Arkhitektura_EVM_uchebnoe_posobie

держится на экране в течение нескольких часов. Для его стирания приходится подавать на экран специальное стирающее напряжение.

Запоминающие мониторы эффективны там, где выведенное изображение нуждается в длительной обработке, например, подвергается редактированию или должно быть воспринято (изучено) оператором.

По способу управления яркостью луча мониторы делятся на цифровые и аналоговые. В цифровых мониторах для управления яркостью на сетку подаются дискретные сигналы, которые в зависимости от настройки могут полностью запирать трубку (0) или полностью отпирать ее (1), снижать яркость до 1/2

(0)или обеспечивать полную яркость (1) и т.д.

Ваналоговых мониторах на сетку подается непрерывный (аналоговый) сигнал, который может плавно изменять яркость от полного запирания до полного отпирания.

По цветности изображения мониторы делятся на монохромные и цвет-

ные.

Цветность монитора на ЭЛТ зависит от люминофорного покрытия экрана. В монохромном мониторе на экране распыляется один люминофор, который и определяет цвет экрана: белый, зеленый и др. В цветном мониторе на экран последовательно напыляются три различных люминофора, каждый из которых светится под воздействием электронного пучка своим цветом. В цветных мониторах в качестве основных цветов применяются красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue), в связи с чем они получили название RGB-мониторы. Люминофоры наносятся в виде точек, образующих цветные триады на месте каждого пикселя. В цветных ЭЛТ используются три электронные пушки, каждая из которых может подсвечивать точку только одного цвета. Изменяя интенсивность каждого электронного пучка, можно регулировать яркость точек в цветных триадах. Но точки, из которых состоит пиксель, глазом по отдельности не воспринимаются, так как имеют очень малые размеры и расположены близко друг от друга. Глаз воспринимает их слитно как одну цветную точку, цвет которой зависит от яркости ее компонентов.

Ваналоговых мониторах для управления цветом используются три сетки, каждая из которых находится в непосредственной близости от «своей» электронной пушки и управляет интенсивностью только ее луча. Такие мониторы способны воспроизводить на экране сотни тысяч различных цветов.

Вцифровых мониторах управление цветом осуществляется раздельно по каждому лучу.

Связь ЭВМ с монитором осуществляется с помощью адаптера – устройства, которое должно обеспечивать совместимость различных мониторов с микропроцессорным комплектом ЭВМ.

Исторически сложилось, что дисплеи могут работать в одном из двух ре-

жимов: символьном или графическом,

Всимвольном режиме на экран может выводиться ограниченный состав символов, имеющих четко определенный графический образ: буквы, цифры, знаки пунктуации, математические знаки и знаки псевдографики. Состав этих символов определен системой кодирования, применяемой в данной ЭВМ.

130

Для вывода символа на экран дисплея сначала определяется позиция, в которой должен появиться символ (номер символа в строке и порядковый номер строки), а затем по коду символа определяется его форма, которая и высвечивается на экране. Предельное количество символов, одновременно размещаемых на экране, называется информационной емкостью экрана. В символьном режиме на экране монитора IBM PC может быть высвечено 40, 80 или 132 символа в строке. Всего на экране помещаются 25, 50 или 60 строк.

Форма выводимого символа определяется знакогенератором дисплея, в котором хранятся коды формы всех символов ASCII.

В графическом режиме изображение на экране формируется из отдельных точек (пикселей), имеющих свои адреса (номер пикселя в строке; номер пиксельной строки). В простейшем случае каждому пикселю экрана соответствует один пиксель, видеопамяти, который и определяет, светлым или темным должна быть соответствующая точка на экране. Если кроме этого необходимо указывать цвет пикселя, то количество битов видеопамяти, характеризующих каждый пиксель, приходится увеличивать. Поэтому для графического режима требуется большая память, чем для символьного, при той же разрешающей способности экрана.

Основу адаптера любого типа составляет видеопамять: обычная дина-

мическая (DRAM) или специальная двухпортовая (VRAM), допускающая одновременное обращение как со стороны системной магистрали, так и со стороны монитора.

