ЭВМ лекции
.pdfполупрозрачный, и второй слой читается «сквозь» первый. С повышением
плотности записи и уменьшением длины волны считывающего лазера изменились и требования к толщине защитного пластмассового слоя, для DVD-дисков он составляет всего 0.6 мм, в отличие от 1.2 мм, используемых в CD-дисках. Однако
для сохранения привычных размеров диска и во избежание излишней хрупкости DVD-дисков они заливаются пластиком с двух сторон, чтобы итоговая толщина диска составила те же 1.2 мм, Это позволило записывать данные на обе стороны DVD-дисков и таким образом удваивать их емкость, что часто и делается.
Технология DVD первоначально опиралась на 3 основных формата, наличие
которых определено специфическими требованиями для различных областей применения DVD:
—DVD-ROM используется для записи данных, в том числе мультимедийных, используемых в компьютерных технологиях;
—DVD-Video применяется при записи видеоматериалов для их дальнейшего
просмотра на видеотехнике или с помощью присоединенного к компьютеру DVD-ROM-привод. Формат обеспечивает защиту от нелегального копирования информации;
—DVD-Audio используется при записи высококачественного многоканального звука. Кроме того, DVD-форумом рекомендована дополнительная поддержка видео, графики и другой информации.
Эти форматы описывали диски, предназначенные только для чтения. Информация на такие диски помещается один раз в процессе их производства.
DVD-Video
Это цифровое видео, сжатое по алгоритму MPEG-2 и записанное на DVD- диск. Формат - 25 кадров в секунду с разрешением 720x576 точек при глубине цвета 24 бита (в стандарте PAL) или 30 кадров 720x480x24 бит (в стандарте NTSC). В несжатом виде это поток 30 Мб в секунду, а двухчасовой фильм будет занимать более 100 ГБ. Это огромный объем, поэтому и используется сжатие по стандарту MPEG-2, к тому же, это позволяет снизить поток данных до 3-4 МБ/с.
171
Очевидно, что чем сложнее сцена, тем хуже она поддается сжатию и тем выше поток данных.
Алгоритм сжатия MPEG-2 очень эффективен – удаляется примерно 97% избыточной информации практически без ущерба для качества картинки, благодаря чему на DVD-диске можно разместить до 4 часов высококачественного видео, 8 вариантов звукового сопровождения и 32 варианта субтитров на разных языках.
DVD-Audio — новое поколение музыкального формата после CD. Спецификацией формата определены высококачественный многоканальный звук, поддержка широкого диапазона качества звука, воспроизведение DVD-плеерами CD-дисков, поддержка дополнительной информации (включая видео, текст, меню, заставки, удобную навигационную систему), связь с осуществляющими информационную поддержку web-сайтами, расширение возможностей при появлении новых технологий. Сегодня существуют две версии формата DVDAudio: просто DVD-Audio — только для звукового содержания и DVD-AudioV — для звука с дополнительной информацией.
Большинство дисков DVD имеют емкость 4.7 ГБ. Применение схем удвоения плотности и их комбинирования позволяет иметь диски большей емкости: от 8.5 ГБ и 9.4 ГБ до 17 ГБ.
Приводы DVD кроме дисков DVD, умеют также проигрывать и обычные CD- диски. Как и приводы CD-ROM, приводы DVD делятся по скорости чтения, и 1х для DVD привода составляет 1.32 Мб/с. Учитывая, что 1х для CD-привода составляет всего 150 Кб/с, нетрудно подсчитать, что 16х-привод DVD должен читать CD-диски на скорости порядка 140х. Естественно, этого не происходит. 16х-приводы DVD читают CD-диски на скоростях 32—40х. Поэтому оптимальными являются 6—8х DVD-привод. Такие приводы способны читать CD-диски на скоростях порядка 30х, и для проигрывания DVD-видео (основного занятия при работе с DVD-дисками) их скорости вполне хватает. А более высокоскоростные модели отличаются большим шумом, тепловыделением и ценой.
172
С развитием технологии DVD появились спецификации дисков, обеспечивающие пользователям дисков запись и перезапись информации. Однако
основные участники форума не смогли договориться о единой спецификации на такие диски из-за стремления сохранить самостоятельный контроль над своими авторскими техническими разработками. В результате появилось несколько конкурирующих спецификаций (форматы DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW).
