных цветов. Такая система обеспечивает высокую кон-
ретность (растровость) изображения. ЭЛТ можно разбить трастность изображения и хорошую насыщенность цветов,
на два класса — трехлучевые с дельтаобразным расположе- что вместе обеспечивает высокое качество мониторов с труб-
нием электронных пушек и с планарным расположением элек- ками на основе этой технологии. Минимальное расстояние
тронных пушек. В этих трубках применяются щелевые и между полосами люминофора одинакового цвета называет-
теневые маски, хотя правильнее сказать, что они все тене- ся strip pitch (или шагом полосы) и измеряется в миллимет-
вые. Самые распространенные типы масок — это теневые, а рах. Чем меньше значение strip pitch, тем выше качество изоб-
они бывают двух типов: Shadow Mask (теневая маска) и ражения на мониторе. Заметим, что нельзя напрямую сравни-
Slot Mask (щелевая маска). вать размер шага для трубок разных типов: лат точек труб-
ки с теневой маской измеряется по диагонали, в то время как
Shadow Mask шаг апертурнои решетки, иначе называемый горизонтальным
Теневая маска — это самый распространенный тип ма- шагом точек, — по горизонтали. Поэтому при одинаковом
сок для CRT-мониторов, состоит из металлической сетки пе- шаге точек трубка с теневой маской имеет большую плот-
ред частью стеклянной трубки с люминофорным слоем. От- ность точек, чем трубка с апертурнои решеткой. А вот рас-
верстия в металлической сетке работают как прицел, именно стояние между отверстиями маски измеряется в миллимет-
этим обеспечивается то, что электронный луч попадает только рах. Чем меньше шаг точки, тем лучше монитор: изображе-
на требуемые люмипофорные элементы и только в определен- ния выглядят более четкими и резкими, контуры и линии
ных областях. Теневая маска создает решетку с однородными получаются ровными и изящными. Стандартной для 14"-го
точками, где каждая такая точка состоит из трех люминофор- монитора является величина 0.28 мм, встречаются также 0.26,
ных элементов основных цветов (зеленого, красного и сине- 0.21, 0.31, 0.22 и др.
го), которые светятся с различной интенсивностью под воз-
действием лучей из электронных пушек. Минимальное рас- 4.2. Жидкокристаллические мониторы
стояние между люминофорными элементами одинакового цвета
называется шагом точки и является индексом качества изоб- LCD (Liquid Crystal Display — жидкокристаллические мо-
ражения. Шаг точки обычно измеряется в миллиметрах. Чем ниторы) сделаны из вещества, которое находится в жидком
состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, при-
меньше значение шага точки, тем выше качество воспроизво-
сущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости,
димого на мониторе изображения. Теневая маска применяет-
обладающие анизотропией свойств, связанных с упорядочен-
ся в большинстве современных мониторов — Hitachi, Panasonic,
ностью в ориентации молекул. Жидкие кристаллы были от-
Samsung, Daewoo, LG, Nokia, Viewsonic.
крыты давным-давно, по изначально они использовались для
Slot Mask других целей. Молекулы жидких кристаллов под воздействи-
ем электричества могут изменять свою ориентацию и вслед-
Щелевая маска — это технология, широко применяе-
ствие этого изменять свойства светового луча, проходящего
мая компанией NEC. Это решение на практике представля-
сквозь них. В результате дальнейших исследований стало
ет собой комбинацию двух технологий, описанных выше. В
возможным обнаружить связь между повышением электри-
данном случае люминофорные элементы расположены в вер-
ческого напряжения и изменением ориентации молекул кри-
тикальных эллиптических ячейках, а маска сделана из вер-
сталлов для обеспечения создания изображения. Первое СБОР
тикальных линий. Фактически вертикальные полосы раз-
применение жидкие кристаллы нашли в дисг.леях для каль-
делены на эллиптические ячейки, содержащие группы из
куляторов и в кварцевых часах, а затем их стали использо-
трех люминофорных элементов трех основных цветов.
вать в мониторах для портативных компьютеров, Сегодня R
Минимальное расстояние между двумя ячейками называет-
результате прогресса в этой области начинают получать вг>
ся slot pitch-f щелевой шаг). Чем меньше значение slot pitch,
Устройства отображения информации 289

