Evropský polytechnický institut, s. r. o. První soukromá vysoká škola na Moravě Kunovice
Architektura PC
I. II. III. IV. V.
Ing. Jaroslav Nesvadba, CSc. Ing. Oldřich Kratochvíl
Kunovice, květen 2003
2
Ing. Jaroslav Nesvadba, CSc. Ing. Oldřich Kratochvíl
Architektura PC Vydavatel, nositel autorských práv, vyrobil: (C) Evropský polytechnický institut, s.r.o. ISBN 80-7314-022-5 3
4
Obsah 1
NAPÁJECÍ ZDROJE V POČÍTAČÍCH PC .................................................................................................... 9 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
VYUŽITÍ PC ATX ZDROJE PRO NAPÁJENÍ ZAŘÍZENÍ ..................................................................................... 11 NAPÁJECÍ ZDROJE V PC................................................................................................................................ 12 STANDART ATX .......................................................................................................................................... 12 KONSTRUKCE ZDROJŮ.................................................................................................................................. 13 NAPÁJENÍ PROCESORU ................................................................................................................................. 14 NAPÁJENÍ KARET ......................................................................................................................................... 15 NAPÁJENÍ DISKŮ .......................................................................................................................................... 16
2 ZÁKLADNÍ DESKY V PC, SOUČASNÝ STAV, SROVNÁNÍ JEDNOTLIVÝCH PRODUKTŮ.............................................................................................................................................................. 18 2.1 2.2 3
ZÁKLADNÍ DESKA (MAINBOARD, MOTHERBOARD)....................................................................................... 18 ROZLOŽENÍ DESKY ....................................................................................................................................... 27
PROCESORY INTEL NASAZOVANÉ V PC ............................................................................................... 29 3.1 INTEL PENTIUM P5....................................................................................................................................... 31 3.2 INTEL PENTIUM P54C/CS ............................................................................................................................ 31 3.3 INTEL PENTIUM MMX ................................................................................................................................. 31 3.4 INTEL CELERON ........................................................................................................................................... 32 3.5 INTEL PENTIUM PRO .................................................................................................................................... 33 3.6 INTEL PENTIUM II ........................................................................................................................................ 33 3.7 PRVNÍ GENERACE PROCESORŮ XEON ........................................................................................................... 34 3.7.1 Čipset 860 ........................................................................................................................................... 36 3.8 INTEL PENTIUM II XEON .............................................................................................................................. 36 3.9 INTEL COPPERMINE...................................................................................................................................... 36 3.9.1 Intel Pentium III .................................................................................................................................. 37 3.9.2 Nové instrukce..................................................................................................................................... 37 3.9.3 3D grafika rychleji .............................................................................................................................. 38 3.9.4 Důležité budou aplikace...................................................................................................................... 38 3.9.5 Procesor číslo III ................................................................................................................................ 38 3.9.6 Procesor Intel Pentium 4 - nová generace 32-bitové architektury...................................................... 39 3.9.7 Mikroarchitektura NetBurst™ ............................................................................................................ 40 3.9.8 Hyperpipelined Technology ................................................................................................................ 40 3.9.9 400 MHz systémová sběrnice .............................................................................................................. 40 3.9.10 3.11.4. Level 1 Execution Trace Cache............................................................................................... 41 3.9.11 Rapid Execution Engine...................................................................................................................... 41 3.9.12 3.11.6. Rozšíření instrukční sady ........................................................................................................ 41 3.9.13 Infrastruktura vyvážené platformy ...................................................................................................... 42
4 PROCESORY VÝROBCŮ (JINÝCH NEŽ INTEL) NASAZOVANÝCH V PC SOUČASNÝCH SESTAV ........................................................................................................................................ 43 4.1 VÝROBA NOVÉHO PROCESORU ..................................................................................................................... 43 4.2 TECHNOLOGIE 0,25 µM ................................................................................................................................ 45 4.3 AMD ATHLON THUNDERBIRD ..................................................................................................................... 46 4.4 AMD DURON............................................................................................................................................... 47 4.5 AMD ATHLON XP – PALOMINO .................................................................................................................. 48 4.6 AMD ATHLON MP ...................................................................................................................................... 51 4.7 VIA CYRIX III ............................................................................................................................................. 52 4.8 VIA C3 ........................................................................................................................................................ 53 4.8.1 Nové jádro........................................................................................................................................... 54 4.8.2 Srovnání jader Samuel a Samuel2 ...................................................................................................... 54 4.8.3 Pro koho.............................................................................................................................................. 55 5
CHIPSETY ........................................................................................................................................................ 55
5
5.1 PRODUKTY FIRMY INTEL ..............................................................................................................................55 5.1.1 Intel 810...............................................................................................................................................55 5.1.2 Intel 815E.............................................................................................................................................56 5.1.3 Intel 845...............................................................................................................................................57 5.2 PRODUKTY FIRMY SIS ( SILICON INTEGRATED SYSTEMS ) ...........................................................................58 5.2.1 SIS 633.................................................................................................................................................59 5.2.2 SIS 735.................................................................................................................................................60 5.2.3 SIS 645 DX...............................................................................................................................................61 5.2.4 SiS961 Jižní most MuTIOL Media I/O.................................................................................................61 5.3 PRODUKTY FIRMY VIA.................................................................................................................................63 5.3.1 VIA Apollo Pro133A ............................................................................................................................63 5.3.2 VIA Apollo KT266................................................................................................................................65 5.3.3 VIA Apollo P4X 266A ..........................................................................................................................66 6
SBĚRNICE V PC...............................................................................................................................................68 6.1 ZÁKLADNÍ INFORMACE O SYSTÉMOVÉ A ROZŠIŘUJÍCÍ SBĚRNICI....................................................................68 6.1.1 Systémová sběrnice ..............................................................................................................................68 6.1.2 Rozšiřující sběrnice..............................................................................................................................68 6.2 SBĚRNICE PRO PC.........................................................................................................................................69 6.2.1 Sběrnice PC bus...................................................................................................................................69 6.2.2 Sběrnice ISA.........................................................................................................................................70 6.2.3 Sběrnice MCA ......................................................................................................................................71 6.2.4 Sběrnice EISA ......................................................................................................................................72 6.2.5 Sběrnice VLB .......................................................................................................................................72 6.2.6 Sběrnice PCI........................................................................................................................................74 6.2.7 Sběrnice AGP.......................................................................................................................................76 6.2.8 Sběrnice USB .......................................................................................................................................77
7
POLOVODIČOVÉ PAMĚTI ...........................................................................................................................81 7.1 PAMĚŤ ..........................................................................................................................................................81 7.1.1 Základní parametry pamětí..................................................................................................................81 7.1.2 Použití polovodičových pamětí v PC ...................................................................................................83 7.2 VNITŘNÍ PAMĚTI ...........................................................................................................................................83 7.2.1 Paměti ROM (Read Only Memory)......................................................................................................84 7.2.2 Paměti PROM (Programable Read Only Memory) .............................................................................86 7.2.3 Paměti EPROM (Eraseable Programable Read Only Memory)..........................................................88 7.2.4 Paměti EEPROM (Electrically EPROM) ............................................................................................88 7.2.5 Paměti Flash........................................................................................................................................89 7.3 OPERAČNÍ PAMĚŤ .........................................................................................................................................90 7.3.1 Paměti RAM.........................................................................................................................................92 7.3.2 Paměti SRAM (Static Random Access Memory)..................................................................................92 7.3.3 Paměti DRAM (Dynamic Random Access Memory)............................................................................93 7.3.4 RDRAM - RIMM ..................................................................................................................................94 7.4 PŘÍLOHA - POROVNÁNÍ PAMĚTÍ PIC16C84, 16F84 A 16F84A ......................................................................95
8
GRAFICKÉ KARTY V PC, OVLÁDÁNÍ, MOŽNOSTI, .............................................................................99 8.1 GEFORCE 4 TI 4600......................................................................................................................................99 8.1.1 nFiniteFX II .......................................................................................................................................102 8.1.2 Software .............................................................................................................................................102 8.1.3 Problémy............................................................................................................................................103 8.1.4 Teoretické testy ..................................................................................................................................104 8.2 ATI - RADEON 8500 ...................................................................................................................................106 8.2.1 Pixel a Vertex Shadery = SmartShadery............................................................................................109 8.2.2 HyperZ II ...........................................................................................................................................111 8.2.3 TRUFORM.........................................................................................................................................111 8.2.4 Smoothvision......................................................................................................................................112 8.2.5 Anisotropické filtrování .....................................................................................................................113
9
PEVNÉ DISKY, VLASTNOSTI, SROVNÁNÍ .............................................................................................115 9.1
ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI DISKŮ ...................................................................................................................115 6
9.1.1 Mechanika a základní elektronika..................................................................................................... 115 9.2 CACHE DISKU ............................................................................................................................................. 116 9.3 ROZHRANÍ IDE A PŘENOSOVÉ REŽIMY....................................................................................................... 116 9.4 DMA A ULTRADMA................................................................................................................................. 118 9.5 KABELY ..................................................................................................................................................... 118 9.6 VÝKON PODLE REŽIMU IDE ....................................................................................................................... 118 9.7 SEQUENTIAL SPEED.................................................................................................................................... 120 9.7.1 Výkon pro různé disky ....................................................................................................................... 123 9.8 PODPORA OPERAČNÍMI SYSTÉMY ............................................................................................................... 124 9.8.1 Co je potřeba pro správnou funkci Ultra-ATA.................................................................................. 125 9.9 SERIAL ATA.............................................................................................................................................. 126 9.9.1 Paralelní ATA - přežitek dneška........................................................................................................ 126 9.9.2 Serial ATA ......................................................................................................................................... 128 9.10 IDE............................................................................................................................................................ 132 9.10.1 Zahřívání disku ................................................................................................................................. 135 9.10.2 Akustický "smog"............................................................................................................................... 135 10
ROZHRANÍ PEVNÝCH DISKŮ .............................................................................................................. 137
10.1 ROZHRANÍ ST506 ...................................................................................................................................... 137 10.2 ROZHRANÍ ESDI ........................................................................................................................................ 138 10.3 ROZHRANÍ IDE .......................................................................................................................................... 138 10.4 ROZHRANÍ EIDE........................................................................................................................................ 139 10.5 ROZHRANÍ SCSI ........................................................................................................................................ 141 10.6 POPIS SCSI .............................................................................................................................................. 142 10.7 KONEKTOR SCSI ................................................................................................................................... 144 10.8 SERIAL SCSI ........................................................................................................................................... 145 10.9 POPIS SCSI-3 ........................................................................................................................................... 145 10.10 ULTRA 320 SCSI ................................................................................................................................. 146 10.11 PŘÍKLAD PCMCIA SCSI ADAPTÉRŮ..................................................................................................... 146 10.11.1 SCSI Bus Toaster........................................................................................................................... 146 10.11.2 Ultra ( Wide ) SCSI ....................................................................................................................... 147 10.11.3 Zvukový / SCSI adaptér................................................................................................................. 147 11
VYUŽITÍ ROZHRANÍ RS232................................................................................................................... 149
11.1 POPIS SÉRIOVÉHO PORTU ........................................................................................................................... 150 11.2 PŘÍSTUP K PORTU V PROGRAMOVACÍM JAZYCE BASIC ............................................................................... 155 11.3 PŘÍSTUP K PORTU V PROGRAMOVACÍM JAZYCE PASCAL ............................................................................ 155 11.4 PŘÍMÝ DIGITÁLNÍ VÝSTUP .......................................................................................................................... 157 11.4.1 Časový spínač ................................................................................................................................... 158 11.4.2 Ovládání serva .................................................................................................................................. 158 11.4.3 Řízení krokového motoru................................................................................................................... 159 12
PARALELNÍ ROZHRANÍ – CENTRONICS.......................................................................................... 161
12.1 POPIS ROZHRANÍ CENTRONICS ................................................................................................................... 161 12.1.1 Port 378h: Datová V/V brána ........................................................................................................... 162 12.1.2 Port 379h: Stavová V/V brána .......................................................................................................... 162 12.1.3 Port 37Ah: Řídící V/V brána............................................................................................................. 162 12.1.4 Služby ROM-BIOSu pro obsluhu tiskárny - INT 17h /INT 23/ .......................................................... 162 12.2 SYSTÉM PŘENOSU SOUBORU POMOCÍ CENTRONICS .................................................................................... 163 13
STAVEBNÍ PRVKY PRO POČÍTAČOVÉ SÍTĚ, KONEKTORY, KABELY, HUBY ....................... 165
13.1 PŘENOSOVÉ MEDIUM.......................................................................................................................... 165 13.1.1 Útlum a next ...................................................................................................................................... 165 13.1.2 Koaxiální kabel ................................................................................................................................. 166 13.1.3 Kroucená dvoulinka .......................................................................................................................... 167 13.1.4 Kabeláž 10/100BaseT........................................................................................................................ 168 13.2 OPTIKA.................................................................................................................................................... 170 13.2.1 Optické konektory ............................................................................................................................. 170 MIKROVLNNÉ SPOJE........................................................................................................................................ 172 13.3 RÁDIOVÁ POJÍTKA ............................................................................................................................... 172 7
13.4 AKTIVNÍ PRVKY POČÍTAČOVÝCH SÍTÍ .........................................................................................................173 13.4.1 Hub ....................................................................................................................................................173 13.4.2 Bridge ................................................................................................................................................174 13.4.3 Přepínače (SWITCH).........................................................................................................................176 13.4.4 Brány .................................................................................................................................................176 13.4.5 Směrovač (router) ..............................................................................................................................178 13.4.6 Opakovače .........................................................................................................................................180 14
MECHANIKY CD, CDRW, DVD, POPIS, ŘÍZENÍ, FUNKCE… .........................................................181
14.1 JEDNOTKA OPTICKÉHO DISKU .....................................................................................................................181 14.2 CD-R, CD-RW...........................................................................................................................................182 14.3 DVD ..........................................................................................................................................................184 14.3.1 Zapisovatelné a přepisovatelné DVD ................................................................................................186 14.3.2 DVD mechaniky .................................................................................................................................187 14.4 BUDOUCNOST DVD ...................................................................................................................................188
8
1
Napájecí zdroje v počítačích PC
Zdroj obsahuje: síťový vypínač (u novějších je na předním panelu, u starších typů zezadu nebo z boku krytu), síťový přívod 220 V, vývod pro napájení monitoru, zdroje s napájecího napětí pro systémovou desku a pro periferie (vyvedeno kablíky zakončenými konektorem), ventilátor, u starších typů trvale v provozu, u novějších typů řízený termostatem - zapíná při překročení teploty 40 C, vypíná při teplotě 35 C. Další vlastnosti: • spínací zdroje s výkonem od 65 W do 200 W, • dodávaná napětí (údaje o proudu platí pro zdroj 65 W), • 5V/7A (systémová deska a periferie), • 12V/2A (disketové mechaniky, pevné disky), • -5V/0,3A (předpětí pro dynamickou paměť), • -12V/0,3A (zesilovače), • všechny výstupy jsou zabezpečeny proti přepětí, nadproudu, otevřenému proudovému obvodu a zkratu, • nastane-li přetížení nebo přepětí, jsou všechny s výstupy odpojené po celou dobu, po kterou tento stav trvá. Provedení konektoru pro systémovou desku: • je zdvojený (označeny P8, P9), • je vybaven zámky proti otočení, • k dispozici jsou všechna 4 provozní napětí a kostra, • vývod 1 má speciální funkci - přenáší hlášení "napětí v pořádku", • je generován při zapnutí počítače poté, co byl alespoň 5 s vypnutý, • udává, že všechna 4 napětí převyšují minimální úroveň (signál má úroveň log 1), • je-li jedno z výstupních napětí nižší než minimální úroveň nebo vyšší než maximální úroveň, má signál hodnotu log 0, • signál má spínací zpoždění 100 milsec. po tom, co výstupní napětí dosáhne minimální úroveň. Rozlišovací úrovně napájení: výstupní ss napětí +5V -5V + 12 V - 12 V
rozlišovací úroveň podpětí + 4,0 V - 4,0 V + 9,6 V - 9,6 V
rozlišovací úroveň přepětí + 5,9 V - 5,9 V + 14, 2 V - 14, 2 V
Výstupní proudy:
+5V
PC XT AT 386 486 7,0 A 15,0 A 20,0 A 22,0 A 25,0 A
9
Další informace
http://www.inte sil.com/data/an an9836.pdf
-5 V +12 V -12 V
0,3 A 2,0 A 0,3 A
0,3 A 4,4 A 0,3 A
0,3 A 4,2 A 0,3 A
0,3 A 4,4 A 0,3 A
0,3 A 5,0 A 0,3 A
Zapojení zdrojů:
Standardní napájecí konektory:
Pin Name PG 1 +5V 2 +12V 3 -12V 4 GND 5 GND 6
Color Description Orange Power Good, +5 VDC when all voltages has stabilized. Red +5 VDC (or n/c) Yellow +12 VDC Blue -12 VDC Black Ground blafl Ground
Další informace
http://www.bke. cz/cs/produkty/s pecialni-zdroje/ 10
Pin 1 2 3 4 5 6
1.1
Name GND GND -5V +5V +5V +5V
Color
Description Black Ground Black Ground White or Yellow -5 VDC Red +5 VDC Red +5 VDC Red +5 VDC
Využití PC ATX zdroje pro napájení zařízení
200 W zdroj který je schopen dodat 8A na 12V a 20A na 5V části je lákadlem pro mnoho konstruktérů. V tomto článku tedy najdete popis všech napájecích konektorů a několik tipů. Pro využití PC zdrojů jako napáječů je třeba si v první řadě uvědomit, že se jedná o zdroj spínaný, který je určen svojí konstrukcí pro napájení počítačů. V AUDIO nebo dokonce VF technice může spínací kmitočet způsobit mnohé problémy. Údajně mohou některé spínané zdroje poškodit vstupní díl osciloskopů, kterými měříte na zařízení které je z nich napájeno.Proč vám nefunguje PC zdroj po zapnutí naprázdno Počítačové zdroje jsou v podstatě velmi levná součástka, za cca 400 Kč lze koupit 200 W zdroj, který může dodat až 20 A na 5V a 8 A na 12V. K tomu je možné přičíst cca 1A na – 12V a cca 1A na –5V). Napětí je celkem dobře filtrováno a pokud zdroj nebudeme používat např. jako zdroj pro AUDIO zesilovač, lze jej velmi dobře uplatnit. Mnoho zdrojů (nikoli všechny) však obsahuje jednu „zradu“. spočívající v tom, že zdroj k tomu aby jej elektronika aktivovala potřebuje mít zatížené některé výstupní napětí, tak jak je tomu v PC. Zátěž stačí cca 0,5 A ale naprázdno zdroj často nenaběhne. Ne všechny zdroje však vyhodnocují odběr na všech napětích. Vzhledem k vnitřnímu zapojení PC totiž plně dostačuje testovat 5V větev, kde je optočlen a na něj navazující zpětná vazba. Na 12V větvi je potom tato zpětná kontrola často vynechána. To se v praxi projevuje tím, že po připojení například k radiostanici, nebo jinému spotřebiči na +12V zdroj prostě nezapne. Nejsnazší cesta je osvětlit si zařízení žárovkou na 5V, nebo jinak způsobit odběr na +5V. Technicky a ekologicky elegantnější je však samozřejmě změna zapojení vnitřního komparátoru, který aktivuje zdroj. To se ale vyplatí většinou až v případě, kdy předěláváte více stejných zdrojů. . U ATX zdrojů je k jejich nastartování potřeba spojit zelený pin "PS_ON#" s 11
pinem GND. U některých ATX zdrojů není nutná minimální zátěž pro jejich nastartování, u jiných ano.
1.2
Napájecí zdroje v PC
Nedílnou součást počítačové skříně je napájecí zdroj. Na něm záleží kolik rozšiřujících komponentů lze používat, a také jak stabilně poběží. Jak praví jedna poučka: všechny el. přístroje lépe fungují jsou-li napájeny el. proudem.
1.3
Standart ATX
Hlavním zdrojem v současných PC je zdroj standartu ATX. Tím jsou specifikovány napájecí konektory, poskytovaná napětí a min. proudy. Nejjednodušší rozdělení zdrojů lze provést podle dodávaného maximální výstupního výkonu. Zde je třeba zdůraznit, že udávaný výstupní výkon nelze dodávat trvale, ale pouze krátkodobě (jednotky milisekund). Je-li průměrný odběr cca 100W, volíme zdroj s cca dvojnásobným výkonem. Max. výkon je dodáván krátkodobě, zejména při přechodových stavech jako je vypnutí, probuzení, případně pokles v rozvodné síti.
200 W 3.3V,14.0 A 5.0V,20.0 A 12.0V,8.0 A -5.0V,0.3 A -12.0V,0.8 A
12V
5V & 3.3V
250 W 3.3V,16.0 A 5.0V,25.0 A 12.0V,10.0 A -5.0V,0.3 A -12.0V,0.8 A
12V
5V & 3.3V
300 W 3.3V,20.0 A 5.0V,30.0 A 12.0V,12.0 A -5.0V,0.3 A -12.0V,0.8 A
12V
12
5V & 3.3V
* Zdroje ATX obsahují ještě další napětí 5V SB, které je k dispozici stále a slouží k zapínání zdroje (počítače). A aby to nebylo jednoduché, tak dodávaný proud je bud 0.01A (pouze zapínání tlačítkem) nebo 0.7-2.0A (lze k zapínání-probouzení použít i klávesnici nebo wakeup fce modemu a síťové karty, samozřejmě u desky s podporou této fce). Použití jednotlivých napájecích napětí: • • • •
• •
1.4
+12V - výkonové části diskových mechanik, ventilátory, sériové porty, přístupné na sběrnicích ISA, PCI (zvukové a měřící karty), -12V - sériový port, přístupné na sběrnicích ISA, PCI (měřící karty), -5V - přístupné na sběrnici ISA, toto napětí používali starší generátory kmitočtu, +5V - řídící části diskových mechanik, napájení sběrnic ISA, PCI, zdroj napětí pro zdroj napájení I/O části procesoru (i chipsetu), některé části základní desky (klávesnice atd.), +3.3V - napájení portu AGP, u levných desek napájení chipsetu, zdroj pro zdroj napětí jádra procesoru, +5V SB* - pomocný zdroj pro zapínání zdroje ATX a wake-up probouzení počítače.
Konstrukce zdrojů
Konstrukce zdrojů se dnes nijak výrazně neliší, často jsou používány integrované regulátory spínaných zdrojů (3842, 3844, 494 různých výrobců). Pro spínané zdroje hovoří zejména rozměry a vysoká účinnost. Největší rozdíl je v dimenzování feritového transformátoru a tranzistorů spínací části (mimochodem nejporuchovější část zdroje). Zjednodušený popis fce spínaného zdroje: Sítové střídavé napětí 90-240V je usměrněno a vyfiltrováno na cca 310V stejnosměrných (životu nebezpečno, elektrolyticky rozkládá krev a propaluje), stejnosměrné napětí je spínáno na obdélníkový průběh, kterým se napájí feritový transformátor. Obdélníkový průběh napětí (50-200kHz) vyvolává trojúhelníkový průběh mag. toku ve feritovém jádře, který na sekundárním vinutí transformátoru indukuje opět obdélníkový průběh napětí, který se usměrní rychlými schottkyho diodami a vyfiltruje kaskádou kondenzátorů a cívek. Velikost výstupního napětí odpovídá poměru primárního a sekundárního vinutí, velikosti spínaného napětí a délky doby sepnutí. To umožňuje adaptabilně regulovat výstupní napětí podle zátěže a velikosti napětí v rozvodné síti. Několik postřehů o zdrojích
13
200W zdroje požívají ve spínací části pár tranzistorů ekvivalentních typu BUT11AF (celoplastové pouzdro SOT186 ), které mají nižší max. proud a horší chlazení díky pouzdru, pro výrobce je výhodou snadná montáž na chladič (celoplastové pouzdro je již izolováno) 230W zdroje se nijak výrazně neliší od svých 200W kolegů, jen spínací tranzistory jsou ekvivalentní typu BUT11A (pouzdro TO220 s kovovou chladící plochou), které se montují na chladiče přes slídovou (teflonovou) izolační podložku namazanou tepelně vodivou silikonovou pastou (poločirá silikonová pasta pro elektrotechniku, tepelně vodivá, el. Izolující) 250W zdroje mají větší feritový transformátor, pár spínacích tranzistorů je ve velkém pouzdru SOT93 (dvakrát větší kovová chladící plocha vůči TO220) Další informace
http://helium.we bz.cz/hw/zdroje. html
Požadavky na zdroj ATX:
výkon 200 až 300 Wattů, progresivní řízení otáček chladícího ventilátoru podle teploty (hlučnost), směr chladícího vzduchu ven ze skříně (jinak přihříváme vzduch pro chlazení ostatních komponent), fyzický vypínač zdroje (nespokojíme se jen s tlačítkovou aktivací již zapnutého zdroje) nebo použije centrální roztrojku (pětipes) s vypínačem, napájecí výstup ze zdroje pro monitor rozhodně není na škodu, požadujeme homologaci ESČ.
1.5
Napájení procesoru
Je u dnešních procesorů dvojí. Napájení části komunikující s chipsetem napětím 3.3V (až 3.6V) 1-2A, a napájení jádra procesoru typicky 1.5-2.8V 5-20A. Výrobci většinou neví jaké napájení budou mít budoucí procesory, a proto vybavují desky programovatelnými zdroji napětí pro jádra procesorů. Správnou volbu napětí zajistí PnP detekce procesoru. U lepší desek (tvz. ladičských) máte možnost volit velikost napětí jádra procesoru v BIOSu (zejména pro účely stability při přetaktování) nebo hardcore přístupem přímo na desce. Jako příklad uvedu přetaktování Celeronu 400MHz na 600MHz na obyčejné základní desce FIC VB601 rev. 1.3 z poloviny roku 1998. Deska má běžně volitelné frekvence FSB 66 a 100 MHz, to lze obejít pomocí programu SoftFSB, který změní naprogramování PLL závěsu generujícího FSB. Ale napětí jádra se volí pomocí PnP na 2V (při tomto napětí nebyl procesor stabilní ). Ale deska je vybavena obvodem RC5055 firmy Fairchild Semiconductors, jedná se 14
programovatelný regulátor napětí pro jádra procesorů od 1.30V až 3.50V. Velikost napětí se volí 5 bitovým D/A převodníkem v obvodu (viz tabulka). Nepodařilo se jednoduše najít I/O adresu portu, který nastavuje D/A převodník a proto došlo na tvrdé nastavení přímo na desce. Stačilo pouze ohřát 5 vývodů a jehlou je odehnout od desky, vývod VID2 napevno uzemnit (zem - GND), a zbylé vývody nechat ve vzduchu (nastavení log. Tak jsme nastavily 11011 což odpovídá 2.4V (změřeno 2.32V). A Celeron 400 MHz běží stabilně na 600 MHz (samozřejmě s účinným chlazením).
Všeobecně je použití procesoru na dané základní desce omezeno takto: dostupné frekvence FSB, dostupné násobky FSB dnes nehrají velkou roli (dnešní procesory mají uzamčené násobitele FSB), • volitelné napájecí napětí jádra procesoru, • maximální proud desky pro jádro procesoru, • PnP možnosti a znalosti BIOSu nemusí hrát významnou roli. • •
1.6
Napájení karet
Zejména nové grafické karty do portu AGP jsou velmi náročné na spotřebu energie, 15
a požadují i vlastní napájecí napětí např.: 1.8V, které si tvoří vlastním spínaným zdrojem přímo na kartě. Nedávno zazněli i signály o rozšíření AGP portu o speciální napájení, snad to výrobci vyřeší novějšími, méně energeticky náročnějšími technologiemi (jinak budou vznikat monstra jako Voodoo 5 s pomocným napájením z konektorů určeným diskovým jednotkám). Napájecí sít v PC není prostá různých rušení a šumů, to je dáno jak spínanými zdroji, tak impulsním odběrem všech kmitočtově taktovaných komponent (téměř všechny). Zejména zvukové karty musí odfiltrovávat tato rušení, aby výstupní analogový zvuk měl dobrý odstup signálu od šumu. Zde je prostor pro uplatnění externích zvukových karet přes USB nebo optických zvukových výstupů.
1.7
Napájení disků
Největší odběr mají disky během roztáčení cca 30W (disk 5400ot/min) a odběr během práce se pohybuje od 8-12 W (disk 5400ot/min).
Velká disková pole se běžně umisťují do vlastní krabice s vlastním zdrojem (zejména disková pole SCSI). Externí zařízení: Monitory - zde oceníte opožděné a zjevně řízené zapínaní částí monitoru, Klávesnice - je napájena napětím +5V ze základní desky, napájecí pin +5V (pin 5 u DIN 5, pin 4 u MINI DIN6) je na desce jištěn pojistkou cca 300-400 mA (malý žlutý či černý váleček), která přepálí nebo zvýší svůj odpor, aby ochránila základní desku před zkratem či přepětím (opravu lze provést přemostěním drátkem nebo jinou pojistkou, takto jsem znovuzprovoznil 6 základních desek). Externě dostupné zdroje - se omezují na +5V z konektoru klávesnice (cca až 200 mA + klávesnice), gameportu (stovky mA) a portu USB; větší napětí lze získat ještě ze sériových portů (6-9V 8mA), i myš na sériový port se napájí sériovým portem.
16
17
2
Základní desky v pc, současný stav, srovnání jednotlivých produktů
2.1
Základní deska (mainboard, motherboard)
Deska plošného spoje tvořící základ celého počítače. Základní deska obsahuje: • Procesor (mikroprocesor), • Patici pro numerický koprocesor (popř. osazený koprocesor), • Obvody čipové sady, • Rozšiřující sběrnici (bus), • Paměti, • Vyrovnávací cache paměť, • Sloty umístěné na rozšiřující sběrnici pro připojení rozšiřujících karet.
Další informace
http://www.mot herboard.cz/asus .htm
Zapojení rozšiřující karty CMOS paměť, Hodiny reálného času, Akumulátor zálohující CMOS paměť.
Vzhledem k tomu, že u novějších procesorů (80486 a vyšší) je již numerický koprocesor integrován přímo na čipu procesoru, 18
není nutné, aby základní deska obsahovala patici pro jeho zapojení. Základní deska dále může obsahovat: Vstup / výstupní porty (I/O - Ports), Řadič pružných disků, Rozhraní pevných disků, Videokartu (videoadaptér). Blokové schéma základní desky
Další informace
http://www.msi. com/open/
Zařízení jako jsou procesor, numerický koprocesor, řadič cache paměti, paměti a obvody čipové sady jsou společně propojeny pomocí tzv. systémové sběrnice (CPU bus), která umožňuje jejich rychlou vzájemnou komunikaci. Čipová sada je tvořena obvody s následující funkcí: 1) systémový řadič: obvod, který řídí 8společnou činnost jednotlivých obvodů základní desky a realizuje následující funkce: • generuje hodinové signály, • vytváří adresy pro paměti RAM, • generuje řídící signály pro paměťový subsystém, zabezpečuje RESET systému po připojení elektrického napájení nebo stisku tlačítka RESET. 2) řadič sběrnice: zabezpečuje komunikaci mezi systémovou sběrnicí a rozšiřující sběrnicí, dále obsahuje rozhraní reproduktoru a rozhraní paměti EPROM. 3) buffer dat: obvod, který slouží k zachycování dat a jejich přepínání mezi jednotlivými datovými sběrnicemi osobního počítače. O čipsetech VIA se říkalo, že jsou pomalé a nestabilní. Donedávna to byla i pravda, 19
ale nakonec světlo světa spatřil první kvalitní čipset pro AMD - KT266A. Jde o vylepšení starší verze KT200, které spočívá především v paměťovém řadiči, jenž lépe spolupracuje s DDR pamětmi, a umožňuje jim tak teoretickou prostupnost až 2 100 MB/s. Datová fronta North Bridge nyní dovoluje předem načítat více dat a nový paměťový řadič dokáže přenést až dvojnásobek toho co KT2Ó6. To má za následek asi o 10 až 15 % vyšší výkon. VIA KT266A je dobrou volbou. A pokud je osazen South Bridge VT8233A, tak podporuje i standard ATA133. Po zdařilém nástupu KT266A přišla VIA s čipsetem KT333. Hlavním důvodem jeho rychlého uvedení byl tlak zejména ze strany SiS. KT333 už přichází s podporou pamětí PC333. Ty jsou taktovány na frekvenci l00 MHz DDR (efektivně na 333MHz) a měly by teoreticky propustit až 2 700 MB dat za sekundu. Velkou brzdou je zde ale pomalejší sběrnice procesoru (133 MHz). Proto nemají takto rychlé paměti pro Athlony Palomino velký smysl. Jiná situace nastane s procesory Athlon XP s jádrem Thoroughbred vyrobené 0,13 mikronovou technologií. Ty už budou taktovány na frekvenci FSB l00 MHz a KT333 tuto frekvenci podporuje. Hlavním důvodem, proč deska s tímto čipsetem vyhrála, je ale podpora mnoha nových rozhraní jako USB 2.0, FireWire (IEEE 1394), ATA133 atd. Takže toto řešení je spíše investicí do budoucna, ale stejně doporučuji počkat na KT333A. Firma SiS se během krátké chvíle z výrobce druhé kategorie vyšvihla do pozice největšího konkurenta VIA a Intelu na poli čipsetů. Důkazem toho je i čipset SiS/45. Jeho hlavní výhodou je nízká cena, za kterou ale nabízí mnohem víc. Protože jde pouze o jednočipové řešení, nesetkáte se na deskách s klasickým North Bridge a South Bridge. Čip je spojen interní MTOIL (Multi-Threa-ded I/O Link) sběrnicí, která dosahuje rychlosti 1,2 GB/s, což je mnohem více než V-Link u ViA (266MB/s). V praxi se tato propustnost ale bohužel nevyužije, protože ji brzdí zejména přenos dat na IDE zařízeních. Nejdůležitější je bezesporu podpora rozhraní FireWire (IEEE 1394a) s rekordní propustností 800 MB/s. To je zpětně kompatibilní s IEEE 1394. Ani integrovaný síťový řadič 10/100 Mb/s nemůže být na škodu. Výhodném spojení pamětí DDR333 s Athlony XP je samozřejmost. Další informace
http://sis.com/de fault.aspx?regio n=en-
Rovněž nVidia minulý rok předvedla svůj nový čipset pro AMD s kódovým jménem Crush 12. Oficiální označení je nForce. I on přichází s řadou vylepšení, která stojí za zmínku. Například TwinBank Architecture - podpora 128 bitové paměťové sběrnice pracující na principu dvou separátních 04 bitových řadičů. Teoretická prostupnost pamětí tak vzrostla až na neuvěřitelných 4,2 GB/s. Považuji za nutné upozornit na známou věc – zranitelnost Athlonů, co se týče kvalitního chlazení. Stačí jen chvilka nepozornosti, špatně dolehnutý chladič a za pouhých deset sekund čeká nákladný procesor rychlá smrt. Stejně jako málo teplovodivé pasty, tak i její nadměrné množství je na škodu. Dále je nutné se ujistit, zda chladič dobře sedí. Po jeho nasazení je dobré s ním trochu zaviklat, čímž navíc 20
rozetřete pastu i do míst, kam se nemusela dostat při nasazování ježka. Ale realita je zejména kvůli "pomalé" FSB jiná. Reálný výkon vzroste jen o pár procent. A nezapomínejte, že abyste toho dosáhli, potřebujete dvě paměti. Mezi North Bridge a South Bridge (Media and Comrnunication Processor - MCP) je natažena nová paměťová sběrnice HyperTransport s propustností až 800 MB/s. Sice se vám to může zdát hodně, ale jak už bylo řečeno, je to v současnosti zbytečné. Proto je škoda, že chybí podpora rozhraní ATA133. Velkým lákadlem tohoto čipsetů je ale integrovaný grafický čip GeForce2 MX, který se na první pohled sice jeví hezky, ale v kategorii Athionů XP je spíše, brzdou. Pokud chcete využít celý jejich potenciál, musíte investovat minimálně do karet GeForce4 MX nebo GeForceS Ti. Proto už nVidia představila i verzi bez integrovaného grafického čipu. Desky osazené čipsetem se South Bridge VIA 686B měly údajně problémy se zvukovými kartami Sound Blaster 1024 Live! a při přesouvání velkého množství dat mezi disky (nebo CD, DVD-ROM a disky). Problémy sice měla řešit aktualizace. Šampión také není nejvýkonnější. A předběhlo ho hned několik soupeřů v čele s deskou GigaByte GA-7VTXH, kteří však zase postrádají jeho perfektní design a nadstandardní výbavu. To samozřejmě nelze opomenout. Chcete-li však po své desce, aby podporovala RAID, sáhnete spíše po deskách Abit, MSI či FIC. Příznivce ladění systému zase nejspíš osloví deska Soltek SL-75DRV4. V současnosti se totiž jeví jako nejlepší možné řešení pro AMD. A to zejména díky přijatelné ceně, vysokému výkonu a bohaté výbavě s pár věcmi, které jinde nenajdete, je totiž důležité nebýt obyčejný. O spoustě věcí se také nelze zmínit. Např. veškerý software, který se ke každé desce dodává. Bohatá softwarová výbava se totiž stala standardem, takže se třeba nemusíte bát, že byste přišli o antivirový program, všechny ovladače atd. Velmi důležité je i sledování teplot systému v BIOSu, které už také naleznete u drtivé většiny nových desek. Testy: MSI KT3 Ultra-ARU
USB 2.0 a FireWire, zvukový kodek ALC650, DDR333 QRAID + ATA133, nevyužijete jeden PCI slot.
V současnosti asi nejlepší deska. K úspěchu jí napomohla hlavě vysoký výkon a výbava od MSI. Ale také podpora řady nových technologií (včetně USB 2.0), které z desky činí nejlepší investici do budoucna. Skrytě (stejně jako pár dalších desek s DDR 333) podporuje i FSB 166 MHz, kterou bude vyžadovat nový Athlon. Dále 21
nechybí ani RAID a šestikanálový zvukový kodek. Bohužel se deskou choval trochu nestabilně, proto bude lepší si ještě chvíli počkat na novější a vyladěnější ovladače a BlOSy. Další informace
Abit KR7A-ROM http://www.abit. com.tw/
RAID jumper free, přetaktování, RAID + ATA133, 4* DIMM, chybí zvukový kodek, nevyužijete jeden slot PCI. Abit nezůstává své pověsti nic dlužen ani s modelem KR7A-Raid, který už stačil implementoval do svébo RAID řadiče Highpoint technologii ATA133. I čtyři sloty pro DDR paměti jsou příjemné. V SoftMenu III, které je součástí BIOSu, je jednoduché i podrobné nastavení všech parametrů procesoru a pamětí. Vadou na kráse tedy zůstává jenom absence zvukového kodeku o nepraktické umístění řadiče disketové mechaniky.
MSI K7N4ZO Pro
Pod chladičem integrovaný grafický čip GeForce2 MX
22
• • • •
bohatá výbava integrovaná grafika a 3D zvuk LAN Jde použít všech 5 PCI slotů.
I tato deska se může pochlubil tím, co nabízejí ostatní desky MSI. Tím je pěkné a přehledné balení, které skrývá mnoho vymoženosti. Např. D-Bracket je praktický diagnostický nástroj, který vám pomůže s řešením problémů s deskou. A díky čipsetu nForce obsahuje i integrovanou grafickou zvukovou i síťovou kartu. Bohužel při testu vykazovala značnou nestabilitu při instalaci ovladačů. To však bylo způsobeno spíše jejich verzí než deskou samotnou.
23
Soltek SL
- 75DRV2
RedStorm • poměr cena/výkon, • technologie RedStorm, • externí teplotní sonda, • externí teplotní čidlo, • pouze 2* USB v základu, • nevyužijete jeden PCI slot. Tato deska se v testu ani přes velkou konkurenci neztratila, a to zejména kvůli dobrému poměru cena/výkon a stabilitě. Zásluhu na tom má také technologie RedStorm, která se sama postará o přetaktování procesoru. I když nefunguje stoprocentně, pomůže vám ukázat maximum procesoru a to bez změny napětí. Pak bud stačí ubral pár MHz, nebo zvýšit napětí a vše pracuje, jak má. AOpen AK77 Plus • • • • •
poměr cena/výkon rozvržení komponentů RAID a 4* USB Přetaktování nevyužijete jeden PCI slot (kvůli VGA)
AOpen nabízí maximum. To už se vám snaží napovědět velmi pěkně vyvedenou krabici i designem desky samotné. RAID řadič Promise je kvalitní i když nepodporuje rozhraní ATA133. Co se týče taktování deska patří k těm lepším, i když od zastaralých jumperů se také ještě neoprostilo, protože FSE 100 MHz nebo 133 MHz musíme nastavil na desce. Ostatní už zvládne BIOS. 100 MHz až 248 MHz (po l MHz) i napětí 1,1V až 1,5V (po 0,025 V] a násobič 5,5-12,5 (po 0,5). Další informace
http://global.aopen.c om/index.aspx
24
FIC AN11R
RAID • • • • •
poměr cena/výkon, RAID, 4*USB, dobré rozmístění komponentů, Nevyužije se port ACR (kvůli VGA).
Desky FIC se mohou pochlubit nejen dobrým výkonem za rozumnou cenu. Easy Key (přístup do BIOSu přes klávesové zkratky) a Logo Genie (možnost vytvoření vlastního logu při startu počítače) jsou méně podstatné. Opravdovým trhákem je Audio Alert!, který vás hlasem informuje o problémech s deskou. Bohužel není součásti standardního balení. Měnit FSB je možné po l MHz od 100 MHz do 166 MHz, ale napětí si musíte nastavil přes můstky na desce a násobič nezměníte vůbec. Abit Fast Lane NV7m
Dva kanály pro dvě paměti • • • • •
integrovaná grafika a 3D zvuk, LAN, 4*USB, nejde přetaktovat, málo rozšířitelná.
25
Deska Fast Lane NV7m je jediným zástupcem formátu mikro ATX v testu. Jako většina těchto desek je určenu především do levných počítačů, kde se snaží nabídnout maximum výbavy v základu. Tím jsou grafická karta GeForce, síťová karta i 3D zvukový kodek. To vše je k dispozici za dobrou cenu, která si vybírá daň v podobě malé možnosti pro inovaci, i když AGP sběrnici na ní najdete. Celý dojem ale trochu kazí nemožnost taktování procesoru. Gigabyte GA-8SRX • • •
dual BIOS možnosti přetaktování chybí podpora USB 2.0.
Deska Gigabyte GA-8SRX. Deska GA-8SRX je určena pro procesory Intel Pentium 4 s paticí 478, což zajišťuje bezproblémovou možnost přechodu na výkonnější procesory P4 v budoucnu, protože tuto platformu Intel zřejmě jen tak neopustí, jako čipset je zde použit produkt firmy SiS, konkrétně jeho nejnovější verze 645. V tomto případě se jedná o SiS 961. Tato kombinace s sebou přináší podporu ATA 100 a AGP 4*. Čipset navíc podporuje nové paměti DDR333, které lze ale osadit pouze do dvou ze tří paměťových bank. S dvojí ochranou pro větší bezpečnost Gigabyte vyvinul technologii DualBIOS. V reálu to znamená, že na základní desce máte skutečně dva 2Mb BlOSy, které jsou zde jako stvořené pro přetaktování. Nabízí totiž nepřeberné množství nastavení, s nimiž se hned tak nesetkáte. Snadno můžete měnit nejenom frekvenci FSB a pamětí, ale také AGP, PCI nebo hodnoty napětí procesoru. Rozvržení desky je standardní a nabízí jeden slot AGP, šest PCI. Jako integrovaný zvukový čip je zde použit Creative CT 5880, tedy stejný, jakým jsou osazeny zvukové karty Sound Blaster PCI 128. Z desky je možné vyvést až šest portů USB. Firmě Gigabyte se podařilo stvořit základní desku s velkým potenciálem. Navíc je již dávno pryč doba, kdy se uživatelé čipsetům SiS vyhýbali velkým obloukem. Spojení těchto dvou komponentů nyní tvoří dobrý a vyvážený celek. Deska s čipem VIA KT266A QDI - VIA KT266A Kvalita, design, inovace. Tak přesně tato tři slova tvoří anglickou zkratku QDI.VIA Inside. Komerční název boardu je KuDoz7 v2.0 a deska má následující parametry: čipset VIA Apollo KT266A (northbridge KT266A a southbridge VT8233), 26
ITE IT8705F I/O čip, formát ATX (30,5 na 23,5 cm), FSB 100/133 (200/266 DDR) MHz, podporuje procesory AMD Socket-A (Durony a všechny Athlony včetně XP) • tři sloty pro PC1600/PC2100 DDR SDRAM • podpora ACPI módů S0 (full-on) - S1 (power on suspend) - S3 (suspend to RAM) - S4 (suspend to disk ve WinME, XP a 2K) - S5 (soft-off) • 2 IDE větve (maximálně čtyři disky) s podporou Ultra DMA-33/66/100 • COM porty (2 standardně a 2 připojitelné) • 6 USB (2 standardní a 4 připojitelné předním či zadním panelem) • 1 LPT, konektor pro IrDA snímač a čtečku Smart karet • port na disketovou (ZIP, LS-120) jednotku • zdířku PS/2 na myš a klávesnici • samozřejmě 5 PCI slotů • 1 AGP (kompatibilní s AGP v2.0, AGP 4×) • 1 ACR a tradiční vestavěný zvukový kodek AC97.