Начиная с адаптера EGA видеопамять имеет плоскостную структуру: вся память делится на битовые плоскости. В каждой битовой плоскости одному пикселю выделяется один бит. Длина битовой плоскости определяет разрешающую способность экрана. Количество битовых плоскостей (в каждой из которых выделено по одному биту для соответствующего пикселя) определяет, сколько бит отводится для хранения атрибутивного признака пикселя. Если видеопамять имеет одну битовую плоскость, то такой дисплей может работать только в монохромном режиме (пиксель может быть либо ярким, либо темным). При наличии двух битовых плоскостей в видеопамяти может храниться 22=4 значения, определяющих, как должен выглядеть пиксель на экране (при цветном мониторе – четыре цвета, один из которых с кодом 00 – черный (т.е. фактически с помощью двух битовых плоскостей можно управлять RGBмонитором). При 8 битовых плоскостях атрибут пикселя обеспечивает кодирование 28=256 цветов – такой адаптер эффективно применять только для аналоговых RGB-монигоров, в которых между видеопамятью и управляющими цветом электродами ЭЛТ ставится цифро-аналоговый преобразователь (Digital to Analog Converter – DAC). B DAC из видеопамяти подается код цвета. Из DAC в ЭЛТ выдается аналоговый сигнал (код цвета преобразуется в величину напряжения на управляющем электроде).

Иногда между видеопамятью и DAC ставятся регистры палитры (RAM DAC). Атрибутивный признак каждого пикселя в этом случае обозначает номер регистра палитры, в котором хранится код цвета данного пикселя. При выборке соответствующего регистра палитры находящийся в нем код цвета передается в

131

DAC и управляет свечением пикселя. Объем RAM DAC равен количеству имеющихся в наличии регистров палитры (в адаптере EGA – 16, в адаптере VGA для цифрового монитора - 64). RAM DAC загружается кодами цветов выбранной палитры с помощью специальной видеофункции BIOS перед началом работы, поэтому объем RAM DAC определяет, сколько цветов может одновременно находиться на экране (монитор может обеспечить и большее количество цветов, но количество регистров палитры ограничивает количество цветов выбранной палитрой).

Начиная с адаптеров SVGA (Super VGA), на которые нет единого стандарта, предпринимаются попытки снять ограничения, накладываемые выбором палитры. Для этого код цвета из видеопамяти передается на DAC в момент «разжигания» пикселя. В режиме High Color на DAC передается 15-битовый код цвета (по 5 бит на каждый луч). В режиме True Color – 24-битовый код цвета (по 8 бит на каждый луч). Видеопамять для этого должна иметь соответственно 15 или 24 битовые плоскости.

Скорость обмена видеопамяти с DAC определяется продолжительностью разжигания (регенерации) одного пикселя и характеризуется частотой, которая при достаточно большой разрешающей способности превышает 200 Мгц. Поэтому указанные режимы используются для профессиональной обработки цветных изображений и нуждаются в очень дорогой, быстродействующей аппаратуре.

Физически видеопамять может иметь линейную структуру. Разбиение ее на видеоплоскости в этом случае может осуществляться программным путем –

спомощью драйвера дисплея. Поэтому есть возможность одну и ту же видеопамять использовать для различной разрешающей способности экрана (изменяя длину битовой плоскости) и для различного количества воспроизводимых на экране цветов (изменяя количество битовых плоскостей). При фиксированном объеме памяти можно увеличить разрешающую способность (но при этом сократится количество воспроизводимых цветов) или увеличить количество воспроизводимых цветов (снизив соответственно разрешающую способность экрана). Если же видеоплоскости реализованы аппаратно, переключение режимов может в ограниченных пределах эмулироваться драйвером дисплея.

Для воспроизведения динамических (движущихся, анимационных) изображений видеопамять приходится делить на страницы, которые поочередно выводятся на экран при каждой регенерации (пока одна страница выводится на экран, вторая заполняется очередным кадром).

Во всех адаптерах часть видеопамяти отводится под знакогенератор, в котором записаны коды формы выводимых на экран символов. В некоторых случаях в видеопамяти приходится хранить несколько знакогенераторов, например

снациональными шрифтами.

Кроме видеопамяти в состав адаптера входят блок сопряжения с монитором, различные ускорители (графический, Windows-ускоритель, ЗD-ускоритель и др.), которые предназначены для выполнения вычислительных операций без обращения к МП ЭВМ, блок управления.

132

5.3. Клавиатура

Клавиатура – важнейшее для пользователя устройство, с помощью которого осуществляется ввод данных, команд и управляющих воздействий в ЭВМ.

Блок клавиатуры, кроме клавиатуры, содержит контроллер клавиатуры, состоящий из буферной памяти и схемы управления. Контроллер клавиатуры осуществляет:

сканирование (опрос) состояния клавиш; буферизацию (временное запоминание) до 20 отдельных кодов клавиш на

время между двумя соседними опросами клавиатуры со стороны МП; преобразование с помощью программируемых системных таблиц (драйве-

ра клавиатуры) колов нажатия клавиш (SCAN-кодов) в коды ASCII; тестирование (проверку работоспособности) клавиатуры при включении

ПК.