большее распространение LCD-мониторы для настольных но отнести то, что они действительно плоски в буквальном
компьютеров. смысле этого слова, а создаваемое на их экранах изображение
Экран LCD-монитора представляет собой массив малень- отличается четкостью и насыщенностью цветов. Их отличает
также отсутствие искажений на экране и массы других про-
ких сегментов (называемых пикселями), которые могут мани-
блем, свойственных традиционным CRT-мониторам. К тому
пулироваться для отображения информации. Технологичес-
же потребляемая и рассеиваемая мощность у LCD-мониторов
кие новшества позволили ограничить их размеры величиной
существенно ниже, чем у CRT-мониторов.
маленькой точки, соответственно, на одной и той же площади
экрана можно расположить большее число электродов, что Рассмотрим отличия LCD-мониторов с активной матри-
увеличивает разрешение LCD-монитора и позволяет нам ото- цей и CRT-мониторов.
бражать даже сложные изображения в цвете. Для вывода цвет-
Разрешение
ного изображения необходима подсветка монитора сзади так,
чтобы свет порождался в задней части LCD-дисплея. Это не- LCD-мониторы имеют только одно разрешение с фикси-
обходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображе- рованным размером пикселей. В зависимости от поддержива-
ние с хорошим качеством, даже если окружающая среда не емых функций расширения или компрессии можно использо-
является светлой. Цвет получается в результате использова- вать более высокое или более низкое разрешение, но они не
будут оптимальными.
ния трех фильтров, которые выделяют из излучения источни-
ка белого света три основные компоненты. При комбинации CRT-мониторы поддерживают различные разрешения.
Трак основных цветов для каждой точки, или пикселя, экрана При всех поддерживаемых разрешениях монитор можно ис-
появляется возможность воспроизвести любой цвет. пользовать оптимальным образом. Ограничение накладыва-
Первые LCD-дисплеи были очень маленькими, около 8", ется только приемлемостью частоты регенерации.
в то время как сегодня они достигли 15" размеров для исполь-
Частота регенерации
зования в ноутбуках, а для настольных компьютеров произ-
водятся 19"-е и более LCD-мониторы. Вслед за увеличением Оптимальная частота у LCD-мониторов 60 Гц, чего до-
размеров следует увеличение разрешения, следствием чего статочно для отсутствия мерцания. У CRT-мониторов только
является возникновение новых проблем, которые были реше- при частотах свыше 75 Гц отсутствует явно заметное мер-
ны с помощью появившихся специальных технологий. Одной цание.
из первых проблем была необходимость стандарта в опреде-
Точность отображения цвета
лении качества отображения при высоких разрешениях. Пер-
вым шагом на пути к цели было увеличение угла поворота LCD-мониторы поддерживают True Color, и имитирует
плоскости поляризации света в кристаллах с 90° до 270° с ся требуемая цветовая температура. CRT-мониторы также под-
помощью STN-технологии. SI N — это акроним, означающий держивают True Color, и при этом имеется масса устройств
«Super Twisted Nematic». Технология STN позволяет увели- калибровки (настройки) цвета.
чить угол кручения ориентации кристаллов внутри LCD-дис-
Формирование отображения
плея с 90° до 270°, что обеспечивает лучшую контрастность
изображения при увеличении размеров монитора. Изображение в LCD-мониторах формируется пикселя-
В будущем следует ожидать расширения продвижения ми, число которых зависит только от конкретного разреше-
LCD-мониторов благодаря тому факту, что с развитием тех- ния LCD-панели. Шаг пикселей зависит только от размера
нологии конечная цена устройств снижается, что дает воз- самих пикселей, но не от расстояния между ними. Каждый
можность большему числу пользователей покупать новые про- пиксель формируется индивидуально, что обеспечивает вели-
дукты колепную фокусировку, ясность и четкость. Изображение по-
Расскажем о разрешении LCD-мониторов. Это разреше- лучается более целостным и гладким.
ние одно, и его еще называют native, оно соответствует макси- В CRT-мониторах пиксели формируются группой точек
мальному физическому разрешению CRT-мониторов. Имен- (триады) или полосок. Шаг точки, или линии, зависит от рас-
но в native-разрешении LCD-монитор воспроизводит изобра- стояния между точками, или линиями, одного цвета. В резуль
жение лучше всего. Это разрешение определяется размером тате четкость и ясность изображения сильно зависят от разме-
пикселей, который у LCD-монитора фиксирован. При этом ра шага точки, или шага линии, и от качества CRT.
есть возможность использовать и более низкое, чем native, раз-
Угол обзора
решение. Для этого есть два способа. Первый называется цен-
трированием; суть метода в том, что для отображения изоб- В настоящее время стандартным для LCD-мониторов яв
ражения используется только то количество пикселей, кото- ляется угол обзора 120° и выше; с дальнейшим развитием тех-
рое необходимо для формирования изображения с более низ- нологий следует ожидать увеличения угла обзора. CRT-мони-
ким разрешением. В результате изображение получается не во торы, в отличие от них, имеют отличный обзор под любым
весь экран, а только в середине. Все неиспользуемые пиксели углом
остаются черными, т. е. вокруг изображения образуется ши-
Энергопотребление и излучение
рокая черная рамка. Второй метод называется растяжением.
Практически никаких опасных электромагнитных излу
Суть его в том, что при воспроизведении изображения с более
чений у LCD-мониторов нет. Уровень потребления энергии
низким, чем native, разрешением используются все пиксели,
примерно на 70% ниже, чем у стандартных CRT-мониторов
т. е. изо-бражение занимает весь экран Однако из-за того,
В работе CRT-мониторов всегда присутствует электро
что изображение растягивается на весь экран, возникают
магнитное излучение, однако их уровень зависит от того, со
небольшие искажения и ухудшается резкость Поэтому при
ответствует ли CRT какому-либо стандарту безопасности
иыборе LCD-монитора важно чётко знать, какое именно раз-
Потребление энергии в рабочем состоянии на уровне 80 Вт
ргшршю вэм нужно К преимуществам I.CD мониторов мож
290 Информатика