Takto vypadá stará deska QDI KinetiZ 7E-A
Na základní desce je tradiční AWARD Bios s možností přeflashování (paměť 2 MB) a několika unikátními funkcemi „Easy“. „LogoEasy“ vám umožní zobrazit místo „suchých“ dat o procesoru, paměti a IDE libovolný obrázek, který se připíše k BIOSu. „RecoveryEasy“ je utilitka pro nápravu partition tabulky, což se v havarijních situacích může hodit. „BIOS-ProtectEasy“ je nadmíru užitečná funkce, která se zapíná přepínačem a nastavením v BIOSu - znemožní přeflashování BIOSu, což v poslední době způsobují některé viry (při aktualizaci BIOSu nebo při nastavení BootEasy musíte ale funkci dočasně vypnout). „StepEasy“ je program, který vám přímo v operačním systému po megahertzích zvyšuje FSB procesoru a zapamatuje si poslední funkční frekvenci. „ManageEasy“ je klasická utilita, která měří některé důležité hodnoty (např. teplotu CPU). Veškeré funkce lze snadno nakonfigurovat díky přehlednému manuálu v několika jazycích. Legend QDI KuDoz7 v2.0
2.2
Rozložení desky
Na rozdíl od staršího KinetiZe je na tom KuDoz mnohem lépe - socket na CPU je nyní více vlevo, a proto již tolik „neohrožuje“ paměťové sloty - na druhou stranu majitelé starších skříní s vodorovným PC zdrojem opět zaplakají nad tím, že bude procesor přímo pod zdrojem. Opravdu dobrá věc z KinetiZe - slot AMR nad AGP, díky čemuž jste mohli na toto místo šikovně umístit „chladič do slotu“, který odvádí horní teplo (tedy z oblasti CPU) ven - zde není - ACR slot je hloupě umístěn pod AGP, a tak si můžete nechat horký vzduch vyfoukávat tak maximálně z grafické karty. Na rozdíl od desek ECS s čipsetem SiS735 není ale rozložení tak špatné.
27
Testy výkonu Možnost srovnat několik testů mezi základní deskou KinetiZ 7E-A (VIA KT133A, Duron 800/100 MHz FSB, 384 MB 133MHz DIMM CAS2, instalovaný VIA Memory Enabler, GF2 MX400 s ovladačem 23.11 beze změny nastavení, Windows 98SE) a novou KuDoz7 v2.0 (VIA KT266A, Duron700@735/105 MHz FSB, 256 MB PC2100 133 MHz DDR CAS2, povolený 4-way memory interleave na základní desce, GF2 MX400 s ovladačem 23.11 beze změny nastavení, Windows 98SE). Jen je škoda, že je v nové desce pomalejší procesor. TEST CPU — SISOFT SANDRA 2002: Aritm. KinetiZ (Duron 800): 2165 MIPS, 1076 MFLOPS Aritm. KuDoz (Duron 735): 2000 MIPS, 995 MFLOPS (zde je to jasné - pomalejší CPU udělal svoje) Multim. KinetiZ (Duron 800): MMX+SSE 4304 it/s, 3DNow! 4725 it/s Multim. KuDoz (Duron 735): MMX+SSE 3970 it/s, 3DNow! 4399 it/s (podobný výsledek) TEST PAMĚTI — SISOFT SANDRA 2002:
KinetiZ (133MHz SDR): int 919 MB/s, float 910 MB/s KuDoz (266MHz DDR): int 1392 MB/s, float 1320 MB/s (rozdíl je patrný) TEST DIRECT3D — MADONION.COM 3DMARK 2001:
KinetiZ: 2220 3Dmarks KuDoz: 2184 3Dmarks (i přes slabší CPU téměř stejný výsledek díky novému čipsetu a paměti) Závěr Deska KuDoz je jako dělaná pro nové Athlony/XP -poskytuje moderní čipset VIA Apollo KT266A za dobrou cenu (sice není tak levná jako konkurenční ECS s čipsetem SiS735, ale zřejmě s ní nebudete mít tolik problémů). Pro přetaktování je k dispozici sada jumperů pro změnu násobitele i FSB (po 1 MHz). Navíc implementované funkce „Easy“ mohou leckoho zachránit při napadení virem.
28
3
Procesory Intel nasazované v PC
Osmdesátá léta tohoto století zaznamenala zřejmě nejvýraznější pokrok v dosavadním vývoji výpočetní techniky. Velkým dílem k tomu přispěl i vznik a rozvoj procesorů firmy INTEL a osobních počítačů firmy IBM. Další informace
http://www.intel.co m/content/www/us/e n/homepage.html
První procesor vznikl v roce 1969 v americké firmě Intel (Integrated Electronics), která tehdy vyvíjela obvody pro elektronické kalkulátory japonské firmy Busicom. Protože šlo o to, aby návrh byl cenově efektivní, zvítězila myšlenka sestrojit univerzální procesor, kterým by se redukovala složitost japonského návrhu. Tehdy vznikl 4bitový jednočipový procesor, který později dostal označení 4004. V roce 1974 firma Intel představila již 8bitový procesor s označením 8080, který se stal základem prvních osmibitových mikropočítačů (jeho ekvivalent byl použit v našem počítači IQ 151). Jako inovovaný typ tohoto procesoru byl nakonec na trh uveden procesor Intel 8085, který však nezaznamenal větší komerční úspěch. Firma Intel začíná dále pracovat na poli modernějších 16bitových procesorů a v roce 1977 dokončuje vývoj svého prvního 16bitového procesoru Intel 8086. Tento procesor je plně kompatibilní s svým předchůdcem 8080. Bylo tedy možné používat velké množství programů původně určených pro mikropočítače osazené procesorem 8080 i na počítačích s novým procesorem 8086. Krátce po vyrobení procesoru 8086 přichází firma Intel na trh s procesorem označeným 8088, který je z pohledu uživatele plně slučitelný s 8086, ale vykazuje menší výkon. Procesor 8088 využila firma IBM (Interanational Business Machines) pro svůj nový mikropočítač pojmenovaný IBM PC (Personal Computer, který byl na trh uveden v roce 1981. IBM PC má 128 kB (256 kB) operační paměti, černobílý monitor a dvě mechaniky pružných disků. O dva roky později je tento typ počítače rozšířen o pevný disk a jeho operační paměť je zvýšena na 640 kB. Takto vzniklý nový počítač je prodáván pod označením IBM PC/XT (Extended Technology). Dalšími následníky procesorů 8086 a 8088 byly 80186 a 80188. Tyto procesory byly plně kompatibilní se svými předchůdci. Měly několik drobných vylepšení své architektury, díky kterým vykazovaly o něco vyšší výkon. Procesory 80186 a 80188 29
nezaznamenaly však žádného většího rozšíření. V roce 1982 začíná firma Intel vyrábět nový procesor 80286. Procesor 80286 je plně kompatibilní s předešlými procesory. Mezi jeho hlavní přínosy patří podpora pro paralelní zpracovaní více programů. V roce 1984 se začínají prodávat první počítače vybudované na tomto procesoru. Tyto počítače nesou označení IBM PC/AT (Advanced Technology). Tyto typy počítačů jsou již standardně vybavovány pevným diskem a minimální kapacitou paměti 1 MB. Jako další procesor firmy Intel je vyroben v roce 1985 32bitový procesor s označením Intel 80386. Jedná se opět o procesor plně kompatibilní s předcházejícími procesory, poskytuje vyšší výkon a větší programátorské možnosti.
30
Zmodernizováním tohoto procesoru a integrací jednotky pro výpočty v pohyblivé desetinné čárce přímo na čip procesoru vzniká nový typ procesoru označený jako Intel 80486. Tento procesor je dále následován výkonnějším procesorem Intel Pentium a posléze procesorem Intel Pentium Pro a Pentium II. Poznámka: firma Intel v současnosti ovládá se svými procesory asi 80% trhu veškerých procesorů
3.1
Intel Pentium P5
Pentium bylo vyrobeno někdy kolem roku 1993. Pracuje na frekvenci od 60 až 66 MHz. Vyroben 0.8µm BiCMOS. Pouzdro SPGA nebo PPGA s 273 vývody do Soketu 4. Má 3.1 Mil. tranzistorů. Jeho L1 cache má 8kB pro instrukce a 8kB pro Data a je dvoucestná v obou případech. Jeho přednosti: 2 vykonávací pipeliny ( Integer U a V ), dynamická predikce skoků s větvením do 256 větví. Zřetězený (pipelined) FPU pracuje obvodově. Má 3 vrstvy metalizace, 2 32-bitový dvouportový pipelined integer jednotky (U a V), 2 instrukce za takt, interní korekce chyb FRC, System managment, nemá spekulativní provádění, stupeň asociativity je 2, nemá APIC (musí použít externí). Jeho výkony jsou do 61 MIPS a FPU do 3.5 MFlops při standardním nastavení od firmy Intel. Multiprocessing (max. 2 CPU). P5 komunikuje na FSB 50, 60 a 66 MHz.
3.2
Intel Pentium P54C/CS
Pentium bylo vyrobeno někdy kolem roku 1994. Pracuje na frekvenci od 75 až 200 MHz. Vyroben 0.6 až 0.35µm BiCMOS(P852). Pouzdro PPGA 296 pinů pro soket 5 a PGA 296 pinů pro Soket 7, 3.2 nebo 3.3 Mil. tranzistorů. Jeho L1 cache má 8kB pro instrukce a 8kB pro Data a je dvoucestná v obou případech. Jeho přednosti: 2 vykonávací pipeliny (Integery U a V ). Dynamická predikce skoků s větvením do 256 větví, zřetězený (pipelined) FPU pracuje obvodově. P54C má 4 vrstvy metalizace, 2 instrukce za takt, interní korekce chyb FRC, System managment, nemá spekulativní provádění. Diagnostika BIST, podpora TAP stupeň asociativity je 2. Jeho výkony jsou od 68 MIPS do 190 MIPS a FPU je od 4.4 MFlops do 12 MFlops při standardním nastavení od firmy Intel. Některý verze disponují SMP a mohou být zapojeny pro multiprocessing (max. 2 CPU). V říjnu 1994 byla objevena chyba na FPU u některých čipů. P54 komunikuje na 50, 60 a 66 MHz. Maximální teplota jádra je 85°C.
3.3
Intel Pentium MMX
Intel Pentium MMX vychází z originálního Pentia. Liší se především ve výkonnosti v multimediálních aplikacích, protože obsahuje instrukce MMX. Existuje ve verzích 166, 200 a 233 MHz pro stolní PC, 133, 150, 166, 200, 233 a 266 MHz pro notebooky. Nyní tento procesor ubsahuje předpovědní jednotku, která je převzatá z Pentia Pro. Také obsahuje zpětný zásobník, který je známý z IBM/Cyrix 6x86's. Pentim MMX má oproti obyčejnému Pentiu dvojnásobný write buffer - MMX má 4, Pentium má 2 a paralelní zpracování je vylepšené. Pentium MMX vyžaduje duální napětí oproti Pentiu. Vyžaduje 2,8 V a pro CPU I/O interface 3,3 V. 31
Procesor jde přetaktovat, ale má uzamčený násobitel - musíte zvýšit frekvenci sběrnice. FPU tohoto procesoru je dobré, hodně pomáhá MMX, je poměrně rychlý v 3D aplikacích a hrách. Dnes už skoro každá aplikace podporuje instrukce MMX. Co se týká koupě. Dnes ho v cenících nenajdete, max. verzi 233 MHz, zkuste ho najít v některých bazarech či aukcích.
Specifikace procesoru: • • • •
3.4
32 KB L1 cache (16 KB data, 16 KB instrukční cache), bez L2 cache na chiputa je na základní desce, určen je pro Socket 7, 57 nových instrukcí MMX, napětí 2,8 V, I/O interface 3,3 V.
Intel Celeron
Intel Celeron je vlastně "ořezaná verze" Petnia II. Intel Pentium II má 256 KB L2 cache, nynější Celeron pro socket PPGA má 128 KB L2 cache. Existovaly i verze bez L2 cache. Ty měly jádro Covington. Ty se dají snadno přetaktovat. Na trhu je již neuvidíte (zkuste bazar). Nynější Celeron obsahuje jádro s názvem Mendocino. Ten má 128 KB integrované L2 cache.Cache napomáhá procesoru, aby se přiblížil výkonu Pentia II. Procesor je levný a vzhledem k ceně dost rychlý. Na hry je dostatečně výkonný. Celerony se vyráběly 0.25 mikronovou technologií, nyní jsou na trhu 0.18 mikronové verze Celeronus jádrem Coppermine. Nyní se označují jako procesory Celeron II.Jak jsem již uvedl, procesory Celeron i Celeron II jsou snadno taktovatelné. Z 300 MHz verze lze udělat450 MHz mašinku - někdy je nutné zvednout napětí a koupit lepší chlazení (např. vodní chladič).K procesoru Celeron II je nutné mít základní desku, která tento procesor podporuje.
32
Specifikace procesoru: • • • • •
3.5
0.25/0.18 mikronová technologie výroby, Socket 370 (PPGA), FC-PGA nebo starší Slot 1, Celeron instrukce MMX, Celeron II i SIMD, 32 KB L1 cache, 128 KB L2 cache Mendocino a Celeron II.
Intel Pentium Pro
Intel Pentium Pro bylo určeno pro rychlé pracovní stanice a více procesorové počítače.L2 cache tohoto procesoru je přímo na chipu (viz. obrázek). To přináší vyšší rychlost, ale také vyšší cenu.Údajně L2 cache Pentia Pro je rychlejší než Pentia II.Pentium Pro existuje ve verzích 150, 166, 180 a 200 MHz. Tyto procesory podporují čtyřprocesorový systém, Pentium II podporuje pouze duální (2). Přetaktovat se dá jako AMD K62. Specifikace procesoru: • • • • • • •
3.6
dostupné frekvence 150, 166, 180 a 200 MHz procesor je plně kompatibilní je optimalizován pro 32 bitové aplikace podpora 4 procesorového systému a až 4 GB paměti 16 KB L1 cache (8 KB data a 8 KB instukční cache) 166 MHz verze má 512 KB L2 cache, 150 a 180 MHz verze má 256 KB L2 cache, 200 MHz má 256, 512 a 1 MB L2 cache napětí u 150 MHz verze 3,1 V, další verze 3,3 V
Intel Pentium II
První Intel Pentium II bylo vyrobeno 0.35 mikronovou technologií (jádro Klamath).Tyto procesory měly větší spotřebu, a tak přišly na trh verze 0.25 mikronové (jádro Deschutes).S tímto novým procesorem přišla i nová patice pro procesory, Slot 1.Existovaly i dvě verze - Slot 1 a Slot 2 (serverové stanice a více procesory).Pro Slot 1 Pentium II existují frekvence od 233 do 450 MHz. Dnes však byly vytlačeny ztrhu. Intel tyto procesory nahradil novými, Intel Pentium III (jádro Katmai). O Petnium III se hodně diskutovalo, protože Intel implementovat do tohoto procesoru identifikační číslo,které lze zjistit na Internetu. Intel se domníval, že se bude hodit pro obchodování.Číslo lze samozřejmě vypnout, a tak vám nehrozí žádné odhalení. Dnes Intel vymyslel další patici s názvem FC-PGA určenou pro procesory Coppermine, které 0.18 mikronové.Co se týká taktování. Není to jako u Celeronů, ale přece lze přetaktovat P II o 50-100 MHz.Pentium III Coppermine se dá přetaktovat z 600 MHz až na 800 MHz. Dnešní verze Pentium IIIjsou již ve frekvencích 1 GHz. 33
Specifikace procesoru: • • • •
3.7
starší jsou 0.35, 0.25 a novější 0.18 mikronové procesor má MMX instukce má 32 KB L1 cache a 256 (512) KB L2 cache podpora 2 procesorového systému
První generace procesorů Xeon
Logickou otázkou při uvedení procesoru Pentium 4 bylo, jak to vypadá s podporou multiprocesorového uspořádání. Jak víme, procesory Pentium II a Pentium III podporovaly rovnou “na křemíku” uspořádání dvouprocesorové. Pro nejnáročnější servery byly vyvinuty procesory Pentium III Xeon, které podporovaly dvou-, čtyř a osmiprocesorové uspořádání. Procesor Pentium 4 multiprocesorové uspořádání nepodporuje vůbec. Generační změna architektury byla totiž příliš rozsáhlá, a podpora MP uspořádání není vůbec jednoduchá záležitost. Vzhledem k vlastním vyrovnávacím pamětem na každém procesoru je třeba vyřešit to, aby společná, sdílená paměť RAM obsahovala to, co si oba procesory myslí, že obsahuje - tedy aby se obsah cache jednoho procesoru nelišil od obsahu paměti a od cache druhého procesoru. A co se teprve stane při obsluze přerušení od nějaké periferie - který procesor je obslouží? A pokud obsah paměti změní některá inteligentní periferie, musí se oba procesory dozvědět, že v tomto adresovém prostoru obsah jejich cache neplatí, a je třeba jej načíst znovu. O složitosti otázky MP uspořádání svědčí jistě i to, že je konkurence dosud nemá uspokojivě vyřešené. Nyní tedy Intel uvedl na trh procesor Xeon - na rozdíl od předchozích řad označených například Pentium III Xeon. Je to procesor přinášející mikroarchitekturu Netburst do profesionálních prostředí pracovních stanic a serverů. V této první generaci byl procesor Xeon podporován novou čipovou sadou 860, podporující paměti Rambus. Protože paměti Rambus jsou cíleny primárně do pracovních stanic a nikoliv do serverů, je tato první generace určena právě pro pracovní stanice. V březnu 2002 na veletrhu Cebit byla uvedena i serverová verze pod označením Xeon MP, která přináší víceprocesorové uspořádání, větší paměť cache na čipu a technologii Hyperthreading. Procesor Xeon je při svém uvedení dostupný na frekvencích 1.3 GHz až 1.7 GHz, s pamětí cache 256 Kbyte. V budoucnosti se dá předpokládat další růst frekvencí a větší paměti cache. 34
Povšimněte si rovněž jiného uspořádání vývodů, než je tomu u “běžného” procesoru Pentium 4.
35
3.7.1
Čipset 860
Ke konstrukci základní desky je pochopitelně kromě procesoru potřeba také čipová sada. Ta se pro procesor Xeon skládá ze dvou až čtyř obvodů. První dva jsou známé “severní” a “jižní” most, tak jak je známe z dnes již klasického uspořádání. Severní most (MCH - Memory Controller Hub) řídí komunikaci procesorů, paměti (dvoukanálový Rambus, tedy opět propustnost 3.2 GB/s), grafického adaptéru (AGP 4x, propustnost přes 1 GB/s), dále přidává schopnost připojení až dvou vysoce výkonných segmentů 64bit/66 MHz PCI sběrnice a konečně spojení s “jižním mostem”. Jižní most (ICH2 - I/O Controller Hub) má na starosti periferie - diskové rozhraní ATA 100, síťovou kartu, dva USB řadiče poskytující až 4 kanlály USB, šestikanálové audio a sběrnici PCI (tu “klasickou”, tedy 32 bitů/33 MHz). Kromě vysokého výkonu byl čipset 860 navržen pro škálovatelnost. Novinkou jsou zbývající dva obvody, kterými systém může, ale nemusí být vybaven. Jsou to MRH-R a P64H. MRH-R (RDRAM-based Memory Repeater Hub) rozdvojí každý kanál paměti Rambus - z jednoho udělá dva - čímž se zdvojnásobí maximální paměťová kapacite. Je tedy určen pro ty konfigurace, kde je potřeba maximální množství paměti. P64H (PCI Controller Hub) přidává podporu sběrnice PCI 64 bitů a 33 nebo 66 MHz. Této sběrnice využijí ty nejvýkonnější periferie přenášející velké objemy dat - například řadiče diskových polí nebo gigabitový Ethernet.Čip se připojuje přímo k MCH, aby se využilo vysoké propustnosti Intel Hub Architecture.
3.8
Intel Pentium II Xeon
Pentium II Xeon je znán ze serverových stanic. Tento procesor je velice drahý, protože obsahuje 1-2 MB L2 cache, která běží na plné frekvenci procesoru. Používá se v deskách se Slotem 2, který má chipset 450NX nebo 440GX. Tyto chipsety podporují až 8 GB paměti, samotný procesor až 64 GB paměti.Xeon může být používán i multiprocesorově. Specifikace procesoru: • • • •
3.9
512 KB až 1 MB L2 cache na plné frekvenci procesoru, nově i 2 MB L2 cache podpora až 64 GB paměti 0.25 mikronová technologie výroby má funkce monitorování a kontroly
Intel Coppermine
36
Intel Coppermine je již vyroben 0.18 mikronovou technologií. Díky této technologii je možné dosáhnout vyšších frekvencí.256 KB L2 cache tohoto procesoru běží na plné frekvenci sběrnice. Coppermine má skoro vše nového již implementováno (kromě 3DNow! - ty vlastní AMD).Procesor i podporuje 133 MHz FSB. P3-600EB je označení pro Coppermine běžící na 133 MHz FSB.P3500E je pro Coppermine běžící na 100 MHz FSB. K tomuto procesoru byla i přiřazena nová patice FC-PGA, která se podobá Socketu 370. Novější základní desky podporují oba procesory - Celeron, Coppermine pro FC-PGA. Procesory pracují s napětím 1,6 V. Jako chipset pro základní desku si můžete vybrat Intel 440BX (rychlejší komunikace s pamětí),VIA Apollo Pro133A (oficiální FSB 133 MHz), Intel i820 (je drahý, ale podporuje Ultra ATA/66),Intel i840 (hlavně určen pro servery).
3.9.1
Intel Pentium III
Procesor nové generace, který firma Intel vyvíjela jako nástupce Pentia II, byl dříve znám pod kódovým jménem Katmai. Na oficiální jméno procesoru se čekalo až do 11. ledna. Intel zůstal nakonec při jeho pojmenování u známého jména Pentium a z římské dvojky následující za Pentiem starší generace udělal římskou trojku. Nová Pentia III mají frekvence 450 MHz a 500 MHz a stejně jako procesory Pentium II mají 512KB vyrovnávací paměť druhé úrovně, která pracuje na poloviční frekvenci procesoru. Procesory Pentium II a Pentium III toho mají mnoho společného. U procesoru Pentium III je totiž také použita technologie dynamického vykonávání instrukcí (dynamic execution), známá již od procesoru Pentium Pro, dále multimediální technologie MMX a architektura P6, a zatím je také vyráběn 0,25mikronovou technologií (stejně jako nejnovější procesory Pentium II).
3.9.2
Nové instrukce
A v čem se tedy liší? Jde vlastně o procesor Pentium II rozšířený o technologii nazvanou Streaming SIMD Extension. Tato technologie je realizována rozšířením instrukční sady procesoru Pentium II o dalších 70 instrukcí (dříve známých jako KNI – Katmai New Instructions). Padesát instrukcí se stará o větší využití jednotky pro provádění operací v pohyblivé řádové čárce (FPU). Díky nim je možné v jednom cyklu provést až 4 výsledky výpočtů – zkratka SIMD znamená single instruction, multiple data, tedy jedna instrukce, více dat. Tato technologie byla použita už v MMX, ale týkala se celočíselných operací. Technologie MMX byla rozšířena o dalších 12 "multimediálních" instrukcí a přibylo také 8 nových instrukcí nazvaných streaming memory instruction. Díky nim mají programátoři šanci ovlivnit využití vyrovnávací paměti první a druhé úrovně, čímž lze některé operace mnohonásobně zrychlit – například tím, že se vyrovnávací paměť obejde. Do této doby totiž využití vyrovnávací paměti řídil procesor, a to ne vždy zcela efektivně.
37
3.9.3
3D grafika rychleji
Nová technologie Streaming SIMD Extension umožní zvýšit především rychlost 3D grafiky, ale také aplikací pro rozpoznávání hlasu, umožní přehrávání videa ve formátu MPEG2, rychlejší kompresi a podobně. Třetí rozměr by se také mohl více prosadit na WWW stránkách, protože výkonnější procesor zajistí na základě menšího množství dat (které je na internetu kritické) vytváření kvalitnějšího 3D prostředí. Více informací pro zobrazení se z menšího množství dat získá až výpočtem na straně klienta s Pentiem III. Nové instrukce nepřidává Intel do svých procesorů poprvé. V lednu roku 1997 byl totiž představen procesor Pentium/MMX s již zmíněnou technologií MMX, tedy s 57 novými instrukcemi (původních 220 "standardních" instrukcí samozřejmě zůstalo kvůli zpětné kompatibilitě zachováno). Od té doby byla technologie MMX začleněna do všech procesorů firmy Intel a také do procesorů firem AMD, Cyrix a IDT. Spolupráci s vývojáři softwaru nyní Intel věnoval větší pozornost a podle něj by měla nabídka aplikací podporujících technologii Streaming SIMD Extension rychle růst. 3.9.4
Důležité budou aplikace
Podpora ze strany aplikací je totiž velice důležitá, protože bez využití nových instrukcí zůstává výkon procesoru Pentium III na stejné úrovni jako výkon stejně taktovaného procesoru Pentium II. Jiné rozdíly totiž mezi nimi v podstatě nejsou. Podle Intelu nic nebrání tomu, aby byla technologie Streaming SIMD Extension začleněna i do procesorů konkurenčních firem. Otázkou zůstává, zda o to budou mít zájem, protože AMD prosazuje svoji podobně zaměřenou technologii 3DNow!, která má už jistý náskok. Podporují ji však zatím většinou pouze hry a Intel má k prosazení nové technologie přece jen větší možnosti. Vývojáři softwaru se tedy budou muset rozhodnout, jakou technologii budou podporovat, a stejně tak se budou muset rozhodnout i další výrobci procesorů. Technologii Streaming SIMD Extension podporují již dnes operační systémy Windows 98 (a také rozhraní DirectX 6.1) a Windows NT 4.0. Vývojáři mají k dispozici různé knihovny a vývojové nástroje, které usnadní přepracování starších aplikací a vývoj nových, které možnost procesoru Pentium III využijí. Důležitá je také podpora nové technologie ze strany ovladačů grafických karet. 3.9.5
Procesor číslo III
Další změnou procesoru Pentium III oproti starším procesorům je to, že Pentia III 38
jsou číslována. Hned při výrobě dostane každý procesor svoje číslo (jakési rodné číslo), na jehož základě jej pak lze identifikovat. Zajímavé je, že Intel stoprocentně negarantuje, že každé číslo bude zcela jedinečné. S velmi malou pravděpodobností se tedy mohou vyskytnout dva procesory se stejným číslem. Číslování procesoru může zvýšit bezpečnost (například při zasílání šifrovaných souborů nebo při obchodování na internetu) nebo snadnější správu počítačů, ale vyskytují se i otázky týkající se lidských práv, ztráty anonymity na internetu a zneužití čísel procesorů k nejrůznějším účelům. V každém případě má uživatel možnost zabránit tomu, aby procesor na sebe číslo prozradil, a možná že nakonec budou procesory Pentium III takto implicitně nastaveny. Jejich číslování totiž vyvolalo v některých kruzích značný odpor. 3.9.6
Procesor Intel Pentium 4 - nová generace 32-bitové architektury
Intel zapracoval na vývoji nové, již sedmé, generace 32-bitové architektury, která se nyní ztvárnila v procesorech Pentium 4 nejprve uvedených na frekvencích 1.4 a 1.5 GHz, krátce potom následovaným frekvencí 1.3 GHz. Tato nová mikroarchitektura přináší celou řadu významných inovací, které jednak umožnily při stejné výrobní technologii dosažení o 40% vyšší frekvence, jednak otevírají možnost zlepšování výkonu nejméně po několik následujících let. Procesor Pentium 4 je tvořen 42 miliony tranzistorů.
39
3.9.7
Mikroarchitektura NetBurst™
Pod tímto souhrnným názvem se skrývá celá řada nových vlastností, které se v dalším textu budeme snažit vysvětlit. Předem se omlouváme za občasné české patvary, případně použití angličtiny jedná se o odborné termíny, pro které je problematické najit český ekvivalent. Tak tedy: Hyperpipelined technology, 400 MHz systémová sběrnice, Level 1 Execution Trace Cache, Rapid Execution Engine, vylepšená jednotka pro operace v plovoucí čárce a multimédia a konečně další rozšíření instrukčního souboru pro multimediální instrukce SIMD Extensions 2. 3.9.8
Hyperpipelined Technology
Se stále se zvyšující frekvencí je doba zpracování jedné instrukce tak krátká, že tvoří pouhý zlomek času potřebný pro "podání" dat z operační paměti. Proto je největším problémem dneška "vyhladovění" procesoru, tedy stav, kdy procesor nemá co dělat, protože čeká na vybavení dat. Tomu se čelí sřetězením instrukcí, tzv. hyperpipeliningem. Jedna instrukce je podávána z operační paměti, druhá dekódována, třetí zpracovávána atd. Hloubka tohoto "potrubí" u procesoru Pentium 4 je 20 rozpracovaných instrukcí (u šesté generace to bylo 10). Jenže, jak ošetřit větvení programu? V případě, že neodhadneme, kterým směrem se program vydá, celá řada rozpracovaných instrukcí se musí zahodit, v "potrubí" nám vznikla "bublina", ztráta je přitom rovna hloubce sřetězení. Proto se logická jednotka zdvojí, a pracuje se současně na instrukcích pro případ, kdy je výsledek testu kladný i záporný. Teprve až je výsledek podmíněného skoku znám, můžeme tu "špatnou" větev zahodit. Čím větší je hloubka "potrubí", tím je systém háklivější na jakékoliv anomálie tohoto toku. Z toho důvodu se v jádře procesoru drží sofistikovaná tabulka "předpovídání skoků". Na základě dosavadního chodu programu, např. práce v cyklu, se procesor snaží uhodnout, jestli se skok provede nebo neprovede, a "potrubí" je plněno z té větve, na kterou sázíme. Tento přístup přináší efekt zejména u multimediálních aplikací, kde se - například pro každý bod obrazu - provádí velmi podobné výpočty a úspěšnost správné predikce skoku je proto mimořádně vysoká.
3.9.9
400 MHz systémová sběrnice
Má za úkol maximalizovat datovou propustnost mezi procesorem a jeho okolím. Díky této frekvenci při 32-bitové šířce slova spočítáme maximální propustnost 3.2 GB za sekundu. Pro srovnání Pentium III s nejrychlejší vyráběnou sběrnicí 133 40
MHz má propustnost 1.06 GB/s. Poznámka pro největší šťouraly: Sběrnice má ve skutečnosti frekvenci 100 MHz, ale je “čtyřnásobně pumpována (quad-pumped)”, neboli v jednom taktu hodin dojde ke čtyřem přenosovým cyklům. To by se laické veřejnosti jednou větou špatně vysvětlovalo, proto zjednodušeně mluvíme o 400 MHz. 3.9.10
3.11.4. Level 1 Execution Trace Cache
Kromě 8KB datové cache je na procesoru implementována 12KB paměť cache, která uchovává předdekódované mikrooperace. To je opět rozdíl proti předchozím generacím, kdy v paměti cache byla uchovávána data v původní podobě. Výhoda tohoto řešení je zřejmá - šetří se několik stupňů dekódování instrukcí v "potrubí", eliminuje se dekodér instrukcí z hlavní programové smyčky. To mimo jiné také zkracuje čas potřebný pro zotavení ze špatné předpovědi skoku. 3.9.11
Rapid Execution Engine
Dvě aritmeticko-logické jednotky jsou taktovány na dvojnásobné frekvence, než samotný procesor. To umožňuje základní celočíselné logické a aritmetické operace provádět v 1/2 taktu hodin. Mimo tyto postupy je využíváno paralelní zpracování a vykonávání instrukcí mimo pořadí - pokud první instrukce říká "Sečti A+B a ulož do C" a druhá "Sečti D+E a ulož do F", pak provedení druhé instrukce nepotřebuje žádná data, kvůli kterým by se muselo čekat na dokončení první operace, a operace je možno provést nezávisle na sobě, pokud je k dispozici vhodná operační jednotka. Takto je možno provádět zjednodušeně řečeno dvě celočíselné operace a jednu v plovoucí řádové čárce současně. 3.9.12
3.11.6. Rozšíření instrukční sady
Dalším prostředkem, jak dosáhnout vyššího výkonu, je provedení menšího počtu instrukcí k dosažení stejného účelu. Základ tohoto přístupu položila již technologie MMX, která jako první přinesla instrukce typu SIMD (Single Instruction Multiple Data - jedna instrukce více dat). Základní sada MMX pracovala s celočíselnými daty (instrukce typu sečti tato čtyři šestnáctibitová čísla s těmito čtyřmi - velmi výhodné pro opakované podobné výpočty například při práci s obrázky). Následována byla rozšířením Streaming SIMD Extensions (SSE) u procesoru Pentium III, který tento koncept rozšířil na čísla v jednoduché přesnosti v plovoucí řádové čárce. Pentium 4 tento model dále obohatil o 144 nových instrukcí SSE-2, která umožňují práci na datech v plovoucí čárce je dvojité přesnosti a na operace se 128-bitovými celými čísly. Plné využití těchto nových instrukcí znamená, aby vývojáři upravili své aplikace. Z dosavadních zkušeností počínaje instrukcemi MMX to můžeme čekat velmi, velmi rychle.
41
3.9.13
Infrastruktura vyvážené platformy
Aby systém neměl úzké hrdlo s negativním vlivem na celkovou propustnost systému, je celý systém doplněn čipovou sadou i850 s podporou vysoké propustnosti směrem ke grafické kartě i operační paměti.
42
4
Procesory výrobců (jiných než nasazovaných v PC současných sestav
Intel) Další informace
4.1
Výroba nového procesoru
http://www.amd.com
Procesor je v podstatě polovodičová součástka tvořená především křemíkovou destičkou s několika příměsemi. Až doposud se používal hlavně hliník (Al), ale v současnosti se již objevují procesory (firmy IBM, AMD v továrně v Drážďanech) s mědí jako příměsí (měď je totiž mnohem lepší vodič el. proudu než hliník). Ještě předtím, než se vývojář vůbec dotkne křemíku, je vytvořen softwarový model procesoru označovaný jako RTL (Register Transfer Logic). Aby bylo testování co nejjednodušší, pracuje tento softwarový model mnohem pomaleji než skutečný procesor, zhruba na frekvenci 2 až 5 Hz. Souběžně s tím je testován další softwarový model, zvaný Arcsim, který na rozdíl od RTL pracuje v hladině špičkového tzv. high-end výkonu. Zvláštní testy jsou pak prováděny na velkém hardwarovém modelu. Takovýto model čipu je opravdu velký - často zabere celou místnost. Této fázi testování se říká emulace (emulation). Procesor je testován na skutečných sálových počítačích (mainframech), jejichž cena se pohybuje v řádu statisíců dolarů. Pokaždé, když je v procesoru objevena chyba, je celý model revidován, chyba je odstraněna a nakonec dostane opravený procesor nové označení v podobě kódu složeného ze dvou písmen. Jedná - li se o velký zásah do modelu, je modifikovaný procesor označen i změněným písmenem (např. C4). Zásahy jsou prováděny speciálně vytvořeným iontovým paprskem, který umožňuje ve spojení s elektronovým mikroskopem měnit obvodové spoje, které jsou často velmi tenké. Proces testování dále pokračuje testováním kompatibility na spoustě hardwarových zařízení a tisících softwarových aplikací. Je totiž velice důležité, aby procesor uměl pracovat se stávajícím hardwarem na trhu a aby dokázal ovládat i současný software. V průběhu těchto testů je již hotový procesor montován do normálních počítačů a je testován zpravidla bez zásahu techniků. Procesory jsou samozřejmě podrobeny i různým výkonnostním testům benchmarkovými programy. Tím však testování nekončí. I po zahájení výroby jsou procesory podrobeny celé sérii testů trvajících 10 - 20 sekund. Přesto se však i v prvních sériích procesorů 43
objevují chyby. Např. v procesoru Pentium II bylo objeveno více než 50 chyb (2 % všech procesorů Pentia III se nevypíná). Tyto problémy se však týkaly okrajových oblastí, a tak se na běžném používání procesoru téměř neprojevily. Neznamená to, že by firmy investovaly málo peněz, úsilí a času do vývoje nového procesoru, ale spíše je to důkazem toho, že vyrobit kvalitní procesor je velice obtížná a náročná věc. Vezmeme - li např. procesor, který obsahuje 5 milionů tranzistorů. Pokud bychom chtěli prověřit všechny možné stavy procesoru, museli bychom vyzkoušet 25 milionu (dvě na 5 milionu) kombinací. Kromě toho musí procesor správně komunikovat se svým okolím, tzn. pamětí, základní deskou a periferiemi. Tolik tedy k jednotlivým fázím výroby procesoru. V následující části si povíme, jak je vlastně možné na plochu několika čtverečních centimetrů umístit několik milionů tranzistorů. Bude řeč o technologii 0,25 µm a jí podobných.
44
4.2
Technologie 0,25 µm
12. dubna 1997 oznámila firma Intel uvedení nové výrobní technologie - 0,25 µm. Zpočátku byly touto technologií vyráběny procesory Pentium s MMX technologií na frekvenci 200 a 233 MHz určené pro mobilní počítače. Největší přínos této technologie v oblasti mobilní techniky představuje výrazné snížení spotřeby elektrické energie. Ale postupujme pěkně popořádku. V čem to spočívá? Ještě v padesátých letech zabral počítač (výkonově srovnatelný s 286) celou místnost a jeho energetická spotřeba byla téměř neuvěřitelná. Většina spínacích obvodů tohoto počítače byla tvořena vakuovými elektronkami a drátěnými spoji. V šedesátých letech vyvinuli inženýři postup, díky němuž se podařilo tyto obvody integrovat na malé křemíkové destičky. Tím zmizely elektronky propojené dráty a vše se přesunulo do oblasti mikroskopických součástek. Polovodičová destička představuje jeden krystal křemíku, který se stává cílenými zásahy na některých místech vodivý a na některých nevodivý. Takto vzniklé "Mikro?počítače" byly oproti svým předchůdcům nejenom astronomicky rychlé, ale nespotřebovávaly prakticky žádnou elektřinu. To byl okamžik zrození polovodičového průmyslu. U polovodičové techniky byl od počátku kladen obrovský důraz na miniaturizaci elektronických součástí. Zmenšování součástek tak ovlivnilo rozložení spínacích obvodů na křemíkové destičce. Tím se také velmi zkrátila dráha, kterou musí urazit letící elektron. Z toho také plyne, že se elektrony mohou pohybovat mnohem rychleji mezi jednotlivými funkčními prvky a to umožňuje vyrábět rychlejší procesory. Dalším efektem vyvolaným zmenšováním používaných struktur je to, že není třeba tak vysoké napájecí napětí k ovlivnění jednotlivých spínacích obvodů a tím pádem se může snížit příkon (a z toho plynoucí tvorba tepla). Od objevení polovodičové technologie se celý průmysl snaží vyrobit co nejmenší součástky tak, aby bylo dosaženo maximálního výkonu. Postup výroby procesorů je zpravidla nazýván podle nejmenšího prvku, který je možno vyrobit. To znamená, že pomocí stávající technologie 0,25 µm lze vyrobit prvky, které měří pouze 0,25 µm. Pro představu: lidský vlas má tloušťku přibližně 80 µm. Procesor 386 byl vyroben technologií 1,5 µm. To znamená, že firma Intel během několika let zmenšila své procesory šestkrát!
45
V čem spočívají výhody této technologie pro mobilní počítače?
Taktovací frekvence a tím i výkon procesoru se zavedením technologie 0,25 µm zvýšil téměř o 60 procent oproti 0,35 µm. Také díky této technologii je možno vyrábět procesory s napájecím napětím nižším než 2 V. Proto současné procesory spotřebovávají mnohem méně elektřiny, i když jejich výkon roste. Výrobci mobilních počítačů tak mohou tuto výhodu použít k tomu, že své počítače vybavují většími displeji, aniž by bylo třeba zvyšovat kapacitu baterie. Další výhoda spočívá ve velikosti čipu. Polovodičové mikročipy jsou vyráběny na kulatých křemíkových destičkách, ze kterých je později vyříznut čtvercový čip. Procesory vyrobené technologií 0,25 µm jsou při stejném výkonu přibližně o polovinu menší než procesory vyrobené technologií 0,35 µm. Díky tomu lze na křemíkovou destičku o stejné velikosti umístit mnohem více tranzistorů. V současné době jsou procesory INTEL Pentium III vyráběny 0,18 µm technologií. Firma AMD bude používat 0,18 µm technologie až v nové továrně v Drážďanech. Je však otázkou, kam až může toto zmenšování dojít. Už dnes je jisté, že jednou vývojáři narazí na fyzikální hranice a co pak?
4.3
AMD Athlon Thunderbird
Podobně jako Intel přešla i firma AMD od Slotu k patici. Nové procesory jsou postaveny na bázi úspěšných Athlonů. AMD především zmenšila výrobní proces z 0,25 na 0,18 mikronu (stejně jako Intel) a provedla některé další úpravy jádra Athlonu. Tou nejdůležitější změnou je integrace L2 cache paměti přímo do jádra procesoru (on-die, pracuje na frekvenci shodné s procesorem) namísto původního "vnějšího" umístění v cartridge procesoru. To umožnilo přejít od velkých a relativně drahých procesorů v provedení Slot A k menším a tím také levnějším procesorům ve formě Socket A. To je nová patice (ne nepodobná Socket 370) určená pro nové procesory AMD. V provedení Socket A nabízí AMD dva typy procesorů - Athlon a Duron. Procesory Athlon jsou určeny pro výkonné počítače. Jejich jádro je označováno kódovým jménem Thunderbird, pro obchodní účely však byl ponechán zavedený název Athlon. Mají 128KB L1 cache paměti a 256KB L2 cache paměti, obě taktované na frekvenci shodné s procesorem. Na druhou stranu jsou procesory Duron určeny do levnějších počítačů (jejich jádro nese kódový název Spitfire). Durony mají 128KB L1 cache paměti a 64KB L2 cache paměti. Jak Athlony, tak Durony používají osvědčenou sběrnici EV-6 taktovanou na 200MHz (100MHz DDR) a používají osvědčené 3DNow! instrukce. Podporovány jsou čipsety VIA KT133, AMD 750, AMD 760, připravovány jsou samozřejmě další. Thunderbird přišel na svět ve stejné době jako Duron, a to na jaře roku 2000. Frekvenční rozsah je 700 MHz až 1.4 GHz. Vyroben 0.18um technologií. Pouzdro 46
stejně jako u Duronu podobné na FCPGA 462 vývody do Soketu A, Procesor obsahuje 37 Mil. tranzistorů. Jeho L1 cache má 64kB pro instrukce, 64kB pro data, L2 Cache 256kB přímo na čipu (běží na frekvenci procesoru, na rozdíl od Athlonu, kde se cache L2 dělila různým poměrem). Podporuje Lightning Data Transport. Obsahuje stejné jednotky jako Duron (MMX, 3DNow!). Jedná se o high-end procesor na vylepšením jádře Athlonu. Thunderbird komunikuje na FSB 100 MHz DDR a od 1 GH existujou verze pro 133 MHz DDR FSB. Podrobnější popis naleznete na http://www.doupe.cz/vaulty/amd/bench/tbird.htm. Verze pro 133 MHz FSB mají na konci druhého řádku na procesoru písmeno "C" např "A1000APP3C", kdežto verze pro 100 MHz FSB tam mají "A" nebo "B". Frekvence FSB frekvence Athlon – Thunderbird 900 MHz 100 MHz 950 MHz 100 MHz 1GHz 133 MHz 1GHz 266 MHz 1.3 GHz 266 MHz
L1/L2 cache Jadro
Patice
256kB 256kB 256kB 256kB 256kB
Thunderbird Thunderbird Thunderbird Thunderbird Thunderbird
Socket A Socket A Socket A Socket A Socket A
1,4 GHz
256kB
Thunderbird
Socket A
4.4
266 MHz
AMD Duron
Tento procesor byl navržen jako levnější varianta procesoru Thunderbird, oproti kterému má zmenšenou velikost L2 cache, což je prakticky jediný rozdíl mezi těmito dvěma procesory. Stejně jako s původním Athlonem, i teď AMD útočí na pozici Intelu, tentokrát na procesory Celeron. Duron se, především díky svému výkonu a ceně, jeví jako opravdu dobrá alternativa k Celeronu. Nevýhodou je nutnost nákupu nové základní desky, protože Duron (stejně jako Thunderbird) je určen pro desky se 462 pinovou paticí socket A, takže majitel staršího Celerona (například kolem 400 MHz) vlastnící kvalitní motherboard, který chce upgradeovat svůj stroj, musí sáhnout po nové základní desce. Ovšem v případě, že kupuje nový počítač, tedy i Frekvenc FSB e frekvence Duron – Spitfire 800 MHz 100 MHz 850 MHz 100 MHz 900 MHz 100 MHz 950 MHz 100 MHz Duron – Morgan 1000 100 MHz MHz 1100 100 MHz MHz 1200 100 MHz MHz 1300 100 MHz MHz
Napět Max. í napětí
Proudový odběr
Nadbytečné teplo
Maximální provozní teplota
1,6 V 1,6 V 1,6 V 1,6 V
22,1 A 23,4 A
31,8 W 33,6 W
90° C 90° C 90° C 90° C
1,75 V 1,75 V 1,75 V 1,75 V
2,1 V 2,1 V 2,1 V 2,1 V
4746
A
41 W 43 W
novou desku, jeví se Duron jako velice dobrá investice Cílovým segmentem trhu jsou - stejně jako u Celeronu - především "low-cost" sestavy pro domácí uživatele, tedy počítače s co největším výkonem za rozumnou cenu. Vzhledem k opravdu velmi vysokému výkonu však nic nebrání používat tento procesor i pro profesionální aplikace. Jediné, na co Duron není příliš vhodný, jsou síťové servery, kde zaostává díky malé L2 cache. Duron se vyrábí od jara roku 2000 pod kódovým označením "Spitfire". Frekvenční rozsah je 600 - 950 MHz, 950 MHz je konečná pro jádro Spitfire. Vyroben 0.18um CMOS. Pouzdro je podobné jako FCPGA (PentiumIII, CeleronII) 462 vývody do Soketu A. Jeho L1 cache má 64kB pro instrukce, 64kB pro data, L2 Cache pouze 64kB přímo na čipu, tato cahce je fullspeed (běží na stejné frekvenci jako procesor. Samozřejmě obsahuje instrukční sady MMX a 3DNOW! Enhanced. Voltáž je 1,6V a proto Duron produkuje pouze 28.2 W tepelné energie při 700 MHz. Jádro procesoru vychází ze starého dobrého Athlonu. Navíc podporuje Lightning Data Transport. Duron komunikuje na FSB 100 MHz DDR. Jelikož bylo nutné upravit jádro procesoru tak, aby aby zvládlo vyšší frekvence než 950 MHz přišel na svět nový Duron s jádrem "Morgan". Tento procesor začíná na 1GHz. Rozdíl je v napětí procesoru, které je 1,75 V oproti 1,6 V u Spitfiru. Dále je procesor plně kompatibilní co se týče instrukcí SSE, které používají procesory Intel. Hlavním rozdílem je funkce hardware data prefetch. S pomocí této funkce dochází k předvídání jaká data budou potřeba a ta jsou přesouvána do L2 cache paměti dříve než jsou procesorem vyžádána. Další hlavní výhodou je zvýšení počtu záznamů vyžádaných procesorem a jejich uchování v operační paměti. Se zvýšením počtu těchto záznamů (přeložených adres) se zároveň zvyšuje pravděpodobnost, nalezení příslušné adresy.