При нажатии и отпускании клавиши в буферную память контроллера клавиатуры поступает код нажатия или отпускания (соответственно, 0 или 1) в седьмой бит байта и номер клавиши или ее SCAN-код – в остальные семь битов. При поступлении любой информации в буферную память посылается запрос на аппаратное прерывание, инициируемое клавиатурой. При выполнении прерывания SCAN-код преобразуется в код ASCII и оба кода пересылаются в соответствующее поле ОЗУ машины. При этом по наличию кода отпускания проверяется, все ли клавиши отпущены в момент нажатия следующей клавиши. Контроллер клавиатуры организует и автоматическое повторение клавишной операции: если клавиша нажата более 0,5с, то генерируются повторные коды нажатия клавиши через регулярные интервалы.

5.4. Принтер

Печатающие устройства (принтеры) – это устройства вывода данных из компьютера, преобразующие ASCII-коды и битовые последовательности в соответствующие им символы и фиксирующие их на бумаге.

Принтеры являются наиболее развитой группой ВУ, насчитывающей до 1000 различных модификаций. Принтеры различаются между собой по

цветности (черно-белые и цветные); способу формирования символов (знакопечатающие и знакосинтезирую-

щие); принципу действия (матричные, струйные, лазерные, термические и др.);

способами печати (ударные, безударные) и формирования строк (последовательные, параллельные);

скорости печати; разрешающей способности и т. д.

Внутри ряда групп можно выделить по несколько разновидностей принтеров. Среди ударных принтеров наиболее распространены игольчатые (матричные).

Печать у принтеров может быть посимвольная, построчная и постраничная. Скорость печати варьируется от 10-300 знаков/с (ударные принтеры) до 500-1000 знаков/с и даже до 20 страниц в минуту (безударные лазерные прин-

133

теры); разрешающая способность – от 3-5 до 30-40 точек на мм (лазерные принтеры). Принтеры могут работать в двух режимах – текстовом и графическом:

втекстовом режиме на принтер посылаются коды символов, которые следует распечатать, причем контуры символов выбираются из знакогенератора принтера;

вграфическом режиме на принтер пересылаются коды, определяющие последовательность и местоположение точек изображения.

Основными характеристиками принтеров являются.

Разрешающая способность, или просто разрешение. Разрешение при печа-

ти чаще всего измеряется числом элементарных точек, которые размещаются на одном дюйме (dpi – dots per inch, inch – дюйм, примерно 2,54см). Чем больше разрешение, тем точнее воспроизводятся детали изображения.

Скорость печати. Единицей измерения скорости печати информации слу-

жит величина количества символов в секунду – cps (characters per second), а при листовой печати показатель страниц в минуту – ppm (page per minute). Как правило, ррт указывается для страниц формата А4.

Матричные принтеры

Вматричных принтерах изображение формируется из точек ударным способом, поэтому их более правильно называть ударно-матричные принтеры, тем более что и прочие типы знакосинтезирующих принтеров тоже чаще всего используют матричное формирование символов, но безударным способом. Тем не менее, матричные принтеры – это их общепринятое название.

Вигольчатых (ударных) матричных принтерах печать точек осуществляется тонкими иглами, ударяющими бумагу через красящую ленту. Каждая игла управляется собственным электромагнитом. Печатающий узел перемещается в горизонтальном направлении листа, и знаки в строке печатаются последовательно. Многие принтеры выполняют печать как при прямом, так и при обратном ходе. Количество иголок в печатающей головке определяет качество печати. Недорогие принтеры 9-игольчатые. Матрица символов в таких принтерах имеет размерность 7x9 или 9x9 точек. Более совершенные матричные принтеры оснащены 18 и даже 24 иглами.

Быстродействие матричных принтеров при печати текста находится в пределах от 100 до 500 cps, что соответствует примерно двум страницам в минуту (с учетом смены листов). У специальных, дорогих принтеров скорость доходит

идо 1000 cps.

Разрешающая способность до 360×360 dpi (первая цифра по вертикали, вторая – по горизонтали).

Достоинства матричных принтеров: низкая стоимость как самого принтера, так и расходных материалов для него; возможность одновременной печати нескольких копий. Недостатки: невысокие качество и скорость печати, а также шум при печати.