Интерфейс монитора с компьютером бражения. Из-за этих ограничений такие мониторы использу-
ются пока только для конференций, презентаций, информаци-
LCD-мониторы имеют цифровой интерфейс, однако боль-
онных щитов, т. е. там, где требуются большие размеры экра-
шинство из них имеют встроенный аналоговый интерфейс для
нов для отображения информации. Однако есть все основа-
подключения к наиболее распространенным аналоговым вы-
ния предполагать, что в скором времени существующие
ходам видеоадаптеров. CRT-мониторы поддерживают только
технологические ограничения будут преодолены, а при сни-
аналоговый интерфейс.
жении стоимости такой тип устройств может с успехом при-
Сфера применения меняться в качестве телевизионных экранои или монито-
ров для компьютеров.
LCD-монитор — стандартный дисплей для мобильных
Технологии, которые применяются при создании мо-
систем. В последнее время начинает завоевывать место и в
ниторов, могут быть разделены на две группы: 1) монито-
качестве монитора для настольных компьютеров. Идеально
ры, основанные на излучении света, например традиционные
подходят в качестве дисплея для компьютеров, т. е. для рабо-
CRT-мониторы, и плазменные, т. е. это устройства, элементы
ты в Интернете, с текстовыми процессорами и т. д.
экрана которых излучают свет во внешний цщ\ 2) мониторы
CRT-монитор — стандартный монитор для настольных
трансляционного типа, такие, как LCD-монитоэы.
компьютеров. Крайне редко используются в мобильном виде.
Одним из лучших технологических направлений в обла-
Идеально подходит для отображения видео и анимации.
сти создания мониторов, которая совмещает в себе особенно-
Главной проблемой развития технологий LCD для сек-
сти обеих технологий, описанных нами выше, \ зляется техно-
тора настольных компьютеров, похоже, является размер мо-
логия FED. Мониторы FED основаны на процессе, который
нитора, который влияет на его стоимость. С ростом размеров
немного похож на тот, что применяется в CRT мониторах, так
дисплеев снижаются производственные возможности. В насто-
как в обоих методах применяется люминофор, светящийся
ящее время максимальная диагональ LCD-монитора, пригод-
под воздействием электронного луча.
ного к массовому производству, достигает 20", а недавно неко-
Главное отличие между CRT- и FED-мон К торами состо-
торые разработчики представили 43"-е модели и даже 64"-е
ит в том, что CRT-мониторы имеют три пушки, которые ис-
модели TFT-LCD-мониторов, готовых к началу коммерчес-
пускают три электронных луча, последовательно сканирую-
кого производства. Но похоже, что исход битвы между CRT- и
щих панель, покрытую люминофорным слоем, а в FED-мони-
LCD-мониторами за место на рынке уже предрешен. Причем не
торе используется множество маленьких источников элект-
в пользу CRT-мониторов. Будущее, судя по всему, все же за
ронов, расположенных за каждым элементом экрана, и вес
LCD-мониторами с активной матрицей. Исход битвы стал ясен
они размещаются в пространстве по глубине меньшем, чем
после того, как IBM объявила о выпуска монитора с матрицей,
требуется для CRT. Каждый источник электронов управ-
имеющей 200 пикселей на дюйм, то есть с плотностью в два раза
ляется отдельным электронным элементом так же, как это
больше, чем у CRT-мониторов. Как утверждают эксперты, ка-
происходит в LCD-мониторах, и каждый пиксель затем излу-
чество картинки отличается так же, как при печати на матрич-
чает свет благодаря воздействию электронов на люминофор-
ном и лазерном принтерах. Поэтому вопрос перехода к повсе-
ные элементы, как и в традиционных CRT-MOJ нТорах.
местному использованию LCD-мониторов лишь в их цене.