Počet transistorů Velikost čipu Pracovní napětí
4.5
Spitfire 25 000 000 100 mm2 1.6 V
Morgan 25 180 000 106 mm2 1.75 V
AMD Athlon XP – Palomino
Procesory AMD Athlon XP jsou novou generací v řadě oblíbených Athlon procesorů. Vycházejí z jádra Palomino s určením pro desktopový segment trhu. Přinášejí vysoký výkon nejen ve hrách nebo multimediálních aplikacích jako je střih a kódování videa, vytváření a přehrávání MP3, práce v grafických 2D i 3D aplikacích. Jak už název napovídá, je Athlon XP designován speciálně pro vysoký výkon v operačním systému Windows XP, stejně dobře si ale vede i ve starších verzích Windows nebo na Linuxu. DirectX 8.0 rozhraní Windows XP je speciálně optimalizováno pro Athlon procesory, které byly mimo jiné používány při vývoji Windows XP, takže je zajištěna jejich dokonalá kompatibilita.
48
Výkon procesoru není zdaleka určován jen pracovní frekvencí, o čemž svědčí vynikající výkon Athlon procesorů ve srovnání s rychleji taktovanými konkurenčními procesory. Athlony v mnoha benchmarkových testech poráží frekvenčně rychlejší konkurenci. AMD proto přistoupila k označování svých procesorů modelovými čísly. Modelové číslo procesoru Athlon XP nevyjadřuje jeho skutečnou pracovní frekvenci, ale imaginární frekvenci, na které by muselo pracovat staré jádro Athlonu (Thunderbird), aby dosáhlo stejného výkonu. Modelová čísla jsou odvozována ze standardizované série benchmarkových testů, přičemž jako základ slouží procesor Athlon (s jádrem Thunderbird) na frekvenci 1,4GHz. Athlon XP - Palomino: je odpovědí AMD na procesor Pentium IV. Patří do tzv. "H series", do které patří také Duron s jádrem Morgan. Hodnoty cache pamětí zůstavají stejné, jako u Thunderbirdu L2 cache bude 256 KB a L1 128 KB. Frekvence se pohybuji od 1500+ do 1900+, ve skutečnosti bude Athlonu XP 1500+ taktován na 1330 MHz. Kvůli snížené spotřebě by se používají tyto procesory i pro mobilní trh. Procesor podporují čipsety AMD 760, 760MP, VIA KT266 i starší VIA KT133A. U většiny desek je třeba inovovat BIOS. V jádru procesoru Palomino je integrované teplotní čidlo. To ale neslouží k tepelné ochraně procesoru tak jak tomu je u procesorů Intel, ale k lepšímu sledování teploty jádra procesoru. Na stejném jádru jsou taky postaveny procesory Athlon4 pro notebooky a Athlon MP pro dvou procesorové systémy. Z hlediska výkonu procesoru přibyla funkce Hardware data prefetch což je jakési automatické "předzásobení" procesoru daty. Obvody procesorů proste načítají data s předstihem, což v některých případech vede ke zvýšení propustnosti paměti. Další novinkou je přidání Translation Look aside (TLB) bufferů, které minimalizují čekací stavy v okamžiku, kdy procesor požaduje nová data. Tyto dvě novinky patří do tzv. Quantispeed technologie. Quantispeed je marketingovým pojmenováním několika klíčových technologii jež používá jádro nového Athlonu - i když některé zde byly. Například superskalární jednotka FPU a paralelní mikroarchitektura jádra umožňující provedení více instrukcí v jednom cyklu (zvyšuje se tak index IPC - Instructions Per Cycle). Poslední inovace jádra směřovala ke zlepšení kompatibility s kódem optimalizovaným pro Pentia III - tím je rozšíření instrukcí 3D Now! (nyní s přívlastkem Professional) o instrukce SSE (Streaming SIMD Extension).
Výrobní proces Počet transistorů Velikost čipu Termální dioda Cache L1 Cache L2 QuantiSpeed architektura FSB
Athlon 0.18 mikronů 37 milionů 120 mm2 Ne 128 KB 256 KB Ne
Athlon XP 0.18 mikronů 37.5 milionů 128 mm2 Ano 128 KB 256 KB Ano
200 & 266 MHz
266 MHz
49
Instrukční sada Enhanced 3DNow! 3DNow! Professional Spotřeba 81 wattů 56 wattů Porovnání rozdílů mezi procesory Athlon a Athlon XP Nový obal je mnohem pružnější než jeho předchůdce. Tím je zaručena větší odolnost. Už by se nemělo tak často stávat, že při nešikovné instalaci chladiče se procesor můžete trvale poškodit. Další novinkou je přesunutí filtračních kondenzátorů a rezistorů na spodní stranu procesoru. Také je procesor o něco lehčí a má nižší profil (viz. obrázek níže). Nový obal je doopravdy krok správným směrem a dovoluji si tvrdit, že je to jedna z nejlepších inovací na Athlonu XP. Jen si myslím, že AMD by mohla po vzoru výrobců základních desek vyrábět procesory v různých barevných provedení Takový červený nebo modrý procesor by určitě oku lahodil.☺. Vizuální porovnání procesorů Palomino a Thunderbird Další informace
http://www.cpuworld.com/Cores/Palo mino.html
XP označení
Frekvence (MHz)
Athlon XP – Palomino 1500+ 1330 1600+ 1400 1700+ 1470 50
1800+ 1900+ 2000+ 2100+
4.6
1530 1600 1670 1733
AMD Athlon MP
O ataku společnosti AMD do segmentu dvouprocesorových pracovních stanic a serverů se hovoří od dob uvedení první řady procesorů AMD Athlon Slot A: procesory Athlon pro stolní počítače měly dostat "bratříčky" s podporou SMP a nebo také s větší Level 2 cache (zde se udávaly až 4 MB). Všechny připravované projekty se ale dostaly k ledu a teprve nová řada AMD Athlon MP s jádrem Palomino byla letos spolu s chipsetem AMD 760 MP oficiálně určena pro dvouprocesorové systémy. Zde musím podotknout, že i předchozí generace procesorů AMD Athlon a Duron pro Socket A s jádrem Thunderbird a Spitfire v dvouprocesorových systémech pracují. Pro úspěch v segmentu serverů a pracovních stanic je ale nutné něco navíc, a tak AMD připravila nový South Bridge s podporou 64bitové 66 MHz sběrnice PCI. S "obyčejnými" Athlony (Thunderbird) mají mnoho společných vlastností. Jsou vyráběny 0,18 mikronovým procesem, mají 128KB L1 cache a 256KB L2 cache. Zvětšila se pouze plocha jádra ze 120mm na 128mm a počet tranzistorů z 37 milionů na 37,5 milionů. Stále jsou určeny do Socket A patice a lze je použít i ve starších Socket A základních deskách (s patřičným updatem BIOSu).Kromě podpory SMP mají Palomina o 20% nižší spotřebu energie. Další velmi významnou inovací je podpora instrukční sady 3DNow! Pro, ve které je kromě předchozích instrukcí zahrnuta i podpora SSE instrukcí, kterými disponují Pentium III procesory. Frekvenc FSB frekvence e Athlon MP 1,2GHz 9x133 (1200) 1500+ 10x133 (1330) 1600+ 10,5x133 (1400) 1800+ 11x133 (1533) 1900+ 12x133(1600)
L1/L2 cache
Jádro
Patice
128/256 KB 128/256 KB 128/256 KB 128/256 KB 128/256 KB
Palomino Palomino Palomino Palomino Palomino
Socket A Socket A Socket A Socket A Socket A
Nabídka procesorů AMD Athlon MP pokrývá frekvence 1 GHz až 1,6 GHz u modelu 1900+, na počátku příštího roku by se měly objevit i "oficiální" dvouprocesorové verze Duron MP: AMD tak evidentně chce zaplnit "díru" v nabídce Intel, kde jsou "dvouprocesorové" verze procesorů jen v řadách Pentium III a Xeon, tedy nikoliv v řadě Celeron. U řady Duron je sice handicap pro high-end segment v malé Level 2 cache, ale existuje jistě řada aplikací, kde budou dva procesory Duron MB s frekvencí 1,2 GHz cenově výhodnější než jakékoli jiné jednoprocesorové řešení. Ještě poznámka k titulku: je použita věta z dvacet let starého plakátu Divadla Ypsilon, která je zcela na místě. Dvouprocesorové systémy 51
AMD "zavraždí" monopol Intel v dalším segmentu.
4.7
VIA Cyrix III
Tchajwanská firma VIA je dnes především známa jako velký konkurent Intelu na poli čipových sad. Sice před časem koupila dva menší výrobce procesorů – firmy Cyrix a Centaur – s jejichž produkty (ve své době relativně úspěšnými) se můžete ve starších počítačích stále setkat, ale k vytvoření procesoru, který by si vydobyl větší místo na slunci, jí to zatím nepomohlo. Jejím ambiciózním plánem je získat na procesorovém trhu celých 10 procent, a C3 by se mohl stát konečně tím blýskáním na lepší časy. Zaměřit svůj produkt do nejvyšší třídy, tedy mezi Athlony a Pentia 4, na to VIA zdaleka nemá dostatečné technologie. První testy „cétrojek“ ukazují, že procesory VIA však stále nemohou výkonově uspět ani proti Celeronům a Duronům. Zdá se, že cílem tohoto tchajwanského výrobce je zavést novou kategorii „procesorů pro chudé“ a vytěsnit stále přežívající K6-2. Je to první procesor pro socket 370 s podporou 3D-Now! technologií a je určen pro počítače s výhodným poměrem cena/výkon. Procesor VIA Cyrix III používá jako pouzdro keramický socket 370, který známe hlavně z procesorů Intel Celeron. VIA Cyrix III je externě taktován (neboli FSB) na 133 MHz, podporuje MMX technologii a zároveň 3DNow! instrukce. Samotná FSB má být 66, 100 nebo 133 MHz. Obě cache jsou taktovány na plnou rychlost procesoru. Velikost L1 cache je 64 KB a je jednolitá, není dělená na instrukční a datovou, jak to známe z procesorů Intelu, cache L2 má 256 KB. Částečnou nevýhodou je ta skutečnost, že procesory VIA Cyrix III nepodporují víceprocesorové systémy. Podle vyjádření výrobce má procesor VIA Cyrix III chodit na všech základních deskách se socketem 370 s podporou 2,2 V napájení jádra. Mnoho současných základních desek již prý má podporu tohoto procesoru ve svém BIOSu, ale pro plné využití možností procesoru je podpora BIOSu nutná.
Blokové schéma procesoru VIA Cyrix III
Shodně s předchozími procesory Cyrix není uváděna skutečná interní frekvence 52
procesoru, ale takzvaný Perfomance Rating (PR). Ten má vyjadřovat takt, na kterém by musel pracovat konkurenční procesor Intelu, aby měl shodný výkon. Procesor VIA Cyrix III se skutečným taktem 400 MHz a s FSB 133 MHz má mít shodný nebo vyšší výkon než Intel Celeron s taktem 500 MHz. Čísla ovšem neznamenají skutečný takt, nýbrž PR (Perfomance Rating). Proto zřejmě bude tento procesor označován jako VIA Cyrix III PR500 (133/400). Pro možnost přetaktování je jistě důležitým zjištěním, že Cyrix III nemá zamknutý násobič FSB, a tak lze vhodněji ladit jeho výkon. Budou podporovány násobky FSB frekvence 2.5x, 3x, 3.5x, 4x, 4.5x, 5x, 5.5x, 6x, 6.5x a 7x FSB. Procesor se vyrábí 0.18 mikronovou technologií se šesti kovovými vrstvami v továrně National Semiconductor (v South Portlandu). Na konci prvního čtvrtletí roku 2000 budou k dispozici modely PR433, PR466, PR500 a PR533. VIA Cyrix III má poskytovat podle výrobce optimální výkon pro Microsoft Windows 2000, Windows 98, Windows 95, Windows NT, OS/2, DOS, UNIX, Solaris, Linux a ostatní x86 operační systémy. Procesor VIA Cyrix III je prvním společným dílem po spojení firem VIA a Cyrix. Tím se definitivně stává firma VIA Technologies výrobcem procesorů x86 rodiny. Procesor VIA Cyrix III je na první pohled Pentium III "Coppermine". Používá stejnou FSB frekvenci 133 MHz, shodně integruje 256 L2 full speed cache, je též vyroben 0,18 mikronovou technologií, shodně podporuje 3D instrukce. Tady ovšem shody končí. Procesor Intel Pentium III podporuje KNI technologii Intelu, ovšem VIA Cyrix III podporuje 3D-Now! technologii firmy AMD. VIA už podle toho, že procesory označuje odpovídajícím výkonem vůči Celeronu, jasně definovala hlavního konkurenta.
4.8
VIA C3
http://www.via.com w/en/index.jsp
S chladnou hlavou v pomalejším tempu kupředu. Tak nějak by mohla vypadat reklama na procesor, který je podle současného stavu na trhu zatím jenom do počtu. VIA C3, nejmenší procesor s architekturou x86, tj. v zásadě jádro kompatibilní s Intelovskými procesory a rozumící jeho instrukcím, se zatím nechytil dle představ svého mateřského koncernu. I když C3 výkonem stále ještě příliš neoslní, může vás zaujmout jinými vlastnostmi. Frekvence MHz Cyrix III 600 6x100 (600) Cyrix III 600 4,5x133 (600) Cyrix III 650 6,5x100 (650) Typ
Další informace
Napětí 1,9V 1,9V
L1/L2 cache 128/- KB 128/- KB 128/- KB 53
Jádro
Patice
Samuel Samuel Samuel
Socket 370 Socket 370 Socket 370
Cyrix III 667 5x133 (667) Cyrix III 700 7x100 (700) VIA C3 667B 5x133 (667) VIA C3 700B 7x100 (700) VIA C3 733B 5.5x133 (733) VIA C3 800B 6x133 (800) VIA C3 866B 6.5x133 (866) VIA C3 7x133 900B (900) 4.8.1
1,6 V 1,6 V 1,6 V 1,5 V 1,5 V 1,5 V
128/- KB 128/- KB 128/64 KB 128/64 KB 128/64 KB 128/64 KB 128/64 KB 128/64 KB
Samuel Samuel Samuel 2 Samuel 2 Samuel 2 Samuel 2 Samuel 2 Samuel 2
Socket 370 Socket 370 Socket 370 Socket 370 Socket 370 Socket 370 Socket 370 Socket 370
Nové jádro
Výsledkem snažení firmy VIA bylo dosud jádro s názvem Samuel, které dalo vzniknout v našich končinách (ale nejspíš i jinde) dost neúspěšným procesorům VIA Cyrix III. Nyní VIA přišla s jádrem Samuel2 vyráběným překvapivě miniaturní 0,15mikronovou technologií – tím pádem bylo možné zmenšit velikost samotného čipu až na neuvěřitelných 52 milimetrů čtverečních (v branži x86 se jedná o nejmenší procesorový čip na světě – jádro Samuel mělo 75 a kupříkladu Celeron má 90). Toto jádro má velmi nízkou spotřebu energie (firma udává 6 wattů při provozování standardních kancelářských aplikací) a vyzařuje tak málo tepla, že se prakticky obejde bez chlazení. Pro srovnání: 600MHz Celeron spotřebuje kolem 17 a Duron kolem 25 wattů. Jádro Samuel2 a potažmo procesor VIA C3 vyvinul opět tým bývalé firmy Centaur, která sídlí v texaském Austinu. Frekvence prvního modelu činí 733 MHz (5,5x133) a brzy lze očekávat jeho 900MHz bratra. Mimochodem, zkratka VIA u nového procesoru neoznačuje mateřskou firmu, ale tentokrát má význam Value Internet Architecture, čili zhruba řečeno „internetová architektura za dobrou cenu“. To symbolizuje cílové nasazení – solidní a levná kancelářská platforma. 4.8.2
Srovnání jader Samuel a Samuel2
Typ patice Socket 370 Socket 370 Frekvence FSB 100/133 MHz 100/133 MHz Multimediální instrukce MMX, 3DNow! MMX, 3DNow! Frekvence procesorů 500 - 700 MHz 733 - 900 MHz Výrobní proces 0,18 mikronu 0,15 mikronu Napájecí napětí 1,9/2,0 V 1,5 V Cache L1 128 KB 128 KB Cache L2 -- 64 KB Počet úrovní potrubí (pipeline) 12 12 Z tabulky vidíte, že jádro Samuel (na rozdíl od svého nástupce) nemá žádnou paměť cache L2. VIA přijala stejný model způsob značení jako mají intelovské Celerony – procesory s L2 (tedy ty s novým jádrem Samuel2) mají za hodnotou své frekvence písmeno „A. Co se týče otázek přetaktování, C3 má zamknutý multiplikátor a ke zvyšování FSB je podle prvních testů předvýrobních vzorků o něco málo vstřícnější než Cyrix III.
54
Cache L2 běžící na plné frekvenci procesoru C3 opravdu pomohla. Na Celeron sice cétrojka stále nedosahuje, ale její odstup se oproti předchůdcům slušně zmenšil. Ukázkou toho, jak se zvýšila hrubá výpočetní síla, budiž graf výkonu jednotek ALU a FPU z programu SiSoft Sandra 2001; měření bylo provedeno e-magem TweakTown na předvýrobním vzorku C3 (tehdy se ještě pracovně nazýval Cyrix 3A), všechny procesory běžely kvůli srovnání schopností jádra na 600 MHz. Skutečný výkon současného modelu C3 733 by byl samozřejmě o něco málo vyšší. Vidíme, že ti, kteří ještě stále setrvávají u svých starých dobrých K6-2, by si tímto levným upgradem mohli slušně polepšit. Tradiční slabinou zůstává výkon FPU, který je v poměru k ALU stále nízký.
4.8.3
Pro koho
Ten, kdo chce především pracovat a nemusí mít náročné 3D hry, by mohl vzít procesorem VIA C3 klidně zavděk. Velkoobchodní cena 54 dolarů, tj. cca 2000 Kč, z něj činí vhodný upgrade pro ty nejšetrnější z nás, kteří si nechtějí nebo nemohou dovolit výkonnější řešení. Na veškerou kancelářskou práci jsou už dnes i Celerony a Durony zbytečně silné, a právě zde má C3 největší šanci najít své místo. Bude-li koncová cena dostatečně nízká a procesory dostatečně kompatibilní a spolehlivé, pak si troufám tvrdit, že se VIA v této oblasti konečně trochu našla.
5
CHIPSETY Další informace
5.1
http://i810fb.sourcefor ge.net/howto/index.ht ml
Produkty firmy Intel
Chipsety pro procesory Celeron a Pentium II, III 5.1.1
Intel 810
Tento chipset je postaven na základně technologie chipsetu Intel 440BX AGPset. Je navržen pro procesory Intel Celeron a Pentium III vyrobené technologií 13 a 18 mikronů. V jádru chipsetu je paměťový řídící obvod s integrovanou grafickou technologií. Chipset nese označení 82810 a může běžet na 66 a 100 MHz systémové sběrnici a zahrnuje podporu ACPI. 82810 GMCH (Graphics Memory Controller Hub) využívá Direct AGP (integrované AGP ) k vytvoření živých 2D a 3D efektů a animací. Má integrovaný HMC ( Hardware Motion Compensation ) k vylepšení DVD kvality i digitální video výstup který umožňuje připojení normální TV nebo LCD displeje. 82801 ICH (I/O Controller Hub) obsahuje Hub architekturu k vytvoření přímého spojení z grafiky a pamětí do integrovaného zvukového řadiče AC 97, IDE řadiče, 55
duálního USB portu a PCI karet. Intel Hub Architektura zabezpečuje propustnost pásma PCI sběrnic na 266 MB za sekundu. Další informace
5.1.2
http://www.intel.com/ design/support/faq/em bed_chipset/815.htm
Intel 815E
S Intel 815E chipsetem, Intel představil inovační technologii k optimalizování flexibility a stability u Intel Celeron a Intel Pentium III procesorů.Toto kompletní řešení podporuje obě .13 mikronu a .18 mikronu výrobní technologie, PC133/100 SDRAM paměti, a využívá jediný řidič s plnou zpětnou kompatibilitou pro zvýšenou kvalitu a spolehlivost. Intel 3D s Direct AGP je snadno rozšiřitelný přidáním Grafického Výkonnostního Akcelerátoru (GPA), nebo AGP 4x kartu pro maximální 3D grafiku a video výkon. Pro ekonomické konfigurace, integrovaná Intel grafická technologie poskytuje elegantní grafické použití, podporující obojí 133 a 100 MHz lokální displej cache. Chytrá integrace v designu Intel 815E chipsetu je rozšířena až k vnitřní schopnosti LAN právě tak jako čtyři USB porty s druhou-generací I/O řídícího hubu (ICH2). kombinující vnitřní grafiku, LAN, a podporu pro čtyři USB porty se schopností využít audio/modemové technologie, Intel 815E chipset doručí ideální řešení pro nové inovační faktorů. Další flexibilita může být dosažena využitím CNR (Communication and Network Raiser) karty, který umožňuje zvukové, modemové, a / nebo LAN konfigurace na nezávislém designu základní desky. 82815 GMCH (Graphics Memory Controller Hub) využívá grafickou technologii Intel, nabízí zcela zpětnou kompatibilitu, jednotné grafické ovladače, postavené na Intelově stabilitě a produkcí testovaný softwarový kódový základ. S Intel Dynamic Video Memory Technology (DVMT), GMCH účinně využívá systémovou paměť pro grafiku, O/S a komplexní aplikace s Direct AGP (integrované AGP). 82815 také nabízí integrovaný Hardware Motion Compensation k zlepšení Soft DVD video kvality a digitální video výstup který umožní připojení tradiční TV nebo nový skladný digitální plochý panel. Rozšířený 82801BA I/O Controller Hub (ICH2) doručí dvakrát větší I/O šířku pásma jako tradiční můstková architektura, a poskytuje další vyhrazené datové cesty plně optimalizované na šířku pásma. Dále podporuje: • • •
Dva USB řadiče zdvojnásobí šířku pásma přes čtyři porty až na 24Mbps, představuje významné zvýšení přes integrované porty hubu 1 - 4 o 12Mbps. AC97 audio podporuje plný surround sound zvuk až s 6 kanály a soft modemovou implementací. Schopnost integrované LAN může být povolena pro tři odlišné síťové prostředí (1Mbps domácí PNA, 10/100Mbps LAN a řízenou 10/100Mbps LAN). 56
•
•
•
Všechny tři řešení využívají Intel Single Driver Technology, běžná sada ovládačů, která zjednoduší síťovou složitost a zvyšuje jednoduchost rozmístění. podpora ATA100 dodaná Intel 815E chipsetem vás nechá využívat nejposlednější HDD. Intel Application Accelerator poskytuje zlepšený výkon přes standardní řidiče ATA. GMCH Je optimalizovaný pro 133MHz SDRAM paměti a je aktualizovatelný, s kartou Graphics Performance Accelerator (GPA) která podporuje 2D a 3D grafický výkon až o 30% nad podobné systémy bez GPA karty. Jestli upřednostňujete, přidání podporované AGP 4x karty. AGP 4x dovoluje nejlepší třídu grafických akcelerátorů pro multimediální platformy.
5.1.3
Intel 845
Další informace
http://www.intel.com/ support/chipsets/sb/cs009236.htm
Podporuje Intel® Pentium® 4 procesory založené na .13 nebo .18 mikronové výrobní technologii; 400 MHZ frekvenci systémové sběrnice; 82845 MCH: podporuje DDR 200/266 nebo PC133 SDRAM paměti, 1.5V AGP 4x; ICH2: ATA/100, 4 USB porty, AC'97, CNR, LAN Intel® Pentium® 4 procesor dodává neuvěřitelný výkon jak pro spotřebitel a pro korporační uživatele. Jak Internet a digitální média stále pronikají, Intel® NetBurst™ mikro-architektura posiluje nové uživatele v digitálním zvuku, videu, fotografii, i rozšířený 3D výkon. Pro korporační uživatele, Pentium 4 procesor nabízí znamenitý výkon pro dnešní kancelářské aplikace, s výkonem (přidává investiční ochranu) pro budoucí aplikace. Pentium 4 procesor byl původně představen s podporou výkonného chipsetu Intel 850. Chipset Intel 845 doplňuje chipset 850, nabídkou podpory vysokého-rozsahu cenově přístupných pamětí PC133 SDRAM a pamětí s vyšší šířkou pásma DDR200/266 SDRAM. •
82845 Memory Controller Hub (MCH) podporuje 400 MHz systémovou sběrnici, PC133/DDR200/DDR266 SDRAM paměti a poslední grafická zařízení přes slot 1.5V AGP 4x.
•
82801BA I/O Controller Hub (ICH2) umožňuje přímé spojení s grafikou a paměťmi pro rychlejší přístup k periferním zařízením. ICH2 je jeden z produktů z největším objemem v PC platformách na světě, podporující základní desky založené na Intel 815, Intel 810, a Intel 850 chipsetech. 57
Dále podporuje: •
•
•
•
• •
•
•
• •
•
•
400 MHz systémová sběrnice doručí vysokou-šířku pásma spojením mezi Pentium 4 procesorem a platformou, poskytující 3x větší šířka pásma než platformy založené na Intel Pentium III procesorech. Inovační architektura zlepšuje například širší datové cesty a flexibilní obnovení pamětí a umožňuje optimální výkonu PC133/DDR200/DDR266 SDRAM pamětí. PC133 SDRAM rozšířená podpora, nejvíce ekonomické paměti dodávané v současnosti. Toto dovolí volit konfiguraci pro Pentium 4 procesor, ale ten byl navržen na výkonné paměti RDRAM které jsou drahé. Tak Intel vytvořil chipset i pro levnější varianty. DDR 200/266 SDRAM mají velkou šířku pásma a to vyhovuje nárokům procesoru Intel Pentium 4 a tímto poskytují lepší výkon přes multimedia až po 3D grafické operace. AGP 4x rozhraní pokračuje v poskytování nejpokročilejší přístupné grafické podpory, umožňující propustnost až 1 GB/s. Dva USB řadiče poskytují výkonným periferním zařízením až 24Mbps, a umožňují podporu až pro čtyři USB porty. Toto má za následek významné zvýšení než předchozí integrovaný 1 – 4 portový hub s 12Mbps. Nejnovější AC97 implementace dodává šesti kanálový zvuk pro rozšíření zvukové kvality a plný Surround Sound. Řešení integrovaného zvuku pokračuje v úspěchů jako velmi ekonomické a přesto výkonné řešení. LAN Connect Interface (LCI) poskytuje flexibilní síťové řešení jako domácí telefonní linka, 10/100Mbps Ethernet a 10/100Mbps Ethernet s LAN managementem. Intel SingleDriver Technology podporuje všechny tři síťové volby, které zjednoduší síťovou propojitelnost a jednoduchost rozmístění. Dvojitý Ultra ATA/100 řadiče spolu s Intel Application Accelerator, výkonnostní sada programů, podporuje rychlejší IDE přenosy do pamětí. Intel Application Accelerator software zlepšuje výkon systému a tím zlepšuje I/O přenosovou rychlost a umožňuje rychlejší zavádění OS mající za následek zrychlený čas bootování. Communication and Network Riser (CNR) nabízí flexibilitu v konfiguraci systému se základní charakteristikou která může být rozšířena o audio kartu, Další informace modemovou kartu nebo síťovou kartu. http://www.sis.com/de fault.aspx?region=englobal&m=72
5.2
Produkty firmy SIS ( Silicon Integrated Systems )
Chipset pro procesory Intel Celeron a Pentium II, III
58
5.2.1
SIS 633
Využívá revoluční architekturu jednoho čipu spojeného vnitřní MultiIOL ( spojení Northbridge – Southbridge ). Je pro procesory do patice 370 a Slotu 1. Podporuje tři sloty pro paměti typu PC133 SDRAM s propustností až do 1,06 GB/s a podporu AGP portu se čtyřnásobným přenosem dat a funkci Fast Write. Jižní most v chipsetu SIS633 integruje řadiče, akcelerátory a rozhraní podle PC2001. Nabízí kodek AC’97, rozhraní LPC ( Low Pin Count ) operující na 33 MHz, podporuje dual USB s 6 USB porty s propustností 2 x 12 Mb. Podporu 6 PCI slotů všechny master. A také zahrnuje vylepšený programovatelný řadič přerušení. Obsahuje vestavěný IDE řadič který podporuje ATA PIO/DMA mód, a Ultra DMA 33/66/100. Nabízí dva separátní IDE kanály ke kterému lze připojit až čtyři zařízení. SIS 633 využívá multivláknovou architekturu která nabízí I/O propustnost až do 1,2 GB/s a zvyšuje hardwarovou souběžnost. A zvyšuje systémovou propustnost a výkonnost hlavně v multi-taskingovém prostředí.
59
5.2.2
SIS 735
Samostatný čip, SiS735, poskytuje vysoký výkon/nízkou cenu desktopového řešení založeného pro procesory AMD socketA integrující vysoký výkon severního mostu, Super-jižního mostu a AGP 4x slotu. SiS735 podporuje 3-DIMM s dvojitou rychlostí přenosu dat (DDR) SDRAM se šířkou pásma až 2.1GB/s, nebo s tradičními SDRAM se šířkou pásma až do 1.06 GB/s a také podporuje AGP slot s podporou 4-násobného přenosu dat a funkcí Fast Write. "Super-jižní most" v SiS735 integruje bohaté periferní ovládače / akcelerátory / rozhraní a vyhovuje PC2001. SiS735 poskytuje celkové komunikační řešení zahrnující 10/100Mb Fast Ethernet pro kanceláře a 1Mb/10Mb HomePNA pro domácí sítě. SiS735 nabízí AC'97 interface a také poskytuje rozhraní s nízkým počtem pinů (LPC) operující na 33 MHZ která je stejná jako u PCI, a dvojitý USB řadič se šesti USB porty které zaručí lepší propojitelnost a šířku pásma 2 x 12Mb. SiS735 podporuje až 6 PCI. K PIC, super-jižní most také zahrnuje I/O pokročilí programovatelný řadič přerušení. Zabudovaný rychlý IDE řadič podporuje ATA PIO/DMA, a ultra DMA33/66/100 funkci která podporuje datový přenos rychlostí až 100 MB/s. A to poskytuje oddělený tok dat pro dva IDE kanály které můžou významně zlepšit výkon pod multi-taskingovým prostředím. SiS735 poskytuje jednoho řešení, které řeší nedostatek I/O šířky pásma pro předchozí PC platformu s PCI sběrnicemi se šířkou pásma až do 133MB/s. SiS735 pracuje na více-cestné architektuře - "se zabudovaným více-cestným I/O spojením" poskytující dostatečnou I/O šířku pásma až do 1.2GB/s a zvětšuje hardwarovou souběžnost. To efektivně zvýší celkovou systémovou propustnost a výkon, obzvláště v multi-taskingovém prostředí.
60
5.2.3
SIS 645 DX
SiS645 DX Severní most Host/Memory Controller s DDR333 a AGP4X SiS645DX ( kódové jméno: 646 ) HMAC SiS645 DX Host & Memory & AGP řadiče integrují vysoký výkon hostitelského rozhraní pro Intel Pentium 4 procesory, vysoký výkon paměťového řadiče, AGP rozhraní, SIS MuTIOL® Technologie spojuje / SiS961 MuTIOL® Media IO. SiS645DX rysy hlavního propojení AGTL & AGTL+ vyhovují technologii řídící sběrnice s integrované na čipu omezené podporou Intel Pentium 4 sériových procesorů s FSB 100 MHZ a přetaktované až o 33 MHz. To poskytuje 12-úrovní v příkazové frontě a to podporuje maximum vynikajících transakcí na hostitelské sběrnici až do 12. Hlavní propojení hraje roli procesoru jako odesílatel transakcí. To odesílá transakce do paměti, I/O rozhraní a AGP sběrnici. Transakce do různých cílů mohou být odeslány souběžně za účelem maximální efektivity linky. Kromě řízení procesorových transakcí do odpovídajících cílů, hlavní propojení také posílá vpřed DMA transakce z AGP masters a I/O masters do hostitelské sběrnice, včetně doručení ovládajícího přerušení. Paměťový řadič podporuje obě DDR a SDR paměti. To může nabídnout šířku pásma až do 2.7GB/s pod DDR333 a 1GB/s pod PC133 za účelem udržet šířku pásma na požádání hlavního procesoru, právě tak jako multi I/O masters a AGP masters. Paměťový řadič hlavně zahrnuje paměťový arbitr, M-data/M-příkazovou frontu, a paměťový interface. Paměťový arbiter rozhoduje za množství přístupné paměti hostitelskému řadiči.Paměťový řadič také podporuje funkci Suspend to RAM zádržním CKE # piny uplatněné v ACPI S3 stav ve kterém jen AUX zdroj doručuje sílu. AGP rozhraní podporuje externí AGP slot s AGP 1X/2X/4X násobičem a Fast Write transakcí. Vysoká šířka pásma a zdokonalená SIS MuTIOL technologie je začleněna s SiS645DX a SiS961 MuTIOL Media I/O. SIS MuTIOL technologie je vyvinutá do tří vrstev, mnoho-vláknité I/O spojení kanálové vrstvy dodává 1.2GB šířku pásma ve spojení vestavěného DMA Masters zařízení a externího PCI Masters rozhraní a mnoho-vláknité I/O spojení ve svazkové vrstvě, mnoho-vláknité I/O spojení svazkové vrstvy u SiS961 přenáší data 533 MB/s z/do mnoho-vláknitého Další informace I/O spojení kanálové vrstvy do/ze SiS645DX, a naopak.
5.2.4
SiS961 Jižní most MuTIOL Media I/O
http://www.svethardw are.cz/art_docB760D79D39E3C14D
SiS961 MuTIOL® Media I/O integruje audio řadič s AC 97 rozhraním, Ethernet MAC, dvojitý hostitelský řadič USB, IDE Master / Slave řadič, a MuTIOL® 61
připojení k PCI mostu. Jsou také integrovány PCI do LPC mostu, I/O pokročilý programovatelný řadič přerušení, legacy systém I/O, I/O pokročilý programovatelný řadič přerušení a legacy výkonnostní management funkčnosti. SiS961 také zahrnuje univerzální rozhraní podporující asynchronní vstup/výstup z X86 kompatibilního mikroprocesoru jako PIII, K7, a P4.
Integrovaný audio řadič poskytuje 6 kanálů AC 97 v2.2 vyhovující zvukové současnosti 5.1-kanálové Dolby Digital nebo generuje stereo zvuk při simultánních V.90 HSP modemových operací. Kromě toho, 4 oddělené SDATAIN piny jsou poskytnuty podpoře mnohonásobnému zvukovému kodeku + jeden modemový kodek, realizuje 5.1 kanálový Dolby Digital zvuk v divadelní kvalitě. Obojí jak tradiční digitální zvuk právě tak jako AC 97 v2.2 vyhovuje slotu digitálního zvuku který je podporován. VRA mód je také spojený s obojím jak AC 97 audio spojením a tradičním spotřebitelským digitálním zvukovým kanálem. Integrovaný Fast Ethernet MAC nabízí IEEE 802.3 a IEEE 802.3x vyhovující MAC podporující plný duplex 10 Base -T, 100 Base -T Ethernet nebo 1Mb/s & 10Mb/s domácí síť.Kromě toho, integrovaný MAC poskytuje plán k ukládání MAC adres bez potřeby externí EEPROM. Integrovaný USB hostitelský řadič charakterizuje dvojitý nezávislý OHCI hostitele řadiče se šesti USB porty s přenosovou rychlostí 2 x 12 Mb/s a bohatá propojitelnost. Kromě toho, každý port může být volitelně konfigurovat jako wakeup zdroj. Legacy USB zařízení právě tak jako detekce přes proud jsou také implementovány. Integrovaný IDE Master/Slave řadič charakterizují dvojité nezávislé IDE kanály podporující PIO mód 0,1,2,3,4, a Ultra DMA 33/66/100. To poskytuje dvě oddělené datové cesty pro dvojité IDE kanály které udržují vysoký přenosový výkon v multitaskingovém prostředí. MuTIOL® spojuje PCI most podporující 6 PCI Masters slotů které vyhovují specifikaci PCI 2.2. SiS961 také zahrnuje I/O legacy systém jako: dva kompatibilní 8237A DMA řadiče, tři kompatibilní programovatelné 8254 16-bitové počítadla, klávesnicový řadič a PS2 rozhraní myši, hodiny skutečného času s 256B CMOS SRAM a dva 8259A kompatibilní řadiče přerušení. Kromě toho je podporován, I/O APIC správa až do 24 přerušení s obojí jak sériovým a FSB módem přerušení. Integrovaná jednotka power managementu obsahuje ACPI 1.0b ověřovací funkce, APM 1.2 ověřovací funkce, a PCI sběrnicový power management spec. v1.1. Jsou také podporovaný četné studené starty a energetické výpadky. 21 obecných cílů I/O pinů je poskytnuto pro konkrétní použití. Kromě, SiS961 podporuje Intel Speed Step technologii a stav hlubokého spánku pro Intel Mobile procesory. Pro AMD procesory, SiS961 používá CPUSTP# signál k redukci elektrického napětí procesoru během C3 a S1 stavu.
62
5.3
Produkty firmy VIA
Chipset pro procesory Intel Celeron a Pentium II, III
5.3.1
VIA Apollo Pro133A
Postaven na úspěchu VIA Apollo Pro133, první průmyslový PC133 chipset, VIA Apollo 133A přidává ještě víc na rysech zatímco udržuje jeho rozšiřitelnosti a nadřazené hodnoty. Přidáním podpory AGP 4x k existujícím rysům jako 133MHz systémová sběrnice, 133MHz paměťová sběrnice a ATA 66, vytváří nejmocnější a dostupné logické jádro pro hlavní proud PC133 Intel Pentium III, Intel Celeron a VIA C3 procesory - založené PC systémech. Hlavní rysy: • • • • • • • • • •
podporuje Intel Pentium III, Celeron a VIA C3, 66/100/133 MHz systémová sběrnice, asynchronní systémová sběrnice a radič pamětí, podpora AGP 2x/4x, podpora pro ATA 33/66, podpora až do 2 GB PC 100/133 SDRAM a EDO DRAM pamětí, 4 USB porty, vyhovující UHCI, Advanced Power Management a zastavení hodin, 510 BGA VT82C694X Severní most, 324 BGA VT82C596B Jižní most. 63
Rozhraní AGP 4x u VIA Apollo Pro133A chipsetu umožní grafickému řadiči zpřístupnit operační paměť o dvojnásobné rychlosti než předchozí platformy a významně zlepší bohatost 3D grafiky a video výkonu. S 133MHz FSB, VIA Apollo Pro133A chipset optimalizuje výkon Intel Pentium III, Intel Celeron a VIA C3 procesory zatímco jejich vysoká stupnice asynchronní sběrnice je ideál řešení které spojí procesor FSB rychlost 66 a 100MHz. Skrz pokročilou architekturu paměťového řadiče, VIA Apollo Pro133A chipset podporuje až do 2 GB PC133 SDRAM a VC133 DRAM. Tato pokročilá paměťová technologie poskytuje šířku pásma a výkon nutný pro nejvíce náročný Internet a 3D grafické aplikace. ATA 66 rozhraní u VIA Apollo Pro133A chipsetu pomáhá posílit charakteristiku systému za předpokladu , že k vysokorychlostnímu připojení je připojen pevný disk s ATA 66 který doručí maximum trvalého přenosového výkonu o 66MB/sec.
64
5.3.2
VIA Apollo KT266
Postaven na osvědčené síle a spolehlivosti VIA Apollo KT266, VIA Apollo KT266A dále zvýšil výkonnostní sloup systémů založených na AMD Athlon a AMD Duron procesorech.VIA Apollo KT266A je první VIA chipset který charakterizuje výkonnostně poháněný design, který zahrnuje těsnější načasování a hlubší frontu to velmi zvětšilo výkon pamětí a systémovou sběrnici.Podpora DDR200/266 pamětí a kompletní rozsah 200/266MHz FSB pro AMD Athlon a AMD Duron procesory, VIA Apollo KT266A poskytuje bleskurychlý přístup k systémové paměti a zvětšil celkový systémový výkon. Hlavní rysy: • • • • • • • • • • • •
• •
podporuje AMD Duron, Athlon a Athlon XP socket A procesory, 200/266 MHz FSB, podporu pro AGP 2x/4x , podporu až do 4 GB DDR200/266 SDRAM a také PC100/133 SDRAM a virtuální paměťový kanál, 266MB/s V-Link šířka pásma mezi Severním/Jižním mostem, podpora standardu ACR karet, integrovaný 6 kanálový AC-97 audio kodek, integrovaný MC-97 Modem, integrovaný 10/100 Base-T Ethernet a 1/10Mb domácí PNA řadič, podporu pro ATA 33/66/100, 6 USB portů, vyhovující UHCI, Advanced Power Management zahrnující ACPI/OnNow a AMD PowerNow, 552 BGA VT8366A Severní most, 376 BGA VT8233 Jižní most.
VIA Apollo KT266A je součástí rodiny V- MAP chipsetů, která poskytuje pin kompatibilitu přes kompletní sortiment VIA DDR produktů. V-MAP, nebo VIA Modular Architecture Platform, dovolí výrobcům základních desek, OEM Dodavatelům, a systémovým Integrátorům slouží různým tržním segmentům se samostatným jednotným designem. VIA Apollo KT266A (modelové číslo VT8366A) je kompletně pinově kompatibilní s VIA Apollo KT266 (VT8366). A ten může být spárován s volbou VT8233/VT8233C jižních mostů, které jsou propojeny VLink Hub architekturou. Další klíčové rysy zahrnují AGP4X, ATA-100, podporu PC133, právě tak jako pokročilý integrovaný šestikanálový zvuk, šest USB portů, LPC sběrnici a integrovaný 65
10/100Mbps Ethernet a domácí PNA, AC-97 audio, MC-97 modem a podporu technologie druhou generace AMD PowerNow!. 5.3.3
VIA Apollo P4X 266A
Nejposlednější v dlouhé linii "A" označených chipsetů, VIA Apollo P4X266A následuje ve šlépějích předchozí úspěšné návrhy.Počínaje VIA Apollo Pro133A a pokračuje s VIA Apollo KT133A a KT266A, "A" linie výkonných chipsetů se vyvinula do solidní a dobře rozpoznané síly na trhu. "A" série chipsetů ukazuje závazek k ustavičnému vývoji designu platformy. VIA Apollo P4X266A dále rozšířil velký výběr chipsetů pro Intel Pentium 4. VIA nyní nabízí řešení platformy Pentium 4 odshora až dolů, s VIA ProSavage P4M266 nabízí SMA grafiku pro spodní cenovou hladinu a pro hlavní proud VIA Apollo P4X266 nabízející diskrétní výkon a nový VIA Apollo P4X266A pokrývající část vyšší kategorie s extrémním výkonem. Výhody Rozšířená sběrnice procesoru VIA Apollo P4X266A nabízí rozšířené rozhraní sběrnice procesoru která účinně využívá čtyřnásobnou sběrnici procesoru Intel Pentium 4. Nyní, až do 12 instrukcí které mohou být ve frontě sběrnice procesoru, dovolují velkou rychlost sběrnice 400MHz a dovolují procesoru běžet v optimální efektivitě. Toto také redukuje latenci mezi procesorem a jiným zařízením a periferiemi, a to zlepší celkovou činnost systému. VIA Apollo P4X266A také nabízí podporu pro vysokou rychlost sběrnice, dovolující bezproblémovou aktualizaci k vhodným budoucím procesorům. Výkon poháněný designem S použitím vysoce účinného řadiče pamětí od slavného VIA Apollo KT266A chipsetu, VIA Apollo P4X266A nabízí výjimečný výkon horní paměti. To je uděláno skrz vylepšené načasování a prohloubením fronty. Podporuje až do 4GB DDR200 nebo DDR266 pamětí, VIA Apollo P4X266A poskytuje bleskurychlý přístup k systémové paměti. Navíc, VIA Apollo P4X266A nabízí vysoce vyvinuté rozhraní AGP 4x, zajišťuje nejvyšší možný grafický výkon s nesčetnými AGP 4x grafickými akcelerátory. V-MAP VIA Apollo P4X266A je součástí rodiny VIA Modular Architecture Platform (VMAP). Jako modulové řešení, severní a jižní most VIA Apollo P4X266A jsou zcela pinově kompatibilní s nynějšími a budoucími produkty. VT8753A Severní most P4X266A je pinově kompatibilní s VT8753 P4X266,a VT8751 P4M266. Dodatečně, VT8753A má rozhraní s třemi oddělenými piny - kompatibilní s Jižními mosty: VT8233 nabízí VIA Ethernet MAC a VT8233A podporuje nový ATA/133 řadič. S tímto širokým rozsahem pinové-kompatibility produktů je až šest odlišných chipsetů které jsou přijatelné pro Intel Pentium 4 procesory při použití stejné základní desky. 66
Vysokorychlostní V-Link Hub architektura VIA Apollo P4X266A využívá vysoký výkon V-Link Hub Architektury, která poskytuje oddanou 266MB/s sběrnici mezi severním a jižním mostem. Méně pokročilé chipsety používají 133MB/s PCI sběrnice jako spojení, které musí být sdílený se všemi PCI periferními zařízeními. V-Link značně zlepší přenosový výkon když vysokorychlostní propojovací technologie jako USB2.0, IEEE1394 a ATA/133 jsou implementovány v jednotném systému. VPX-64 64bit/66MHz PCI řadič VPX-64 64bit PCI řadič (modelové číslo VT8101) je společný čip který dovolí existujícím VIA chipsetům podporovat vysokou šířku pásma 64bit PCI v obou módech 33MHz a 66MHz. VPX-64 umožňuje VIA Apollo chipsetům nabídnout až 533MB/s PCI šířku pásma pro vyšší kategorie periferních zařízení jako Gigabit Ethernet, Fibre Channel a Ultra SCSI/320 a je perfektní pro implementaci v serverových systémech založených na VIA Apollo P4X266A. VPX-64 také podporuje až šest tradičních 32bit/33MHz PCI zařízení, dovolující systémům vybavených VPX - 64 podporovat ne méně než 10 PCI zařízení a 12 celkem. VPX64 je k dispozici v 27x27mm, 265 pinovém PGA soupravě. VPX-64 je rozhraní k dvojitému módu AGP/XIP portům přítomných v nynějších V-MAP kompatibilních chipsetech.