DVD-R — формат однократной записи, разработанный компанией Pioneer. Устройства на базе этого формата были первыми, которые записывали на дисках DVD. Технология записи аналогична используемой в CD-R и базируется на
необратимом изменении под воздействием лазера характеристик информационного слоя, покрытого специальным органическим составом. На диски DVD-R могут быть записаны как компьютерные данные, мультимедийные программы, так и видео/аудиоинформация. В зависимости от типа записанной информации диски могут быть прочитаны на других, совместимых с записанным форматом типах устройств, включая видеоплееры DVD-Video и большинство DVD-ROM-приводов. Односторонние диски DVD-R вмещают 4.7 или 3.95 ГБ на сторону. Двусторонние диски выпускаются только общей емкостью 9.4 ГБ (4.7 ГБ на сторону). В настоящее время формат не поддерживает технологию записи в два слоя.
Спецификация DVD-VR основана на DVD-RAM и поддержана DVD- форумом. Формат DVD-VR позволяет записать в реальном времени до 2 часов высококачественного видео в формате MPEG-2 на односторонний диск DVDRAM емкостью 4.7 ГВ и обеспечивает такие возможности, как редактирование уже записанных видеоматериалов, запись различных типов статических изображений. Электронику на базе этого формата выпускают, к примеру,
компании Panasonic, Toshiba, Samsung, Hitachi.
Все известные спецификации перезаписываемых DVD-дисков используют технологию многократной записи, основанную на физическом принципе смены фазового состояния (кристаллическое/аморфное) информационного слоя под воздействием лазера. Считывание информации осуществляется путем
определения оптических характеристик информационного слоя в различных его
173
фазовых состояниях при отражении лучей лазера (того же, что и при записи). Для многократной записи в качестве рабочего используется материал AVIST, созданный компанией TDK в 1995 г Характеристики этого материала практически идеально удовлетворяют требованиям технологии перезаписи DVD-дисков. AVIST выдерживает как минимум 1000 циклов перезаписи даже на скоростях менее 3 Мб/с. При более высоких скоростях записи количество циклов перезаписи возрастает.
Существует несколько конкурирующих форматов многократной записи па
DVD.
DVD-RAM (Digital Versatile Disc Random Access Memory) –
перезаписываемый формат, разработанный компаниями Panasonic, Hitachi, Toshiba. Формат одобрен DVD-форумом в июле 1997 г. Оборудование и диски этого формата тестировались в течение 3-х месяцев в более чем 20 компьютерных компаниях-производителях всего мира. На сегодня это самый распространенный DVD-формат в компьютерной индустрии. DVD-RAM-приводы читают диски DVD-ROM. В свою очередь диски DVD-RAM могут быть прочитаны только приводами DVD-ROM так называемого третьего поколения, выпускаемыми с середины 1999 г.
Первое поколение дисков DVD-RAM вмещало 2.6 ГБ на сторону. Диски современного — второго — поколения несут 4.7 ГБ на стороне или 9.4 ГБ для двусторонней модификации.
Важнейшие достоинства дисков формата DVD-RAM — это возможность перезаписи до 100 000 раз и наличие механизма коррекции ошибок записи. Самое большое число циклов перезаписи среди всех DVD, механизм коррекции ошибок и произвольный доступ к диску как при записи, так и при чтении предопределили
максимальную эффективность этого формата во вторичных устройствах хранения данных.
DVD+RW (Digital Versatile Disc Rewritable)
Формат DVD+RW продвигается только его разработчиками — компаниями
Hewlett-Packard, Mitsjbishi Chemical, Philips, Ricoh, Sony и Yamaha (не поддержан
DVD-форумом). На дисках DVD+RW можно записать как потоковое видео или
174
звук, так и компьютерные данные. Диски формата DVD+RW могут быть перезаписаны около 1000 раз. На базе DVD+RW создан формат записи потокового видео — DVD+RW Video Format. Устройства и диски, работающие в этом формате, позиционируются на рынке как полностью совместимые с оборудованием, работающим в форматах DVD-Video. Это значит, что диски DVD+RW, содержащие видеоматериалы, могут быть воспроизведены на выпущенной ранее бытовой аппаратуре DVD.
DVD-RW (Digital Versatile Disc ReRecordable)
Встречаются другие названия этого формата: DVD-R/W и реже DVD-ER. DVD-RW — формат многократной записи, разработанный компанией Pioneer. Диски формата DVD-RW вмещают 4.7 ГБ на одну сторону, выпускаются в
односторонней и двусторонней модификациях и могут быть использованы для хранения видео, аудио и других данных.
Диски формата DVD-RW могут быть перезаписаны до 1000 раз. В отличие от форматов DVD+RW и DVD-RAM диски DVD-RW могут быть прочитаны на приводах DVD-ROM первого поколения. Долговечность выпускаемых дисков DVD-RW составляет около 100 лет.