4.4. Пластиковые мониторы
4.3. Плазменные мониторы
Есть и еще одна новая и достаточно персп жтивная тех-
Тем не менее существуют и другие технологии, которые
нология — это LEP (Light Emission Plastics), или светящий
создают и развивают разные производители, и некоторые из
пластик. На сегодняшний день существуют монохромные (жел-
этих технологий носят название PDP (Plasma Display Panels),
того свечения) LEP-дисплеи, приближающиеся то эффектив-
или просто «plasma», и FED (Field Emission Display).
ности к жидкокристаллическим дисплеям LCD, уступающие
Такие крупнейшие производители, как Fujitsu, Matsushita,
им по сроку службы, но имеющие ряд существенных преиму-
Mitsubishi, NEC, Pioneer и другие, уже начали производство
ществ:
плазменных мониторов с диагональю 40" и более, причем не-
— поскольку многие стадии процесса производства
которые модели уже готовы для массового производства.
LEP-дисплеев совпадают с аналогичными стадиями произ-
Работа плазменных мониторов очень похожа на работу неоно-
водства LCD, производство легко переоборудовать. Кроме
вых ламп, сделанных в виде трубки, заполненной инертным
того, технология LEP позволяет наносить пластик на гиб-
газом низкого давления. Плазменные экраны создаются пу-
кую подложку большой площади, что невозможно для не-
тем заполнения пространства между двумя стеклянными по-
органического светодиода (там приходится использован,
верхностями инертным газом, например аргоном или неоном.
матрицу диодов);
Фактически каждый пиксель на экране работает, как обычная
— поскольку пластик сам излучает свет, не нужна под-
флуоресцентная лампа. Высокая яркость и контрастность на-
светка и прочие хитрости, необходимые для получения цвет-
ряду с отсутствием дрожания являются большими преимуще-
ного изображения на LCD-мониторе. Больше того, LEP-MO
ствами таких мониторов. Кроме того, угол по отношению к
нитор обеспечивает 180-градусный угол обзора;
нормали, под которым можно увидеть качественное изобра-
— поскольку устройство дисплея предельно просто (вер-
жение на плазменных мониторах, существенно больше, чем в
тикальные электроды с одной стороны пластика горизонталь-
случае с LCD-мониторами.
ные — с другой), изменением числа электродов на единицу
Главными недостатками такого типа мониторов являет-
протяженности по горизонтали или вертикали можно доби-
ся довольно высокая потребляемая мощность, возрастающая
ваться любого необходимого разрешения, а так»:е, при необ-
при увеличении диагонали монитора, и низкая разрешающая
ходимости, различной формы пикселя;
способность, обусловленная большим размером элемента изо-
Устройства отображения информации 291

— поскольку LEP-дисплей работает при низком напря- MPRII
жении питания (менее 3 В) и имеет малый вес, его можно MPR II, разработанный SWEDAC (The Swedish Board for
использовать в портативных устройствах, питающихся от ба- Technical Accreditation), определяет максимально допустимые

<<

стр. 18
(всего 40)

СОДЕРЖАНИЕ

>>