67
6
Sběrnice v PC
6.1
Základní informace o systémové a rozšiřující sběrnici
6.1.1
Systémová sběrnice
Pod pojmem sběrnice obecně rozumíme soustavu vodičů, která umožňuje přenos signálů mezi jednotlivými částmi počítače. Pomocí těchto vodičů mezi sebou jednotlivé části počítače komunikují a přenášejí data. Systémová sběrnice je sběrnice, která slouží ke komunikaci mezi procesorem, koprocesorem, pamětí cache, řadičem cache paměti, operační pamětí, řadičem operační paměti, a některými dalšími zařízeními. Systémová sběrnice se nazývá CPU Bus. 6.1.2
Další informace
Rozšiřující sběrnice
Osobní počítače musí být navrženy tak, aby bylo možné jejich snadné rozšiřování o další zařízení (grafické karty, zvukové karty, řadiče disků, síťové karty,…). K tomuto rozšiřování základních funkcí počítače jsou využívané tzv. rozšiřující sběrnice počítače. Do jejichž slotů se jednotlivé zařízení zapojují. Sloty jsou podlouhlé plastové konektory, připevněné na základní desce, sloužící: ke komunikaci procesoru s přídavnými zařízeními,k instalaci a uchycení přídavných zařízení uvnitř počítače. Pro zapojování přídavných zařízení na sběrnice musí platit určitá pravidla kompatibility (rozložení slotů, systém komunikace sběrnice,…). Takže ve výpočetní technice je pojem sběrnice také chápán jako standard, dohoda o tom, jak vyrobit zařízení (rozšiřující karty), která mohou pracovat ve standardním počítači. Rozlišujeme několik typů sběrnic: • synchronní sběrnice – pracuje synchronně s procesorem počítače a dobu platnosti signálu jednoznačně určuje signál hodinové frekvence. Synchronně dnes pracuje nejvíce typů sběrnic. • pseudosynchronní sběrnice – dovolí zpozdit přenos údajů o několik hodinových period multimaster sběrnice – jsou sběrnice které mohou být řízeny více zařízeními, ne jen procesorem počítače. Tomuto řízení se říká busmastering. • lokální sběrnice – je to druh rychlé systémové sběrnice která má vývody vyvedeny do slotů na základní desku aby tím umožnila rychlý přístup přídavných zařízení ke sběrnici. Tento krok v technické realizaci prosadili zejména výrobci grafických karet pro něž byly dosavadní sběrnice příliš pomalé. Tyto sběrnice však zapříčiňují poněkud vyšší cenu základní desky a přídavné karty pro ni určené.
68
http://skola.vydrar.net/ Hardware/6.%20Sb% ECrnice.%20Typy%2
Mezi základní parametry každé sběrnice patří tyto tři: Parametr
Význam
Jednotka
Šířka přenosu
Počet bitů které lze zároveň po sběrnici přenést
bit
Frekvence
Maximální frekvence se kterou může sběrnice pracovat
Hz
Počet bytů přenesených za jednotku času
B/s
Rychlost (Propustnost)
6.2
Sběrnice pro PC
Základní rozdělení sběrnic: • PC Bus • ISA (Industry Standard Architecture) • MCA (Micro Channel Architecture) • EISA (Extended Industry Standard Architecture) • VLB (VESA Local Bus) • PCI (Peripherial Component Interconnect) • AGP (Accelerated Graphic Port) • USB (Universal Serial Bus) Současné počítače mají více druhů slotů. Nejvíce rozšířený je slot PCI, který díky své rychlosti a universálnosti může spojovat víceméně jakýkoliv druh přídavného zařízení se základní deskou. Jsou to bílé 8,5 cm dlouhé sloty. Dalším typem je slot AGP, který je novější a rychlejší. Tento slouží k připojení videokarty a pozná se podle toho, že je menší než PCI a je vzdálenější od okraje základní desky. Na základní desky se již méně často umísťují sloty ISA, černé delší složené ze dvou částí, které jsou nahrazeny rychlejšími PCI sloty. A pro levnější varianty modemů a zvukových karet bývají k dispozici AMR sloty, které nahradili ISA sloty. Lepší varianta místo AMR je slot CNR, který má mimo jiné širší možnosti uplatnění a zpětnou kompatibilitu s kartami již existujícími kartami AMR. 6.2.1
Sběrnice PC bus
Prvním systémovým sběrnicím se říkalo I/O CHANNEL. Byly to osmibitové sběrnice s 2 x 31 kontakty se šířkou přenosu 8 bitů. Sběrnice PC bus byla navržena a vyrobena firmou IBM pro první počítače IBM PC a IBM PC/XT založené na procesoru 8088. Tento procesor je vnitřně 16-bitový ale má jen 8-bitovou datovou datovou sběrnici. Sběrnice má 62 kontaktů z nichž 8 slouží pro přenos dat. Z toho plyne že šířka přenosu dat PC bus je 8 bitů. Dalších 20 bitů je pro přenos adresy, což odpovídá 20-bitové adresové sběrnici procesoru 8088 a 8086. Další vývody jsou pro následující funkce: určení zda je přenášená adresa adresou paměti, nebo jiného vstupně/výstupního zařízení, určení zda data na sběrnici byla přečtena, nebo zda mají být zapsána, řídící signály Reset, hodinové signály, signály pro refresh paměti,…), napájení (+5 V, -5 V, + 12V) a elektrickou zem, 69
přerušení IRQ, potřebných pro zprávu přístupu procesoru k zařízení a naopak. Těchto přerušení bylo 6 a to IRQ2 až IRQ7. IRQ0 a IRQ1 totiž nejsou dostupné pro sběrnice, vodiče pro přímý přístup do paměti pomocí obvodů DMA což je výhodné pro přenos většího množství dat mezi operační pamětí a přídavným zařízením. K přímému přístupu do paměti se využívá DMA kanálů DMA1 až DMA3. DMA0 není pro přídavné zařízení přístupný, Osmibitové sloty jsou zapojeny na základní desce paralelně. Základní parametry: Datová sběrnice Adresová sběrnice 8 bitů 20 bitů
Maximální frekvence Propustnost Počet pinů 8 MHz 8 MB/s 2 x 31
Znázornění sběrnice 8-bitové: Další informace
6.2.2
Sběrnice ISA Pro počítače s procesory řady 80286 již http://www.fit.vutbr.c stávající šířka přenosu 8 bitů nestačila a z/study/courses/ITP/p novější ISA sběrnice již měla k původním 2 ublic/texty_lab/uloha7 x 31 kontaktům PC bus dalších 2 x 18 kontaktů, které ji rozšiřovaly na 16 bitů datové sběrnice. Adresovou sběrnici měla oproti PC bus 24 bitovou což plně vyhovovalo stávajícímu procesoru 80286. Rozšíření bylo plně zpětně kompatibilní, takže šlo použít 8-bitovou kartu PC bus do 16-bitové sběrnice ISA. Využívá se totiž jen prvních 2 x 31 kontaktů původního ISA slotu. Počet zařízení připojených na jednou dosahoval počtu 8 přídavných karet. Všech 8 vývodů se však na základní desky neumisťuje z důvodů úspory místa pro další sběrnice. Další vodiče kromě 16 vodičů datové sběrnice a 24 vodičů adresové
sběrnice mají následující funkci: obvod DMA má čtyři kanály DMA4 až DMA7 pět vodičů je využito na pět úrovní přerušení IRQ 10 až IRQ12 a IRQ14 a IRQ15. Ostatní úrovně přerušení IRQ nepotřebují vlastní vodiče protože to jejich funkce nevyžadují: IRQ8 je propojeno přímo se systémovými hodinami / kalendářem; IRQ9 je propojeno s IRQ2 a IRQ13 je určeno pro numerický koprocesor. Důvod, proč lze vidět i v případě zpětné kompatibility ISA s PC bus na novějších počítačích s procesory 80286 a 80386 jak sloty ISA tak i sloty PC bus spočívá ve fyzickém provedení některých karet na PC bus, které nedovoluje patřičně karty upevnit. Základní parametry: Datová sběrnice Adresová sběrnice 16 bitů 24 bitů
Maximální frekvence Propustnost Počet pinů 8 MHz 8 MB/s 2x31 + 2x18 70
Znázornění sběrnice 16-bitové:
Sběrnice ISA byla zapojena na základní desce tímto způsobem:
6.2.3
Sběrnice MCA
Další informace
http://www.fi.muni.cz/ usr/pelikan/ARCHIT/ TEXTY/BUSPC.HT
Byl zcela novým typem sběrnice vyvinutým firmou IBM pro jejich počítače řady IBM PS/2. IBM se pokusila vyvinout sběrnici rychlejší a s nižším prahem šumu než ISA. Sběrnice pracovala na frekvenci 10 MHz. Šířka datové části byla 16 bitů v případě karty s 2 x 58 kontakty, a nebo s přenosem 32 bitů, kde bylo navíc 2 x 31 kontaktů. Zajímavost bylo rozšíření o 2 x 10 kontaktů tzv. video rozšíření. Navíc výrobci kartu vybavili tzv. proudovým režimem, ve kterém karta dokázala přenášet 64 bitů. Adresová sběrnice byla proměnná v závislosti na adresové sběrnici procesoru: 80286 – 24 bitů nebo 80386 – 32 bitů. Důvodů, proč se MCA (Micro Channel Architecture) na trhu příliš neujala bylo více. Sběrnice byla typem odlišným od ISA, takže to vylučovalo spětnou kompatibilitu a navíc desky, které se vyráběli s MCA neměli starší ale velmi rozšířenou sběrnici ISA, což ji odsoudilo k zániku. U tohoto typu karet se poprvé začala využívat softwarová konfigurace, což bylo nespornou výhodou, protože člověk spustil konfigurační program a nemusel bytečně rozdělávat počítač. Softwarová konfigurace se začala v pozdějších dobách využívat i u ISA karet. Karta MCA podporovala busmastering, což znamená že sběrnice MCA je multimasterovou sběrnicí. Základní parametry: Datová sběrnice Adresová sběrnice 16 bitů
80286 - 24 bitů 80386 - 32 bitů
32 bitů
80286 - 24 bitů 80386 - 32 bitů
64 bitů (proudový režim)
Maximální frekvence Propustnost Počet pinů 2x58 (video 10 MHz 20 MB/s rozšíř. 2x10) 2x58 + 2x31 (video 10 MHz 40 MB/s rozšíř. 2x10) 10 MHz 80 MB/s
71
6.2.4
Sběrnice EISA
Krok firmy IBM vytvořit výkonnější sběrnici (MCA) než ISA vedl společnost devíti firem (Compaq, Epson, AST Research, NEC, Tandy, Olvetti, Wyse, Zenith) k vytvoření takové sběrnice, která by byla zpětně kompatibilní s kartami pro slot ISA. Její vlastnosti jsou podobně sběrnici MCA. Z důvodů kompatibility z kartami ISA musela zůstat přenosová rychlost nižší, 8 MB/s, oproti MCA. Ale sběrnice dovoluje busmastering a programovou konfiguraci. EISA má jak datovou tak i adresovou část 32 bitů. Zpětné kompatibility se dosahuje stejným rozložením kontaktů slotu (2 x 31 + 2 x 18) a nových vlastností přidáním dalších kontaktů (59 pinů) mezi kontakty původní ISA. Sběrnice se používala na počítačích s procesorem řady 80386 a 80486, ale její rozšířenost nebyla veliká díky brzkému nástupu lepších sběrnic. Základní parametry: Datová sběrnice Adresová sběrnice 32 bitů
32 bitů
Maximální frekvence Propustnost Počet pinů 2x31 + 2x18 8 MHz 32 MB/s + 59
Rozdíl mezi ISA a EISA:
6.2.5
Sběrnice VLB
Vznik lokální sběrnice byl podmíněn zvyšováním rychlosti procesoru, kdy stávající systémové sběrnice přestávali výkonově dostačovat rychlosti procesoru. Jedná se o procesory řady 80486. Mezi vzniklými sběrnicemi byla i sběrnice VLB, VESA (Video Electronics Standards Association) Local Bus. Tato byla zpětně kompatibilní se sběrnicí ISA a částečně ji nahradila. Její nevýhoda byla ve fyzickém provedení, protože karta byla příliš dlouhá a mnohdy špatně dosedla do slotu, což mělo za následek špatnou funkčnost zařízení. Sběrnice byla řešena tak, že signály, které VLB přijímala byly přímo data vedené z procesoru bez jakékoliv úpravy. Signál byl tedy příliš slabý a to vedlo k dalším komunikačním nepříjemnostem. Při připojení více zařízení na sběrnici VLB docházelo ke snižování maximální frekvence se kterou sběrnice mohla pracovat a nečitelnosti přenášených dat, takže byl maximální možný počet připojených 72
zařízení tři. Při plném obsazení pracovala sběrnice na 33 MHz. Přímé zapojení sběrnice k procesoru (na systémovou sběrnici) zapříčiňuje velkou závislost sběrnice na taktu procesoru. Další nevýhodou bylo odlišné pracovní napětí karty (5V) oproti novým procesorům (80486), které pracovaly s 3,3V. Karta se sběrnicí VL bus mohla běžet v tzv. burst režimu, kdy se adresa vysílá v prvních čtyřech po sobě následujících cyklech sběrnice a následující tři cykly se přenášejí data. Takže tento režim lze využít při zápisu většího množství dat do po sobě následujících paměťových míst.
Sběrnice VL bus byla vyráběna na základních deskách se sběrnicí ISA a nemohla bez ní pracovat, protože využívala některé její sygnály. Základní parametry: Datová sběrnice Adresová sběrnice 32 bitů
32 bitů
Maximální frekvence Propustnost Počet pinů shodná s frekvencí 2x31 + 2x18 procesoru (teoretická 32 MB/s + 59 hranice 50 MHz)
Znázornění sběrnice:
Sběrnice se nacházela vždy v řadě za 16-bitovým slotem ISA.
Další informace
http://www.svethardw are.cz/glos.jsp?doc=0 D3C5143527648A4C
73
Schéma zapojení VL bus v počítači:
6.2.6
Sběrnice PCI
Je to první sběrnice která má šířku přenosu 64 bitů. Nejedná se o lokální sběrnici. Tato sběrnice je připojena na systémovou sběrnici přes tzv. mezisběrnicový můstek, což má určité výhody: jednak je to universálnost sběrnice, lze ji použít i u jiných počítačů než PC, např. DEC, Macintosh, a za další, mezisběrnicový můstek dovoluje uskutečňovat přenos při odlišné úrovni napětí procesoru (systémové sběrnice) a sběrnice PCI. Na rozdíl od sběrnice VL bus není PCI závislá na žádné jiné sběrnici a využívá pouze svoje signály. Šířka přenosu je závislá na datové sběrnici procesoru, jedná-li se o Pentium, je to již zmíněných 64 bitů a pokud jde o procesor 80486 (datová sběrnice 32 bitů), pracuje PCI se šířkou přenosu 32 bitů. Maximální rychlost sběrnice PCI je 33 MHz, což znamená u desky s procesorem 80486 rychlost 132 MB/s a u desky s Pentiem 264 MB/s. Rychlosti 264 MB/s ( s procesory Pentium) je docíleno přenosem dat ve dvou krocích, tzv. multiplexem. Díky shodnému fyzickému provedení je zaručena zpětná kompatibilita 64 bitové a 32 bitové karty. Sběrnice PCI umožňuje burst režim, ale vysílání adresy není omezeno jen na čtyři po sobě následující cykly sběrnice. Dále PCI podporuje na rozdíl od VL bus busmastering, kdy je výkon počítače vyšší, protože procesor není zatěžován řízením sběrnice. Novinkou byla podpora Plug and Play na kartách PCI, což je přínosem 74
pro instalaci a konfiguraci karty. Standard Plug and Play byl vyvinut v roce 1992 a jedná se o standard, který dovoluje automatickou, nebo značně jednodušší konfiguraci, instalaci karty. Základní parametry: Datová sběrnice Adresová sběrnice 32 bitů (80486) 32 bitů 64 bitů (Pentium) 32 bitů Multiplex
Maximální frekvence Propustnost Počet pinů 33 MHz 132 MB/s 2 x 47 33 MHz
Obrázek slotu PCI:
Další informace
http://www.root.cz/cla nky/podrobnejsipopis-sbernice-pci/
75
264 MB/s
2 x 47
Schéma zapojení PCI s mezisběrnicovým můstkem na základní desce:
Další informace
http://www.esphere.cz /kostka/Hardware/sber nice.htm
6.2.7
Sběrnice AGP
Accelerated Graphic Port je sběrnice vyvinutá firmou Intel konkrétně pro grafické karty. Podnětem pro vývoj byl velký rozmach 3D grafiky a nutnost přenášet velké textury (2 MB – 4 MB i více v nejméně 16 milionech barev) do paměti RAM. Proto je AGP spojen nejen se systémovou sběrnicí, ale i s paměťovým subsystémem, to znamená, že karta AGP je schopna samostatně pracovat s operační pamětí RAM. Přímý přístup do systémové paměti zabraňuje duplicitnímu uložení dat jak v systémové paměti, tak v grafické paměti.Další výhoda AGP pro grafické karty je v její samostatnosti, nemusí se grafická karta dělit o přenosovou rychlost ostatními zařízeními jako u PCI. Sběrnice AGP má několik režimů rychlostí. Jsou to režimy 1x, 2x, 4x, 8x. Tyto režimy si určí sama grafická karta, podle toho, pro jaký je vyrobena. Základní frekvence sběrnice AGP je 266 MB/s. Nyní je nejnovější AGP s frekvencí 8 x 266 MHz, to je kolem 2 GB/s.
76
Slot AGP je podobný slotu PCI s tím rozdílem, že kromě 32 kontaktů pro adresy/data má ještě 8 kontaktů pro "ostatní" adresování. Aby AGP mohlo být plně využité je k tomu potřeba počítač nejméně s procesorem Pentium II. Výhody: • •
přímý přístup do paměti a na systémovou sběrnici, o sběrnici se nemusí s nikým dělit.
Základní parametry: Typ Sběrnice 1x 2x 4x 8x
Datová sběrnice 32 bitů 32 bitů 32 bitů 32 bitů
Adresová sběrnice
Maximální frekvence 66,6 MHz 133 MHz 266 MHz 533 MHz
Propustnost
Počet pinů
266 MB/s 533 MB/s 1,07 GB/s 2,1 GB/s
Rozdíl AGP sběrnice oproti PCI sběrnice: Další informace
http://technet.idnes.cz/ vse-o-sbernici-agp-1x2x-4x-8x-1-0-2-0-pro-
6.2.8
Sběrnice USB
USB (Universal Seriál Bus), neboli universální sériová sběrnice. Jde o standart připojování periférií k počítači, který by měl časem definitivně vytlačit zastaralý paralelní a sériový port, jakož i gameport a všechny porty na připojení klávesnice myši. USB je moderní sběrnice, která byla standardizována v roce 1995 a v revizi 2.0 v roce 2000 firmami Compaq, Hewlett-packard, Intel, Lunect, Microsoft, Nec, Philips. Podle této specifikace můžeme sběrnici provozovat v několika režimech. Režimy se rozdělují podle maximálně dosažitelné rychlosti na: 77
• • •
low speed full speed high speed
Tabulka ryclostí: Režim Low Speed Full Speed High Speed
Rychlost 1,5 Mbps 12 Mbps 480 Mbps
Zařízení které se pro daný režim používá klávesnice, myši, herní zařízení, mikrofony, reproduktory, komprimované video hardisky, video
USB rozhraní je definováno třemi vrstvami: • USB propojení • USB hostitel • USB zařízení ad 1. (USB propojení) Definice jakým způsobem se zařízení připojuje k hostiteli a jak spolu komunikují zahrnuje následující body: 1) topologie sběrnice 2) vztahy mezi vrstvami 3) model datového toku 4) řízení přístupu k vedení ad. A.
78
ad. C.
79
ad. 2. (USB hostitel) USB hostitel může být na celé sběrnici pouze jeden. V počítači je realizován tzv. řadičem na kterém je několik přípojných bodů. Tento řadič je kombinací hardwaru (rozhranní mezi USB a sběrnicí počítače), firmwaru (funkce řadiče) a softwaru (ovladač pro konkrétní operační systém). ad. 3. (USB zařízení) Huby – zařízení, rozšiřovací bod pro další USB. Maximální počet zařízení, které lze připojit na hostitele je 127. Musí se však použít Huby. Zařízení se mohou připojovat sériově. Zařízení s funkcemi, které rozšiřují schopnosti systému, jako ISDN připojení, digitální joysticky, reproduktory atd.
80
Další informace
7
Polovodičové paměti
7.1
Paměť
http://www.sdram.wz. cz/
Zařízení, které slouží pro uchování informací (konkrétně binárně kódovaných dat). Množství informací, které je možné do paměti uložit, se nazývá kapacita paměti a udává se v bytech. Protože byte je poměrně malá jednotka, používá se často následujících předpon: Předpona kilo mega giga tera
Značka k, K M G T
Zápis 1 kB 1 MB 1 GB 1 TB
Mocnina (B) 210 B 220 B 230 B 240 B
Převod (B) 1024 B 1048576 B 1073741824 B 1099511627776 B
Paměť bývá rozdělena na buňky určité velikosti, z nichž každá je jednoznačně identifikována svým číslem. Toto číslo se nazývá adresa paměti a velikost takovéto buňky, která má svou vlastní adresu, se označuje jako nejmenší adresovatelná jednotka. Paměti je možné rozdělit do následujících základních skupin: • Vnitřní (operační): paměť sloužící pro uchování momentálně zpracovávaných dat a programů. Realizovaná většinou pomocí polovodičových součástek. • Vnější (periferní): paměť sloužící k dlouhodobějšímu uchování dat. Realizovaná většinou na principu magnetického (popř. optického) záznamu dat. Ve srovnání s operační pamětí bývá přístup k jejím datům pomalejší. • RAM: paměť určená ke čtení i zápisu dat • ROM: paměť určená pouze ke čtení dat • Paměť s přímým přístupem: paměť, která dovoluje přistoupit okamžitě k místu s libovolnou adresou • Paměť se sekvenčním přístupem: paměť, u které je nutné při přístupu k místu s adresou n nejdříve postupně přečíst všechna předcházející místa (0 až n-1)
7.1.1
Základní parametry pamětí
kapacita: množství informací, které je možné do paměti uložit přístupová doba: doba, kterou je nutné čekat od zadání požadavku, než paměť zpřístupní požadovanou informaci přenosová rychlost: množství dat, které lze z paměti přečíst (do ní zapsat) za jednotku času statičnost / dynamičnost: 81
statické paměti: uchovávají informaci po celou dobu, kdy je paměť připojena ke zdroji elektrického napětí dynamické paměti: zapsanou informaci mají tendenci ztrácet i v době, kdy jsou připojeny k napájení. Informace v takových pamětech je nutné tedy neustále periodicky oživovat, aby nedošlo k jejich ztrátě. destruktivnost při čtení: destruktivní při čtení: přečtení informace z paměti vede ke ztrátě této informace. Přečtená informace musí být následně po přečtení opět do paměti zapsána. • nedestruktivní při čtení: přečtení informace žádným negativním způsobem tuto informaci neovlivní. • energetická závislost: energeticky závislé: paměti, které uložené informace po odpojení od zdroje napájení ztrácejí • energeticky nezávislé: paměti, které uchovávají informace i po dobu, kdy nejsou připojeny ke zdroji elektrického napájení. přístup • sekvenční: před zpřístupněním informace z paměti je nutné přečíst všechny předcházející informace • přímý: je možné zpřístupnit přímo požadovanou informaci • spolehlivost: střední doba mezi dvěma poruchami paměti • cena za bit: cena, kterou je nutno zaplatit za jeden bit paměti •
Následující tabulka ukazuje výše popsané tři typy pamětí a jejich parametry. vnitřní paměti vnější paměti registry velmi malá (jednotky vyšší (řádově 100 kB - vysoká (řádově 10 MB kapacita bytů) 100MB) 10 GB) velmi nízká (velmi vysoká (řádově 10 ms přístupová doba rychlá paměťová vyšší (řádově 10 ns) 10 min) místa) vzhledem k malé nižší než u vnitřních přenosová vysoká (řádově 1 - 10 kapacitě se většinou pamětí (řádově 10 rychlost MB/s) neuvažuje MB/min - 1 MB/s) statičnost / statické statické i dynamické statické dynamičnost destruktivnost destruktivní i nedestruktivní nedestruktivní při čtení nedestruktivní energetická závislé závislé nezávislé závislost přístup přímý Přímý přímý i sekvenční Spolehlivost velmi spolehlivé spolehlivé méně spolehlivé nižší než u registrů a vzhledem k nízké vzhledem k vysoké cena za bit vyšší než u vnějších kapacitě vysoká kapacitě nízká pamětí
82
7.1.2
Použití polovodičových pamětí v PC
Lokální paměť – je malokapacitní (několik bitů), nazývá se registr a bývá integrována v různých obvodech (např. v procesorech, v řadičích). Má velice krátkou vybavovací dobu – jednotky ns, je tvořena obvody SRAM a je energeticky závislá. Operační paměť – obsahuje právě zpracovávaný program, má středně velkou kapacitu – desítky až stovky MB. Má krátkou dobu přístupu – desítky ns (60 – 70 – 8 ns). Energeticky závislá, tvořena obvody DRAM. Vyžaduje obnovu dat. Vyrovnávací paměti – paměti s malou kapacitou, stovky kB. Slouží k vyrovnávaní rychlosti přenosu dat, vkládají se např. mezi CPU a OP, mezi sběrnice pracující s různou rychlostí, do tiskáren atd. Jsou tvořeny obvody SRAM, energeticky závislé. Přístupová doba – jednotky až desítky ns (12 – 1 ns). Nazývají se BUFFER nebo CACHE. Paměti ROM – jejich kapacita se liší v závislosti na použití. Bývají integrovány v řadičích, kde obsahují podprogramy stále se opakujících rutin. Dále se používají jako samostatné obvody – ROM BIOS, jsou energeticky nezávislé.
7.2
Vnitřní paměti
Interní paměti jsou zapojeny jako matice paměťových buněk. Každá buňka má kapacitu jeden bit. Takováto buňka tedy může uchovávat pouze hodnotu logická jedna nebo logická 0. Obecná struktura vnitřní paměti
Struktura vnitřní paměti 83
Při přístupu do paměti (čtení nebo zápis) je vždy udána adresa paměťového místa, se kterým se bude pracovat. Tato adresa je přivedena na vstup dekodéru. Dekodér pak podle zadané adresy vybere jeden z adresových vodičů a nastaví na něm hodnotu logická 1. Podle toho, jak jsou zapojeny jednotlivé paměťové buňky na příslušném řádku, který byl vybrán dekodérem, projde resp. neprojde hodnota logické jedničky na datové vodiče. Informace je dále na koncích datových vodičů zesílena zesilovačem. V případě, že hodnota logická jedna projde přes paměťovou buňku, obdržíme na výstupu hodnotu bitu 1. V opačném případě je na výstupu hodnota bitu 0.
Zcela analogický je postup i při zápisu hodnoty do paměti. Opět je nejdříve nutné uvést adresu paměťového místa, do kterého se bude zapisovat. Dekodér vybere adresový vodič příslušný zadané adrese a nastaví na něj hodnotu logická 1. Dále se nastaví hodnoty bitů b1 až b4 na hodnoty, které se budou do paměti ukládat. Tyto hodnoty jsou potom uloženy do paměťových buněk na řádku odpovídajícím vybranému adresovému vodiči. Vnitřní paměti je možné rozdělit do následujících základních skupin: • ROM • PROM • EPROM • EEPROM • Flash • RAM • DRAM • SRAM 7.2.1
Další informace
http://www.geoinform atics.upol.cz/app/prost redkygis/hardware/H
Paměti ROM (Read Only Memory)
Paměti ROM jsou paměti, které jsou určeny pouze pro čtení informací. Informace jsou do těchto pamětí pevně zapsány při jejich výrobě a potom již není možné žádným způsobem jejich obsah změnit. Jedná se tedy o statickou, energeticky nezávislou paměť určenou pouze ke čtení. Při výrobě tohoto typu paměti se používá nejčastěji některé z následujících realizací paměťových buněk. Paměťová buňka paměti ROM může být realizována jako dvojice nespojených vodičů a vodičů propojených přes polovodičovou diodu.
84
Realizace buňky paměti ROM pomocí polovodičové diody
V prvním případě nemůže žádným způsobem hodnota logická jedna přejít z adresového vodiče na vodič datový. Jedná se tedy o buňku, ve které je permanentně uložena hodnota 0. V případě druhém hodnota logická 1 přejde z adresového vodiče přes polovodičovou diodu na vodič datový. Toto zapojení představuje tedy paměťovou buňku s hodnotou 1. Dioda je zapojena tak, aby hodnota logická 1 mohla přejít z adresového vodiče na datový, ale nikoliv v opačném směru, což by vedlo k jejímu šíření po velké části paměti. Jednotlivé buňky paměti ROM je také možné realizovat pomocí tranzistorů, a to jak v technologii TTL, tak v technologiích MOS. Její realizace v technologii TTL je uvedena na následujícím obrázku.
Realizace paměťové buňky ROM pomocí tranzistoru v technologii TTL
V tomto případě je na datový vodič neustále přiváděna hodnota logická 1. Pokud dojde k vybrání adresového vodiče a tím k umístění hodnoty logická jedna na tento 85
vodič, tak v případě, že je tranzistor T spojen s tímto adresovým vodičem, dojde k jeho otevření a tím k propojení datového vodiče se zemí. Na takto propojeném datové vodiči se potom objeví hodnota logická 0 a tato buňka představuje uložení hodnoty bitu 0. U buněk, jejichž tranzistor není spojen s adresovým vodičem, nemůže nikdy dojít k otevření tohoto tranzistoru a tím ani ke spojení datového vodiče se zemí. V této buňce je tedy neustále uložena hodnota 1. Zcela analogicky pracuje i buňka paměti ROM zapojená pomocí tranzistorů v některé z technologií MOS.
Realizace paměťové buňky ROM pomocí tranzistoru v technologii MOS Tranzistory připojené k napájecímu vodiči plní pouze úlohu rezistorů podobně jako u buňky v předešlém případě. Samotná buňka pracuje na stejném principu, který byl popsán u buňky v technologii TTL. 7.2.2
Paměti PROM (Programable Read Only Memory)
Paměť PROM neobsahuje po vyrobení žádnou pevnou informaci a je až na uživateli, aby provedl příslušný zápis informace. Tento zápis je možné provést pouze jednou a poté již paměť slouží stejně jako paměť ROM. Paměti PROM představují statické a energeticky nezávislé paměti. Buňku paměti je možné realizovat podobně jako u paměti ROM. Při výrobě je vyrobena matice obsahující spojené adresové vodiče s datovými vodiči přes polovodičovou diodu a tavnou pojistku z niklu a chromu (NiCr). Takto vyrobená paměť obsahuje na začátku samé hodnoty 1.
86
Realizace paměťové buňky PROM pomocí diody
Zápis informace se provádí vyšší hodnotou elektrického proudu (cca 10 mA), která způsobí přepálení tavné pojistky a tím i definitivně zápis hodnoty 0 do příslušné paměťové buňky.
Paměti typu PROM se také realizují pomocí bipolárních multiemitorových tranzistorů, jak je uvedeno na následujícím obrázku
Realizace paměťové buňky PROM pomocí multiemitorvých tranzistorů
Takto realizovaná paměť PROM obsahuje pro každý adresový vodič jeden multiemitorový tranzistor. Každý z těchto tranzistorů obsahuje tolik emitorů, kolik je datových vodičů. Při čtení z paměti je opět na příslušný adresový vodič přivedena hodnota logická 1, která způsobí, že tranzistor se otevře a ve směru kolektor emitor začne procházet elektrický proud. Jestliže je tavná pojistka průchozí, procházející proud otevře tranzistor, který je zapojen jako invertor, a na výstupu je přečtena hodnota 0. Jestliže tavná pojistka byla při zápisu přepálena, tzn. je neprůchozí, nedojde k otevření tranzistoru a na výstupu je přečtena hodnota 1. Paměť PROM pracující na tomto principu má po svém vyrobení ve všech buňkách zapsánu hodnotu 0 a při jejím programování se do některých buněk přepálením tavné pojistky zapíše hodnota 1.
87
7.2.3
Paměti EPROM (Eraseable Programable Read Only Memory)
Paměť EPROM je statická energeticky nezávislá paměť, do které může uživatel provést zápis. Zapsané informace je možné vymazat působením ultrafialového záření. Tyto paměti jsou realizovány pomocí speciálních unipolárních tranzistorů, které jsou schopny na svém přechodu udržet elektrický náboj po dobu až několika let. Tento náboj lze vymazat právě působením UV záření. Paměti EPROM jsou charakteristické malým okénkem v pouzdře integrovaného obvodu obsahujícího tuto paměť. Pod okénkem je umístěn vlastní paměťový čip a to je místo, na které směřuje při vymazávání zdroj UV záření. Při práci bývá tento otvor většinou přelepen ochranným štítkem, aby nedocházelo ke ztrátám informace vlivem UV záření v ovzduší. Zapojení jedné buňky paměti EPROM je podobné jako u paměti EEPROM. 7.2.4
Paměti EEPROM (Electrically EPROM)
Tento typ paměti má podobné chování jako paměti EPROM, tj. jedná se o statickou energeticky nezávislou paměť, kterou je možné naprogramovat a později z ní informace vymazat. Výhodou oproti EPROM pamětem je, že vymazání se provádí elektricky a nikoliv pomocí UV záření, čímž odpadá nepohodlná manipulace s pamětí při jejím mazání. Při výrobě pamětí EEPROM se používá speciálních tranzistorů vyrobených technologií MNOS (Metal Nitrid Oxide Semiconductor). Jedná se o tranzistory, na jejichž řídící elektrodě je nanesena vrstva nitridu křemíku (Si3N4) a pod ní je umístěna tenká vrstva oxidu křemičitého (SiO2). Vlastní buňka paměti EEPROM pak pracuje na principu tunelování (vkládání) elektrického náboje na přechod těchto dvou vrstev.
Realizace buňky paměti EEPROM pomocí tranzistoru MNOS
Při zápisu dat se přivede na příslušný adresový vodič záporné napětí -U a datový vodič buněk, do nichž se má zaznamenat hodnota 1, se uzemní. Tranzistor se otevře a vznikne v něm náboj, který vytvoří velké prahové napětí. Při čtení se přivede na adresový vodič záporný impuls. Tranzistor s malým prahovým napětím se otevře a vede elektrický proud do datového vodiče, zatímco tranzistor s velkým prahovým napětím zůstane uzavřen. Vymazání paměti se provádí kladným napětím +U, které se přivede na adresové vodiče. Tunelovaný náboj se tím zmenší a prahové napětí poklesne, čímž je paměť 88
vymazána. 7.2.5
Paměti Flash
Flash paměti jsou obdobou pamětí EEPROM. Jedná se o paměti, které je možné naprogramovat a které jsou statické a energeticky nezávislé. Vymazání se provádí elektrickou cestou, jejich přeprogramování je možné provést přímo v počítači. Flash paměť je ve své podstatě kombinace RAM a pevného disku ve formě “pevné karty”. Flash paměť uchvává elektronická data v paměťových buňkách stejně jako DRAM a SRAM, ale současně pracuje jako pevný disk, jelikož si uložené informace zachová i po odpojení od elektrického napájení. Ve Flash paměti nemusí být informace neustále obnovovány jako v DRAMech, nebo neustále pod proudem jako SRAM aby si informace v sobě uložené zapamatovala. Paměť typu Flash tedy není nutné před vymazáním (naprogramováním) z počítače vyjmout a umístit ji do speciálního programovacího zřízení. Výhody: • Stabilní uložení informací – uchovává data i bez napájení (stejně jako HD), • Nízká úroveň napájení – velice bízký příkon vhodný pro přenosná zařízení závislá na baterii, • Stálost – jsou schopny odolat drsným otřesům nebo chvění bez ztráty dat, • Kompaktní velikost – vhodná pro široký rozsah přenosné elektroniky, • Rychlost – extrémně krátká vybavovací doba, • Flash snese až 2000 G bez ztráty uložených informací. Další informace
http://digineff.cz/cojet o/flash/flash.html
Nevýhody: • mají omezenou životnost na cca 100 000 cyklů zápisů, • Flash paměť musí být mazána v blocích oproti RAM která umožňuje mazat po jednotlivých bajtech. (To je jako byste museli při psaní smazat celé slovo oproti opravě jednoho písmena). • Flash paměti jsou oproti RAM relativně drahé, • Kapacita Flash pamětí je omezena na max. 100 MB a cena za 1 MB oproti pevným diskům je vysoká. Uplatnění FLASH: • použití v PC k uchování informací o konfiguraci, • v síťových zařízeních pro uložení mikrodódů a instrukcí, • v přenosných počítačích pro uchování a přenášení dat, • digitální fotoaparáty – přenosné telefony, • pagery a digitální audio záznamníky, • snímače k uložení obrazových nebo hlasových dat.
89
7.3
Operační paměť
V počítači se podobně jako v jiných matematických strojích nacházejí dvě hlavní skupiny paměti z hlediska hardware (RAM dynamické nebo statické, ROM) a několika druhů pamětí z hlediska software. Z hlediska software se mohou v počítači nacházet tyto typy pamětí: • konvenční – CONVENTIONAL • přídavná – EXTENDET XMS • rozšířená – EXPANDET EMS • horní – UPPER UMA • vysoká – HIGH HMA • stínová – SHADOW • vyrovnávací – BUFFER, CACHE
Další informace
http://www.root.cz/cla nky/technologieoperacnich-pameti/
Paměti z bodů 1-6 tvoří tzv. hlavní paměť (operační) počítače. Hlavní paměť je na základní desce realizována buď jako blok čipů uspořádaných do tzv. bank, nebo je tvořena minideskou s několika čipy zvanou SIMM (Single In line Memory Module) – paměťový modul s čipy řazenými v jedné řadě, nebo DIMM (Dual In line Memory Module) – paměťový modul s čipy řazenými ve dvou řadách. Konvenční paměť – slouží k ukládání právě běžících programů s jejich daty. Její kapacita je max. 640kB, více nemůže DOS obsloužit. Do této paměti se zavádějí různé ovladače (pro myš, obrazovku atd.). Čím více ovládačů v konvenční paměti, tím méně místa pro programy. Abychom toto místo ušetřili zavádíme tzv. XMS.
Rezervovaná paměť – nachází se v prostoru 640 kB – 1 MB, v této části se nacházejí videopaměť, malé úseky paměti zvané BUFFERy a speciální paměť obsahující systémový software. V této oblasti se nikdy nesmí nacházet uživatelská paměť. Přídavná paměť – XMS – nachází se v prostoru nad 1 MB. Aby se mohla využívat, musí být v souboru CONFIG.SYS instalován ovladač HIMEM.SYS. Do této oblasti lze převést rezidentní programy, čímž se ušetří místo pro programy v konvenční paměti. Některé programy mohou tuto paměť i přímo využívat. Rozšířená paměť (překryvná, LIM, stránková) – EMS – určená pro programy, které ji umí využívat např.: programy zpracovávající velké datové soubory. DOS nepohlíží na tuto paměť jako na klasickou (nelze ji adresovat), ale systém ví, že má k dispozici určité stránky o velikosti 16kB. Těchto stránek může být max. 2000, což je max. kapacita 32 MB. Přístup do paměti EMS se děje přes rezervovanou oblast, v níž je vytvořen adresní prostor (rámeček) 64 kB, což jsou 4 stránky. S pamětí LIM se pracuje tak, že se obsah příslušné stránky přetáhne do paměti v rezervované oblasti. K vytvoření rámečku v rezervované oblasti musí být zaveden ovladač 90
EMM386.EXE v souboru CONFIG.SYS. Horní paměť – UMA – je část paměti XMS a ukládají se do ní různé ovladače. Vysoká paměť – HMA – část začátku paměti EMS, kterou může obsadit MS-DOS a tím uvolnit část konvenční paměti. Swapping - je přechodné ukládání segmentů paměti na disk, které umožňuje zpracovávat úlohy, jenž se do fyzické operační paměti nevejdou celé. Virtuální správa paměti - operační systém se musí postarat, aby potřebné časti paměti byly vždy k dispozici.
91
7.3.1
Paměti RAM
Paměti RAM jsou určeny pro zápis i pro čtení dat. Jedná se o paměti, které jsou energeticky závislé. Podle toho, zda jsou dynamické nebo statické, jsou dále rozdělovány na: DRAM - Dynamické RAM SRAM - Statické RAM 7.3.2
Paměti SRAM (Static Random Access Memory)
Paměti SRAM uchovávají informaci v sobě uloženou po celou dobu, kdy jsou připojeny ke zdroji elektrického napájení. Paměťová buňka SRAM je realizována jako bistabilní klopný obvod, tj. obvod, který se může nacházet vždy v jednom ze dvou stavů, které určují, zda v paměti je uložena 1 nebo 0.
Realizace jedné buňky SRAM v technologii MOS
U SRAM pamětí se používá dvou datových vodičů. Vodič Data je určený k zápisu do paměti. Vodič označený jako \Data se používá ke čtení. Hodnota na tomto vodiči je vždy opačná než hodnota uložená v paměti. Takže na konci je nutno ji ještě negovat. Při zápisu se na adresový vodič umístí hodnota logická 1. Tranzistory T1 a T2 se otevřou. Na vodič Data se přivede zapisovaná hodnota (např. 1). Tranzistor T1 je otevřen, takže jednička na vodiči Data otevře tranzistor T4 a tímto dojde k uzavření tranzistoru T3. Tento stav obvodu představuje uložení hodnoty 0 do paměti. Zcela analogicky tato buňka pracuje i při zápisu hodnoty 1. Rozdíl je pouze v tom, že tranzistor T4 zůstane uzavřen a to způsobí otevření tranzistoru T3. Při čtení je opět na adresový vodič přivedena hodnota logická 1, což opět způsobí otevření tranzistorů T1 a T2. Jestliže byla v paměti zapsána hodnota 1, je tranzistor T4 otevřen (tj. na jeho výstupu je hodnota 0). Tuto hodnotu obdržíme na vodiči \DATA. Opět zcela analogicky v případě uložené hodnoty 0, kdy tranzistor T4 je uzavřen (tj. na jeho výstupu je hodnota 1). Poznámka: Tranzistory T5 a T6 plní pouze funkcí rezistorů.
92
Paměti SRAM je možné uskutečnit i v technologii TTL. Buňka takovéto paměti pracuje na podobném principu jako buňka v technologii MOS.
Realizace jedné buňky paměti SRAM v technologii TTL
Paměti SRAM jsou výhodné zejména pro svou nízkou přístupovou dobu (15 - 20 ns). Jejich nevýhodou je naopak vyšší složitost a z toho plynoucí vyšší výrobní náklady. V současné době jsou paměti SRAM používány především pro realizaci pamětí typu cache, jejichž kapacita je ve srovnání s operační pamětí několikanásobně nižší. 7.3.3
Paměti DRAM (Dynamic Random Access Memory)
V paměti DRAM je informace uložena pomocí elektrického náboje na kondenzátoru. Tento náboj má však tendenci se vybíjet i v době, kdy je paměť připojena ke zdroji elektrického napájení. Aby nedošlo k tomutu vybití a tím i ke ztrátě uložené informace, je nutné periodicky provádět tzv. refersh, tj. oživování paměťové buňky. Tuto funkci plní některý z obvodů čipové sady.
Realizace jedné buňky paměti DRAM v technologii TTL
Při zápisu se na adresový vodič přivede hodnota logická 1. Tím se tranzistor T otevře. Na datovém vodiči je umístěna zapisovaná hodnota (např. 1). Tato hodnota 93
projde přes otevřený tranzistor a nabije kondenzátor. V případě zápisu nuly dojde pouze k případnému vybití kondenzátoru (pokud byla dříve v paměti uložena hodnota 1).
Při čtení je na adresový vodič přivedena hodnota logická 1, která způsobí otevření tranzistoru T. Jestliže byl kondenzátor nabitý, zapsaná hodnota přejde na datový vodič. Tímto čtením však dojde k vybití kondenzátoru a zničení uložené informace. Jedná se tedy o buňku, která je destruktivní při čtení a přečtenou hodnotu je nutné opět do paměti zapsat. Buňka paměti DRAM je velmi jednoduchá a dovoluje vysokou integraci a nízké výrobní náklady. Díky těmto vlastnostem je používána k výrobě operačních pamětí. Její nevýhodou je však vyšší přístupová doba (60 - 70 ns) způsobená nutností provádět refresh a časem potřebným k nabití a vybití kondenzátoru. 7.3.4
RDRAM - RIMM
Firma Rambus Inc. je americká společnost, která před časem vyvinula a nabídla výrobcům vlastní technologii správy paměti, rychlejší než v té době nejpoužívanější technologie SDRAM. Systém byl pojmenován Rambus Random-Access Memory (RDRAM). Intel se rozhodl technologii RDRAM intenzívně prosazovat. Za tímto účelem vznikla nová koncepce stavby základních desek. Nově byly také Intelem definovány moduly a konektory typu RIMM (Rambus Inline Memory Module) speciálně pro použití RDRAM paměti.