Размещение информации на диске
Хранение и извлечение данных с диска требует взаимодействия между операционной системой, контроллером диска и электронными и механическими компонентами самого накопителя. Операционная система помещает данные на хранение и обслуживает каталог секторов диска, закрепленных за файлами. Когда вы даете системе команду сохранить файл или считать его с диска, она передает ее в контроллер жесткого диска, который перемещает магнитные головки к таблице расположения файлов соответствующего логического диска. Затем операционная система считывает эту таблицу, осуществляя в зависимости от команды поиск свободного сектора диска, в котором можно сохранить вновь созданный файл, или начало запрашиваемого для считывания файла.
Информация таблицы размещения файлов поступает из электронной схемы накопителя в контроллер жесткого диска и возвращается операционной системе,
175
после чего ОС генерирует команду установки магнитных головок над соответствующей дорожкой диска для записи или считывания нужного сектора. Записав новый файл на свободные сектора диска, ОС возвращает магнитные головки в зону расположения таблицы и вносит в нее изменения, последовательно перечисляя все сектора, на которых записан файл.
Жесткий диск, как и всякое другое блочное устройство, хранит информацию фиксированными порциями, которые называются блоками. Блок является наименьшей порцией данных, имеющей уникальный адрес на жестком диске. Для того чтобы прочесть или записать нужную информацию в нужное место, необходимо представить адрес блока в качестве параметра команды, выдаваемой контроллеру жесткого диска. Размер блока уже с давних пор является стандартным для всех жестких дисков — 512 байт. К сожалению, достаточно часто происходит путаница между такими понятиям, как «сектор», «кластер» и «блок». Фактически между «блоком» и «сектором» разницы нет. Правда, одно понятие логическое, а второе — топологическое.
Кластер — это несколько секторов, рассматриваемых операционной системой как одно целое. Переход к кластерам произошел потому, что размер таблицы размещения файлов был ограничен, а размер поиска увеличивался. В случае файловой системы FAT16 для диска объемом 512 МБ кластер будет составлять 8 КБ, до 1 ГБ — 16 КБ, до 2 ГБ — 32 КБ и т. д. Для того чтобы однозначно адресовать блок данных, необходимо указать все три числа (номер цилиндра, номер сектора на дорожке, номер головки). Такой способ адресации
диска был широко распространен и получил впоследствии обозначение аббревиатурой CHS (cylinder, head, sector). Именно этот способ был первоначально реализован в BIOS, поэтому впоследствии возникли ограничения, связанные с ним. Дело в том, что BIOS определил разрядную сетку адресов на 63 сектора, 1024 цилиндра и 255 головок. Однако развитие жестких дисков в то время ограничилось использованием лишь 16 головок в связи со сложностью изготовления. Отсюда появилось первое ограничение на максимально допустимую для адресации емкость жесткого диска: 1024x16x63x512 - 504 Мб.
176
Со временем производители стали делать HDD большего размера. Соответственно, число цилиндров на них превысило 1024, максимально допустимое число цилиндров (с точки зрения старых BIOS). Однако адресуемая часть диска продолжала равняться 504 Мб при условии, что обращение к диску велось средствами BIOS. Это ограничение со временем было снято введением так называемого механизма трансляции адресов.
Проблемы, возникшие с ограниченностью BIOS по части физической геометрии дисков, привели к появлению нового способа адресации блоков на диске. Блоки на диске описываются одним параметром — линейным адресом блока. Адресация диска линейно получила аббревиатуру LBA (logical block addressing). Линейный адрес блока однозначно связан с его CHS-адресом: lba = (Цилиндр х ВсегоГоловок + Головка) х Секторов + (Сектор-1).
Введение поддержки линейной адресации в контроллеры жестких дисков дало возможность BIOS заняться трансляцией адресов. Суть этого метода состоит в том, что если в приведенной выше формуле увеличить параметр ВсегоГоловок, то потребуется меньше цилиндров, чтобы адресовать то же самое количество блоков диска. Но зато потребуется больше головок. Однако головок-то как раз использовалось всего 16 из 255. Поэтому BIOS стали переводить избыточные цилиндры в головки, уменьшая число одних и увеличивая число других. Это
позволило им использовать разрядную сетку головок целиком и отодвинуло границу адресуемого устройством BIOS дискового пространства до 8 ГБ.