Струйные принтеры

Это самые распространенные в настоящее время принтеры. Струйные принтеры в печатающей головке вместо иголок имеют тонкие трубочки – со-

134

пла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки красителя (чернил). Это безударные печатающие устройства. Матрица печатающей головки обычно содержит от 12 до 64 сопел.

В последние годы в их совершенствовании достигнут существенный прогресс: при формировании изображения используют направленное взрывоподобное распыление капелек чернил на бумагу при помощи мельчайших сопел печатающей головки – так называемой «пузырьковой» технологии струйной печати. Технически процесс распыления выглядит следующим образом. В стенку сопла встроен электрический нагревательный элемент, температура которого при подаче электрического импульса резко возрастает за 5-10 мкс. Все чернила, находящиеся в контакте с нагревательным элементом, мгновенно испаряются, что вызывает резкое повышение давления, под действием которого чернила выстреливаются из сопла на бумагу. После «выстрела» чернильные пары конденсируются, в сопле образуется зона пониженного давления и в него всасывается новая порция чернил. Эта новая технология произвела переворот в мире струйных принтеров и плоттеров, позволив почти на порядок увеличить их разрешающую способность (до 600-1440 dpi). Термоструйные головки заменяются вместе с картриджем.

Основные достоинства струйных принтеров:

высокое качество печати, для принтеров с большим количеством сопел – до 720×1440 dpi;

высокая скорость печати – до 10 ppm; использование обычной бумаги; бесшумность работы.

Основными недостатками струйных принтеров являются:

опасность засыхания чернил внутри сопла, что иногда приводит к необходимости замены печатающей головки;

высокая стоимость расходных материалов, в частности баллончика для чернил, особенно если он объединен с печатающей головкой и заменяется совместно с ней (такая конструкция характерна для термоструйных головок).

Лазерные принтеры

Лазерные принтеры обеспечивают наиболее качественную печать с наивысшим разрешением и скоростью. В них применяется электрографический способ формирования изображений.

Выпускаются лазерные принтеры двух основных модификаций: лазерные

исветодиодные.

Сзасвеченных на поверхности барабана лучом лазера или светодиодами точек стекает электрических заряд. После проявления электронного изображения порошком красителя (тонера), налипающего на разряженные участки, выполнятся печать – перенос тонера с барабана на бумагу и закрепление изображения разогревом тонера до его расплавления.

Достоинства лазерных принтеров: высокая скорость печати (от 4 др 40 и

более ppm); скорость печати не зависит от разрешения; высокое качество печати до 2880 dpi; низкая себестоимость копии; бесшумность.

135

Недостатками являются: высокая цена принтеров, особенно цветных; большое потребление электроэнергии.

Вопросы к главе 5

1.Место системы ввода/вывода в ЭВМ.

2.Структура внешнего устройства.

3.Что называется шиной?

4.Критерии и группы шин.

5.Применение систем визуального отображения.

6.Характеристики систем визуального отображения.

7.Применение клавиатуры.

8.Виды и характеристики принтеров.

136

Глава 6

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ ЭВМ

6.1. Перспективы совершенствования архитектуры ВМ и ВС

Совершенствование архитектуры вычислительных машин и систем началось с появления первых ВМ и не прекращается по сей день. Каждое изменение

вархитектуре направлено на абсолютное повышение производительности или, по крайней мере, на более эффективное решение задач определенного класса. Эволюцию архитектур определяют самые различные факторы, главные из которых показаны на рис. 6.1. Следует отметить, что наиболее очевидные успехи

вобласти вычислительной техники связаны с технологическими достижениями.

Технология	Предыстория	Языки
Приложения
		программирования

Архитектура

Операционные	Компиляторы
системы
Стоимость	Параллелизм

Рис. 6.1. Факторы, определяющие развитие архитектуры вычислительных систем

На современном уровне вычислительной техники подавляющее большинство устройств ЭВМ и ВС реализуется на базе полупроводниковых технологий в виде сверхбольших интегральных микросхем (СБИС). Каждое нововведение в области архитектуры ЭВМ и ВС, как правило, связано с необходимостью усложнения схемы процессора или его составляющих и требует размещения на кристалле СБИС все большего числа, логических или запоминающих элементов. Задача может быть решена двумя путями: увеличением размеров кристалла и уменьшением площади, занимаемой на кристалле элементарным транзистором, с одновременным повышением плотности упаковки таких транзисторов на кристалле.