Rambus - technologie Paměti Rambus se vyznačují jinou vnitřní organizací (ve srovnání s SDRAM). Paměť RDRAM (nezávisle na počtu modulů..) je umístěna na společné, velmi rychlé sběrnici. Vzhledem k tomu, že tato technologie podporuje také násobný přenos jsou informace z paměťových buněk přenášeny jak na začátku, tak na konci taktovacího impulsu. Tímto se prakticky zdvojnásobuje propustnost. Ve specifikaci RDRAM se hovoří o těchto "rychlostních kategoriích": PC800 (takt sběrnice 400Mhz), PC700 (sběrnice 356Mhz) a PC600 (sběrnice 300Mhz). Paměťová sběrnice současných RIMM modulů je široká pouhých 16bitů (= 2 bajty). Proto je teoretický přenos (šířka pásma) modulu PC800 roven 2x800Mhz = 1.6GB/sec. Paměti SDRAM však mají 4x větší šířku paměťové sběrnice - 64bitů (což je 8bajtů). Co z toho plyne? Frekvence RDRAM musí být čtyřnásobná, aby dosáhla stejné paměťové propustnosti jako SDRAM. 94
Filozofie RDRAM má však také další nevýhodu. Tím je vysoká hodnota "latency" zpoždění při přístupu k paměťovým buňkám. Od doby vystavení požadavku až po okamžik přenosu odpovídajících dat z paměťových buněk, proběhne určitý čas Latency time. Ta je bohužel při sběrnicové filozofii Rambusu značně vyšší než u maticově orientovaného SDRAMu. Data totiž putují po úzké Rambus sběrnici v balících (chunks) o velikosti 64bitů. Takovýto datový "vláček" musí projet všemi moduly (čím více, tím hůře), až do řadiče paměti (memory controller).
Rambus vlastně zavádí do systému paměťovou minisíť. Sběrnicově/sériový přenos dat je také důvodem určité zvláštnosti RDRAM - v systému musí být osazeny všechny RIMM patice.Volné patice se pak osadí speciálními průchozími moduly. Technologie RDRAM se dá charakterizovat takto: • má vysokou datovou propustnost, přístup k datům je však zatížen vyšším zpožděním - latency, • tato koncepce je vhodná pro zpracování "datových proudů" (data streams) obecně pro multimedia, • paměti Rambus se také hodí do zařízení, kde je výhodou jejich užší sběrnice 16 bitů (a tím i menší složitost plošného spoje). To je důvod použití RDRAM v herních konzolách Playstation 2, • nutnost použití vysokých frekvencí (až 400Mhz) zvyšuje náročnost desek (dnešní desky s čipsetem i820 dovolují osadit max. 3banky) a RIMM modulů, • vysoce taktované a nerovnoměrně zatížené moduly vyžadují dodatečný "tepelný management" v řadiči paměti (+čidla teploty + pasivní chladiče/rozváděče tepla), • RDRAM moduly jsou velice drahé (náročná výroba, přesné oboustranné provedení), • dnešní specifikace a technologie RDRAM není vhodná pro osazení velkého množství paměti (a proto se nepoužívá v náročných serverech), v budoucnu se vše může změnit, • dnešní RDRAM nejsou ani vhodné pro notebooky.
7.4
Příloha - porovnání pamětí PIC16C84, 16F84 a 16F84A
Stručně: PIC16C84, PIC16F84 a PIC16F84A jsou prakticky úplně shora kompatibilní, liší se především tím, že 16F84(A) má proti 16C84 více datové paměti a 16F84A je rychlejší než oba předchozí typy. Parametr PIC16C84 PIC16F84 PIC16F84A Velikost paměti programu 1K x 14 1K x 14 95
1K x 14 Velikost paměti dat 36 x 8 68 x 8 68 x 8 Maximální frekvence 10 MHz 10 MHz 20 MHz Rozsah napájecího napětí 2.0 ... 6.0 V (-40 ... +85°C) 2.0 ... 6.0 V (-40 ... +85°C) 2.0 ... 5.5 V (-40 ... +125°C)Proudová spotřeba (LP oscilátor 32 kHz, napájecí napětí 2.0 V, WDT vypnutý) 60 µA (typ.) 400 µA (max.) 15 µA (typ.) 45 µA (max.) 15 µA (typ.) 45 µA (max.) Proudová spotřeba v režimu Power-down (napájecí napětí 2.0 V, WDT vypnutý, industrial) 26 µA (typ.) 100 µA (max.) 0.4 µA (typ.) 9 µA (max.) 0.4 µA (typ.) 9 µA (max.) Délka cyklu mazání/zápis do datové EEPROM 10 ms 20 ms (max.) 10 ms 20 ms (max.) 4 ms 10 ms (max.) Filtr na pinu –MCLR Ne ano ano Polarita bitu PWRTE v konfiguračním slově 96
(typ.) (typ.) (typ.)
Pozitivní negativní negativní Doporučená hodnota Rext pro RC oscilátor 3 kOhm ... 100 kOhm 5 kOhm ... 100 kOhm 3 kOhm ... 100 kOhm Pouzdra PDIP, SOIC PDIP, SOIC PDIP, SOIC, SSOP Problém s PORTA při krystalu pod 500 kHz Ano ne ne Problém s nechtěným povolením GIE Ano ne ne Problém se zvýšenou proudovou spotřebou při nenulových bitech EEADR<7:6> Ano ne ne
97
98
Další informace
http://www.grafickeka rty.cz/
8
Grafické karty v PC, ovládání, možnosti, ..
Grafická karta je neodmyslitelnou součástí počítače, která převádí data na obraz. Díky tomu můžeme s počítačem interaktivně spolupracovat. První grafické karty byly z dnešního hlediska primitivní a uměly zobrazit jen znaky, později jednoduchou grafiku (). Nyní již existují grafické karty o několik řádů složitější a v mnoha ohledech i "inteligentnější". Dnešní karty již "nezobrazují" ale grafiku "akcelerují" (urychlují) - a to jak 2D, tak i 3D (prostorové) zobrazení. Tím jednak odpadá práce počítači, jednak se zkvalitňuje grafické zobrazení. Přes jednoduchou bitmapovou grafiku, od her typu Wolfenstein (z roku 1991) se nyní dostáváme do situace, kdy se již počítačové hry díky technologicky vyspělým grafickým kartám pomalu, ale jistě blíží realitě. Po nástupu 3Dfx na trh se celkově trh s grafickými kartami stal o mnoho agresivnější. ATI si udržovala dostatečnou kvalitu a určitý odstup od konkurence. Její grafické čipy jako např. Rage 128 sice nebyly tak výkonné jako Voodoo, avšak v sobě skrývaly velký multimediální potenciál - viz. řada All-in-Wonder. Proto si je také mnoho uživatelů zamilovalo. Vysoké tempo nasazené 3Dfx, však neunesla ani samotná 3Dfx, S3 a částečně i Matrox, který téměř odešel ze spotřebního grafického segmentu. Poté co 3Dfx zkrachovalo, tak na trhu s grafickými kartami zůstaly jen dvě významné firmy - nVidia a ATI. NVidia má svoje GeForce a ATI svoje Radeony... Po uvedení GeForce 3 začal trh s grafickými kartami zavánět monopolem nVidie. V létě tohoto roku nás však čekalo velmi příjemné probuzení a oživení celého trhu s grafickými kartami. ATI ohlásila svůj Radeon 8500.
8.1 Další informace
http://www.svethard ware.cz/art_docD84BE30774AB8A0 6C12574240036B8F0 .html
GeForce 4 Ti 4600
Minulý rok v dubnu byla uvedena GeForce 3 (NV20), v říjnu byla uvedena GeForce 3 Ti a nyní tady máme GeForce 4 Ti, která nese kódové označení NV25. NVidia sice zvyšuje výkon (potažmo frekvenci), ale stále se drží architektury NV20 čili GeForce 3. GeForce 2, byla bez debat velmi úspěšná (zejména řada MX), tak GeForce 4 Ti je této řadě v principu podobná. GeForce 2 byla velmi výkonnou verzí GeForce 256 s velkým množstvím přidaných algoritmů a zdokonalenou výrobní technologií. GeForce 4 Ti vychází z GeForce 3, a jak bylo řečeno, na softwarové stránce se opravdu nešetřilo. GeForce 4 Ti je vlastně GeForce 3 na velmi vysoké frekvenci (300 MHz = 1,5 x takt původní GeForce 3) a byla jí přidána další vertexová pipeline pro rychlejší zpracování scén s použitím Vertex Shaderů (celkově byl počet tranzistorů navýšen z 57 miliónů na 63 miliónů). Výrobní technologie ale zdokonalena nebyla, protože firma TMSC (největší taiwanský výrobce polovodičů, které mimo jiné vyrábí i grafické čipy GeForce) nedokázala vyrábět 0,13 mikron technologií s dostatečnou výtěžností, proto se použití zdokonalené výrobní technologie očekává až u NV30. NVidia vyřešila vyšší frekvenci kuriózně, zvýšila napětí jádra a zlepšila chlazení. I přesto čip GeForce 4 Ti poměrně "hajcuje", 99
normální provozní teplota je 46,5 stupně Celsia. Co se týče nových technologií, by se dalo říct, že u NV25 nenajdeme nic nového, ale výkon GeForce 3 byl vyladěn na maximum. Nejvýkonnější verze GeForce 4 Ti 4600 by si správně zasloužila jméno GeForce 3 Ti 1000 (zbylé dvě verze by se mohly jmenovat GeForce 3 Ti 800 a 600).
GeForce 4 Ti byly částečně uvedené již před půl rokem, protože grafické jádro NV2A, které plně vychází z NV25 je součástí herní konzole XBOX, která byla uvedena v listopadu. XBOX nemá takové výpočetní možnosti jako počítač (Celeron 733 MHz není příliš rychlý) a proto se výkon tohoto grafického jádra využije jen částečně.
100
Nejvýkonnější desktopové grafické karty GeForce4 Ti GeForce3 Ti 500 4600 NV25 NV20 300 MHz 240 MHz 650 MHz DDR 500 MHz DDR 10,4 GB/s 8,0 GB/s 128 MB 64 MB 4 4 2 2 1200 Mpixelů 960 Mpixelů 2400 Mtexelů 1920 Mtexelů
Radeon 8500
Kódové jméno R200 Frekvence jádra 275 MHz Frekvence pamětí 550 MHz DDR Propustnost pamětí 8,8 GB/s Velikost paměti 64 MB i 128 MB Počet pixelových pipeline 4 Počet texturovacích jednotek 2 Max. fillrate 1100 Mpixelů Max. fillrate (multitexturing) 2200 Mtexelů Nanesených textur v jednom 4 4 6 taktu Bi-linearní Bi-linearní Bi-linearní Filtrování Tri-linearní Tri-linearní Tri-linearní Anisotropické Anisotropické Anisotropické emboss emboss emboss enviromantal enviromantal enviromantal Bump mapping BM BM BM Dot3 Dot3 Dot3 Pixel Shadery verze 1.0 - 1.3 verze 1.0 - 1.3 verze 1.0 - 1.4 Vertex Shadery verze 1.0 - 1.1 verze 1.0 - 1.1 verze 1.0 - 1.1 High Order Surface RT-pathes RT-pathes N-pathes Occlusion Culling Occlusion Z Compression Optimalizační algorithmy Culling HyperZ II Fast Z Clear Z Compression Memory Precharge 4 x 32bit 4 x 32bit Řadič pamětí 128bit Crossbar Crossbar Hardware DVD dekomprese Ne Ne Ne Řada grafických akcelerátorů GeForce 4 Ti se bude skládat ze tří variant: Verze GeForce 4 Ti Frekvence jádra Frekvence pamětí Velikost paměti
GeForce 4 Ti 4600 300 MHz 650 MHz DDR 128 MB
GeForce 4 Ti 4400 275 MHz 550 MHz DDR 128 MB
101
GeForce 4 Ti 4200 225 MHz 500 MHz DDR 128 MB
Hardware
Stejně jako GeForce 4 MX má GeForce 4 Ti podporu dvou obrazovek, které jsou prakticky vyvedeny na kartě jako jeden DVI a RGB výstup, protože DVI výstup vysílají i RGB signál, tak je možné, že se ke kartě bude přibalovat DVI->RGB redukce (známé např. z Radeona VE). Dokonce někteří výrobci budou dodávat karty s dvěmi DVI výstupy. (Jen tak na okraj, GeForce 4 určená do oblasti profesionální grafiky Quadro 4 bude mít podporu dokonce až 4 obrazovek). Výstup grafické karty je řešen jedním interním RAMDACem a druhým externím, tak se může stát, že jeden není příliš kvalitní. Takový případ se stal u prvních GeForce 4 MX 440, které sice výstup na první monitor měly kvalitní, ale druhý byl "otřesný". Na vyšších rozlišení než 800x600 se již obraz nepříjemně mlžil. 8.1.1
nFiniteFX II
NFiniteFX technologie v sobě zahrnuje Pixel a Vertex Shadery, což jsou soubory "instrukcí", které umožňují vývojářům her lépe pracovat s objekty a jejich povrchem, díky tomu můžou vzniknout mnohem krásnější a realističtější scény. nFiniteFX II není další generací Pixel a Vertex Shaderů, ty budou až v DirectX 9.0, ale spíše zdokonaluje práci s nimi. U Pixel Shaderů bylo zlepšená práce s shadery pomocí zlepšení větvení pipeline - prakticky by měl grafický akcelerátor nanést v jednom taktu 3 - 4 textury (toto množství podporuje i GeForce 3, ale kolik textur je ve skutečnosti schopno toto jádro nanést v jednom hodinovém taktu?). Trochu na škodu je, že nVidia nepřidala podporu Pixel shaderů ve verzi 1.4, které obsahuje ATi Radeon 8500. 8.1.2
Software
Nejvíce algorithmů používá GeForce 4 Ti zejména v práci s 102
pamětí. Díky vylepšené softwarové výbavě přejmenovala nVidia LightSpeed Memory Architecture na LightSpeed Memory Architecture II. Princip řadiče je stejný - rozdělení datové šířky 128 bitů na 4 separátní kanály o šířce 32 bitů a ke každému takovému toku je přidán vlastní řadič.
GeForce 4 Ti softwarově kopíruje technologii HyperZ II, kterou je vybaven Radeon 8500: • Quad Cache - jedná se o rozdělení části hlavní paměti na čtyři nezávislé buffery do kterých se ukládají informace o obecných tvarech (krychle, válce, koule atp.), vertexech, texturách a pixelech. Tato technologie nemá nic společného s cach pamětí, která je obsažena v procesoru, jedná se pouze o lepší řazení dat. • Z Occlusion Culling - jinak pojmenována technologie Hiden Surface Removal neboli nerenderování částí scény, které nejsou viditelné. Už i GeForce 3 měla Occlusion Culling, ale díky jeho nedokonalosti se o něm nVidia příliš nezmiňovala. Nyní je uveden Occlusion Culling druhé generace, který je o 25 % rychlejší, než jeho předchůdce. • Bezztrátová komprese Z dat - jedná se o kompresy Z dat, které informují grafický čip, jak daleko mezi sebou jsou objekty. Tyto data komprimuje GeForce 4 Ti v poměru 4 : 1. • Fast Z Clear - Z data se během jednoho cyklu převedou na nuly a tím se vymažou. Hodí se například při přechodu mezi scénami. • Memory Auto Precharge - tato technologie přednabíjí oblasti paměti, které nejsou využity, ale které budou muset být využity v dalších několika cyklech. Díky této technologii dokáže grafický čip snížit latenci paměti. V případě velmi rychlých pamětí se tím zlepšuje jejich časování, protože paměti na frekvenci 650 MHz DDR mají latenci CL 5. 8.1.3
Problémy
GeForce 4 MX mají problém s některými deskami - jsou to MSI K7T266 Pro2, ABIT KG7, ASUS A7M266 a Gigabyte 7VTXE. Tato vada není způsobena čipsetem, ale napájením desky. Při startu počítače se AGP port nestartuje rovnou na napětí 1,5 V, ale na značně nižším, a tím grafická karta zkolabuje a počítač se odmítne rozběhnout. Tento problém by se měl vyřešit následujícím updatem
BIOSu. Vizuální porovnání karet od dvou výrobců nVidie a ASUS. Nvidia zavádí nový pojem - nyní se anti-aliasing FSAA 2x, 4x, Quicunx i nový 103
4xS, spolu s anisotropickým filtrováním nazývají "Accuview Anti-Aliansing". Cílem nVidie bylo zvýšit kvalitu Anti-Aliasingu bez ovlivnění výkonu, proto se také změnilo rozmístění vzorkovacích bodů pro přesnější vzorkování (proto by měl být Quicunx na GeForce 4 kvalitnější než na GeForce 3). Tím by se mělo zamezit vzniku obrazových chyb při použití méně kvalitního Quicunx Anti-Aliasingu. Dalším vylepšením je zrychlení Quicunx Anti-Aliasingu (4xS, ale ten nemáme s čím srovnávat), který je nyní stejně náročný jako FSAA 2x. NVidia také přidala nový, velmi kvalitní 4xS Anti-Aliasing, který technicky vychází z Quicunxu (práce se subpixely), ale je o mnoho kvalitnější (ještě více než 4xFSAA) a zhruba stejně náročný jako 4xFSAA. Nejlepší představu o kvalitě anti-aliasingu si uděláte prohlídkou přiložených obrázků
bez A-A
8.1.4
FSAA 2X
Quick A-A
FSAA 4X
4xS A-A
Teoretické testy
Testovací sestava pracovala v nepřetaktovaném režimu: • Pentium 4 (Willamette), takt 2 GHz, • 256MB DDR SDRAM PC333 Kingmax (nastaveno CAS2.5) • disk Maxtor D740X-6L, 40GB, 7200 ot., ATA133 • základní deska Soltek 85DRS2, čipset SiS 645, BIOS v 1.4, driver AGP 1.08d • graf. karta s čipem GeForce 4 Ti 4600, ASUS V8640Ultra • graf. karta s čipem GeForce 3, Innovision • graf. karta s čipem GeForce 4 MX 440, ASUS V8470DDR • graf. karta s čipem GeForce 2 Ti, MSI • graf. karta s čipem ATi Radeon 8500LE • Windows 98SE • ovladače graf. karet nVidia - Detonator 27.70 • ovladače graf. karet ATi - 4.13.9009 Použity nejnovější ovladače od nVidie Dentonator 27.70 a nejnovější oficiální ovladače ATI 4.13.9009. Všechny karty fungovaly na daných ovladačích bez problémů.
104
3DMark 2001, Dragothic Low Detail
bez A-A 171,8 fps
FSAA 2X 125,8 fps
43,1 fps
3DMark 2001, Nature
34 fps
Quick A-A 126,1 fps 34 fps
FSAA 4X 74,5 fps
4xS A-A 74,4 fps
23,3 fps
19,9 fps
GeForce 4 Ti 4600 má v Quicunx anti-aliasingu velmi dobré výsledky, jsou ještě lepší než grafická karta podává v FSAA 2x. Nový 4xS AA je na stejné úrovni jako FSAA 4x při ještě lepší kvalitě. Při vysoké kvalitě anti-aliasing jen částečně zatěžujeme grafickou kartu. Benchmark testy GeForce 4 Ti 4600 GeForce 3 fps % fps % 209,4 10 188,3 3
Název Testu DroneZ, 1024x768x32, Generic High Quality 223,4 Quake III Arena, 800x600x32, High Quality Quake III Arena, 1024x768x32, High 205,6 Quality Quake III Arena, 1200x960x32, High 161,8 Quality 11196 3DMark 2000 3DMark 2000, Helicopter Low Detail 200,6 118,2 3DMark 2000, Helicopter High Detail 3DMark 2000, Adventure Low Detail 279,1 67,4 3DMark 2000, Adventure High Detail 9096 3DMark 2001 129 3DMark 2001, Car Chase, Low Detail 41,6 3DMark 2001, Car Chase, High Detail 3DMark 2001, Dragothic, Low Detail 171 96,3 3DMark 2001, Dragothic, High Detail 130,9 3DMark 2001, Lobby, Low Detail 58 3DMark 2001, Lobby, High Detail 2309 3DMark 2001, Multitexturing 45,9 3DMark 2001, Triangle test 99,4 3DMark 2001, Vertex Shaders 135 3DMark 2001, Bump mapping DOT 3 30,4 3DMark 2001, Sprites PRŮMĚR ROZDÍLŮ
Radeon 8500LE fps % 181,9 18
GeForce 4 MX 440 fps % 149,1 -14
GeForce 2 Ti fps 170,3
11
198,9
2
195,1
8
178,6
9
161,6
21
161,5
2
158,2
14
136,1
16
113,9
29
115,3
2
112,1
15
94,4
20
74,7
16 8 29
9367 183,6 83,6
4 9 -5
8996 166,2 88,2
24 2 21
6818 161,8 68,9
-35 -13 0
9215 183,4 69,5
27 4
203,7 64,8
-4 10
212,6 58,5
8 -10
195,5 64,6
-7 0
210,1 64,9
24 17
6895 107,5
-5 0
7278 108,2
27 10
5349 97,3
14 15
4620 83,1
2
40,8
12
36,1
-6
38,6
18
31,7
32 44
116,2 54,3
-7 -31
124,3 71,2
32 40
84,6 42,6
15 17
72,2 35,2
11 5 42 53 46 28
116,2 55,3 1336 21,3 53,3 97,7
6 17 -23 -33 -50 23
108,3 46,1 1644 28,5 79,9 74,4
14 -5 67 10 48 10
93,4 48,5 549 25,6 41,2 66,6
11 13 -2 12 -10 25
83,3 42,4 638 22,6 45,2 49,9
51 24,3
14,9
-7 -3,6
25,6
64 19,6
9,2
5 5,2
8,7
Který procesor pro správný chod GeForce 4 Ti doporučit. K GeForce 4 Ti by se nejlépe hodily procesory, které dnes ještě nejsou dostupné. Test proběhl na hře Quake a Quicunx Anti-Aliasingu.
105
8.2
ATI - Radeon 8500
Kanadská firma ATI již po mnoho let dělá kvalitní grafické karty. Byly doby, kdy byla největším výrobcem grafických karet na světě. Dodávala milióny grafických čipů do desktopů, notebooků i pracovních stanic. ATI Radeon 8500 je zcela novým grafickým akcelerátorem - je natolik inovační, že v něm téměř nelze najít rysy původní řady Radeon 256 (jádro R100 / Rage6C). Díky frekvenci pamětí a šířce sběrnice (128 -bitů) je možné dosáhnout teoretické propustnosti dat až 8,8 GB/s. K tomu technologie HyperZ II čili HSR (Hidden Surface Removal) - odstraňování nerenderováných částí - snižuje zatížení na propustnost pamětí i o několik desítek procent. Díky tomu by hypoteticky měl zvládat renderovat scény, které potřebují pamětí "protlačit" až 12 GB/s.
106
Z hlediska výstupů patří tato grafická karta mezi nejlepší. Má v sobě integrován špičkový data/obraz převodník - RAMDAC - na frekvenci 400 MHz. Díky tomu je grafická karta schopna obnovovat obraz na monitoru až 200 krat za sekundu při rozlišení 1024x768 - tedy 200 Hz (tak vysoký refresh rate na 1024x768 však v dnešní době nemá žádný monitor). Při monumentálním rozlišení 2048x1536 RAMDAC zvládá generovat obraz s frekvencí 85 Hz. Grafický čip: ATI Radeon 8500 (60 mil. tranzistorů) Taktování jádra: 275 MHz (250 MHz) AGP: 4X Paměti: Hynix, 64MB DDR SDRAM 3.4 ns - max. 600 MHz (3.6 ns - max. 530 MHz) Šířka paměťové sběrnice: 128bit. Takt paměti: 550 MHz (500 MHz) Výstup VGA: 1 Výstup DVI: 1 TV OUT / TV IN: S Video out Speciality: velmi kvalitní výstupy (S-Video, VGA i DVI), Ramdac 400 MHz.
Při vysokých rozlišeních nenastává jev rozmazanosti. ATI sice není Matrox, avšak v oblasti "konzumní grafiky" nemá, myslím si, konkurenci. Grafická karta také obsahuje i DVI výstup pro LCD monitory. Tento výstup je řízen integrovaným TMDS transmitérem na frekvenci 175 MHz. V balení je obsažena redukce DVI/VGA, kterou lze z DVI výstupu udělat druhy výstup pro monitor. Díky tomu lze k této grafické kartě připojit dva monitory, o 107
všechno se ještě k tomu stará kvalitní program na správu obrazovek - Hydravision. Kromě toho grafická karta obsahuje velmi kvalitní S-VHS výstup, to pro ty co rádi hrají hry na televizi nebo si je nahrávají na video.
Čip Rage Theater, který zajišťuje vynikající Video výstup (čip "umí" i Video vstup, avšak ten v této konfiguraci není aktivován). Kvalita výsledného obrazu na TV je opravdu výborná (díky tomu můžete na svém přijímači nejenom hrát 3D hry, ale i sledovat DVD filmy "jako ze stolního přehrávače"). Grafický čip má integrovány 4 renderovací pipelines (toky) po dvou texturovacích jednotkách. V tomto bodě je na tom úplně stejné jako GeForce 3 od nVidie. Avšak jsou zde technologie, kterými se ATI liší. První a nejvýraznější je TruForm neboli zvyšování počtu trojúhelníku v objektu bez ztráty výkonu. Další novinkou je Smoothvision neboli obdoba Anti-Aliasingu u ATI. Čip podporuje všechny nejnovější grafické "fíčurky" v DirectX 8.1 - tak jako GeForce 3, umí tento Radeon Pixelové a Vertexové instrukce - ATI je nazývá SmartShaders. Dokonce bylo avizováno, že Radeon 8500 jich má oproti nVidie o několik navíc (pixel shadery verze 1.4), nyní se však počet srovnal, protože nVidia tyto zbývající Pixel shadery přidala softwarově. Radeon 8500 má dokonce implementovánu podporu 3D textur - chloubu nových Titánií. Vlastně není žádná technologie (vyjma Quicunx Anti-aliasingu), kterou by ATI neměla. Kdybychom se dívali jenom na papírové porovnání, tak určitě dospějeme k názoru, že Radeon 8500 nemá konkurenci, praxe je však rozdílná. Srovnávací tabulka Grafické karty dneška Radeon 8500
Radeon 7500
Radeon 7200
GeForce 3 Ti 500
GeForce 3 Ti 200
GeForce 2 Ti
R200
RV200
R100
NV20
NV20
NV15
60 miliónů
30 miliónů
30 miliónů
57 miliónů
57 miliónů
25 miliónů
Výrobní technologie
0.15
0.15
0.18
0.15
0.15
0.18
Renderovacích toků
4
2
2
4
4
2
Texturovacích jednotek
2
3
3
2
2
2
Frekvence jádra
275 MHz
290 MHz
183 MHz
240 MHz
175 MHz
250 MHz
Frekvence pamětí
550 MHz
460 MHz
366 MHz
500 MHz
400 MHz
400 MHz
Propustnost pamětí
8.8 GB/s
7.4 GB/s
2.7 GB/s
8.0 GB/s
6.4 GB/s
4.4 GB/s
T&L
ano
ano
ano
ano
ano
ano
Direct X 7
ano
ano
ano
ano
ano
ano
DirectX 8 a 8.1
ano
ne
ne
ano
ano
ne
HyperZ
ano
ano
ano
ne
ne
ne
HyperZ II
ano
ne
ne
ne
ne
ne
Jádro Počet tranzistorů
108
Smoothvision
ano
ne
ne
ne
ne
ne
QuicunxAA
Ne
ne
ne
ano
ano
ne
Nejvíce diskutované drivery, nyní ve verzi 7206, jsou již na poměrně dobré úrovni. Sice je ještě stále co vylepšovat, zejména po stránce výkonu grafické karty, avšak nejsou s nimi žádné problémy a ve složitých scénách karta doslova exceluje. Nejlepší výkony podává nový Radeon ve vysokých rozlišeních a složitých scénách s mnoho vertexovými a pixelovými efekty, z hlediska Pixel a Vertex Shaderu jsou na tom nVidia i ATI zhruba stejně, největší slabinou je u ATI Radeon 8500 antialiasing, který silně grafickou kartu zpomaluje. Sice je o řád kvalitnější než Quicunx na GeForce 3, avšak o více než polovinu pomalejší. Na GeForce 3 si bez problému zahrajete hru v 1024x768x32 a Quicunxem s průměrným frameratem kolem 50 fps, u ATI se musíte při stejné "síle" vyhlazování spokojit zhruba s 20 30 fps (avšak při trochu vyšší kvalitě anti-aliasingu). Při hodnocení karty nesmíme zapomenout na velmi kvalitní výstup a možnost napojit dva monitory součásně (a jako třetí televizi). GeForce 3 sice TV-out mají, ale bez podpory dvou monitorů. Na trhu exstují dvě verze Radeonu 8500 - Radeon 8500 v retial balení a Radeon 8500 Limited Edition prodávaný pod jinou značkou. Grafická karta Manli Radeon 8500LE se nachází ve firemní krabici a je k ní přibaleno všechno to co najdeme v originálním balení od ATI. Největší rozdíl je v použitých pamětech - přesněji řečeno v jejich taktování. Obě dvě varianty mají 3,6 ns paměti (stejné jako GeForce 3 Ti 500), avšak u Radeonu 8500LE pracují "jen" na frekvenci - 500 MHz DDR (místo 550 MHz). U ATI je zvyk, aby paměti a jádro pracovalo na stejné frekvenci, tak i jádro grafické karty je podtaktováno na 250 MHz. Jádro je však úplně stejné jako u retail Radeonu a tím také stejně přetaktovatelné až na frekvenci kolem 300 MHz.
Paměť RADEONU 8500LE a RADEONU 8500
8.2.1
Pixel a Vertex Shadery = SmartShadery
Číslo 8 v názvu Radeon 8500 znamená podporovanou verzi DirectX, v tomto případě 8. Tento grafický čip obsahuje všechny možnosti obsažené v DirectX (přesněji grafické rozhraní Direct3D) verze 8.1. NVidia se chlubí svými Pixel a Vertex Shadery, které jsou obdobou instrukcí u 109
procesoru. Pixelové a vertexové shadery dokáží vytvářet různé grafické zázraky. Obsahují několik druhů stínování, bump-mappingu, 3D textur, barevných efektů atp. Díky této technologií se grafika her velmi brzo přiblíží té předrenderované v intrech. Bude na co koukat! Vertexový a Pixelový shader sety jsou u Radeonu 8500 nazývány jako SmartShadery. Jednotka na zpracování vertexů se nazývá Charisma Engine II, není to nic jiného než obdoba T&L jednotka 3.generace (GeForce 3) u grafických čipů nVidie. Pixel Shadery jsou zahrnuty v Pixel Tapestry II. Vysvětleme si jak funguje Charisma Engine II. Tato jednotka je složena z 96 kontatních registrů, do kterých jsou "natvrdo" uloženy základní vertexové operace (ohýbání "mesh", osvětlení, atp.), jsou to vlastně velmi obodobné možnosti jako mají 3D modelovací programy např. 3DStudio Max. Dále Charisma Engine obsahuje 12 tzv. dočasných registrů, které dovolují programátorům her vytvářet vlastní vertexové příkazy. Vše funguje na principu, že do Vertex Shaderu jsou poslány informace o objektu a ten s ním provede to, co mu je nařízeno - od osvětlení po celkovou změnu mesh, např výbuch. Vertex Shader může s objektem provést 128 úkonů v řadě. Na výstupu Vertex Shader udává informace o pozici objektu, o umístění textury atp. Pixel Tapestry II je pro nás možná ještě zajímavější než Charisma Engine, protože na obyčejný drátkový model nanáší texturu nebo provádí bumpmapping atp. Díky dobře vyladěnému Pixel Shaderu dokáže grafická karta doslova zázraky. Radeon 8500 má nejdokonalejší Pixel Shader jednotku vůbec, je schopen zpracovat až 22 různých instrukcí v jednom taktu (6x operací se samplingů textur, 8x adresových operacích, 8x renderovacích operací). GeForce 3 dokáže zpracovat jen 12 instrukcí. Kromě toho Radeon 8500 obsahuje 8 registrů obsahující Pixel Shader instrukce. Do Pixel Shaderu jsou vháněny textury, zde na ně jsou aplikované efekty pomocí instrukcí - např. je změněna velikost textury, je ji dána průhlednost a ještě je ji změněna barva. ATI Radeon 8500 má všechny Pixel Shadery obsažené ve specifikaci verze 1.4 (GeForce 3 má verzi 1.3). Nyní se již pracuje na specifikaci verze 2.0. Výhoda 110
Pixel Shader instrukcí je, že se dají pomocí driverů doprogramovat a tím třeba může ATI podporovat i Shadery verze 2.0. NVidia by již také měla podporovat Shadery specifikace 1.4. Abychom si přesněji rozuměli, ATI má celkově lépe vyřešenou podporu Shaderů. Sice paleta efektů zůstane stejná i po přechodu na specifikace vyšší verze, avšak Radeon 8500 rychleji zpracovává pokyny dané Pixel i Vertex Shader instrukcemi. Ve scénách s velkým počtem speciálních efektů tento grafický čip pak podává lepší výkony než konkurence.
8.2.2
HyperZ II Neboli (HSR) Hidden Surface Removal je technologie, která se stará o zvýšení výkonu grafické karty. Všechno je postaveno na algoritmu, který zabraňuje části renderaci scén, které nejsou viditelné (a proto zbytečné).
Podpora HSR byla implementována i v Radeonu 256 (dovolil bych si poznamenat, že díky chybě ovládačů se nerenderovali i viditelné části - v Radeonu 8500 však žádný takový problém není). Nyní je HSR algoritmus vylepšen, takže by prakticky měl zvýšit výkon grafického akcelerátoru o 20 %. To je však pouze teorie.
8.2.3
TRUFORM
111
Tak tato technologie dlouho chyběla. Jde o speciální algoritmus, který zvýší počet trojúhelníků v objektu a přitom tato operace téměř neovlivňuje výkon grafického procesoru. Díky tomu jsou objekty o mnoho přirozenější a oblejší. Z hranatých kol se stávají reálně kulatá kola. Součástí této technologie je také osvětlování, které objektům dává atraktivnějších vzhled - např. železné pláty na robotovi se začnou lesknout atp. Celý zázrak této technologie závisí na tzv. n-patch. Obyčejný trojúhelník je hardwarově ohnut (dalo by se říct, že je také roztáhnut) pomocí jistých kontrolních bodů a uvnitř tohoto trojúhelníku jsou dopočítány nové trojúhelníky (polygony). Tím vznikají hezky kulaté objekty. Velkou výhodou TruFormu je velmi snadná implementace do her. 8.2.4
Smoothvision
Technologie Anti-Aliasingu vyhlazuje hrany. Je to technologie již poměrně dlouho známa, poprvé byla hardwarově implementována v Voodoo 5 a GeForce 2 (softwarově to uměla i Riva TNT2). Zde bylo vyhlazování na technologii supersamplingu - výsledný obrázek se vyrenderoval ve vysokém rozlišení (např. 2048x1536) a poté byl zmenšen na nižší rozlišení (2048x1536 => 1024x768). Stejnou metodu Anti-Aliasingu využíval Radeon 256 (jádro Rage6C). Díky supersamplingu se sice všechny hrany téměř ztratily, avšak tento způsob byl velmi náročný na výkon grafické karty. GeForce 3 používá metodu tzv. multisamplingu Quicunx Anti-Aliasing. Tento způsob je na výkon grafické karty nejméně náročný. Sice je tato metoda obdobná supersamplingu - jedná se vlastně o méně náročný samlplovací algorithmus založený na subpixelech, které jsou pomocí této metody tvořeny a vkládány mezi pixely hran. Tím se hrany zarovnají - tato metoda však rozmlžuje textury. ATI Radeon 8500 využívá staronový druh Anti-Aliasingu, který byl použit ve Voodoo 5, a který nemá nic s supersamlpingem společného. Tento anti-aliasing funguje na principu nepatrných posunů geometrie scény - tzv. vertex jittering. Dokonce je lépe implementovaný než u Voodoo 5. Výhodou tohoto anti-aliasingu je velmi vysoká kvalita výsledného obrazu, avšak je velmi náročný na výkon grafické karty.
112
8.2.5
Anisotropické filtrování
Anisotropické filtrování je nejvyspělejší druh filtrování. Naproti svým předchůdcům (Bilinearnímu a Trilinearnímu filtrování) nerozmázává ani vzdálenější textury, o to scéna získává na reálnosti. Avšak i tato procedura je náročná na výkon karty (proto je u nejnovějších her volitelná). High Quality filtrování je stejně kvalitní jako 16 tap (čím je hodnota vyšší tím je vzdálenost do bodu rozmazávání textur větší) u GeForce 3 a Highest kvality je to stejné jako 64 tap u GeForce 3. Benchmark testy Radeon Radeon 8500 8500LE Nazev Testu 3DMark 2001 Quake 3 Arena 1600 x 1200 Quake 3 Arena 1280 x 1280 Quake 3 Arena 1027 x 768 Max Payne 1600 x 1200 Max Payne 1280 x 1280 Max Payne 1027 x 768 Giants 1600 x 1200 Giants 1280 x 1280 Giants 1027 x 768 Dragothic Benchmark 1600 x 1200 Dragothic Benchmark 1280 x 1280 Dragothic Benchmark 1027 x 768
8012 101,1 139,2 192,3 45,8 60,1 84,5 49,6 63,2 73,1 79,2 102,1 132,9
6% 8% 10% 7% 7% 6% 6% 19% 14% 16% 8% 9% 8%
7564 92,6 125,4 178,2 42,5 56,4 79,4 40,1 54,5 61,6 72,7 93,2 122,4
113
GeForce 3 Ti 500 2% -7% -12% -10% -4% -6% -12% 7% 8% 7% -1% 3% 9%
7415 98,7 140,5 195,2 44,4 60,2 89,4 37,3 50,1 57,3 73,5 90,4 111,2
GeForce 3
8% 6830 13% 86,1 15% 119,3 9% 177,3 18% 36,6 11% 53,5 10% 79,8 -70% 63,5 -43% 71,9 -32% 75,7 16% 61,2 11% 80,3 12% 97,9
7% 13% 9% 9% -4% 9% 11% 14% 6% 2% 12% 15% 11%
GeForce 2 Ti 500 6345 74,8 108,8 162,1 38,2 48,9 71,2 54,5 67,2 74,2 53,9 68,2 87,1
8.2.6
Výhled do budoucnosti
V dnešní době bouřlivého vývoje nových technologií v oblasti grafických karet jsou všechny uvedené informace již v době vydání těchto skript relevantní, je potřeba sledovat bouřlivý vývoj v této oblasti velmi pozorně a své znalosti neustále doplňovat z odborného tisku.
Další informace
http://www.zive.cz/clanky/nvidia-o-mobilnibudoucnosti-co-prijde-po-ctyrjadrech/kapitola1/sc-3-a-158685-ch-77865/default.aspx
114
Další informace
9
Pevné disky, vlastnosti, srovnání
9.1
Základní vlastnosti disků
9.1.1
Mechanika a základní elektronika
http://www.wdc.com/e n/
Pevný disk složí k zápisu, uchování a čtení dat v počítači. Pevný disk se vždy skládá z mechaniky – šasi, kryt, rotující plotny, ramínka s hlavami a podobně a elektroniky, která zajišťuje chod disku a řízení vnitřních procesů. Pro pevné disky jsou rozhodující následující aspekty: Kapacita - je základní vlastností disku. Dnes se udává v Gigabajtech. Z komerčních účelů je tato kapacita vypočítána jako 1MB = 1.000 kilobyte = 1.000.000 byte. Tyto výpočty jsou však zkreslující. Správně se vyjádří velikost následovně: 1MB = 1.024 Kilobyte ≈ 1⋅210. Stejná vazba je i mezi kilobyte – byte Gigabyte - Megabyte. Hustota záznamu - se uvádí v MB / čtvereční palec, či stále častěji v GB na jednu plotnu (poslední dosaženou hodnotou je pak 100GB / čtvereční palec). Hustota udává skutečnou velikost zaznamenatelnou na obě strany magnetické plotny. Na hustotě disku je závislá přenosová rychlost a hlučnost. Více ploten v pevném disku, zvyšuje hlučnost – viz níže. Přístupová doba a latence (Random Access) se uvádí v milisekundách. Je důležité vědět, že stopy u pevného disku jsou soustřednými kružnicemi a nikoliv spirálou jako v architektuře CD. Říká, za jakou průměrnou dobu je rameno schopné přemístit čtecí / zápisovou hlavu nad požadovanou stopu. Tento čas udává dobu přesunu hlavy od středu k okraji disku. Při čtení mnoha malých souborů (a náhodném čtení) pak toto raménko intenzivně kmitá přechodem na různé stopy (umístěné na různých poloměrech plotny) a to za charakteristického hrčení. Při formátování, je disk plně vytížen, přesto pracuje relativně potichu, protože hlavička jen klouže na sousední stopy. K přístupové době je nutné přičíst tzv. latenci - dobu, za kterou se otočí celá plotna o půl otáčky. Obvykle se totiž hlava přemístí nad příslušnou stopu, ale musí vyčkat, až se pod ní objeví požadovaný sektor. To trvá v průměru půl otáčky. Tabulka: disk s rychlostí 10 000 otáček má o 2 milisekundy delší přístupovou rychlost, přesto pracuje rychleji, díky kratší době latence.
Relativní srovnání rychlostí disků Rychlost otáčení 10 000 ot/min 5 400 ot/min
Přístupová rychlost 10 ms 8 ms
Celková pracovní rychlost 10 ms + 3 ms = 13 ms 8 ms + 5,5 ms = 13,5 ms
Rychlost otáčení diskových ploten - uvádí se v otáčkách za minutu. Čím rychleji se disk otáčí, tím se zvyšuje rychlost "datového proudu" a snižuje latence. V dnešní 115
době lze říci, že 5400 otáček/min. je nižším standardem, 7200 vyšším průměrem, 10 000 špičkovou hodnotou (zatím pouze speciální disky) a 15 000 otáček/m. maximem. Poznámka: Měření přístupové doby benchmarky (a také částečně přenosové rychlosti) je, na rozdíl od stanovení kapacity HD, velmi závislé na metodice. Je to něco podobného, jako měření průměrné spotřeby u automobilu (i ta totiž závisí na mnoha podmínkách). Musíme vzít v potaz, že přesun hlavičky na sousední stopu potrvá méně (typicky 1-3ms), než přesun mezi krajními polohami (2.5-3cm za 15-20ms). Různé programy pak zobrazují různé přístupové hodnoty podle toho jakou "sadu přesunu" používají k měření.
Technickým problémem, jsou fyzikální vlastnosti vysokých rychlostí. Hlavička je schopna přesunout se na vzdálenost několika desítek milimetrů v době řádově několika milisekund (15 - 20). To znamená akcelerovat a posléze zabrzdit s absolutní přesností na zlomek milimetru. Podle druhu disku tak na hlavičku působí přetížení až 60G!
9.2
Cache disku
Další informace
I dnes disky používají zápisníkové mezipaměti, podobně jako například procesory. Tyto moduly snižují nesoulad mezi pomalou mechanikou a rychlou elektronikou //www.ibm.com/ rozhraní - Cache tvoří vlastně složitý vstupně-výstupní zásobník. Pokud je například přijat požadavek na čtení dat, které se v cache paměti disku již nacházejí, jsou poskytnuta ihned a to podstatně rychleji, než kdyby měla být přečtena z ploten. Cache navíc funguje jak při čtení, tak při zápisu (ten však nebývá opožděn z ohledem na bezpečnost dat). Dnešní disky mají většinou 512 kB či 2 MB paměti cache, přičemž čím více, tím lépe. Je však zajímavé, že i když je v druhém případě paměti 4x více, jsou výkony obou řešení často velice málo rozdílné (zdá se, že od 512kB efektivita cache již značně klesá). Je to dáno tím, že cache se využije poměrně málo, obvykle při čtení FAT tabulky apod. Jinak je tomu ale v případě menší cache, například 256kB (či hůře 128kB) - tato nízká hodnota je již moderním diskům zcela neadekvátní...
9.3
Rozhraní IDE a přenosové režimy
Zde se už pohybujeme v oblasti problému, jak odpovídající data co nejrychleji (a také co nejspolehlivěji) přenášet mezi PC a vlastním diskem. Každé IDE zařízení (IDE zde definuje sběrnici, řadič v tomto systému je integrován na disku) může pracovat v různých přenosových režimech / módech. Původní mody, které pro řízení přenosu využívají výkonu procesoru (rozhraní je tedy pasivní a čeká, až jej procesor obslouží) nazýváme PIO (Programmed Input/Output) módy. Režimy PIO poskytují tyto maximální teoretické přenosové rychlosti: režimy PIO mod cyklus datový tok [MByte/sec.]
0 600ns 3,3
116
1 383ns 5,2
2 240ns 8,3
3 180ns 11,1
4 120ns 16,6
Základní nevýhodou PIO režimu je vytěžování procesoru při zápisu či čtení z disku. Tento přenos pak může například odebírat špičkově až 99% výkonu. V režimech PIO dnes pracují pouze některé pomalejší a neznačkové CD ROMy (nové pracují obvykle v DMA) a mnoho starších harddisků. Dnešní základní desky rozpoznají verzi režimu PIO automaticky. Typ přenosu (PIOx, DMAx) je zobrazen v bootovací tabulce.