Нельзя не сказать несколько слов и о Large Mode. Этот режим работы предназначен для работы жестких дисков объемом до 1 ГБ. В Large Mode количество логических головок увеличивается до 32, а количество логических цилиндров уменьшается вдвое. При этом обращения к логическим головкам 0.. F транслируются в четные физические цилиндры, а обращения к головкам 10.. 1F
— в нечетные. Винчестер, размеченный в режиме LBA, несовместим с режимом Large, и наоборот.
Дальнейшее увеличение адресуемых объемов диска с использованием прежних сервисов BIOS стало принципиально невозможным. Действительно, все параметры задействованы максимально (63 сектора, 1024 цилиндра и 255
177
головок). Тогда был разработан новый расширенный интерфейс BIOS, учитывающий возможность очень больших адресов блоков. Однако этот интерфейс уже не совместим с прежним, вследствие чего старые операционные системы, такие, как DOS, которые пользуются старыми интерфейсами BIOS, не смогли и не смогут переступить границы в 8 ГБ.
Практически все современные системы уже не пользуются BIOS, а используют собственные драйверы для работы с дисками. Поэтому данное ограничение на них не распространяется. Прежде, чем система сможет использовать собственный драйвер, она должна его загрузить. Поэтому на этапе начальной загрузки любая система вынуждена пользоваться BIOS. Это и вызывает ограничения на размещение многих систем за пределами 8 ГБ, они не могут оттуда загружаться, но могут читать и писать информацию (например, DOS, который работает с диском через BIOS).
Каждый новый диск в начале работы с ним следует отформатировать. Форматирование диска — это создание структуры записи информации на ее поверхности: сметка дорожек, секторов, запись маркеров и другой служебной информации.
178
22. Центральный процессор
Центральный процессор (ЦП, ЦПУ, CPU) – функционально законченное программно управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.
Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую
пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в
пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера. В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.
Основными считаются следующие характеристики центрального процессора:
∙разрядность;
∙тип архитектуры или серия (CISC, Intel х86, RISC);
∙система поддерживаемых команд (х86, IA-32, IA-64);
∙расширения системы команд (ММХ, SSE, SSE2 и т.д.);
∙конструктивное исполнение (Slot 1, Slot 2, Socket 340, Socket 478, Slot A, Socket A);
∙тактовая частота (МГц, ГГц);
∙частота системной шины;
Разрядность шины данных микропроцессора определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции; разрядность шины адреса МП определяет его адресное пространство.
Компьютеры, содержащие процессоры, поддерживающие систему команд
Intel x86 (фирм Intel, AMD, Cyrix, Transmeta), на которых может исполняться
179
операционная система Microsoft Windows, называются Wintel-компьютерами (от
Windows и Intel).
Тип архитектуры, как правило, определяется фирмой-производителем оборудования. Все крупнейшие фирмы, производящие электронное оборудование для Wintel-совместимых компьютеров и выпускающие свои типы центральных процессоров, вносят изменения в базовую архитектуру процессоров серии Intel x86 или разрабатывают свою. С типом архитектуры тесно связан набор поддерживаемых команд или инструкций и их расширений. Эти два параметра, в основном, определяют качественный уровень возможностей персонального компьютера и в большой степени — уровень его производительное
Все современные процессоры имеют специальные системы команд, дополняющие набор инструкций Intel x86. Они рассчитаны на обработку графической и видеоинформации. Набор ММХ (MultiMedia extension) поддерживается всеми х86-совместимыми процессорами. SSE появился в процессорах Pentium III, a SSE2 — в процессорах Pentium 4.
В настоящем время процессоры конструктивно изготовляют в виде квадратной микросхемы в корпусе PPGA (Plastic Pin Grid Array), со множеством ножек в нижней части (конструктив Socket). Для процессоров Pentium II был разработан Slot 1 — щелевой разъем с 242 контактами, впоследствии переименованный в SC242. В этот же слот устанавливались и некоторые процессоры Celeron и Pentium III. Для слота 1 (SC242) предназначены процессоры
сразными названиями «упаковки»:
∙SECC — картридж процессоров Pentium II и Pentium Ш. Представляет собой печатную плату с установленными компонентами. К микросхемам прилегает термопластина, распределяющая тепло, к которой снаружи крепится вентилятор (или иное охлаждающее устройство). Спереди картридж закрыт крышкой;
∙SECC 2 — картридж для тех же процессоров. От предыдущего отличается тем, что не имеет термопластины — внешние радиаторы прижимаются прямо к корпусам микросхем, что снижает тепловое сопротивление и повышает эффективность охлаждения;
180