Наиболее перспективным представляется увеличение размеров кристалла. Кристаллической подложкой микросхемы служит тонкая пластина, представляющая собой срез цилиндрического бруска полупроводникового материала. Полезная площадь подложки ограничена вписанным в окружность квадратом или прямоугольником. Увеличение диаметра кристаллической подложки на

137

10% на практике позволяет получить до 60% прироста числа транзисторов на кристалле. К сожалению, технологические сложности, связанные с изготовлением кристаллической подложки большого размера без ухудшения однородности ее свойств по всей поверхности, чрезвычайно велики.

Пока основные успехи в плане увеличения емкости СБИС связаны с уменьшением размеров элементарных транзисторов и плотности их размещения на кристалле. Здесь тенденции эволюции СБИС хорошо описываются эмпирическим законом Мура. В 1965 году Мур заметил, что число транзисторов, которое удается разместить на кристалле микросхемы, удваивается каждые 12 месяцев. Он предсказал, что эта тенденция сохранится в 70-е годы, а начиная с 80-х темп роста начнет спадать. В 1995 году Мур уточнил свое предсказание, сделав прогноз, что удвоение числа транзисторов далее будет происходить каждые 24 месяца.

Создание интегральных микросхем предполагает два этапа. Первый из них носит название литографии и заключается в получении маски, определяющей структуру будущей микросхемы. На втором этапе маска накладывается на полупроводниковую пластину, после чего пластина облучается, в результате чего и формируется микросхема. Уменьшение размеров элементов на кристалле напрямую зависит от возможностей технологии (рис. 6.2).

Технология, мкм

100

10

1

0,1 1960	1970	1980	1990	2000
		Год

Рис 6.2. Размер минимального элемента на кристалле интегральной микросхемы

Современный уровень литографии сделал возможным серийный выпуск СБИС, в которых размер элемента не превышает 0,13мкм.

Еще одна общая тенденция в технологии СБИС – переход от алюминиевых соединительных линий на кристалле на медные. «Медная» технология позволяет повысить быстродействие СБИС примерно на 10% с одновременным снижением потребляемой мощности.

Основные направления исследований в области архитектуры ЭВМ и ВС можно условно разделить па две группы: эволюционные и революционные. К

138

первой группе следует отнести исследования, целью которых является совершенствование методов реализации уже достаточно известных идей. Изыскания, условно названные революционными, направлены на создание совершенно новых архитектур, принципиально отличных от уже ставшей традиционной фоннеймановской архитектуры.

Большинство из исследовании, относимых к эволюционным, связано с совершенствованием архитектуры микропроцессоров. В принципе кардинально новых архитектурных подходов в микропроцессорах сравнительно мало. Основные идеи, лежащие в основе современных МП, были выдвинуты много лет тому назад, но из-за несовершенства технологии и высокой стоимости реализации нашли применение только в больших универсальных ВМ (мэйнфреймах) и суперЭВМ. Наиболее значимые из изменений в архитектуре МИ связаны с повышением уровня параллелизма на уровне команд (возможности одновременного выполнения нескольких команд). Здесь в первую очередь следует упомянуть конвейеризацию, суперскалярную обработку и архитектуру с командными словами сверхбольшой длины (VLIW). После успешного переноса на МП глобальных архитектурных подходов «больших» систем основные усилия исследователей теперь направлены на частные архитектурные изменения. Примерами таких эволюционных архитектурных изменений могут служить: усовершенствованные методы предсказания переходов в конвейере команд, повышение частоты успешных обращений к кэш памяти за счет усложненных способов буферизации и т. п.

6.2. Основные направления в архитектуре процессоров

Совершенствование элементной базы уже не приводит к кардинальному росту производительности ВМ. Более перспективными в этом плане представляются архитектурные приемы, среди которых один из наиболее значимых –

конвейеризация.

Идея конвейера команд была предложена в 1956 году академиком С.А. Лебедевым. Как известно, цикл команды представляет собой последовательность этапов (рис. 6.3). Возложив реализацию каждого из них на самостоятельное устройство и, последовательно соединив такие устройства, можно получить классическую схему конвейера команд. В цикле команды можно выделить шесть этапов.

1.Выборка команды (ВК). Чтение очередной команды из памяти и занесение ее в регистр команды.

2.Декодирование команды (ДК). Определение кода операции и способов адресации операндов.

3.Вычисление адресов операндов (ВА). Вычисление исполнительных адресов каждого из операндов в соответствии с указанным в команде способом их адресации.

4.Выборка операндов (ВО). Извлечение операндов из памяти. Эта операция не нужна для операндов, находящихся в регистрах.

5.Исполнение команды (ИК). Исполнение указанной операции.

6.Запись результата (ЗР). Занесение результата в память.

139