117
9.4
DMA a UltraDMA
Dalším, dnes již samozřejmým režimem diskového přenosu IDE je přenos s využitím DMA (Direct Memory Access - přímý přístup do paměti) a také UltraDMA (obchodně někdy označován jako Ultra ATA). Pro přímou komunikaci mezi řadičem a pamětmi se zde používá tzv. Busmastering (ten úspěšně využívají i další moderní karty - např. kvalitnější síťové karty). Procesor jednoduše zadá příkaz na data a o vše ostatní se postará řadič disku. Zatížení procesoru je zde (ve srovnání s PIO) řádově menší - při běžné práci jen cca 3-10%. Ultra DMA nabízí navíc další paletu zlepšení - například korekci chyb pomocí CRC atd. Teoretická maxima přenosového režimu DMA: • DMA 0 - 4,2 MB/s (Multi-word) • DMA 1 - 13,3 MB/s (Multi-word) • DMA 2 - 16,6 MB/s (Multi-word) režimy Ultra-DMA mod cyklus datový tok [MByte/sec.] Ultra ATA /33 Ultra ATA /66 Ultra ATA /100
0
1 240ns 16,6
2 160ns 25,0
3 120ns 33,3
4 90ns 44,4
5 60ns 66,6
Všechny moderní desky již podporují alespoň některé tyto režimy přenosu. Je důležité zajistit podporu i ze strany operačního systému a aktualizovat ovladače čipové sady.
9.5
Kabely
Komunikace podle specifikace UltraATA / 66 (a vyšší, vč. Ultra ATA /100) klade zvýšené nároky na kabeláž. To vyúsťuje v používaní nových stíněných 80-ti žilových kabelů, místo původních, 40-žilových IDE kabelu. Ty pak mají identické konektory, datové žily jsou však oddělené zemnícími vodiči...
9.6
Výkon podle režimu IDE
Pro zjištění vlivu různých pracovních režimů na celkový výkon harddisku byl použit poměrně nový typ podporující rozhraní UltraATA /100 (a zároveň podporující veškeré ostatní IDE režimy), disk 15.3GB IBM-DTLA-307015 s plotnami rotujícími 7200 ot./min. Disk běžel na řadiči HighPoint 370 integrovaném na desce ABIT KT7 RAID, podporující též Ultra-ATA /100. Test byl měřena na software HD tach ve verzi 2.61 (http://www.tcdlabs.com/). Měření probíhalo pod Windows 98.
118
40ns 100
Poznámka: Windows 2000 mají jinou koncepci ovladačů (jsou robustnějším multitaskingovým prostředím), a proto jsou výkony disků pod tímto systémem běžně o 8-12% nižší. Tato problematika si vyžádá samostatný test... Modrý sloupec zde reprezentu je tzv. Burstrate (Burst Speed) ta vyjadřuje maximáln í přenosovo u rychlost v MB/s, jež je schopna poskytnou t elektronik a disku v kooperaci s IDE / Ultra-ATA řadičem. Vypočítá se tak, že z cache je několikrát opakovaně čtena malá datová jednotka - ta je poprvé uložena do cache disku a následně pouze rychle přenesena. Maximální rychlost není dosažena z důvodu přenosu informací řadiči. Fialový sloupec již vyjadřuje průměrný kontinuální datový tok (Sequential Speed). Ten se stále mění, a proto téměř eliminuje cache disku. Zde je vidět, že disk je ve vyšších režimech limitován fyzickou rychlostí čtení danou způsobem organizace dat a otáčkami disku. V režimech Ultra-ATA /66 a /100 tak elektronika získává rezervu, kterou je schopna využít pouze paměť cache. Zároveň se však vytváří rezerva umožňující efektivním způsobem využít každý přečtený či zapsaný bajt. Také zároveň vidíme, že všechny režimy nižší než Ultra ATA /66 (tedy například ty využívající 40 žil. kabel a starší řadiče) omezují disk po přenosové stránce. Pak se totiž stává úzkým hrdlem právě IDE sběrnice - fyzická rychlost čtení je stejná a brzdí tak disk. Dříve se však zdálo, že původní protokol Ultra ATA bude zcela dostačující - nyní je vidět jak disky pomalu "dorůstají" novým standardům.
119
Režimy UDMA 3 - 5 pak poskytují identickou průměrnou přenosovou rychlost. Liší se tedy pouze maximální hodnotou Burst Speed. Ta ale nemá v praxi příliš velký význam.
Z naměřených hodnot lze vyvodit, že Ultra ATA /66 je již v náročnějších sestavách nutností. Ultra ATA /100 funguje výborně (zvládne přenést tok kolem 80MB/s) a pomalu čeká na disky, které ho využijí.
9.7
Sequential speed...
Dalším důkazem nutnosti rychlého rozhraní jsou rozdílné okamžité maximální a minimální hodnoty přenosové rychlosti - ty jsou rozdílné v různých sektorech disku. Disk totiž poskytuje různé rychlosti v závislosti na umístění cílové stopy. Lineární rychlost čtení je nejvyšší na začátku disku (ten je na rozdíl od CD na vnějším okraji), postupem ke středu pak přenosová rychlost klesá. Dříve (před deseti lety) byl díky tehdy drahé/složité elektronice disku stejný počet sektorů u vnitřních a vnějších stop. Dnes má vnější stopa mnohem více sektorů a hlava jich při čtení přečte více, a proto je přenosová rychlost na vnějších stopách větší.
120
Přenosová rychlost - měřeno při Ultra-DMA 5 (Ultra ATA /100) Maximum u prvních sektorů překračuje 33 MB/s... (dosahuje až 37MB/s)
Přenosová rychlost -měřeno při Ultra-DMA 2 (Ultra ATA /33)
Zde jsou již maxima "ořezané" protokolem Ultra ATA /33 do relativní roviny. Stojí za povšimnutí podobný průběh od 5.25GB... Další graf ukazuje průměrnou přenosovou rychlost a zároveň maximální (zelená linie) a minimální (oranžová linie) rychlost v MB/s. Minimální, průměrná a maximální přenosová rychlost
121
122
9.7.1
Výkon pro různé disky
Srovnání výkonů pevných disků
Prvním reprezentantem je starší disk Seagate s 5400 otáčkami a podporou Ultra ATA /66. Trvalý tok je na úrovní 13,2MB/s. Je typickým diskem základní řady. pro naše srovnání je základem.
...při nižších otáčkách je pokles výkonu na vnitřních stopách disku zřetelnější...
Dalším diskem je výborný a rychlý 15,3GB disk s 7500 otáčkami Caviar WD 153BA. Nabízí rozhraní Ultra ATA /66. V testech vždy dosahoval výborných výsledků. Ten poskytuje až o 75% vyšší výkon. Caviar WD400BB je jedním z nových disků o skvělé kapacitě 40GB. Rotuje 7200 otáčkami a nabízí rozhraní Ultra ATA /100. Nabízí 13% nárůst výkonu ve srovnání 123
s WD153BA, což je obzvlášť obdivuhodné z ohledem na velmi vysokou kapacitu. Posledním diskem je disk Deskstar 75GXP od IBM s podporou Ultra ATA /100 a 2MB cache a 15GB na plotnu.
Nejnižší výkon nabízí disky s 5400 otáčkami. Přechodem na 7200ot. při zachování stejných parametrů, hlavně hustoty záznamu, získáme až 33% výkonu. Nová generace Ultra ATA /100 již většinou přináší disky nové generace s hustotou zápisu 15 nebo 20GB na plotnu a díky tomu i s vyšší kapacitou. Vyšší hustota umožní snížit počet ploten a s tím i počet hlav, což vede k nižší hlučnosti (testovaný WD400 byl navíc vybaven technologií Sound Logic). Deskstar 75GXP nabízí průměrný stálý tok kolem 33MB/s!
9.8
Podpora operačními systémy
Windows 2000 je zaměřen na stabilitu před rychlostí. Bylo provedeno jednoduché měření UltraATA /66 (použitý souborový systém Fat32 - což ovšem nemá vliv), i zde je použit disk IBM-DTLA-307015...
124
Podle předpokladů je výkon pod Windows 98 vyšší. Rozdíl činí v tomto případě 18%. Zajímavý je výraznější pokles výkonu ke středu disku. 9.8.1
Co je potřeba pro správnou funkci Ultra-ATA
disk s podporou Ultra ATA /33 nebo Ultra ATA /66 (Ultra ATA II) či Ultra ATA /100 odpovídající řadič - ať externí, či integrovaný v čipsetu odpovídající kabeláž - v případě ATA /66 a ATA /100 tedy 80-žilový plochý kabel kabel musí mít vždy zapojené oba konce (střed může být nezapojen). Modrý konektor patří do řadiče, černý pak pro disk "master" (a šedý pro "slave") aktuální BIOS (desky či řadiče) je výhodou... případný tunning čipsetu nezbytností jsou aktuální ovladače pro daný řadič a operační sytém Obecně platí, že přenosový režim celé soustavy "klesne" na úroveň nejpomalejšího článku. Pokud jsou všechna zařízení "UltraATA /100", ale je použit klasický kabel se 40-ti žilami, dosáhne se pouze režimu UltraATA /33.
125
DMA musí být někdy "ručně" aktivováno (Win 95/98) v Ovládacích panelech pod ikonou Systém a záložkou Správce zařízení, položka Diskové jednotky.
9.9
Serial ATA
Serial ATA je technologie, která nepřinese nějaké výrazné zvýšení výkonu, nepřinese ani nic zcela převratného, jinak nevídaného, přesto je jednou z nejočekávanějších technologií letošního roku. Proč? Moderní počítače totiž čeká díky Serial ATA poměrně razantní změna - již žádné kabely, které by bránily toku vzduchu, žádné jumpery na přepínání master/slave, žádné limity pro velikosti disků a to vše při zachování softwarové kompatibility.
9.9.1
Paralelní ATA - přežitek dneška
Dnešní počítače používají pro připojení ATA (AT Attachement) zařízení, jako jsou pevné disky, stejně tak k připojení ATAPI (AT Attachement Packet Interface) zařízení jako jsou CD-ROM mechaniky, paralelního přenosu dat. Před mnoha a mnoha lety bylo při vývoji IDE rozhraní nahrazujícího na dnešní dobu "kuriózní" disky RLL a MFM rozhodnuto, že se použije čtyřicetipinový plochý kabel. Tento datový kabel přežíval mnoho let, přestože se technologie neustále vyvíjela, časování se stalo přísnějším, maximální délka kabelu se zkracovala. První (a poslední) radikálnější zlom přišel s použitím režimů Ultra DMA mode 3 (ATA-44) a rychlejších. Mezi čtyřicet datových pinů bylo umístěno dalších čtyřicet pinů sloužících pro stínění. Řadič ATA-66 totiž pracuje na dvojnásobné frekvenci, řadič ATA-100 dokonce na čtyřnásobné oproti ATA-33, takže elektromagnetické rušení se stává čím dál větším problémem. pomocí paralelního ATA
Dosavadní řešení propojení disků
Paralelní uspořádání má z dnešního pohledu několik zásadních nevýhod: •
•
Velký počet pinů - paralelní ATA vyžaduje 26 datových pinů na kanál plus logickou nulu. Čím více pinů, tím vyšší jsou výrobní náklady a tím dražší celé zařízení je. Vysoké napětí - Signaling vyžaduje na dnešní dobu vysokých 5V, což dělá 126
•
•
problém čipům vyráběným moderní technologií. Pro srovnání - toto napětí používaly první generace procesorů Pentium vyráběné do roku 1995, z pamětí pak pouze SIMM, které v roce 1998 plně nahradil 3,3V DIMM. Problém kabelů - Velké ploché kabely jsou neohebné, mají poměrně omezenou maximální délku a především brání proudění vzduchu uvnitř počítače. Dále pak je problém s nimi jakkoli manipulovat v menších počítačových skříních. Problém výkonu - Další zvyšování frekvence řadiče, popř. změna signalingu za účelem zvýšení výkonu rozhraní je finančně náročná.
Celkově vzato je paralelní ATA dnes již zastaralá technologie, která neodpovídá moderním požadavkům.
127
9.9.2
Serial ATA
Problém zastaralosti paralelního ATA je znám již několik let a už v době ATA-66 rozhraní se pilně pracovalo na jeho nástupci - Serial ATA. Mezi hlavní leadery ve vývoji patří řada významných firem...
Další informace
p://www.seagate.co m/www/en-us/
lší informace
www.seagate.co www/en-us/
lší informace
www.maxtor.co me-en-us.html
Úkolem bylo vyvinout takové rozhraní, které eliminuje problémy dnešního paralelního ATA a umožní dále zvyšovat výkon, přičemž zůstane na přijatelné cenové hladině. Mezi hlavní rysy nového rozhraní patří: • Nízké napětí - Serial ATA používá velmi nízké napětí (obvykle 250 mV, maximálně 500 mV). • Sériové uspořádání - V dnešní době se spíše než k paralelnímu způsobu přenosu dat firmy přiklání k uspořádání sériovému při použití vysokých frekvencí. To jednak umožňuje lepší škálovatelnost, především to ale snižuje cenu. Vše moderní je prostě sériové a má málo pinů - např. USB, Hub architektura, Hyper Transport atd. • Lepší kabeláž - kabely s málo piny jsou ideální z hlediska montáže i proudění vzduchu. Serial ATA používá pouze čtyři signální piny. • Ideální pro mobilní použití - Snížené napětí znamená také nižší spotřebu, což je výhodné především u notebooků. • Žádný master/slave - Odpadají problémy s nastavováním jumperů. • Podpora velkých disků - Díky novému způsobu adresování je odstraněn limit 128 GB. • Cenově výhodné - Celkově větší integrace a méně pinů znamená nižší výrobní cenu.
O tom, že nové kabely jsou opravdu příjemným "osvěžením", se můžete přesvědčit na tomto obrázku:
128
129
Serial ATA první generace První generace Serial ATA je zcela hotová, na druhé generaci se usilovně pracuje. Třetí je prozatím ve stádiu plánu.
První generace nabídne rychlost přenosu 150 Mbytů/s, což je o padesát procent více než nabízí dnes používané rozhraní ATA-100. Situace kolem ATA-133 je poněkud komplikovaná. Intel, Seagate ani IBM nehodlají podporovat iniciativu Maxtoru v prosazování technologie FastDrive, protože tato větev vývoje je podle nich již zbytečná. Jediná výhoda spočívá v podpoře disků větších než 128 GB díky použití 48bit LBA adresování namísto 28bitového. Pouze Maxtor ale nabízí disky s větší kapacitou. 9.8.2.2. Konektory Mezi nejvýznamnější změnu patří nové konektory.
130
Protože Serial ATA je zamýšleno i pro hot-plug použití (připojení a odpojení za chodu), byly vyvinuty dva typy konektorů. Pod označením a) až d) je vidět hot plug konektor, přičemž a) a c) je signální část a b) a d) napájení. Tento konektor se pojí s konektorem pod označením g). Pod označením e) se nachází klasický signální (ne hot plug) kabel připojený ke konektoru pod označením f). Signální kabely mohou být dlouhé až jeden metr. Žádné jumpery Kromě kabelů a vyšší rychlosti přináší Serial ATA také změnu v podobě master/slave nastavení. Probléme m dnešního paralelníh o ATA rozhraní je nemožnost přistupová ní k oběma diskům zároveň, pokud jsou připojené jako master/slave. To znamená, že vždy je nutné nejdříve ukončit komunikaci s jedním diskem, pak změnit časování (změnit režim přenosu, pokud jsou rozdílné) a teprve pak je možné připojit se k druhému disku. To trvá dlouho a není to vůbec efektivní. Rozdíl zle poznat připojením dvou disků jako master/slave na jeden IDE a posléze každý na samostatné IDE. Zatímco současné uspořádání u paralelního ATA počítá s dvěma zařízeními připojenými na stejný kabel (= na stejný kanál IDE) a nastavenými jako Master a Slave Serial ATA zná pouze Master: To je velmi 131
výhodné, protože jednak není nutné nastavovat Master /Slave (/Single Drive) jumper a pak také - a to je nejdůležitější, disky se při komunikaci již nemusí střídat.
Aby byla zachována kompatibilita se současným softwarem, je do specifikace zařazena také emulace stávajícího paralelního ATA, a to dokonce v takovém rozsahu, že je možné emulovat i režim-Master/Slave. Další generace v roce 2004 Serial ATA druhé generace bylo jedním z hlavních témat nedávného Intel Developer Forum. Tato nová specifikace přinese zdvojnásobení rychlosti přenosu na 300 MB/s a světlo světa spatří v roce 2003 s plánovaným uvedením na trh v roce 2004. Do té doby bude jistě paralelní ATA v nových počítačích. S.M.A.R.T. - chytrý, bystrý. V oblasti pevných disků znamená tato zkratka Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology. Zkratka přesně vystihuje význam slov z nichž je složena. S.M.A.R.T. dnes podporují všechny novější disky. Jak již název napovídá, S.M.A.R.T. je technologie automatického monitorování pevného disku a jeho testování. Disk během běžné operace kontroluje pomocí firmware (software sloužící k ovládání zařízení) svůj chod a jakmile se vyskytne nějaký problém, automaticky si uloží do EEPROM paměti, co se stalo. Takto se dá snadno zjistit, v čem byl problém. Vlastní analýza spočívá v proceduře samotestování. Firmware je schopen vyzkoušet základní funkce přímo na úrovni pevného disku, bez vlivu operačního systému. Test je možné pomocí speciálních programů spouštět i z prostředí Windows.
9.10
IDE
Rozhraní IDE jakožto levnější alternativa k SCSI prodělalo od svého vzniku řadu proměn. Navíc, díky různým marketingovým kampaním byl význam některých standardů zkreslen či zaměněn. V následující tabulce se pokusíme přiblížit rozdíly v různých přenosových protokolech tak, jak jsou oficálně definovány:
132
rozhraní známé též jako ATA-1
ATA-2
ATA, IDE
EIDE (Enhanced IDE) Fast-ATA-2
ATA-4
ATA-5 ATA-6
UDMA Mode 0 UDMA Mode 1 Ultra-ATA, Ultra DMA, Ultra DMA/33, UDMA Mode 2 UDMA Mode 3 Ultra-ATA/66, Ultra DMA/66, UDMA Mode 4 Ultra-ATA/100, Ultra DMA/100, UDMA Mode 4+, UDMA Mode 5
protokol SW DMA 0 PIO 0 SW DMA 1 MW DMA 0 PIO 1 PIO 2 SW DMA 2 PIO 3 MW DMA 1 PIO 4 MW DMA 2 UDMA 0 UDMA 1 UDMA 2 UDMA 3 UDMA 4 UDMA 5
kabel 40-žilový 40-žilový 40-žilový 40-žilový 40-žilový 40-žilový 40-žilový 40-žilový 40-žilový 40-žilový 40-žilový 40-žilový 40-žilový 40-žilový 80-žilový 80-žilový 80-žilový
vysvětlivky: • SW = single word • MW = multi word • PIO = přenos dat řízený procesorem • DMA = přímý přístup do paměti; při použití tohoto protokolu cestují data z disku do paměti bez nutnosti řízení centrálním procesorem, čili vlastní diskové přenosy nezatěžují tolik systém jako celek Slovníček areal density - plošná hustota záznamu na diskovém médiu (Mb/in2 - megabitů na čtvereční palec) average latency - průměrná prodleva mezi nastavením čtecí / záznamové hlavy nad určenou stopu a dobou, než se určený sektor díky otáčení diskových ploten dostane do pozice pod hlavou. average seek - průměrná přístupová doba k libovolnému místu na disku (ms milisekundy). Čas potřebný k tomu, aby se čtecí / záznamová hlava dostala nad určený sektor. buffer - vyrovnávací paměť disku. Její část je však často využita pro firmware disku, což snižuje její využitelnou kapacitu. capacity - nominální velikost disku udávaná výrobci je obvykle větší, než skutečná. Důvodem je odlišný přepočet velikosti 1KB. Binární matematika v oblasti počítačů diktuje vzorec 1KB=1024B, 1MB=1024KB, atd. V případě pevných disků je však použit princip 1KB=1000B, 1MB=1000KB, atd. Důvod je prostý. Při použití druhého postupu docílíme větší nominální kapacity disku, což výrobcům samozřejmě hraje do karet. Příklad: disk o udané kapacitě 13,6GB má skutečnou kapacitu 13,6*1000*1000*1000/1024/1024/1024GB=12,67GB. Toto je také údaj, který vidíme ve většině programů, včetně průzkumníka Windows. CHS - původní metoda adresování sektorů na disku. Při každém přístupu na disk se používají hodnoty cylinder (stopa), head (čtecí hlava), sector. U menších disků údaj o maximálním počtu cylindrů / hlav / sektorů odpovídá skutečné topologii disku, u větších z důvodů omezení BIOS / IDE rozhraní udávají hodnoty přepočtené tak, aby bylo možné přistupovat k diskům až do velikosti cca 8,4GB. 133
rychlost 2,1 MB/s 3,3 MB/s 4,2 MB/s 4,2 MB/s 5,2 MB/s 8,3 MB/s 8,3 MB/s 11,1 MB/s 13,3 MB/s 16,7 MB/s 16,7 MB/s 16,7 MB/s 25 MB/s 33,3 MB/s 50 MB/s 66,7 MB/s 100 MB/s
controller overhead - prodleva při přístupu k disku vzniklá zpracováním příkazu elektronikou disku. Většinou menší než 0,3ms. LBA - metoda lineárního adresování sektorů na disku (Logical Block Addressing), umožňující přístup až k 137GB prostoru na disku. media rate - rychlost přenosu dat mezi povrchem disku a elektronikou disku (MB/s). přenosová rychlost - rychlost, jakou je program schopen přenášet (číst, zapisovat) data mezi diskem a operační pamětí. Maximální hodnoty jsou obvykle o 30-50% nižší, než media rate, reálné hodnoty se vlivem několikanásobného zpracování dat softwarem nezřídka pohybují okolo 20% hodnoty media rate. recording density - délková hustota záznamu na diskovém médiu (kbpi kilobitů na palec). rotation speed - rychlost otáčení diskových ploten (RPM - otáček za minutu). Čím vyšší, tím větší přenosová rychlost, menší přístupová doba a prodleva (latency). V současnosti jsou běžné rychlosti 5400, 7200, 10000, 15000. surface capacity - kapacita 1 strany 1 plotny disku. Čím vyšší, tím rychlejší přenosová rychlost. track density - počet stop (cylindrů) na palec zone recording - vzhledem k různé délce stop na disku (menší u středu, větší při okraji) se používá různý počet sektorů na stopu. Oblast se stejným počtem sektorů na stopu se nazývá zóna. Bez použití této metody (časté u starších disků) jsou sektory na vnějším okraji 'delší', tudíž se plně nevyužije kapacita disku. Přenosová rychlost (Disk Transfer)
Celková přístupová doba (Access Time)
134
V tomto testu nejrychleji nalézá zadaná data nový Maxtor D740X - i když náskok před ostatní 7200 ot. konkurencí je nevelký. Seagate U6 v tomto testu vyloženě propadá. 9.10.1
Zahřívání disku
Teplota disku dnešních vysokootáčkových disků je poměrně značnou položkou v tepelné bilanci celého počítače (přehřívání počítače je častou příčinou zvýšené poruchovosti sestavy). Teplotu jsme měřili tepelným čidlem umístěném na povrchu disku, jež byl namontován v běžné PC skříni.
9.10.2
Akustický "smog"
V této kapitole si lze poslechnout test hlučnosti šesti pevných disků. Zvuk byl nahráván v malé molitanové komůrce kondenzátorovým mikrofonem umístěným 1cm nad středem disku. Prvních 5s každého zvukového vzorku je disk ve stavu klidu, kdy se pouze otáčejí plotny, následně je spuštěn intenzivní test - tato část zvukového vzorku trvá asi 10s. 135
Seřazení disků v testu: • 1 - IBM • 2 - Maxtor D740X • 3 - Western Digital • 4 - Seagate U6 • 5 - Barracuda IV • 6 - Seagate Medalist Informační zdroje: Internet: [1] http://www.pctuning.cz [2] http://www.svethardware.cz [3] http://www.hardisky.cz
136
10
ROZHRANÍ PEVNÝCH DISKŮ
Rozhraní pevných disků jsou zařízení, která zprostředkovávají komunikaci mezi pevným diskem a ostatními částmi počítače. Rozhraní pevného disku určuje způsob komunikace a tím typ disku, který je možné k němu připojit.
10.1
Další informac
http://pcworld.cz ware/strucna-his pevnych-disku-
Rozhraní ST506
Bylo vyrobeno firmou Shutgart Technologies s původním označením ST506/412. Jde se o první ve větší míře používané rozhraní pevných disků pro počítače typu PC. Disky pracující s tímto rozhraním posílají kompletně modulovaný signál včetně synchronizačních impulsů, které je nutné potom oddělit od datových bitů. Toto rozhraní bylo určeno pro 5 mil. impulsů za sekundu. Toto rozhraní umělo pracovat s disky, které měly maximálně 16 hlav, a bylo možné k němu připojit maximálně dva disky. Rozhraní ST506 nebylo konstruováno pro připojování jiných zařízení než pevné disky. Jednalo se o rozhraní, které bylo poměrně náchylné na rušení a vyžadovalo tedy co možná nejkratší a kvalitní kabeláž. ST506 bylo s disky spojeno dvěma kabely: • 20 žilový kabel pro přenos dat ( pro každý disk zvláštní kabel ) • 34 žilový kabel pro přenos řídících informací ( společný pro oba disky )
137
Další nevýhodou tohoto rozhraní je jeho poměrně komplikovaná komunikace s diskem. Rozhraní totiž neumí přikázat disku, aby vystavil hlavy na nějaký konkrétní cylindr. Je možné vysílat pouze příkazy pro přesunutí hlav na následující popř. předcházející cylindr. U rozhraní ST506 také není možné programově zjistit informace o geometrii připojených pevných disků.
10.2
Rozhraní ESDI
Rozhraní ESDI ( Enhanced Small Device Interface ) vzniklo začátkem 80. let jako snaha o standardní rozhraní pro připojovaní periferií, které by nahradilo rozhraní ST506. Jedná se o výrazně zlepšené rozhraní ST506, u kterého jsou data přenášena sériově a řídící informace paralelně. Vylepšení oproti rozhraní ST506: • • • • •
podpora disků, které mohou mít až 256 hlav vyšší přenosovou rychlost dat ( až 24 Mb/s ) zasílání informace o své konfiguraci a je možné programově zjistit informace o geometrii pevného disku dekódování informací je prováděno přímo na desce pevného disku, což snižuje náchylnost na rušení a dovoluje použití delších propojovacích kabelů dovoluje připojit i jiná zařízení, než jsou pevné disky
Rozhraní ESDI zachovává stejnou kabeláž jako rozhraní ST506 a dovoluje také připojit maximálně dvě zařízení.
10.3
Rozhraní IDE
Rozhraní IDE ( Integrated Device Electronics ) nazývané AT-Bus bylo navrženo v roce 1986 firmami Western Digital a Compaq jako následník rozhraní ST506. Cílem bylo navrhnout levné rozhraní, které by poskytovalo vyšší výkon než předcházející dvě rozhraní. Jedním z limitujících faktorů jak u rozhraní ST506, tak u rozhraní ESDI byl propojující kabel. Čím je delší kabel, tím nižší je maximální přenosová rychlost a tím vyšší je hladina šumu. Tato úvaha vedla k závěru, že hlavní řídící jednotka disku byla umístěna přímo na pevný disk ( tím se zkrátil kabel na minimum ) a vlastní rozhraní už slouží pouze jako prostředník mezi diskem a sběrnicí. Díky tomuto řešení se podstatně snížila hladina šumu a je možné umístit na jednu stopu vyšší počet sektorů ( 26 až 35 ). Teoretická hranice přenosové rychlosti je 8 MB/s a prakticky se pohybuje asi v rozmezí od 700 kB/s do 1400 kB/s. Zapojení diskových jednotek IDE se provádí pomocí jednoho 40 138
žilového kabelu. Rozhraní IDE podobně dovoluje programově zjistit informace o geometrii připojených disků a je možné k němu připojit maximálně dva pevné disky. Protože každý z disků má svou řídící jednotku umístěnu přímo u sebe, je nutné v případě zapojení dvou disků tyto disky nastavit pomocí propojek ( jumperů ) tak, aby jeden z nich byl jako master ( hlavní ) a druhý jako slave ( podřízený ). Operační systém se pak bude zavádět z disku označeného jako master. Doporučuje se, aby jako master byl nastaven novější disk, protože je možné předpokládat, že jeho elektronika bude lepší než elektronika staršího disku. V případě zapojení jednoho disku je nutné tento disk nastavit jako single ( jediný ). Toto nastavení bývá někdy shodné jako nastavení pro master.
Obrázek 2. Zapojení jednoho disku
Obrázek 3. Zapojení dvou disků
Vzhledem k jednoduchosti rozhraní IDE bývá velmi často toto rozhraní integrováno na jedné desce společně s I/O porty.
Při komunikaci s pevným diskem má rozhraní IDE následující omezení: • 4 bity pro adresaci povrchu disku (maximálně 16 povrchů) • 10 bitů pro adresaci cylindru (maximálně 1024 cylindrů) • 6 bitů pro adresaci sektoru (maximálně 64 sektorů) Při zápisu 512 B do jednoho sektoru je takto kapacita omezena na 512 MB.
10.4
Rozhraní EIDE
Rozhraní EIDE ( Enhanced Integrated Device Eelectronics ) je stejně jako jeho předchůdce navrženo firmou Western Digital. 139
Vychází ze standardu IDE, zachovává kompatibilitu zdola a odstraňuje následující nedostatky rozhraní IDE: • dovoluje zapojení až čtyř zařízení • dovoluje zapojení i jiných zařízení než jsou pevné disky (např. CD-ROM, páskové mechaniky atd.) • při práci s diskem používá adresovací metodu LBA ( Linear Block Address ), která eliminuje omezení kapacity disku na 512 MB. Při adresaci LBA je rezervováno: • 4 bity pro povrch (maximálně 16 povrchů) • 16 bitů pro cylindr (maximálně 65536 cylindrů) • 8 bitů pro sektor (maximálně 256 sektorů) • poskytuje vyšší přenosovou rychlost a může komunikovat buď prostřednictvím režimu PIO (Processor Input Output), nebo prostřednictvím DMA (Direct Memory Access) režimu. • PIO: režim, při kterém je přenos dat řízen procesorem. Tento režim se postupně vyvíjel a poskytoval stále větší rychlost: • PIO 0: maximální přenosová rychlost je 2-3 MB/s • PIO 1: maximální přenosová rychlost je 5,22 MB/s • PIO 2: maximální přenosová rychlost je 8.33 MB/s • PIO 3: pro VL-Bus a PCI maximální přenosová rychlost je 11,1 MB/s • PIO 4: maximální přenosová rychlost je 16,6 MB/s • PIO 5: maximální přenosová rychlost je 20 MB/s • DMA: režim, ve kterém se pro přenos dat nevyužívá procesor: • DMA 0: maximální přenosová rychlost je 2,08 MB/s • DMA 1: maximální přenosová rychlost je 4,17 MB/s • DMA 2: maximální přenosová rychlost je 8,33 MB/s • DMA Multiword 0: maximální přenosová rychlost je 4,17 MB/s • DMA Multiword 1: maximální přenosová rychlost je 13,3 MB/s • DMA Mulitword 2: maximální přenosová rychlost je 16,6 - 22 MB/s
140
Jednotlivá zařízení připojená k EIDE rozhraní jsou zapojena na dva kanály: • primární ( primary IDE ) • sekundární ( seconadary IDE ) Na každý kanál je možné připojit maximálně dvě zařízení pomocí 40 žilového kabelu, který je shodný s kabelem IDE. Na obou kanálech je potom u jednotlivých zařízení nutné nastavit správným způsobem propojky do pozic master/slave/single. Nastavování se provádí podle stejných pravidel jako u IDE rozhraní. Operační systém se standardně zavádí ze zařízení master (single) na primárním kanálu. Při zapojování zařízení se nedoporučuje na jednom kanále kombinovat rychlé zařízení ( např. pevný disk ) s pomalejším zařízením ( např. CD-ROM ), protože pak dochází ke zpomalování celého kanálu a tím i pevného disku. Obrázek 4. Plně obsazené EIDE rozhraní
10.5
Rozhraní SCSI
Rozhraní SCSI ( Small Computer Systems Interface ) bylo vyvíjeno zhruba ve stejné době jako rozhraní ESDI. Cílem SCSI bylo vytvořit standardní rozhraní poskytující sběrnici pro připojení dalších zařízení. SCSI dovoluje připojit ke své sběrnici až 8 různých zařízení, z nichž jedno musí být vlastní SCSI rozhraní. Mezi další velké výhody patří možnost připojení nejen interních zařízení, jako tomu bylo u všech předchozích rozhraní, ale i zařízení externích. SCSI není pevně vázáno na počítač řady PC, ale je možné se s ním setkat i u jiných počítačů ( např.: MacIntosh, Sun Microsystem, Sillicon Graphics ). Jednotlivá zařízení jsou propojená pomocí 50 vodičové sběrnice a nesou jednoznačnou identifikaci v podobě ID čísla ( v rozmezí 0-7 ). ID 7 bývá většinou nastaveno na SCSI rozhraní a ID 0 bývá zařízení, ze kterého se zavádí operační systém. Sběrnice musí být na posledních zařízeních ukončena tzv. terminátory ( zakončovací odpory ), které ji impedančně přizpůsobují a zabraňují tak odrazu signálů od konce vedení. Tyto terminátory jsou buď součástí zařízení, nebo lze použít externí terminátory.
141
Další infor
http://www.fi usr/pelikan/A TEXTY/ROZ
Obrázek 5. Zapojení zařízení na rozhraní SCSI
V prvních verzích SCSI-1 byla data i příkazy přenášeny po 8 bitové datové sběrnici a rychlost přenosu byla asi 2-4 MB/s. SCSI rozhraní existuje ve formě: • zásuvného modulu - karty • externě připojitelného modulu přes paralelní port Interně montované karty mají zpravidla dva konektory: • konektor pro připojení interních zařízení • konektor pro připojení externích zařízení K SCSI rozhraní je možné připojovat celou řadu různých zařízení, jako jsou např. pevné disky, CD-ROM mechaniky, páskové jednotky scannery, magnetooptické disky. Externí zařízení mají dva konektory : • vstupní: směrem od řadiče • výstupní: směrem k dalšímu zařízení
10.6
POPIS SCSI
S pojmem SCSI se setkáváme stále častěji, avšak ne každý má SCSI ve svém počítači. Všeobecná známost o SCSI je asi taková, že je to rozhraní pro pevné disky serverů. Není to tak úplně nepravda, ale ani to není úplná pravda. SCSI je zkratka anglického Small Computer System Interface ( doslova "malé počítačové systémové rozhraní" ), což je název poněkud zavádějící. SCSI není ani tak rozhraním jako spíše sběrnicí a přívlastek "malé", označující její používání v malých počítačích, dnes už také neplatí - kromě opravdu "velkých" počítačů je možné se s SCSI setkat téměř všude. První podnět v oblasti SCSI se datuje do roku 1979 a náleží kalifornské firmě Shugart, která toto sběrnicové rozhraní představila poprvé v roce 1981, a díky tomu, že byla zveřejněna i jeho specifikace, stalo se zakrátko standardem, na jehož dalším vývoji pracuje v současné době asi 50 firem včetně takových jako jsou Adaptec, AT&T, DEC, IBM, Maxtor, Seagate, SUN, Western Digital a další. Sběrnice SCSI se používá převážně k připojení různých počítačových periferií ( pevné disky, scannery, CD mechaniky, páskové zálohovací mechaniky apod. ). SCSI je kabelová sběrnice a je vhodná dokonce i pro propojení počítačů mezi sebou nebo připojení přenosných počítačů do sítě nebo k pevně umístěným periferním zařízením. V počítačích je SCSI sběrnice nejčastěji realizována pomocí zásuvné karty pro ISA nebo PCI sběrnici, která se nazývá řadič SCSI. Další možností realizace je externí převodník připojovaný k počítači přes paralelní port ( nebo PCMCIA kartu ), případně může být SCSI řadič integrován přímo v základní desce. Protože SCSI je kabelovou sběrnicí, po které se šíří vysokofrekvenční signály ( 540Mhz ), musí mít určité fyzikální vlastnosti, aby nedocházelo k rušení signálů. V 142
první řadě je omezena její délka ( 1,5-6 metrů podle typu ) a dále je nutné, aby její konce byly terminovány ( ukončeny - v podstatě ohmickým odporem, který na koncích sběrnice zabraňuje odrazu signálů, které by způsobovaly rušení ). V praxi se terminace provádí buď samostatným členem ( terminátorem ), novější zařízení už umožňují zapnout v sobě obsažený terminátor ( nejnovější to dokážou rozpoznat automaticky ). Jednou z nejvýraznějších charakteristik ( a také výhod ) je její nezávislost na připojovaných zařízeních ( hardware ). Každé zařízení připojené k SCSI musí proto mít vlastní řadič vyhovující definicím SCSI, který se stará o komunikaci tohoto zařízení s ostatními. Komunikaci na SCSI řídí SCSI řadič, takže touto činností není zatěžován procesor. Zařízení jsou rozdělena do několika tříd, v rámci nichž se s nimi pracuje stejným způsobem. Komunikace pak probíhá tak, že iniciátor ( většinou řadič - na popud počítače ) předá požadavek na přenos dat provádějícímu zařízení ( targetu ), které po ukončení přenosu o tom podá iniciátoru zprávu. Iniciátor se mezitím může věnovat jiné činnosti. SCSI také disponuje funkcí Disconnect/Reselect-Function ( funkce rozpojení a opětovného zřízení spojení ), která umožňuje v době, kdy zařízení provádí interní činnosti (nastavení hlav pevného disku, vyhledání místa na pásce apod. ), dát sběrnici fyzicky k dispozici pro jiný přenos, aniž by došlo k logickému přerušení předchozího spojení ( tím je možno dosáhnout výrazně vyššího výkonu v případě více připojených zařízení ). Další možností optimalizace je Command Queuing ( příkazová fronta ) - zařízení zpracovává požadované příkazy ne podle toho, jaká je jejich časová posloupnost, ale tak, jak je to pro ně optimální. Základní charakteristiky SCSI: • nezávislost na typu zařízení - toho se dosahuje definováním logického rozhraní, přes které je přenášen souvislý sled logických datových bloků • bezpečný přenos korektních dat - o korektní přenos dat se stará samo zařízení pomocí paritních signálů • zřetězení a optimalizace příkazů • vysoký výkon • společné sady příkazů pro všechny třídy zařízení Každé SCSI zařízení musí mít jednoznačně přiřazenou adresu ( SCSI ID identifikační bit ), kterou přiděluje uživatel ( jumpery na příslušném zařízení nebo softwarově, je-li to zařízením umožněno ). Každé adrese je pevně přiřazena priorita, to je důležité v případě, kdy chce sběrnici používat několik zařízení současně. Nejvyšší prioritu má adresa číslo 7, která je přidělována řadiči, dále priorita klesá od adresy 7 do 0 a ještě dále od adresy 15 k 8. Standardy SCSI se vyvíjely a dále se vyvíjejí. Prvním standardem byl SCSI-1, který definoval jako osmibitovou sběrnici pracující na frekvenci 5MHz, tedy s přenosovou rychlostí 5MB/s ( = 8bitů x 5MHz / 8 ). Protože je SCSI-1 osmibitová, může k ní být připojeno maximálně osm zařízení, z nichž jedním musí být řadič ( zbývá tedy sedm možností pro připojení ostatních zařízení ). Dalším standardem se stal SCSI-2, který přinesl dvě významná vylepšení - rozšíření sběrnice na 16 bitů ( označuje se jako Wide ) a zvýšení frekvence na 10MHz ( Fast ). Místo označení SCSI-2 se v praxi používají názvy těchto rozšíření, které SCSI charakterizují. SCSI3 přinesl mimo jiné ještě další zvyšování frekvence na 20 MHz ( Ultra SCSI ) a 40 143
MHz ( Ultra2 SCSI ). Obě Ultra i Ultra2 SCSI lze pochopitelně rozšířit na 16 bitů takže získáme přenosovou rychlost až 80MB/s v případě Fast Ultra2 SCSI. Rozšiřování sběrnice a zvyšování její frekvence však s sebou přineslo jednu nepříjemnou skutečnost, a tou je nutnost jejího zkracování. Proto byla vyvinuta technologie LVD ( Low Voltage Differential ), kterou lze aplikovat na všechny standardy SCSI a může mít maximální délku až 12 metrů.
Charakteristiky jednotlivých standardů jsou shrnuty v následující tabulce: Typ SCSI-1 Fast SCSI-2 Wide SCSI-2 Fast Wide SCSI-2 Ultra SCSI-3 Ultra2 SCSI-3 Wide Ultra SCSI-3 Wide Ultra2 SCSI-3
Datová šířka Frekvence Přenosová rychlost 8 bitů 5 MHz 5 MB/s 8 bitů 10 MHz 10 MB/s 16 bitů 5 MHz 10 MB/s 16 bitů 10 MHz 20 MB/s 8 bitů 20 MHz 20 MB/s 8 bitů 40 MHz 40 MB/s 16 bitů 20 MHz 40 MB/s 16 bitů 40 MHz 80 MB/s Tabulka 1. Charakteristiky jednotlivých standardů
Max. zařízení 8 8 16 16 8 8 16 16
Typ SCSI je dán pochopitelně použitým řadičem, přičemž jednotlivé standardy jsou zpětně kompatibilní, což znamená, že je možné současně používat zařízení libovolných standardů ( celkový výkon pak bude samozřejmě limitován nejpomalejším zařízením ).
10.7
KONEKTOR SCSI
25 pinový konektor CANON se používal původně na počítačích typu Macintosh. 50 pinový konektor typu CENTRONICS ( Amphenol ) se zapojuje stejně jako dvou řadý konektor k pevnému disku, ale narozdíl od něj má jinak číslované piny ( 1-25, 26-50 ).
144
Obrázek 6. Zapojení konektoru SCSI
10.8
SERIAL SCSI
O Serial ATA se již hovoří nějakou dobu. O oživení programu v oblasti high-end SCSI disků projevily zájem společnosti Compaq, IBM a větší výrobci pevných disků. Po léta souběžně existovaly dva standardy v připojování pevných disků v počítačích - ATA ( obecně IDE ) použitelná především pro běžná PC a rychlejší, ale mnohem nákladnější, SCSI využitelná v serverech. Doposud se SCSI vydala cestou extenzivní - postupné zvyšování na 80 až k Ultra320 SCSI ( kde údaj 320 vyjadřuje přenos v MB/s pro každý jeden kanál ). )
Nyní se naskýtá možnost dalšího zvýšení rychlosti pomocí Serial SCSI. To, že se přejde na sériový přenos dat, kdy je možné po jednom kabelu nastavit rychlost přenosu dat nezávisle na druhém již víme. A dále samozřejmě také to, že pro sériový přenos vznikají problémy se synchronizací. Co ale neznáme, je přenosová rychlost, jakou můžeme od Serial SCSI očekávat.
10.9
POPIS SCSI-3
Zpočátku účelové připojení pevných disků přes SCSI rozhraní se postupem času vyvíjelo až k Ultra SCSI-3. Narozdíl od svých předešlých standardů se také značné zvýšila propustnost. Disky s rozhraním Ultra3 nyní komunikují rychlostí až 160 MB/s. Jelikož se jedná o poměrně novou záležitost, ani označení není dosud jednoznačně ustálené. Název Ultra3 nebo také Ultra160 vyjadřují ve své podstatě stejný standart pro SCSI připojení. Připojení na Ultra3 je z hlediska rychlosti velmi podstatným přínosem. Své disky nabízí s tímto rozhraním i IBM pod označením IBM Ultrastar. Dále také aktivně vyvíjí tuto novou technologii, čímž hodlá viditelně odlišit disky IBM Ultrastar ( především ve výkonu ). Pevné disky IBM Ultrastar budou podporovat následující rysy: 145
•
• •
Ultra3 SCSI. Především je to vylepšená oprava chyb CRC ( Cyclic redundancy check ) a vyšší spolehlivost při přenosu dat. Dále pak funkce, která ověřuje a optimalizuje interní procesy mezi SCSI jednotkami. Dvojnásobný přechod hodinových pulsů umožňuje přenos dat bez nutnosti zvýšení hodinové frekvence. Oproti Ultra2 SCSI jsou jednotky s rozhraním Ultra160 SCSI použitelné pro záležitosti, kde je potřebné zvýšení výkonu a zároveň musí být dodržena zpětná kompatibilita.
10.10
ULTRA 320 SCSI
Společnosti Adaptec, LSI Logic ( dříve Symbios Logic ) a Seagate oznámily že jejich budoucí produkty budou podporovat rozhraní Ultra320 SCSI ( SPI-4 ). Na dostupnost si budeme muset počkat až zhruba do poloviny roku 2002. První prototypy těchto zařízení představil Seagate na posledním Comdexu. Ultra320 SCSI je další generace SCSI, umožňující komunikaci rychlostí až 320 MB/s v kanále, nebo dvoukanálově až 640 MB/s. Přechod z Ultra160 na Ultra320 nemá být přitom složitý a finančně náročný. IBM toto rozhraní podporuje rovněž.
10.11
Příklad PCMCIA SCSI adaptérů
10.11.1
SCSI Bus Toaster
SCSI adaptér v provedení PCMCIA umožňuje připojit k systémům s libovolným slotem standardu 2.0 periferní zařízení jako CD-ROM, scannery, SCSI pevné disky atd. Adaptér podporuje až 7 SCSI-II zařízení s přenosovou rychlostí v asynchronním režimu 5 MB/s. Tato zařízení jsou připojována k adapteru speciálním kabelem, ukončeným konektory Centronics a HD SCSI II ( s redukcí ). Adaptér s PCMCIA ovladači umožňuje provádět zasunutí nebo vysunutí adaptéru v libovolném okamžiku, nezávisle na tom, zdali se přes adaptér přesunují data, nebo je neaktivní. Karta je vysoce kompatibilní a rychlostně plně srovnatelná s SCSI-II ISA adaptéry ( stejná rychlost jako SCSI ISA adaptér Adaptec 1542-test k dispozici ). Bus Toaster je v současnosti nejrychlejší PCMCIA SCSI kartou. Adaptér provádí aktivní ukončení SCSI sběrnice, které se automaticky vypíná, jestliže je adaptér neaktivní. Adaptér obsahuje 128byte velkou FIFO bufer paměť, což též znatelně zlepšuje okamžitou odezvu připojených zařízení. Adaptér je podporován i v OS/2, Windows NT 3.51, NT 4.0 a Windows 95/98/2000. Obrázek 7. SCSI Bus Toaster Technická specifikace: 146
• • • • •
PCMCIA Release 2.1, typ II podpora 7 SCSI zařízení aktivní zakončení SCSI sběrnice v adaptéru kompatibilní s MS-Windows a multimedia PC (MPC) podpora ‘multi-tasking’ a zřetězených operací
Zakončení: Buffer: Prostředí teplota: Relativní vlhkost: Přenos: Příkon: Podporované OS:
10.11.2
High Density SCSI II + redukce pro Centronics 128kB 0°C-50°C operační 10%-90% nekondenzující 10MB/s burst, 3MB/s asynchronní režim operační 170mA, neoperační 20mA, standby s APM 0mA Windows 95/98, NT 4.0
Ultra ( Wide ) SCSI
Firma Ratoc nabízí dva druhy CardBus adaptérů. Ultra SCSI ( 20MB/s ) a Ultra Wide SCSI ( 40 MB/s v synchronním režimu ). Adaptéry podporuje standardy Ultra Wide SCSI, Ultra SCSI, Fast SCSI a SCSI-1. Tyto rychlosti umožňuje nejen CardBus architektura, ale též zabudovaný RISC procesor v kartě. Adaptér podporuje OS nejen na platformě PC - Windows 95/ 98 / ME / 2000 ale ve speciální verzi i Mac OS ver. 8.1 a 8.5 ( pro Powerbook G3 ). Dodávaný kabel umožňuje připojení pomocí 50-ti pinového high density konektoru. Ultra Wide Technická specifikace: Zakončení: Prostředí: Přenos: Příkon: Podporované OS:
Ultra - HD SCSI 50 + redukce Centronics, Wide - HD SCSI 50 + HD SCSI 68 0°C-55°C operační 40MB/s Ultra Wide (jen Wide karta), 20MB/s Ultra SCSI, 10MB/s Fast SCSI Ultra Wide 150mA operační, 100mAneoper., 41mA standby, Wide 300/130/77mA Windows 95/98/ME/2000, Ultra Wide i NT 4.0, Linux
verze obsahuje navíc ještě kabel se 68-pinovým konektorem pro Wide zařízení.
10.11.3
Zvukový / SCSI adaptér
Tento PCMCIA adaptér nabízí kombinaci dvou základních multimediálních adaptérů - zvukového a SCSI. V adaptéru typu II jsou v podstatě zabudovány dva adaptéry firmy New Media, zvukový .WAV Jammer a SCSI-II Bus Toaster. Zvukový/SCSI adaptér se konfiguruje do počítače speciálním ovladačem, který spolupracuje se všemi hlavními PCMCIA programy ( SystemSoft, Award/VMI, Phoenix ) a svojí přítomností v paměti neruší činnost ostatních adaptérů. Typ PCMCIA Release 2.1. Zvuk: Kompatibilní s Microsoft Sound System, AdLib, Sound Blaster ( pouze v MS Windows ). Analogové a digitální směšování signály. Konektory: • stereo line in, out, stereo mikrofon, 147
• •
stereo speaker, mikrofon, nelze připojit MIDI modul
Vzorkovací frekvence: Zvukový modul: DMA buffer: Fyzické rozhraní: Podpora souborů:
až 44,1kHz, 16-bitů stereo až 4 bity mono OPL3 32kB ( soft. emulace DMA ) kabel 15cm ,MAM ( Media Access Module ) 4x1/8” .wav, .aif, .voc, .snd, .mid, .ami, .and, .avi
SCSI: Fyzické rozhraní: Příkon: Prostředí - teplota: Relativní vlhkost: Podporované OS:
kabel 90 cm ,MAM (Media Access Module) , ukončení pro SCSI operační 180mA, neoperační 110mA, standby s APM 0mA 0°C-50°C operační /0°C-60°C neoperační 10%-90% nekondenzující MS-DOS, Windows 3.x, Windows 95, Windows 98
148
11 Další informace
http://hw.cz/rs-232
Využití rozhraní RS232
Chceme-li pomocí počítače řídit nebo sledovat reálné procesy, potřebujeme v prvé řadě vhodné spojení počítače s vnějším světem. Program musí mít možnost přijímat zvnějška informace a předávat vnějším zařízením řídící signály. Zpracovávané informace mohou být dodávány v binárním tvaru, tedy ve formě rozhodování ( ANO / NE ) nebo v podobě analogových veličin ( Větší / Menší ). Potřebnou bránu k vnějšímu světu přestavuje rozhraní (interface). Pro PC odpovídající průmyslovému standardu se prosadily následující typy rozhraní: Přídavné desky se zasunují do volných slotů počítače a umožňují největší rychlosti zpracování, jsou však také spojeny s vysokými náklady. Standardní rozhraní spojují počítač s extrémními obvody. Obvyklé je například sériové rozhraní RS 232, které je možno realizovat za příznivou cenu. Rozhraní s vlastním procesorem jsou schopna realizovat své úkoly do značné míry bez přenosu dat s PC. Uživatel se přitom musí navíc vypořádat s programováním těchto systémů. Rozhraní PC, která již v PC tak jako tak jsou, tedy sériové porty, porty tiskáren (paralelní porty) a také porty pro joystick (port her – game port) je často možno přímo použít v roli požadovaného rozhraní. Díky tomu není pro mnoho aplikací nutný žádný dodatečný hardware. Přímé použití existujících rozhraní se hodí zejména pro jednoduché pokusy. Je například možno přímo na sériové porty připojovat přepínače a světelné diody a realizovat tak mnoho zajímavých návrhů. Paralelní port čili rozhraní tiskárny poskytuje větší počet přímo použitelných linek, s nimiž je možno dosahovat vysokých rychlostí přenosu dat. Mnohá omezení lze překonat pomocí jednoduchých přídavných obvodů. Tak například lze pomocí několika přidaných součástek zaznamenávat elektrické napětí, použijete-li trochu složitější programy a spokojíte-li se s menšími rychlostmi. I návrhy s mnoha vstupními a výstupními linkami je možno realizovat s nízkými dodatečnými náklady. Zde se vám obecně nabízí postupy, které používají v menším rozsahu s hardware a pracují s časově náročnějšími programy. Čtenář by měl mít předběžné zkušenosti s nějakým programovacím jazykem a základní znalosti elektroniky. Navrhované obvody jsou většinou natolik jednoduché, že je možno je realizovat na univerzálních deskách plošných spojů s rastrem předvrtaných otvorů. Všechny uvedené návrhy jsou ucelené a bezprostředně použitelné pro stavbu. Kromě toho poskytují základní stavební kameny pro další vývoj, přičemž u složitějších postupů je do jisté míry nutné používat vhodné měřící přístroje. Čtenář, kterého takové návrhy zajímají, by měl mít například k dispozici osciloskop.
149
Zde použité programovací jazyky jsou GW Basic (případně jeho kompatibilní následovníci, jako je například Q-Basic) a Turbo Pascal od verze 4.0.
11.1
Popis sériového portu
Každý počítač PC má jeden nebo několik sériových portů (rozhraní). V příručkách se vyskytují obvykle pod označením COM1, COM2, atd. Jejich původním účelem bylo spojení mezi počítačem a modemem, aby bylo možno přenášet data po telefonní lince. Mnohdy se však sériově připojují i jiná zařízení, například tiskárny, myši nebo měřicí přístroje. Proto se v jednom PC často používá několik sériových portů. Použití sériového rozhraní přináší četné výhody i pro jednoduché pokusy: • Rozhraní je velmi odolné proti zničení. • Přístroje je možno připojovat a odpojovat při zapnutém počítači. • Napájecí napětí pro jednoduchá zařízení je možno odebírat přímo ze sériového portu. Sériové rozhraní často vyžaduje dodatečné náklady, protože sériově přenášená data je třeba převést na paralelní. U nenáročných úloh, u kterých lze vystačit jen s několika vstupními a výstupními linkami (vedeními), je však možno využít okamžitě dostupných pomocných linek rozhraní. K dispozici jsou celkem dvě výstupní a čtyři vstupní linky, které je možno ovládat jednoduchými příkazy. V níže uvedené tabulce jsou uvedeny všechny linky s rozložením vývodů na konektoru s 25 vývody a 9 vývody. Konektory na straně PC mají vždy kolíky (tzv. samčí konektory), takže konektor na připojovacím kabelu musí mít zdířky (samičí konektor). Vývod( 25 výv. ) Vývod ( 9 výv. ) 2 3 3 2 4 7 5 8 6 6 7 5 8 1 20 22
4 9
Vstup,Výstup Výstup Vstup Výstup Vstup Vstup Vstup Výstup Vstup
Označení TxD ( Transit Data ) RxD ( Receive Data ) RTS ( Request To Send ) CTS ( Clar To Send ) DSR ( Data Set Ready ) GND ( Ground ) DCD ( Data Carrier Detect ) DTR ( Data Terminal Ready ) RI ( Ring Indicator )
Funkce Vysílaná data Přijímaná Výzva k vyslání Pohotovost k vysílání Pohotovost DCE Signálová zem Detektor přijímaného signálu Pohotovost DTE Indikátor volání
Vlastní přenos dat na sériovém rozhraní se obvykle uskutečňuje po linkách TxD (Vysílaná data – Transmit Data) a RxD (Přijímaná data – Receive Data). Všechny ostatní linky plní pomocné funkce pro strukturování a řízení přenosů dat. Obyčejně se označují výrazem „handshake“, protože se používají pro vzájemné potvrzování platnosti dat přenášených mezi jednotlivými zařízeními. Tato vedení mají výhodu v tom, že je možno je programově přímo nastavovat nebo číst jejich stav. Elektrické charakteristiky vstupů a výstupů jsou dány normou RS-232: Ve stavu L (nízká úroveň) mají napětí -12V, ve stavu H (vysoká úroveň) +12V. Všechny výstupy jsou odolné proti zkratu a mohou dodávat proud až asi 10mA. Díky tomu mohou přímo budit LED nebo výkonové stupně.
150
Kromě toho je možno z výstupů sériového rozhraní odebírat i napájecí napětí menších obvodů. Vstupy mají vstupní odpor asi 10kΩ a rozeznávají napětí nad asi 1,25V jako „vysoké“ (H), zatímco vstupní napětí pod 1,0V jako „nízké“ (L). Přepínání mezi oběma stavy má hysterézi, což znamená, že rozpoznaný stav se změní teprve tehdy, bude-li vstupní napětí ležet mimo tento rozsah.
Obr. 1 Vývody konektorů v 9-pólovém a 25-pólovém provedení ze strany pájení
Sériové rozhraní se obvykle ovládá bipolárními úrovněmi signálu +12V a -12V. Protože obvyklé vstupní obvody v PC rozeznávají napětí pod 1,0V jako nízké (L), je možno pracovat i s úrovněmi TTL (0V/5V). Několik typů PC však pracuje se spínacím prahovým napětím -3V a +3V a trvá tudíž na bipolárních vstupních signálech. ,
V sériovém portu PC se používá UART 8250 firmy National Semiconductor (UART=Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), Případně jeho nástupce 16450. Obsahuje 10 registrů, pomocí nichž je možno řídit veškeré funkce sériového vstupu a výstupu. Registry se adresují pomocí sedmi adresních bitů, z nichž některé jsou obsazeny dvojnásobně. V následující tabulce jsou uvedeny všechny registry obvodu 8250, z nichž ovšem zde použijeme jen několik.
Deset registrů obvodu UART Regist Offset Poznámky Vysílací registr 0 Zápis vysílaného bajtu Přijímací registr 0 Čtení přijímaného bajtu Dosažitelné, jen když má byt 7 řídícího registru linek úroveň H Registr rychlosti přenosu dat ( low ) 0 Registr rychlosti přenosu dat ( high ) 1 Registr uvolnění přerušení 1 Registr rozpoznání přerušení 2 Řídící registr linek 3 Řídící registr modemu 4 Nastavení pomocných linek Stavový registr linek 5 151
Stavový registr modemu
6
Načtení pomocných linek
Každý z těchto registrů má osm bitů, tedy osm jednotlivých paměťových buněk pro určité funkce. Pro jednoduché aplikace sériového rozhraní popsané níže jsou zvláště důležité řídicí registr modemu a stavový registr modemu, protože jsou přímo dostupné prostřednictvím pomocných linek rozhraní. Řídící registr modemu ( offset = 4 ) 7
6
5
4
3
2
1
0 Nahodit DTR Nahodit RTS
Obr. 2 řídící registr modemu
Stavový7registr 6 modemu 5 4 ( offset 3 2 = 6 1)
0
Načíst CTS Načíst DSR Načíst RI Načíst DCD
Obr. 3 stavový registr modemu
Se všemi registry se pracuje v paměťových buňkách oblasti vstupu/výstupu (I/O) počítače PC. Počítač najde adresy registrů v oblasti, určené pro dané rozhraní, jehož první adresa se označuje jako bázová adresa (BA). První sériové rozhraní (COM1) používá bázovou adresu 3F8 (hexadecimálně). Registry tedy zaujímají rozsah paměti 3F8 až 3FF. Vzdálenost adresy registru od bázové adresy se nazývá offset. Všechny programy uvedené níže používají první sériový port (COM1), je však možno je snadno převést na COM2 až COM4 změnou bázové adresy. Adresy se uvádějí obvykle v hexadecimálním tvaru, je však možno je zadávat i dekadicky. Bázové adresy pro jednotlivé porty jsou: Hexadecimálně Dekadicky
COM1 3F8 1016
COM2 2F8 760
COM3 3E8 1000
COM4 2E8 744
Přístup na registr se uskutečňuje prostřednictvím adresy registru, která se vypočítá jako součet bázové adresy a offsetu registru v obvodu UART. bázová adresa + offset = adresa registru Aby bylo možno řídit pomocné linky DTR a RTS prvního sériového portu, musí se tudíž použít adresa 3F8 + 4, tedy 3FC. Rozumné je stanovit bázovou adresu BA v programu jen jednou. Zmíněnou adresu je pak možno zadat jako BA + 4. 152
Přímý výstup prostřednictvím DTR a RTS se uskutečňuje prostřednictvím adresy BA + 4, tedy pro COM1 prostřednictvím adresy 1020 (3FC): Adresa
Bit BA + 4 BA + 4
0 1
Signál DTR RTS
Příklad: Je třeba zapnout (nahodit) linku RTS. Bitu 1 odpovídá číselná hodnota 21=2. Hodnota 20=1 by odpovídala DTR, hodnota 3 oběma linkám. Basic: OUT (BA + 4), 2 Pascal: Port [BA + 4] := 2;
:REM nahození RTS { nahození RTS }
153
Přímé vstupy linkami CTS, DSR, RI a DCD se uskutečňují prostřednictvím adresy BA + 6, tedy v případě COM1 prostřednictvím adresy 1022 (3FE): Adresa BA + 4 BA + 4 BA + 4 BA + 4
Bit
Signál 4 5 6 7
CTS DSR RI DCD
Příklad: Je třeba otestovat linku CTS (provést dotaz na její stav). Bit 4 odpovídá číselné hodnotě 24=16. Po přečtení všech osmi bitů registru příkazem portu je možno určitý bit izolovat („maskovat“) pomocí logické funkce AND. Funkce AND 16 zde způsobí, že se všechny ostatní bity vynulují, takže výsledek bude buď 16 (signál CTS nahozen) nebo 0 (signál CTS shozen). Basic: IF (BA + 6) AND 16) = 16 THEN … Pascal: if (Port [BA + 6] AND 16) = 16 then …
:REM CTS { CTS }
Mezi pomocnými linkami sériového portu jsou k dispozici jen dvě výstupní linky, zatímco vstupní linky jsou čtyři. Pokud dvě výstupní linky nestačí, je možno přímo řídit i sériový výstup TxD. Výstup TxD se obvykle používá pro asynchronní přenos dat. Pomocí tzv. stavu break je však možno ho ovládat i přímo. K tomu je třeba nahodit bit 6 řídicího registru linek. Řídící registr modemu ( offset = 3 ) 7
6
5
4
3
2
1
0 nahodit break
Obr. 4 řídící registr linek Má-li se nahodit TxD, musí se na adresu BA + 3 zapsat 64. Basic: OUT (BA + 3), 64 Pascal: Port [BA + 3] := 64;
:REM nahození TxD { nahození TxD }
154
11.2
Přístup k portu v programovacím jazyce Basic
Programovací jazyk Basic je vhodný zejména pro malé prográmky, u nichž nezáleží na vysoké rychlosti. První malý příklad použití bude přímé ovládání světelné diody LED linkou DTR (viz. Obr. 5). Diodu LED je zde možno výjimečně zapojit i bez předřadného odporu, protože všechny výstupy sériového rozhraní jsou proudově omezeny a nedají víc než 10 mA. Dále je uveden malý prográmek v jazyce Basic pro „blikač“ s diodou LED. 10 BA = &H3F8 :REM COM1 20 OUT (BA+4),1 :REM nahození DTR 30 FOR N=1 TO 1000 : NEXT N 40 OUT (BA+4),0 :REM shození DTR 50 FOR N=1 TO 1000 : MEXT N 60 IF INKEY$ <> "" THEN END :REM Konec? 70 GOTO 20
Obr. 5
Připojení diody LED na
sériové rozhraní
Program pro blikač pracuje s nekonečnou smyčkou, je ho však možno přerušit stiskem libovolné klávesy. Rychlost blikání je možno ovlivňovat pomocí čekací smyčky na řádcích 30 a 50. Druhý příklad má ukázat, jak je možno se pomocí počítače dotazovat na stav jednoduchého spínače. Spínač je přitom zapojen mezi výstupní linkou RTS, nastavenou na vysokou úroveň, a vstupní linkou CTS (viz. Obr. 6).
Obr. 6
Připojení spínače na
sériové rozhraní
10 BA = &H3F8 :REM COM1 20 OUT (BA+4),2 :REM nahození RTS 30 IF(INP(BA+6)AND16)=16 THEN PRINT „SEPNUTO“ :REM CTS=1 40 IF(INP(BA+6)AND16)=0 THEN PRINT „ROZEPNUTO“ :REM CTS=0 50 IF INKEY$ <> "" THEN END: :REM Konec? 60 GOTO 30 * Stav spínače se zobrazením na obrazovce.
11.3
Přístup k portu v programovacím jazyce Pascal
Programy v Pascalu se hodí pro časově kritické úlohy. Zdrojové texty se nejprve kompilují, tj. přeloží do strojového jazyka, takže programy mohou být velmi rychlé. Rozsah programování je u malých prográmků větší než v jazyku Basic. Programy v Pascalu jsou přehlednější a snáze rozšiřitelné, takže se zvýšený rozsah především 155
u větších projektů vyplatí. Čtenáři, kteří mají zkušenosti s jazykem Basic, ne však s Pascalem, mohou jednoduché prográmky využít k tomu, aby se programování v Pascalu naučili. Pro ně budu zpočátku uvádět krátká vysvětlení ke zvláštnostem Pascalu. První příklad programu v Pascalu má řešit podobný úkol jako program v jazyce Basic. Budeme opět budit diodu, zapojenou jako na obrázku 5. Program v Pascalu obsahuje deklarační část, procedury a hlavní program. Procedury jsou podprogramy, které se volají svými jmény. V Pascalu je třeba nejprve deklarovat všechny proměnné (variables), se kterými bude program pracovat. Přitom se zadává, o jaký typ proměnných se jedná. Protože zpracování reálných čísel je časově velmi náročné, volí se pokud možno co nejmenší typ čísla, tedy například Byte (0…255), Integer (-32768…+32767) nebo Word (0…65535). Konstanta, například bázová adresa, si na rozdíl od proměnných zachovává svou hodnotu. Proměnné je možno pomocí procedury deklarovat lokálně, takže pak existují jen v rámci této procedury. Při vyvolání procedury je možno předávat ke zpracování parametr. Program PravouhlyGenerator; { Jméno programu } uses CRT; { Připojit Unit CRT } const BA = $3F8; { Bázová adresa COM 1 } var doba: Word; { Typ Word: 0…65535 } Klavesa: Char; { Typ Char: 1 Znak } procedure Generátor ( doba_cyklení: Word); var N: Word; { A: lokální proměnná } begin { začátek procedury } Port [BA+4] := 1; { nahození DTR } for N := 0 to doba_cyklení do; { čekací smyčka } Port [BA+4] := 0; { shození DTR } for N := 0 to doba_cyklení do; { čekací smyčka } end; { konec procedury } begin { zač. hlavního programu } repeat { zač. smyčky repeat-until } write (´počet cyklů 0…65535´); readln (doba); { zadání uživatele } repeat { vnitřní smyčka } Generator (doba); { vyvolání procedury } until KeyPressed; { konec vnitřní smyčky } klavesa := ReadKey; { které tlačítko stisknuto?} until klavesa = chr (27); { konec, bylo-li stisk.Esc } end. { konec hlavního programu } * Generátor hodinových impulsů v Pascalu. Program „PravouhlyGenerator“ očekává zadání doby průchodu smyčkou a pak na lince DTR vyrábí impulsy tak dlouho, dokud uživatel nestiskne libovolné tlačítko. Je možno zadávat nové hodnoty, dokud program nepřeruší stiskem klávesy Esc. 156
Na tomto jednoduchém programu je možno demonstrovat vysokou rychlost Pascalu. Blikání LED je vidět jen při velmi velkých zadaných hodnotách. I s jednoduchými PC je možno dosahovat frekvencí několika kilohertzů, takže program může například vytvářet tóny. Druhý příklad odpovídá programu v jazyce Basic. Má zjišťovat stav spínače. Program zjistí a uloží vždy 2000 stavů spínače a teprve potom je zobrazí na obrazovce. Doba mezi jednotlivými dotazy na stav portu je tak malá, že je možno zjistit i zákmity kontaktů spínače. Program StavSpinace; uses CRT; const BA = $3F8; { COM 1 } var buffer: Array[1…2000] of Byte; { 2000 bajtů } n: Word; function CTS: Byte; begin CTS := (Port [BA+6] AND 16) div 16; { čtení CTS } end; begin Port [BA+4] := 2; ClrScr; repeat for n := 1 to 2000 do buffer[n] :=CTS; for n := 1 to 2000 do write (buffer[n]); delay (1000); until KeyPressed; delay (2000) end. * Dotaz na stav spínače v Pascalu.
{ nahození RTS } { vymazání obrazovky } { 2000krát čtení CTS } { výstup na obrazov.} { 1s čekání } { až do přerušení klávesou } { 2s čekání }
V tomto příkladu se při zjišťování stavu linky rozhraní pracuje s funkcí. Funkce se používá podobně jako procedura. Jméno funkce je ovšem zároveň jménem proměnné, takže se jí musí přiřadit typ proměnné. Zde byl použit typ Byte. S funkcí „CTS“ se tedy v hlavním programu pracuje jako s proměnnou typu Byte, přičemž její hodnota se přiřazuje prvkům bufferu dat.
11.4
Přímý digitální výstup
Obě linky – RTS i DTR – je možno přímo řídit. Jelikož k tomu potřebujeme jen jeden příkaz pro výstup, je možno jejich stav valmi rychle a časově přesně ovládat. Zajímavé aplikace vzniknou, když se řízení napojí na interní hodiny PC. Hodiny PC se v podstatě skládají z jednoho 16bitového čítače, který čítá nahoru s frekvencí 1,193182 MHz. Vždy po 65536 taktovacích impulsech, tj. 18,206 krát za sekundu, dojde k přeplnění čítače, které vyvolá přerušení. Rutina přerušení přepočítá softwarové čítače na setiny sekundy, sekundy, minuty, hodiny a datum. 157
Chceme-li vyvolat nějakou událost ve stanovenou dobu, můžeme se například podívat na hodiny pomocí Basicu nebo Pascalu a získat tak na sekundu přesné časové ovládání. Určité úlohy však vyžadují mnohem rychlejší řízení v milisekundovém nebo mikrosekundovém rozsahu. Pak jsou hodiny spíš na obtíž, protože přerušení ovlivňují pracovní takt počítače. V těchto případech je možno požadavky na přerušení zablokovat.
11.4.1
Časový spínač
Výstupní linky sériového portu mohou dávat proud až 10 mA. Tím je možno bez problémů budit různé výkonové spínače. Pro použití v oblasti nízkého napětí je s nejmenšími náklady spojeno řízení pomocí výkonového tranzistoru. Mají-li se spotřebiče připojovat na střídavou napájecí síť, má rozhodující význam pečlivé oddělení potenciálů a pečlivá izolace. Toho je možno dosáhnout pomocí relé. Čistě elektronickou alternativou je polovodičové relé. Jedná se o optický vazební prvek s triakovým výstupem. Typ S201-D02 firmy Sharp vyžaduje řídicí proud maximálně 10 mA a může spínat zátěže až do 1,2 A. Obsahuje spínač při nulovém napětí, to znamená, že triak spíná vždy přesně při průchodu střídavého napájecího napětí nulou, takže téměř nedochází k vysokofrekvenčnímu rušení. Zabudujete-li dvě polovodičová relé do izolované skříňky se dvěma síťovými zásuvkami, je možno pomocí PC vyvinout inteligentní a univerzálně použitelné spínací hodiny. Rozsah možných aplikací je od nabíjení akumulátorů až po automatické ovládání osvětlení akvária. 11.4.2
Ovládání serva
Dálkově řízená serva se ovládají sériemi krátkých impulsů o délce 1 ms a 2 ms. PC může takové impulsy přímo vytvářet, takže prostřednictvím RTS a DTR je možno libovolně ovládat dvě serva. Máme tak možnost bez velkých nákladů na hardware stavět programovatelné pohyblivé modely. Na obrázku 7 je vidět připojení serva. Zenerova dioda chrání vstup serva před vysokým napětím. Časově přesné generování tak krátkých impulsů vyžaduje oužití nějakého programovacího jazyka. Turbo-Pascal je dostatečně rychlý na to, aby vyráběl impulsy asi 0,1 ms dlouhé s rozlišovací schopností několika mikrosekund. Zde ovšem nestačí použít interní hodiny PC, protože jen samotné odečtení hodin vyžaduje příliš mnoho času. Lepší je vytvářet rychlé čítací smyčky. Jejich doby zpoždění ovšem závisí na použitém procesoru a frekvenci počítače. Proto je třeba nejprve co nejpřesněji zjistit dobu průchodu 158
smyčkou. Obr. 7
Ovládání serva prostřednictvím
sériového portu.
11.4.3
Řízení krokového motoru
Krokové motory mají jeden otočný magnet a několik pevných magnetických cívek. Zapínáním jednotlivých cívek se dosahuje stabilních poloh kotvy, které je možno po krocích měnit. Výhodou tohoto způsobu je, že změna úhlu je vždy známa bez zpětného dotazu, protože kroky je možno snadno sčítat. Obvyklé krokové motory potřebují na celou obrátku například 100 kroků, takže je možno přesně nastavit i malé změny úhlů. V důsledku setrvačné hmotnosti kotvy není možno krokové motory ovládat libovolně tychle. Dosažitelných je asi 1000 kroků za sekundu. Malé krokové motory se obvykle budí unipolárně, tj. proud prochází jednotlivými cívkami jen jedním směrem. Je tedy možno použít jednoduché řídicí obvody. Výkonový budič ULN 2803 firmy SGS se skládá z osmi spínacích obvodů s Darlingtonovými tranzistory s otevřeným kolektorem, které jsou vhodné pro zátěže až 500 mA. Integrovaný obvod obsahuje i potřebné ochranné diody pro buzení induktivní zátěže. Řídicí obvody musí zajistit vytvoření točivého magnetiského pole v motoru, kdy se sousední cívky postupně zapínají. Když se bude spínat vždy jen jedna cívka, bude spínací schéma vypadat takto: Cívka 1
Cívka 2
Cívka 3
Cívka 4
1 0 0 0 1 0
0 1 0 0 0 1
0 0 1 0 0 0
0 0 0 1 0 0
Řídicí hodnota 8 4 2 1 8 4
Je vidět, že potřebujeme vlastně čtyři výstupní vedení. Poněvadž se však vyskytují jen čtyři různé stavy, dalo by se řízení realizovat dvěma výstupními linkami DTR a RTS a dekodérem. Existuje však jedna ještě méně nákladná možnost řídit krokový motor dvěma bity. Zapojí se přitom vždy dvě sousední cívky společně: Cívka 1 1 0 0 1 1 0
Cívka 2 1 1 0 0 1 1
Cívka 3 0 1 1 0 0 1
Cívka 4 0 0 1 1 0 0
Řídicí hodnota 3 1 0 2 3 1
Při tomto způsobu řízení potřebuje krokový motor při tomtéž napětí dvojnásobný proud. Zároveň je však také silnější. Ovládání dvěma linkami se zjednoduší, protože se vybudí vždy dvě cívky vzájemně inverzně. Řídicí signály pro cívku 3 se vyrobí invertováním řídicích signálů pro cívku 1. Právě tak si odpovídají i cívky 2 a 4. Protože každý stupeň zároveň provádí inverzi, je možno řídicí signály pro budiče 159
3 a 4 odebírat přímo na výstupech pro cívky 1 a 2. Stavy obou prvních cívek je možno vyjádřit jako binární čísla v posloupnosti 3, 1, 0, 2. Řízení krokového motoru výstupem těchto hodnot na linkách DTR a RTS musí probíhat poměrně pomalu. Čekací smyčka na řádku 180 se musí přizpůsobit rychlosti použitého počítače a požadované rychlosti otáčení motoru. Uživatel zadá vždy požadovanou polohu. Podprogram „Vystup“ vyrábí požadované řídicí signály na linkách DTR a RTS tak dlouho, až se dosáhne požadované polohy. Pomocí vhodného mechanického zařízení je možno vyrábět lineární pohony s několika tisíci dosažitelnými polohami.
160
12 12.1
Paralelní rozhraní – CENTRONICS Popis rozhraní Centronics
Další informace
http://www.root.cz/cla nky/paralelni-port-arozhrani-centronics/
Toto rozhraní slouží pro připojení paralelních výstupních zařízení - tiskáren ROMBIOS podporuje připojení až čtyř paralelních tiskáren přes výstupy označené LPT1, LPT2, LPT3 a LPT4. Rozhraní je mechanicky na počítači PC provedeno 25kolíkovou zásuvkou typu Cannon. Pro připojení tiskáren je většinou požit zvláštní kabel, který má na jednom konci 25kolíkovou zástrčku typu Cannon a na druhé straně (do tiskárny) má 36kolíkový konektor Amphenol. Rozhraní komunikuje pomocí úrovní TTL (log.0 je 0 - 0,4 V a log. 1 je 2,4 - 5V). Průběh signálů: Počítač smí vyslat znak jen tehdy, jeli tiskárna připojena (signál ACK platná data negované v úrovni log. 1) a není-li tiskárna obsazena (signál BUSY je pøed pøesah log. 0). Počítač musí nejprve nastavit STROBE vysílanou slabiku na datové vodiče BUSY DATA0 až DATA7. Po době předstih obsluha znaku (na obrázku text „před.“) určené k ACK rozšíření datového signálu po obvodech přijímacího zařízení oznámí počítač platnost dat nulou na signálu STROBE negované. Tento je ve stavu log. 0 pouze definovanou dobu a pak se vrátí do stavu log. 1. Platná data na datových vodičích musí být ještě zachována alespoň po dobu nazývanou přesah. DATA
Na základě detekování nuly na signálu STROBE negované se prohlásí tiskárna za obsazenou (nastavením log. 1 na vodiči BUSY) a tento stav setrvává až do okamžiku dokončení obsluhy právě vyslané slabiky dat. Signál ACK negované slouží rovněž ke zjednodušení detekce konce slabiky dat a ke generování přerušení v řídícím počítači. Ovládání rozhraní Centronics se provádí přes skupinu V/V bran. Pro každé zařízení LPTx je jiná skupina, přičemž číslo první V/V brány skupiny je uvedeno na následujících adresách: Adresa 0:0408h 0:040Ah 0:040Ch 0:040Eh
Číslo V/V brány pro zařízení LPT1 (standardně hodnota 0378h) LPT2 (standardně hodnota 0278h) LPT3 LPT4
Takže na adrese 0:0408h se dovíte, jakou adresu má LPT1 obsazenu (podle tabulky LPT1 je na adrese 0378h /většina počítačů na této adrese skutečně LPT1 má/). 161
Pro zařízení LPT3 a LPT4 nejsou v ROM-BIOSu standardně zabudovány rutiny obsluhující V/V brány. Při instalaci dodatečného adaptéru musíme do paměti zavést ovladač, který nastaví obsahy adres 0:040Ch a 0:040Eh (ty jsou jinak nulové). Pro zařízení LPT1 a LPT2 jsou shodné skupiny ovládacích V/V bran. Liší se pouze číslem první V/V brány. Následující výčet popisuje V/V brány tak, jako bychom adresovali LPT1. 12.1.1
Port 378h: Datová V/V brána
Zápisem na tuto bránu nastavujeme data na vodiče DATA0 až DATA7. Čtením získáme poslední slabiku přenášených dat (čímž nemůžeme použít port pro A/D převodník). 12.1.2
Port 379h: Stavová V/V brána
Je určena pouze ke čtení. Čtením V/V brány získáme informaci o těch signálech, které generuje tiskárna. Bit
Signál 0-2 3 4 5 6 7
12.1.3
Nevyužito ERROR negované - 0 .. tiskárna hlásí chybu SELECT - 1 .. tiskárna připojena PAPER EMPTY - 1 .. v tiskárně není založen papír ACK negované - 1 .. tiskárna připojena / impuls 0 .. tiskárna připravena přijmou znak BUSY - 0 .. tiskárna obsazena, off-line nebo v chybě Port 37Ah: Řídící V/V brána
Je určena pro čtení i pro zápis. Bit
Signál
0 1 2 3 4 5-7
STROBE - 1 .. v okamžiku platnosti dat na datových vodičích AUTO LF - 1 .. zapne provádění Line Feed po Carriage return INIT negované - 0 .. inicializuje tiskárnu SELECT IN - 1 .. vysílá žádost o připojení tiskárny IRQ enable - 1 .. je povoleno přerušení při „0“ na ACK negované Nevyužito
Je-li nastaven bit IRQ Enable, provede se při zjištění „0“ na ACK negované ze zeřízení na LPT1 (na V/V bránu 379h) přerušení INT 0Fh (IRQ 7) /při LPT2 INT 0Dh /IRQ 5//. Není-li přerušení povoleno, zjistí se konec zpracování jednoho znaku opakovaným čtením signály BUSY. 12.1.4
Služby ROM-BIOSu pro obsluhu tiskárny - INT 17h /INT 23/
Službám z této skupiny se řízení předává přerušením INT 17h. V registru AH je určení služby: • 00h tisk znaku 162
• •
01h 02h
inicializace tiskárny získání stavu tiskárny
Služba 00h - Tisk znaku: • znak v registru AL • v registru DX je číslo rozhraní (0 .. LPT1, 1 .. LPT2) • návratová hodnota po provedení služby v reg. AH / detekce podle tabulky ve službě 02h/ Služba 01h - Inicializace tiskárny: Služba provede inicializaci tiskárny v registru DX je číslo rozhraní (0 .. LPT1, 1 .. LPT2) návratová hodnota po provedení služby v reg. AH / detekce podle tabulky ve službě 02h/
• • •
Služba 02h - Získání stavu tiskárny • v registru DX je číslo rozhraní (0 .. LPT1, 1 .. LPT2) • návratová hodnota po provedení služby v reg. AH Bit 0 1-2 3 4 5 6 7
Význam 1 .. vypršel časový limit /tiskárna do určité doby neodpověděla/ Nevyužito 1 .. tiskárna hlásí chybu 0 .. tiskárna odpojena (off-line) 1 .. v tiskárně není založen papír 1 .. tiskárna připravena pro komunikaci 0 .. tiskárna je obsazena, off-line nebo v chybě
Zapojení portu LPT1 - rozhraní Centronics Špička konektoru 1 2 ... 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 - 25
12.2
Název signálu STROBE DATA0 ... DATA7 ACK BUSY PAPER EMPTY SELECT AUTO LF ERROR INIT SELECT IN GROUND
Původce signálu počítač počítač ... počítač tiskárna tiskárna tiskárna tiskárna počítač tiskárna počítač počítač
Systém přenosu souboru pomocí Centronics
Slovo se skládá z 8 bitů. Centronics obsahuje datovou sběrnici DATA0 až DATA7. Logicky bychom proto spojili 2 počítače tak, že vývod 2 na konektoru / DATA0/ prvního počítače bychom spojili s vývodem 2 druhého počítače. Tak bychom 163
pospojovali všech 8 vodičů. JENŽE - něco takového si mohou dovolit u Amigy, ale ne u PC. Proč? Na datovou bránu můžeme jen zapisovat /tudíž připojit osmi bitový D/A převodník/, ale nemůžeme z ní číst /tudíž nemůžeme připojit A/D převodník/. Tudíž tuto metodu na přenos dat nemůžeme použít. PC Centronics obsahuje ale čtyři signály generované počítačem (signál STROBE atd.) a 5 signálů generovaných tiskárnou. Pokud jeden počítač /vysílající/ použije signálů generovaných počítačem /STROBE atd./ a druhý /přijímající/ využije signálů generovaných tiskárnou /ERROR atd./, pak můžeme uskutečnit paralelní přenos dat. Nevýhodou je, že 8 bitů musíme rozdělit na horní 4 a dolní 4 bity. Mechanicky bychom tedy například spojili vývod STROBE prvního počítače s vývodem ERROR druhého počítače, SELECT IN s vývodem SELECT atd.
164
13
Stavební prvky pro počítačové sítě, konektory, kabely, huby
13.1
PŘENOSOVÉ MEDIUM
Pro spojení pracovních stanic se běžně používá metalické vedení, optické kabely, případně bezdrátové spojení. Donedávna byly nejčastěji používané koaxiální kabely (tenký Ethernet, 10BASE2), ale nyní jsou nahrazovány kroucenou dvoulinkou (TP) pomocí univerzální strukturované kabeláže. Metalické vedení však vykazuje menší odolnost proti elektromagnetickému rušení a není proto nejvhodnějším prvkem pro aplikace průmyslového prostředí. Kvalitu metalického vedení udává hodnota útlum a next. 13.1.1
Útlum a next
Při měření kabeláže získáváme především hodnotu útlum a next. Útlum nám udává, o kolik se sníží užitečný signál na výstupu z kabelu. Next, neboli přeslech na blízkém konci udává kolik rušivého signálu se dostává do měřeného páru z ostatních párů.
graf průběhu hodnot NEXT a ÚTLUM
Kvalita kabelážního systému se udává hodnotou ACR, což je rozdíl mezi NEXTem a ÚTLUMem. Čím vyšší je frekvence, tím je ACR nižší. Minimální hodnota ACR je, kdy je kabeláž ještě provozuschopná, je 10 dB.
165
13.1.2
Koaxiální kabel
Koaxiální kabel je tvořen dvěma vodiči v provedení kdy vnější obaluje vnitřní, většinou měděný po němž se přenášejí signály. Jde o nesymetrický přenos. Vodiče jsou od sebe odděleny izolačním materiálem a celý kabel je zaizolovaný v plastu. Vnější vodič plní funkci stínění. Horší vlastnosti v oblasti stínění má kabel v rozmezí 20KHz – 6MHz. Důvody: snížení poměru signálu vůči šumu. To je důvod proč by se neměl koaxiální kabel dotýkat země (i z důvodů malé odolnosti vůči magnetickému vlnění). Zvýšení přenosu po kabelu se dosahuje modulací digitálního signálu na nosný frekvenční signál v širokopásmových sítích. Jako izolace mezi jádrem a pláštěm se používá polyethylen. Výhody: • nízké pořizovací ceny (do 25 PC není potřeba zesilovací ani rozbočovací prvek) • možnost venkovního vedení • odolnost proti el. vlnění
Nevýhody: • neodolnost proti mag. vlnění • většinou pouze pro přenos dat • oproti TP nevyhovuje požadavkům na variabilitu připojení a vysoké přenosové rychlosti Spojovací konektory koaxiálních kabelů Konektory se používají pro připojování kabelu k zařízení. Konektory bývají až na výjimky párové. Kabel se ukončuje zástrčkou (sameček). Zařízení opatřeno zásuvkou označenou jako samička. U koax. kabelů se používají výhradně BNC konektory (bajonetové koncovky). Samčí konektor je opatřen otočným pláštěm a bajonetovým uzávěrem, samička pak dvěma výstupy. BNC konektor je spolehlivý a zajišťuje dobré mechanické i elektrické propojení kabelu se zařízeními. Při častém namáhání v místě napojení kabelu na konektor tahem nebo ohybem může dojít k poškození. Dále se používají koaxiální spojky a BNC-T konektory k nimž se připojí propojované kabely.
schéma zapojení koaxiální sítě pomocí BNC konetorů
BNC-T konektor slouží k propojení koaxu. k síťovému adaptéru počítače. Rameno je tvořeno z obou stran samičkami BNC konektoru a nožička opatřena samečkem. Zakončovací odpory slouží k zakončení sběrnicové sítě z koax. kabelů.
166
Zakončovací odpor je BNC konektor k němuž je namísto kabelu připojen rezistor 50W, který propojuje střední vodič a plášť konektoru. Úkolem zakončovacího odporu je pohltit el. signál, který dorazil ke konci kabelu. Kdyby zde nebyl, vznikne stojatá vlna.
13.1.3 Kroucená dvoulinka
(twisted pair, TP) Symetrický kabel TP je složený z párů vzájemně skroucených vodičů, je nejlevnější, ale také nejméně výkonný. Fyzikální vlastnosti omezují dosažitelnou přenosovu rychlost. Přenos signálu o frekvenci nad 15MHz vykazuje neúměrné ztráty na vedení. Symetrický kabel bez použití stínění (UTP) má sníženou odolnost proti, průmyslovému rušení, proti vlivu rázových mag. polí atd. Dále pak omezujícím faktorem je i omezený dosah. Kabel je složený z zkroucených párů tak, aby se pomocí způsobu zkroucení eliminoval okolní šum. Ten se částečně eliminuje a částečně se stává součástí přenosu. Kabely z kroucenými páry jsou k dispozici v celé řadě možných průměrů v počtu párů, typu vodičů, impedancí atd. Např. ve standartu 10BASE-T se používá UTP kabel. Tento kabel odpovídá kabelům používaných v telefonních systémech a umožňuje připojení stanic v podobě hvězdicové topologie až na vzdálenost 100m do rozbočovače (HUB). Používají se 2 druhy přenosových médií • drát: jednotlivé vodiče jsou z měděného drátu, izolací je polyethylen a vnější obal PVC • licna: dražší, lepší, jednotlivé vodiče jsou lanka, izolací je polyethylen a vnější obal PVC Parametry kabelu charakterizuje rozměr AWG (klasifikační systém pro měděné vodiče) ROZMĚR 30 24 22 20
∅
Ω 0,35mm 0,08mm 0,05mm 0,034mm
0,26 0,51 0,61 0,81
Parametry symetrického kapelu • přenosové: útlum, impedance, časový neklid signálu, STP - 150Ω, UTP - 100Ω • vazební: přeslech, rušení, šum Norma pro kabely UTP, STP - EIA/TIA 568
167
KATEGORIE CAT 1 (a) CAT 2 (b) CAT 3 (c) CAT 4 (d) CAT 5 (e) CAT 5+(f)
Popis žádná výkonnostní kategorie přenos. rychlost do 1MHz (telefon. Dráty) pro přenos do 16MHz, datový přenos až do 10Mb/s frekvenční přenos do 20MHz, přenos. rychlost do 16Mb/s (16Mbps - Token ring) frekvenční přenos do 100MHz, přenos. rychlost do 100Mb/s frekvenční přenos do 200MHz, přenos. rychlost nad 100Mb/s
Pro pásma širší než 100MHz vznikla kategorie CAT 5+ , která podporuje šíři pásma až 200MHz, prostřednictvím protlačení přeslechu a tím ztráty dat. Používá se stále měděný drát. Připravuje se kategorie CAT 6 (UTP, SFTP) a CAT 7 (STP), které budou podporovat šíři pásma 200MHz respektive 600MHz. 13.1.4 • •
Kabeláž 10/100BaseT
UTP -Nestíněná kroucená dvoulinka, náchylná k elektromagnetickému rušení STP - Stíněná kroucená dvoulinka, méně náročná na elektromagnetické rušení
EIA/TIA UTP Standart Kat. Rychlost 1 Pouze pro přenos hlasu 2 4 Mbps 3 10 Mbps 4 16 Mbps 5 100 Mbps
Popis Telefonní kabel 4 kroucené páry 4 kroucené páry - 3 zkroucení na stopu 4 kroucené páry 4 kroucené páry z mědi
Zapojení Přímé propojení T568B 1 2 3 4 5 6 7 8
Bílý / Oranžový Oranžový Bílý / Zelený Modrý Bílý / Modrý Zelený Bílý / Hnědý Hnědý
Překřížený kabel T568A 1 2 3 4 5 6 7 8
Bílý / Zelený Zelený Bílý / Oranžový Modrý Bílý / Modrý Oranžový Bílý / Hnědý Hnědý
168
Konektor RJ45 - znázornění zapojení
Přímé zapojení - Pro připojení počítače k HUBu. Na obou koncích kabelu je zapojení stejné. Mezi dvěma HUBy je nutné použít překřížený kabel nebo využít uplink port a nemusíte vytvářet překřížený. Více se dozvíte v manuálu k HUBU. Překřížení - Pro zapojení pouze mezi 2 počítači (přímo - bez HUBu). Na jednom konci je normální zapojení a na druhém pro překřížený kabel.
169
lší informace
http://pcwebu.cz/?page= POpt
13.2
OPTIKA
Výhodou optického datového spoje je velmi vysoká odolnost proti elmag. rušení; další výhodou je velká šíře přenosového pásma (vysoká rychlost). Nevýhodou je vyšší cena, větší útlum signálu a důležitá velká přesnost spojovacího konektoru. Druhy kabelů: • •
jednovidové (průměr 9 um, dražší, rychlejší, používá se laser, rychlost > 1 Mbit/s mnohavidové (průměr desítky um, používá se LED) gradientní
Konektory: • •
ST SC
(častější)
Velké šířky přenosového pásma lze dosáhnout nejsnáze tam, kde jsou frekvence přenášených signálů velmi vysoké. Proto je vhodné použít pro přenos např. viditelné světlo. Vlastním zdrojem světla je let dioda nebo laserová dioda. Detektorem může být fotodioda. Principálně je vytvořen z čistého skla nebo speciálního plastu, které tvoří jádro kabelu. Toto jádro je obaleno vrstvou skla nebo materiálem s indexem lomů menším než má jádro. Optické vlákno má A řádově jednotky až desítky mm (9 ; 50 / 62,5). Dopadá-li paprsek na rozhraní dvou prostředí s různými optickými vlastnostmi (optický kabel a plášť) část jeho paprsků se odráží zpět a část prostupuje do druhého prostředí. Pokud úhel dopadu není menší než určitý mezník pro dané prostředí dochází k úplnému odrazu. V důsledku opakovaných úplných odrazů pak paprsek sleduje dráhu kabelu. Tento způsob přenosu je typický pro mnohavidové vlákno. Jejich výhodou je nízká cena, snazší spojování. Největších spojovacích rychlostí se dosahuje (až Gbity) na vzdálenosti do 1km. Schopnost vést jediný vid bez odrazů i ohybů se dosahuje extrémně malým průměrem (řádově 1mm) neb velmi malým poměrným velikostem indexů lomů vlákna a pláště. Tato vlákna umožňují přenos až na vzdálenosti 100km bez opakovače. K probuzení je potřeba laserová dioda. Výhody: • • • •
podstatně vyšší přenosovou rychlost odolnost vůči el. mag. radiovému rušení přenos signálu bez ztráty na vzdálenosti několika km nemožnost odposlechu a tím větší bezpečnost sítě
13.2.1
Optické konektory
170
Vedle již delší dobu používaných optických konektorů ST a SC se s rozvojem technologií "Fiber to the desk" objevila poměrně široká škála optických konektorů, snažících se zminiaturizovat velikost a zjednodušit zapojování. Problém je trochu v tom, že velcí výrobci optických komponent se nebyli schopni včas domluvit a tak se může vyskytnou problém s kompatibilitou prvku a použitého patchcordu. MT-RJ – výrobcem je seskupení kolem HP a AMP; používáno např. u prvků Nortel Networks.
VF-45 (Volition) – výrobce 3M
LC – výrobce Lucent
MRV(Fiber Jack) – výrobce Panduit (pod názvem OptiJack)
171
13.3
MIKROVLNNÉ SPOJE
Mikrovlnná pojítka tvoří střední třídu mezi laserovými a radiovými pojítky, a to ve všech směrech. Spojení pracuje s využitím směrových antén na frekvenci 10,3–10,6 GHz, nebo na frekvenci 23–38 GHz. V případě použití mikrovlnné technologie je však nutná přímá viditelnost mezi přípojnými body. Dosažitelná přenosová rychlost se pohybuje v rozmezí 8–100 Mb/s. Maximální vzdálenost přípojných bodů je až několik desítek kilometrů. Zařízení je složeno ze tří částí. Mikrovlnná jednotka zajišťuje vysílání a příjem vysokofrekvenčního signálu. Komunikační jednotka slouží k převodu dat na signál, který je koaxiálním kabelem přenášen do mikrovlnné jednotky a obráceně. Poslední součástí je anténní systém. Výhodou mikrovlnného spojení je vysoká odolnost vůči rušivým vlivům, čehož je dosaženo vysokofrekvenční povahou přenosu. Mikrovlnná pojítka nacházejí uplatnění při propojování sítí v různých budovách na větší vzdálenosti a s vyšší přenosovou rychlostí, než rádiovými pojítky. Cena zařízení se pohybuje řádově ve stovkách tisíců korun. Druhy: • ARLAN • MICROLAN • BREEZECOM Výhody: • odolnost vůči vlivům počasí a rušivým jevům • relativně vysoká přenosová rychlost • vysoká maximální dosahovaná vzdálenost připojení Nevýhody: • vysoká maximální dosahovaná vzdálenost připojení • relativně vysoká cena zařízení
13.4
RÁDIOVÁ POJÍTKA
Rádiová pojítka nacházejí uplatnění ve dvou základních oblastech. Jedná se o bezdrátové propojení počítačů do sítě LAN (typicky v rámci jedné budovy) nebo o propojení dvou sítí fungujících v různých budovách. Zařízení pracuje ve veřejném pásmu 2,4 GHz. Dosahované přenosové rychlosti se běžně pohybují v rozmezí 2– 10 Mb/s. Maximální vzdálenosti pro spojení jsou řádově ve stovkách metrů, existují však zařízení pracující na vzdálenosti i desítek kilometrů. 172
Pro spojení počítačů uvnitř budov se používá technologie jednoho či více přístupových bodů s nesměrovanou anténou (nutný předpoklad pro rádiové spojení v budovách). Jednotlivé počítače připojované k síti jsou vybaveny speciální kartou pro příjem a vysílání signálu. Karty jsou vyráběny pro rozhraní ISA, PCI nebo PCMCIA. Jeden přístupový bod pokrývá signálem plochu až 40 000 m2. Typickým řešením je však pokrytí mnohem menší plochy, řádově do 2 500 m2. Maximální dosah lze zvětšit použitím více (kaskády) přístupových bodů. Pro spojení mezi budovami platí obdobné parametry. Většinou se však využívá, na rozdíl od spojení v budovách, směrových antén. Lze ovšem vytvořit i pouhé propojení dvou nebo několika málo počítačů do sítě typu peer-to-peer. Tímto způsobem si zámožnější „pařani“ snadno mohou spojit svůj počítač s kolegou, třeba na druhém břehu řeky, a po takto vytvořené „minisíti“ společně hrát počítačové hry. Náklady na připojení jednoho účastníka k takové „minisíti“ se pak pohybují kolem 25 000 Kč (speciální karta do počítače + externí směrová anténa). Podmínkou je však zajištění přímé viditelnosti mezi jednotlivými počítači ve vzniklé síti. Obecně se ceny zařízení sloužících jako přístupové body pohybují nad hranicí sta tisíc korun, karty do jednotlivých počítačů lze koupit za několik desítek tisíc korun. Výhody: • provoz ve volném, veřejném pásmu • zajištění přenositelnosti počítačů zapojených do sítě • mezi počítačem a přístupovým bodem nemusí být zajištěna přímá viditelnost Nevýhody: • vyšší cena oproti kovovému propojení počítačů do sítě
13.5
Aktivní prvky počítačových sítí
13.5.1
Hub
Hub je rozbočovací zařízení, které větví přenášený signál a tím umožňuje rozšiřování sítě o další pracovní stanice. Vše co mu přijde na jeho vstupy, ihned odesílá na všechny výstupy. Je určen pro vytváření sítí s topologií hvězda. Na přední straně jsou zásuvky (porty), které jsou uvnitř vzájemně elektricky propojeny. Tyto zásuvky jsou u malých hubů většinou zezadu. Do těchto zásuvek se připojují kabely které vedou od počítačů. Další informace
http://www.cisco.com web/CZ/index.html
173
í informace
ww.dlink.com
Dále bývá na přední straně několik indikačních LED diod. Tyto LEDky nám dávají základní informace o tom zda počítač připojený k hubu je aktivní a v jaké rychlosti komunikuje se serverem (10/100 Mbps). Některé huby mají také indikátor zatížení v procentech. Pokud se zatížení neustále pohybuje přes 50% měli bychom přemýšlet o rozdělení sítě na více oddělených segmentů.
Parametry hubů Huby jsou už nyní výhradně aktivní. To znamená že přenášený signál je také zesílen a hrany signálu jsou upraveny do pravoúhlého stavu. Tím je možné dosáhnout větší délky kabelů. Aktivní hub samozřejmě ke své práci potřebuje napájení. Selhání hubu ve hvězdicové topologii způsobí "spadnutí" sítě u stanic k němu připojených. Je proto vhodné ho chránit před výpadkem el. proudu zdrojem UPS. Asi nejčastěji sledovaným údajem u hubů je kolik má portů. Počet portů se může pohybovat od 8 do 48. Osmi portové huby jsou určeny pro malé sítě, nebo jako doplnění když pár portů chybí. Většinou jsou to malé krabičky které se vejdou všude (na stůl, za stůl atd). 24 a více portové se už většinou prodávají ve standardní velikosti pro zamontování do 19 palcového racku.
Huby je možné spojovat pro větší počet portů: kaskádováním -z jednoho portu prvního hubu přivedeme síťový kabel na přímý vstup druhého hubu. Většinou mají huby tlačítko které přepíná jeden port buď jako normální nebo pro spojení s jiným hubem. Pokud toto tlačítko chybí lze použít crosover (překřížený) kabel. zestohováním –některé huby lze mezi sebou propojovat pomocí SCSI kabelu. Výhodou je vysoká datová propustnost propojení dosahující téměř hodnot propustnosti datové sběrnice hubu (2 - 4 Gbps). Takovéto huby které lze stohovat jsou dražší, ale najdou své místo tam kde je předpokládáno rozšiřování přípojných míst. Datová rychlost hubu je dalším parametrem. Dnes nejčastěji narazíme na dualspeed huby, které podporují rychlost 10/100 Mbps. Lze se ale také setkat se staršími 10 Mbps huby. 13.5.2
Bridge
Most někdy zvaný brouter rozděluje síť na dvě kolizní domény. Umožňuje stanicím v kterékoliv síti přistupovat na zdroje v druhé síti. Pomocí mostů je možné 174
prodlužovat délku, počet uzlů v síti a redukovat úzké profily vzniklé z přílišného počtu připojených počítačů.
Rozumí rámci a má vlastní paměť. Celou zprávu uloží do své paměti. Zjistí jestli není poškozená. Pokud ano tak ji zahodí. Pokud je v pořádku zjistí MAC adresu a sestavuje směrovací tabulku. Poté začne odesílat pakety následujícím způsobem: • jestliže ve směrovací tabulce není uveden cíl, most odešle pakety na všechny segmenty, pokud cíl ve směrovací tabulce uveden je, most odešle pakety na daný segment. • Bridge jsou inteligentní v tom smyslu, že se naučí, kam posílat data. Jak bridgem prochází provoz, ukládají se do jeho paměti RAM informace o adresách počítačů. Bridge si poté pomocí informací v RAM sestavuje směrovací tabulku. Vytváření směrovací tabulky Při koupi bridge je směrovací tabulka prázdná. Jak uzel přenáší pakety, kopíruje se do směrovací tabulky zdrojová MAC adresa. Pomocí těchto informací se bridge naučí, které počítače jsou na kterých segmentech v síti. Jakmile most obdrží paket, srovná se zdrojová adresa se směrovací tabulkou. Pokud tam zdrojová adresa není, přidá se do tabulky. Bridge potom porovná cílovou adresu s databází ve směrovací tabulce: Pokud je cílová adresa ve směrovací tabulce a je na stejném segmentu jako zdrojová adresa, pak se vyřadí. Toto filtrování pomáhá snižovat provoz v síti a izolovat segmenty sítě. Pokud je cílová adresa ve směrovací tabulce a není na stejném segmentu jako zdrojová adresa, odešle bridge paket z příslušného portu, tak aby dorazil na cílovou adresu. Pokud není cílová adresa ve směrovací tabulce, odešle bridge paket na všechny své porty, s vyjímkou portu, ze kterého přišel. Vlastnosti mostu(bridge): rozumí rámci
•
175
lší informace
www.dlink.com
lší informace
www.netgear.co m/
• • • • • • • •
pro každou technologii musí být speciální bridge má vlastní paměť rozděluje síť na dvě kolizní domény bridge lze zapojovat do nekonečna zprávu v paměti může mít libovolně dlouho znovu vytváří preambuli bridge může tvořit i PC se dvěma síťovými kartami výkon bridge se udává v přenesených rámcích za sekundu
Bridge můžou být zapojeny i libovolně mezi sebou (paralelní záloha). Při běžném provozu se jeden automaticky odpojí, při havárii prvního bridge převezme provoz záložní do té doby odpojený. 13.5.3
Přepínače (SWITCH)
Ethernetový přepínač (anglicky: "Ethernet switch") je zařízení, směrující rámce síťového provozu mezi několika podsítěmi s kabeláží technologie Ethernet. Provoz podsítí je oddělen a do určité podsítě (přes určitý port) jsou přenášeny pouze rámce, které jsou adresovány některé ze stanic pracující na této podsíti. Má 2-16 portů. Bývá vybaven několika rychlými procesory, které řídí provoz v podsítích. Přepínač si u každého portu udržuje tabulku stanic, které na portu pracují. Tato tabulka je aktualizována nejčastěji dynamicky. Po zapnutí přepínače je prázdná a přepínač tedy přenese první rámec (obdržel jej například na portu číslo 3) na všechny ostatní porty (tedy například 1, 2, 4 až 12).Adresu odesílatele přenášeného rámce si ale zaznamená do tabulky u portu 3. Žádné rámce, které k přepínači přijdou po portu číslo 3 a obsahují číslo adresáta shodné s touto adresou nebudou od této chvíle switchem přenášeny, protože se předpokládá, že rámec najde svého příjemce na své lokální podsíti. Při práci sítě se tak velmi rychle zajistí ideální oddělení provozu podsítí při zajištění nejvyšší možné rychlosti mezisíťového přepínání. SWITCHe pracují ve dvou základních módech: Cut-Trough - přepínač začíná přenášet rámce do cílové podsítě už v okamžiku příchodu prvních Byte hlavičky paketu a detekce adresáta. Store-and-Forward - každý přenášený paket je před svým odesláním uložen v mezipaměti, analyzován a kontrolován. Ověřuje se úplnost a bezchybnost každého paketu a teprve potom je odeslán do podsítě. Také dokáže odstraňovat přímo ze sítě kolizní (poškozené) pakety.
13.5.4
Brány
Brána (gateway) je obvykle kombinací softwaru a hardwaru, který propojuje dvě různé sítě pracující pod různými protokoly. Brány pracují zpravidla na síťové 176
vrstvě nebo ještě výše. Některé brány kromě vlastního přenosu dat z jedné sítě do jiné zabezpečují současně s přenosem také převod do jiného protokolu; takovýmto branám se říká aplikační brány. Příkladem může být e-mailová brána, která převádí elektronickou poštu z podoby definované jedním protokolem do jiného protokolu. Někdy se pojem brána používá i v situacích, kdy se neprovádí žádný převod mezi protokoly, ale kdy se data pouze přenesou z jedné sítě do jiné. Takovouto bránu tvoří software a hardware, který propojuje dvě různé sítě. Jednou z možných charakteristik brány mohou být dvě různé adresy pro síťovou vrstvu, například více různých IP adres.
177
13.5.5
Směrovač (router)
Dvou nebo více portové zařízení které pracuje na podobném principu jako můstek; rozdíl je v tom, že směrovač pracuje na třetí vrstvě modelu OSI (síťová vrstva) – pracuje tedy s logickými adresami a je protokolově závislý, ale relativně nezávislý na použité síťové technologii (pro každou technologii musí mít patřičný adaptér); směrovače jsou v LAN sítích používány převážně pro spojení rozdílných technologií (např. Ethernet a Token Ring) a pro oddělení broadcastových domén (samozřejmě oddělují i kolizní domény) – tuto oblast však opouštějí neboť jsou zda nahrazovány směrovacími přepínači; vedle použití v sítích LAN našly směrovače důležité uplatnění ve WAN sítích, kde jsou používány pro připojování vzdálených lokalit.
Můstek (přepínač) pracuje s jednou tabulkou a to s tabulkou kde jsou relace mezi MAC adresou a portem zařízení. Směrovač pracuje se dvěmi tabulkami. V první je relace mezi MAC adresou, logickou adresou a portem (tabulka obsahuje údaje pouze o přímo připojených uzlech). V druhé tabulce je seznam sítí (částí logických adres) s portem kudy je na danou síť nejlepší cesta. Představme si, že kompletní adresa je interpretována dvěma čísly oddělenými tečkou ve formátu síť.uzel (např. 040.001). Část sítě musí být unikátní z globálního hlediska tzv. intersítě (neboli propojení několika lokálních sítí - subsítí). Pokud bude mít pardubická síť logickou adresu 040, žádná jiná lokalita spojená s Pardubicemi nemůže tuto adresu použít. Libovolný prvek může použít adresu uzlu 001, pak však tuto adresu uzlu nesmí použít žádný jiný prvek v dané lokalitě, ale v 178
jiné lokalitě ji může použít bez problému – celková adresa 040.001 je totiž jiná než 02.001! Směrovač Router 1 ví, že se k prvku D dostane dvěma cestami. Jedna z nich je výhodnější a proto používá ji. Existují však i mechanismy pro rozložení zátěže a používání všech dostupných cest (např. ECMP – Equal Cost Mlti Path). Směrovací přepínač (routing switch) – jde o relativně nový typ zařízení pracující s rychlostmi obvyklými pro druhou vrstvu i s informacemi třetí vrstvy, zajišťuje tedy směrování při rychlosti přepínání – tím nahrazuje pomalé směrovače v oddělení broadcastových domén; směrovače vytlačuje do použití pro spojení rozdílných technologií, do prostředí se speciálními protokoly (Banyan Vines, DECNet, …) a do WAN komunikací Výhody směrovacích přepínačů Nejmodernějším trendem pro centra počítačových sítí je tzv. přepínání na 3 vrstvě OSI (Layer 3 Switching). Jedná se o vlastně o směrování prováděné hardwarově. Důvod pro zavádění této technologie je následující - před několika lety se pro rozdělení sítí do více skupin používaly směrovače (tzv. colapsed backbone architektura). Při stále narůstajícím zatížení sítí přestaly směrovače vyhovovat (nízký výkon za vysoké ceny, velké zpoždění paketů při průchodu směrovačem – viz. tabulka). V té době přišly na svět výkonné přepínače. Začaly jimi být nahrazovány centrální směrovače, ale správci sítí si společně s dodavateli velice záhy ověřili slabinu přepínačů – přenášejí broadcasty a tudíž se sítě s vysokým počtem stanic začínají zahlcovat. Směrovače proto znovu našly uplatnění v propojování segmentů sítí postavených na přepínačích (tzv. virtuálních sítí). Protože jsou však směrovače drahé a technologický rozvoj postoupil značně dopředu, začali výrobci hledat cesty jak řešení maximálně zlevnit. Jako jedna z nejschůdnějších se ukázala cesta integrace směrování do přepínačů, tedy tzv. Layer 3 Switching. V podstatě se jedná o obdobu přepínání na druhé vrstvě – zde je přepínání na základě tabulky MAC adres; na třetí vrstvě je přepínání také řešeno hardwarově a rozhodovací algoritmy jsou rozšířeny o další tabulku – tabulku logických adres (převážně IP, časem i IPX). Definice směrovacího přepínače (Routing Switch), tak jak jej zavedla firma která tento pojem začala používat jako první, tedy Bay Networks, hovoří o několika základních atributech: • přepínání na 3. vrstvě je implementováno v hardware; • směrování a přepínání jsou stejně rychlé; • zařízení zajišťuje libovolnou kombinaci přepínání i směrování na každém portu; • průchodnost při zvýšeném zatížení, implementaci filtrů nebo použití QoS zůstane zachována; • zařízení rozhoduje o každém paketu; • zařízení umožňuje provozovánív standardních směrovacích protokolů (RIP, 179
OSPF);
13.5.6
Opakovače
Opakovač není ve své podstatě nic jiného, než obousměrný číslicový zesilovač. Používáme jej pouze jako prostředek pro zvětšení vzdálenosti, jíž jsme schopni lokální síti obsáhnout. Nejedná se tedy v pravém smyslu slova o propojení dvou různých lokálních sítí, ale o tvorbu jedné větší lokální sítě z menších částí. Další možnou funkcí opakovače je propojení dvou částí lokální sítě, pracující s různými kabely. V případě Ethernetu tak můžeme například propojit segment pracující s tenkým koaxiálním kabelem (10BASE2) se segmentem pracujícím s tlustým koaxiálním kabelem (10BASE5). Signál přicházející do opakovače ze strany jedné části sítě (např. z jednoho síťového segmentu v případě sítě Ethernet) je v opakovači zesílen a je okamžitě předán do další části sítě (do dalšího segmentu). Totéž se stane se signály jdoucími opačným směrem. Opakovač tedy regeneruje rámce putující po síti a je pro obě části sítě (oba segmenty), které spojuje, "průhledný". Funkce opakovače při průchodu signálu zleva doprava
Připomeneme-li si funkce jednotlivých vrstev OSI Modelu, je zřejmé, že opakovače pracují v nejnižší, tj. fyzické vrstvě OSI Modelu. Kromě právě popsaných jednoduchých opakovačů existují také opakovače s více porty (tzv. multi-port repeaters), umožňující současné připojení více ethernetovských segmentů. V tomto případě je signál přicházející z jednoho segmentu opět zesílen a poté přenášen do všech ostatních segmentů. Příkladem takového opakovače je tzv. 10 BASE-T rozbočovač (hub). Je důležité si uvědomit, že při instalaci opakovačů nesmí dojít ke vzniku uzavřených smyček. V tom případě by totiž v opakovačích znovu a znovu obnovovaná data neustále kroužila takto vytvořenou smyčkou (dokonce v obou směrech), což by ve svých důsledních vedlo k "zahlcení" sítě (tzv. datová bouře data storm).
180
14
Mechaniky CD, CDRW, DVD, popis, řízení, funkce…
14.1
Jednotka optického disku
Další inform
Jednotka CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory) je vnější pamětí počítače určenou pouze pro čtení. Jednotka pracuje s výměnným paměťovým médiem, http://www.dii jemuž se říká kompaktní disk nebo CD. Kompaktní disk CD-ROM vypadá i nek/jak-funguje funguje úplně stejně jako běžné zvukové CD. Namísto až 74 minut hudby jako u na-cd-r/19 zvukového CD je na něm však v podobě jedniček a nul uloženo až 650 MB počítačových dat a programů. Tato data či programy se ukládají na disk jednou pro vždy a nelze je již mazat nebo měnit. Záznam je zde proveden na úplně odlišném principu než u diskety nebo harddisku. Říká se mu optický záznam, protože je zapisován i čten světelným paprskem laseru. Kompaktní disk CD-ROM je kotouč z umělé hmoty (polykarbonátu) o průměru 120mm a tloušťce 1,2 mm. Jedničky a nuly jednotlivých bajtů jsou zaznamenány pouze na jedné, stříbřitě zrcadlové straně disku pod průhlednou ochrannou vrstvou. Zde může být zaznamenáno přes 5 miliard jedniček a nul oněch 650 MB dat a programů. Jedničky a nuly jsou zaznamenány v podobě stamilionů různě dlouhých a různě od sebe vzdálených prohlubní či vrypů (tzv. pitů) v zrcadlovém povrchu desky. Ani nejdelší pity však nejsou vidět pouhým okem, protože jsou dlouhé jen 3,6 tisíciny milimetru. Pity (jedničky a nuly) jsou zaznamenány za sebou v uzoučké stopě, která má podobu spirály začínající u středu a končící na okraji disku. Tato spirála má 20 000 závitů a celkovou délku něco málo přes 5 kilometrů” Podobně jako u disket a harddisků jsou data ukládána do adresovatelných úseků stopy, zde však ve skupinách po 2 352 bajtech. Disky CD-ROM se stejně jako zvuková CD lisují ve velkém z forem. Nejprve se ale musí u výrobce disků na zvláštních strojích vypálit silným laserovým paprskem všechny ty miliony pitů do kovové matrice. Z ní se potom vytvoří forma sloužící k lisování vlastních kompaktních disků. Takto lze vyrábět poměrně levně velké série stejných disků. Čím více disků je vylisováno z jedné formy, tím mohou být též levnější, neboť nejvíce stojí právě výroba formy. Pro malé série nebo jednotlivé kusy se pochopitelně nevyplatí vyrábět disky lisováním. Proto se začaly vyrábět zvláštní prázdné disky označené jako CD-R (Compact Disk Recordable – nahratelný kompaktní disk). Ty se od běžných CD-ROM odlišují svou zlatou barvou a především pak tím, že nejsou nahrány přímo při výrobě, ale prodávají se zcela prázdné. Ve zvláštní jednotce CD-R mohou být potom jednou nahrány uživatelem přímo na jeho počítači. Záznam je též prováděn laserovým paprskem, 181
ale do povrchu desky se zde nevypalují prohlubně, nýbrž se pouze mění jeho odrazové vlastnosti. Při přehrávání záznamu se kompaktní disk CD-ROM, popřípadě CD-R vloží do jednotky CD-ROM, která již nyní bývá podobně jako disketová jednotka běžně zabudována v počítači. Pro přehrávání může posloužit i jednotka CD-R. V jednotce se disk roztočí proměnnou rychlostí 200 až 500 otáček za minutu (podle toho, je-li snímána stopa u středu či stopa na okraji disku). Současně se rozsvítí čtecí laserový paprsek, který se zaostří a začne přesně sledovat spirálovou stopu s pity. Dopadá-li paprsek právě na neporušenou zrcadlovou plochu disku mezi pity, odráží se zpět do zvláštního čidla (detektoru světla), zatímco dopadá-li právě do prohlubně, rozptýlí se a neodráží se zpět. Jakmile pit skončí a přechází zpět v zrcadlovou plochu, paprsek se opět odrazí atd. Detektor světla tedy zaznamenává velmi rychlé, různě dlouhé záblesky střídání světla a tmy. Všechny změny osvětlení detektoru (každý začátek nebo konec záblesku) jsou vyhodnocovány jako jedničky, zatímco doba mezi těmito změnami jako nuly. Z detektoru je potom do počítače vedena série jedniček a nul odpovídající přesně na disk původně uloženým datům či programům. Kompaktní disky se záznamem digitalizovaného zvuku, tedy zvuku převedeného na jedničky a nuly, se začaly používat v roce 1983. Možnost prodávat a přenášet na jednom malém kotouči velké množství dat nebo mnoho programů vedla k využití těchto disků též v počítačovém světě. V roce 1986 se objevily již první disky CDROM a první zatím ještě velké jednotky pro jejich přehrávání, které se k počítači připojovaly kabelem. Postupně se jednotky CD-ROM zdokonalovaly a zmenšovaly, takže se nyní montují do základní jednotky počítače. První jednotky snímaly data přenosovou rychlostí stejnou jako u zvukových CD, tedy 150 KB za sekundu. Potom se vyráběly jednotky s dvojnásobnou přenosovou rychlostí (300 KB za sekundu) a poté i trojnásobnou, čtyřnásobnou nebo šestinásobnou rychlostí přenosu dat. Nyní se dodávají běžně jednotky s padesátinásobnou rychlostí ( 7 500 KB za sekundu). Čím je jednotka rychlejší, tím plynuleji může přehrávat a do počítače bez zdržování posílat texty, obrázky, počítačovou grafiku, animace, zvuky, hudbu i videozáznamy uložené na kompaktním disku. Předností disků CD-ROM je vedle jejich velké kapacity a možnosti levné hromadné výroby též kvalita a spolehlivost provedeného záznamu, který se zde nedá smazat a bez násilí ani poškodit. Na discích CD-ROM, resp. CD-R se prodávají či uchovávají velké programy, rozsáhlé soubory dat nebo obrázků, multimediální encyklopedie a samozřejmě též objemné počítačové hry. Přitom je velkou výhodou, že obsah kompaktního disku o kapacitě 650 MB se nemusí pro využití na počítači celý překopírovat na harddisk. Sem se zkopíruje pouze malý spouštěcí program a všechna ostatní data mohou zůstat na CD-ROM. Při práci si je počítač odtud podle potřeby načítá jen do operační paměti.
14.2
CD-R, CD-RW
Oproti běžnému CD, u kterého je záznam tvořen vylisovanými jamkami a hliníkovou odraznou vrstvou, mají CD-R i CD-RW záznamovou vrstvu. Rozdílné je také uložení datových oblastí na disku. CD-R a CD-RW mají navíc před zaváděcí oblastí umístěnu speciální oblast, která se využívá pro ukládání dat nezbytných pro 182
záznamový proces. Je rozdělena na oblast programové paměti PMA (Program Memory Area) a oblast kalibrace PCA (Program Calibration Area). V PMA jsou uloženy informace o číslech tracků a o jejich počátečních a koncových adresách. PCA slouží ke kalibraci výkonu laseru pro použité médium za dané teploty. Kalibrace probíhá při každé inicializaci disku po jeho vložení do rekordéru a slouží ke kompenzaci výrobních tolerancí u záznamových médií, teploty prostředí a stavu opotřebování laserové hlavice. Jemné korekce výkonu laseru se pak ještě provádějí při vlastním záznamu. Systém CD-R je definován v tzv. Oranžové knize, části II. a CD-RW v části III..Záznam se provádí optickým způsobem s přímou modulací laserového paprsku (na rozdíl od magnetooptického záznamu u MiniDisku). Zatímco CD-R má záznamovou vrstvu tvořenou barvivem a odrazivost činí 40-70 %, u CD-RW je vlastní záznam zajištěn změnou fáze záznamové vrstvy a dosahuje odrazivosti pouhých 15-25 %. Aby uložená data byla kompatibilní s CD, je třeba záznam na disku uzavřít. Data jsou pak sice kompatibilní, nikoli však optické vlastnosti disku. Cd přehrávač může přehrát CD-RW s nižší odrazivostí jen pokud je vybaven modifikovaným snímacím systémem, čemuž vyhovují nové přístroje s mechanikou PHILIPS CDM-9. Odrazná vrstva je u CD-R tvořena nejčastěji zlatem, u CD-RW se využívá hliník. Oba disky mají předem vylisovanou spirálovou drážku o šířce 0,6 mikrometru, která je modulována nosným kmitočtem 22,5 kHz s malou amplitudou. To zajistí spolehlivé sledování stopy a stabilizaci obvodové rychlosti při záznamu. Nosná frekvence je navíc kmitočtově modulována informací o absolutním čase se zdvihem 1 kHz. Záznam na Cd-R disk je proveden paprskem laseru o výkonu 4 až 11 mW, který je modulován datovým signálem. Paprsek způsobuje lokální ohřev substrátu a záznamové vrstvy na teplotu asi 250 °C. Ohřevem dojde k roztavení omezeně průsvitné záznamové vrstvy - barviva, které sníží tímto procesem svůj objem a do uvolněného prostoru expanduje roztavený průsvitný substrát. U disku CD-RW je záznamová vrstva tvořena slitinou stříbra, india, antimonu a teluru. V původním stavu má tato slitina polykrystalickou strukturu. Při zápisu lokálně ohřívá záznamovou vrstvu na teplotu 500 až 700 °C signálem modulovaný paprsek laseru s výkonem 8 až 14 mW. Zroatavených krystalů vznikne v záznamové vrstvě neprůsvitná amorfní fáze, její vlastnosti jsou během chladnutí "zmrazeny", čímž je zajištěná dlouhodobá stabilita záznamu. Na nosiči CD-RW tak vznikne struktura odrazivých a neodrazivých plošek. Popsaný proces není nevratný, ale záznamovou vrstvu je možné převést zpět do krystaliké podoby. Přepis původního záznamu může být proveden buď smazáním disku a opětovným záznamem nebo přepisem záznamu. Prvním mechanismem se záznamová vrstva celého CD-RW převede do polykrystalického stavu. Toho se dosáhne ohřátím záznamové vrstvy na teplotu kolem 200 °C. Metoda přepisování je kombinací režimu zápisu a mazání. Nové neodrazivé plošky jsou vytvářeny standartně ohřevem na vysokou teplotu. Vmístech, kde má vrstva zůstat 183
transparentní, tj. v polykrystalickém stavu, se použije snížený výkon laseru jako při mazání záznamu. Popsaným mechanismem dojde k přepisu původního záznamu a výsledkem je záznam se stejnými vlastnostmi, jako by byl disk před zápisem celý smazán.
14.3
DVD
DVD je zkratka pro Digital Versatile Disc (kde Versatile znamená všestranný. Je to o patnáct let mladší následník CD. Zkrácení vlnové délky polovodičového laseru ze 760 na 650-635 nm dovolilo zmenšit maximální délku záznamových prohlubní asi o polovinu a rozteč jednotlivých stop z 1,6 na 0,74 mikrometru (viz obr. 1).Tímto kapacita disku vzrostla sedminásobně, t.j. z 650 Mb u CD na 4,7 Gb u DVD ( t.j. 134 min). Aby užší paprsek snáze pronikal ochrannou krycí vrstvou, byla tato ztenčena na polovinu.
Obr. 2 Velikost a rozteč zánamových prohlubní na disku CD (vlevo) a DVD (vpravo)
Protože však celková tloušťka musela být zachována, je pod ní umístěna ještě druhá zpevňovací vrstva. Ta však může být použita také jako nosič informace. Vznikl tedy typ se dvěma vrstvami. Při reprodukci takovéhoto disku se laserový paprsek po přečtení spodní vrstvy automaticky přeostří na polopropustnou vrchní vrstvu. Aby nebyl přechod patrný, použije se rychlá cache. Zdvojením aktivní vrstvy se zvýší kapacita na 8,5 Gb. Pro další zvýšení kapacity je možné použít i oboustranné desky jedno a dvouvrstvé s kapacitou 9,4 a 17 Gb (obr. 2). Ty by ovšem bez přerušení dokázaly reprodukovat poze přehrávače s dvěma nezávislými čtecími hlavami.
Obr. 3 Čtyři varianty disku DVD: jednostranný • 184
• • •
jednovrstvý (1) jednostranný dvouvrstvý (2) oboustranný jednovrstvý (3) oboustranný dvouvrstvý (4).
Růst kapacity nebyl motivován jen snahou o delší záznam, ale i o kvalitnější. Obraz se zaznamenává v normě PAL (NTSC) Využívá se při tom oddělený zápis jasu a barvy v protokolu 4:2:0 a komprese MPEG-2. Datový tok závisí na požadované kvalitě a je u demonstračních nahrávek až 11 Mb/sec, zatímco u hraných filmů pouze 3,5 Mb/sec. Skutečná velikost závisí na obsahu záběru, který se standardně komplexně aktualizuje po každém 15. záběru a na rozsahu jeho vnitřních změn.U dynamických scén razantně vzrostou nároky na přenos dat, a tak zatímco statické záběry jsou v excelentní kvalitě, dynamické a hlavě švenky a změny rakursu vůbec jsou doprovázeny viditelným zvýšením šumu a snížením rozlišovací schopnosti. Výsledný signál má v normě PAL až 480 řádek (720 x 576 bodů). DVD již počítá s formátem obrazu 16:9, ale umožňuje využívat i kklasický formát 4:3. Po zvukové stránce je DVD plně srovnatelný s profi oblastí.
Obr. 4 Zatímco u disku DVD se optika při přechodu z jedné vrstvy na druhou přeostřuje jen o 40 mikrometrů, po vložení CD se musí přeostřit o zhruba 0,6 mm.
K dispozici je 16, 20 nebo 24 bito0vá lineární pulsně-kódová modulace se vzorkovacím knitočtem 48 či 96 kHz. Na přenos zvukové informace zbývá datový tok pouze 384 kB/sec, což při pětikanálovém zvuku představuje 64 kB/sec. Nejvyšší vzorkovací kmitočet asi tedy nalezne uplatnění u audio-DVD. Komprese vícekanálového prostorového zvuku je v USA podle systému Dolby Digital (AC 3) a v normě MPEG-2 pro Evropu. Dále disky mohou být opatřeny až osmijazyčným dabingem a 32 titulkových verzí. Možnost až devíti paralelních záznamů umožní divákovi interaktivně volit další děj nebo různé pohledy při fotbalovém utkání atd. Zájem hollywoodských filmových společností je však svět rozdělen na šest zón. Každá zóna bude mít odlišné kódování, takže např. film přivezený z Ameriky nebude fungovat na evropském přehrávači a naopak. Toto kafkovské rozdělení světa je důsledkem obav před poklesem zisků z kin, protože obvykle jsou filmy uváděny nejprve v USA a s obvykle půlročním odstupem potom i do ostatního světa. Kromě toho je obsah chráněn proti přepisu strým dobrým snadno odstranitelným způsobem obvyklým u kazet z videopůjčoven (ve vertikálním 185
zatemňovacím impulsu se vkládají do řádek 6 - 13 a 319 - 326 rušivé impulsy proměnné velikosti).
14.3.1
Zapisovatelné a přepisovatelné DVD
Z uvedeného je zřejmé, že DVD v prvotní podobě bude především konzumní médium nahrazující na vyšší technické úrovni dosavadní distribuci či půjčování nahraných kazet VHS. Formát DVD Video ovšem nedovoluje nahrávání, což je další podstatný důvod, proč tento formát zatím nemá vedle obyčejného a podstatně méně kvalitního videa VHS šanci. Proto se usilovně pracuje na DVD médiu umožňujícím nahrávání i uživatelům. Na trhu již jsou počítačové mechaniky , které umožňují uživatelský záznam dat v osob- ním počítači, tzv .DVD-RAM. Disk standardu DVD-RAM má kapacitu 2,6 GB. Jako každá novinka, i ony zatím mají některé dětské nemoci. Technicky jsou problémy konstrukce zapisovatelného DVD (DVD-Recordable, DVD-R) i přepisovatelného DVD (DVD-Rewritable, DVD-RW) vyřešeny a norma dohodnuta. Zapisovatelný (jednorázově) disk DVD-R bude mít v případě jednostranného provedení kapacitu přibližně 3,8 GB, v případě dvoustranného zápisu 7,6 GB. Kolem DVD-R se toho zatím moc neděje, což je celkem pochopitelné: běžným uživatelům je k ničemu, zato pro pirátské šíření by se hodila to se zas nelíbí producentům. Zajímavější je samozřejmě mnohokrát nahrávatelný disk DVD-RW. Ten by v případě úspěchu mohl ovládnout obrovský trh zahrnující široké spektrum uživatelů videa, počítačů a hi-fi fanoušků, jimž by dal velkokapacitní médium s kvalitou nahrávky , jakou se zatím mohla chlubit jen profesionální studia. Tento disk lze využít i jako záznamové médium ve videokamerách. Oficiální standard pro přepisovatelné disky se jmenuje DVD-RAM a má kapacitu 2,6 GB. V případě dvoustranného zápisu by kapacita byla 5,2 GB. Na trhu se již sice objevily první přehrávače, jsou však z mnoha stránek problematické. Médium v nich nahrané například nelze přehrávat v mechanikách a přehrávačích DVD, protože disk musí být trvale uložen v ochranném pouzdře. Některé mechaniky DVD-RAM naopak nepřečtou ani běžné disky DVD. O kompatibilitě, tím méně pak “versatilitě” tedy nelze mluvit. Zatím jde o záležitost spíše pro technické fanoušky než pro normálního uživatele. Ještě více znepokojující však je skutečnost, že už se objevily i další “trucstandardy" opakovaně nahrávatelných disků. Nejvýznamnější je patrně výtvor spolku Sony , Philips Hewlett-Packard označený jako DVD+RV. Zde má být kapacita jednostranného jednovrstvého disku 3 GB. Ještě lákavěji vypadá skutečnost, že toto médium nepotřebuje ochranné pouzdro a že by prý dokonce dokázalo nahrávat i na dnešní CD-R pro mechaniky CD-ROM. Ještě vyšší kapacitu, bezmála 4 GB, má mít přepisovatelné médium podle standardu DVD-R/W firmy Pioneer. Ta je známým výrobcem DVD mechanik, lze tedy předpokládat, že ví, co činí. A aby toho nebylo dost, je zde ještě formát MMVF firmy Nec s kapacitou 5,2 GB.
186
Přes to všechno je DVD i jeho odvozeniny zajímavá záležitost s dobrou perspektivou. Zájemce ovšem ve většině případů nic nezkazí, když počká, až tyto perspektivy nabudou poněkud pevnějších obrysů. (Mimochodem, podobný rozpad zřejmě hrozí i standardu DVD Audio určenému pro kvalitní velkokapacitní záznam zvuku. Našeho tématu se to sice přímo netýká, přesto to o celkové atmosféře kolem DVD také ledacos vypovídá.) Kromě mediálních pirátů všeho druhu ocení přednosti zapisovatelné a přepisovatelné mechaniky DVD především videoamatéři. DVD umožní ve velmi odolné a trvanlivé podobě archivovat hotové sestříhané programy , stejně jako obrovské množství záběrů, které zatím nenašly upotřebení, ale které je pro jejich dokumentární hodnotu škoda mazat. Vzhledem k digitální formě zápisu totiž budou mít tyto archivační kopie stejnou kvalitu jako originální kamerový záznam (master), o čemž se dnešním "analogovým" videoamatérům může jen zdát. Pásková mechanika už se pak patrně bude pro své některé přednosti používat jen v kameře (samozřejmě digitální a pásková kazeta poslouží pouze jako přechodné médium pro dopravení obrazové informace z kamery do počítače. A možná ani to ne, protože jak již bylo řečeno - magnetická páska má vedle svého výhodného poměru cena/kapacita i mnoho závažných nedostatků. Proto se již konají pokusy vyrobit kameru s jiným druhem paměti, včetně zapisovatelné či přepisovatelné mechaniky DVD. DVD se také bezpochyby stane vysokokapacitním médiem pro záznam počítačových dat a programů - zejména mimořádně rozsáhlých souborů. Někteří odborníci dokonce soudí, že jeho skutečný význam leží především zde.
14.3.2
DVD mechaniky
Média a jejich formáty jsou pouze jednou stranou mince. Tu druhou tvoří mechaniky a přehrávače, které umožňují čtení a zápis médií. V současnosti jsou nejběžnější mechaniky a přehrávače typu DVD-ROM; jsou schopny číst formáty DVD-Video, DVD-Audio, DVD-ROM, DVD-R a zpravidla i DVD+RW. U mechanik určených pro záznamová média je situace komplikovanější. Mechaniky pro formát DVD-RAM zvládají čtení i zápis na disky ve formátu CDR/RW, DVD-ROM, DVD-R a zpravidla i DVD–RW. Formát DVD+RW nezvládají. U mechanik DVD-RW (DVD-R) je situace taková, že je umožněno čtení a zápis na disky s formátem CD-R/RW, DVD-R, DVD-RW. Formáty DVD-RAM a DVD+RW tyto mechaniky nezvládají. Mechaniky DVD+RW mohou číst i zapisovat na mechaniky DVD+RW, CDR/RW. Navíc v současné době přicházejí na trh mechaniky se schopností zápisu na disky DVD-R a DVD-RW. Zápis a čtení formátu disků DVD-RAM nejsou podporovány. Regiony První a patrně poslední možnou komplikací u DVD mechanik je tzv. regionální 187
kódování DVD. Jedná se o to, že distribuční společnosti chrání DVD tituly, a proto rozdělily svět na 6 regionů. Každý titul DVD obsahuje kód regionu, pro který je určen, přičemž na každém DVD titulu je patřičná lokalita určena (Evropa má kód 2). Následek tohoto opatření je takový, že na DVD přehrávači lze přehrát pouze titul ze stejného regionu. Je nutné upozornit, že tento kód je jen rozšířená vlastnost a výrobce DVD titulu může blokování vynechat, takže titul je pak univerzální pro všechny regiony. Výrobci počítačových mechanik se s tímto rozdělením vyrovnali tak, že dodávají na trh mechaniky v multi-regionálním provedení. Nejedná se však o univerzální DVD mechaniku, ale pouze o možnost přepnout mechaniku do kódu patřičného regionu. Počet přepnutí je omezen, zpravidla je to umožněno pouze 5×.
14.4
Budoucnost DVD
Navzdory mohutné reklamní kampani a několika letům praktického používání se nad DVD stále vznáší řada otazníků. Kromě již zmíněných obav majitelů autorských práv a distributorů videoprogramů, problematiky regionálních kódů, obav z rozpadu jednoty formátu atd. je to především omezený počet titulů na našem trhu, což ostatně s problematikou regionálních kódů souvisí. Většinu sortimentu tvoří dovezená díla hollywoodské produkce pro masový vkus. Poslední dobou se začínají na DVD objevovat i některé populárně naučné pořady za zahraničí, ovšem oproti kazetám VHS je nabídka stále ještě velmi chudá a rozšiřuje se jen pomalu. Přitom na běžné DVD nelze nahrávat, což takže divák s jen maličko vyššími nároky či konkrétně zaměřenými zájmy musí pociťovat jako nedostatek. Pár stovek titulů většinou nevalné umělecké úrovně tedy rozhodně neinspiruje k nákupu drahého zařízení. Investice totiž nezahrnuje jen samotný přehrávač. Abyste si kvality DVD vychutnali, měli byste mít také příslušně kvalitní televizor s širokoúhlou velkoplošnou obrazovkou a pětikanálovou zvukovou soustavou Dolby Digital. A to už se náklady začnou rychle šplhat na mnoho desítek až stovek tisíc korun. Existují však i některé technické pochybnosti. Z největší míry se týkají skutečné životnosti disků. Otázka se poprvé vynořila již při nástupu digitálního audiodisku, tehdy však byli tazatelé "odhaleni" jako zakuklení příznivci vinylových desek a magnetických nahrávek. Léta, která od té doby přešla, nedala pesimistům zatím za pravdu, přesto se otázkám tohoto typu nevyhnula ani CD-ROM a DVD - jde totiž víceméně stále o jeden a týž princip. Teoreticky je záznam pomocí pitů a jejich bezkontaktní čtení laserovým světlem sice téměř nesmrtelný a v praxi se předpokládá, že půjde o mnoho desítek až stovek let.
188
Název: ARCHITEKTURA PC VI. VII. Autor: Ing. Jaroslav Nesvadba, CSc Spoluautor: Ing. Oldřich Kratochvíl
Vydavatel, nositel autorských práv, vyrobil: Evropský polytechnický institut, s.r.o., Osvobození 699, 686 04 Kunovice Náklad: 100 ks Počet stran: 155 Rok vydání: 2003
ISBN 80-7314-022-5
5
I SBN 8 0 - 7 3 1 4 - 0 2 2 - 5
9 788073 140229
6
