Hardver ismeretek Szakolczay Zsolt szakdolgozata (2001) alapján
Számítógép ....................................................................................................................................... 3 Ház ................................................................................................................................................... 9 Alaplap ........................................................................................................................................... 10 Processzor....................................................................................................................................... 16 Memória ......................................................................................................................................... 23 Mágneslemez .................................................................................................................................. 26 Mágnesszalag ................................................................................................................................. 29 CD .................................................................................................................................................. 30 Monitor ........................................................................................................................................... 33 Videokártya .................................................................................................................................... 39 Billentyűzet .................................................................................................................................... 50 Egér ................................................................................................................................................ 52 Szkenner ......................................................................................................................................... 53 Nyomtató ........................................................................................................................................ 56 Hangkártya ..................................................................................................................................... 59 Hálózati kártya ............................................................................................................................... 62 Modem ........................................................................................................................................... 64
Hardver ismeretek
Számítógép A számítógép egy olyan be- és kimenettel rendelkező elektronikus automata, mely szoftverek alapján a hardvert működteti. A szoftver (software) a számítógépet működtető programok összessége, melyek algoritmusokat (műveletsorokat) tartalmaznak (valamint ezek dokumentációi). A hardver (hardware) olyan eszközök halmaza, melyek fizikailag kézzelfoghatóak (a számítógép áramkörei, mechanikus berendezései, perifériái). A kettő fogalom között létezik egy átmenet is, melyet frömvernek (firmware-nek) nevezünk. Ilyen pl. a ROM-BIOS. Ezt is ebben a fejezetben tárgyalnánk, hiszen sokkal inkább hardver, mint szoftver eszköz, hiszen az alaplapra gyárilag rászerelik.
A számítógépek alaptulajdonságai 1. Tároló egység (memória) a programot és az adatot tárolja, 2. Processzor (CU, ALU) a programok utasításait, adatait értelmezi és feldolgozza, majd az eredményt továbbküldi, 3. Sínredszer (BUS system) a perifériák, a tároló egységek és a processzor közötti kapcsolatot valósítja meg, 4. Perifériák (input, output) a külvilággal, a számítógépet felhasználó emberekkel teremti meg a kapcsolatot. Működési csoportosítás A számítógépek összehasonlításához ki kell választani azokat a legjellemzőbb tulajdonságokat, melyek alapján hasonló gépek egy halmazba kerülhetnek. Számtalan csoportosítási lehetőség van, de néhány szempontot mégis érdemes kiragadni. Az egyik az utasításkészlet szerkezete. •
CISC (Complex Instruction Set Computer): A '60-as évek végére kialakult, bonyolult utasításokból álló utasításkészlettel rendelkező és igen sokféle címzési módot megengedő számítógépeket (processzorokat), melyek mikro-programozott műveleti vezérléssel dolgoznak, összetett utasítás-készletű számítógépeknek (processzoroknak) nevezzük. Ilyenek a PC-k.
•
RISC (Reduced Instruction Set Computer): A teljesítőképesség növelése érdekében a '80as évek kezdetétől, az utasításkészlet egyszerűsítésével (kevés, viszonylag egyszerű címzési lehetőséggel rendelkező utasítás használatával) a számítógépek architektúráját is egyszerűsíteni lehetett, melynek következtében teljesítőképességük nőtt. Ezek az ún. csökkentett utasítás-készletű számítógépek.
Csoportosíthatjuk még tulajdonságaik alapján is. •
A gépek műveleti sebessége, vagyis az az utasításszám, amelyet átlagosan egy időegység alatt dolgoz fel a gép. Az így mért sebesség mértékegysége a MIPS (millions of instruction per second), vagy MOPS (millions of operations per second), de használják még a lebegőpontos aritmetikai műveletszámra vonatkozó MFLOPS-ot (millions of floating point operations per second) is.
3
Hardver ismeretek
•
A számítógépek órajel frekvenciája. A gépek órajel sorozata szinkronizálja (időben összehangolja) az egyes részek működését, biztosítja a párhuzamos folyamatok egymásmellettiségét és megszabja a számítógép működési sebességének felső korlátját. Egy ma használatos átlagos mikroszámítógép órajel frekvenciája eléri a 200MHz-et.
•
Az áramköri egységek technológiája. A gép logikai áramköreinek előállítási technológiája nagymértékben befolyásolja azok működési sebességét.
•
A belső és a külső sínrendszer szélessége, azaz annak értéke, hogy hány bináris jelet tud egy időben, párhuzamosan továbbítani. A személyi számítógépek ma már elérik a 64 bitet is.
•
Az utasítások és műveletek végrehajtásakor, azok átlapolhatóságának lehetősége (pipeling).
•
A használt szóhosszúság, azaz azon bináris jelsorozat hossz, amit az utasítások végrehajtásakor a gép egy egységként kezel. A PC-k szóhosszúsága 2 byte nagyságú.
•
A memória adatátviteli sebessége (Mbyte/sec)-ban mérve. Ennek nagyságát a memória ciklusideje és a sínrendszer szélessége szabja meg.
•
A perifériális egységek adatátviteli sebessége ((Mbyte/sec)-ban mérve), amely a perifériák működési sebességétől és a periféria vezérlők kapacitásától függ.
A számítógépek teljesítőképességük alapján három csoportba sorolhatók: kis-, közepes és nagygépek. Természetesen élesen nem különíthetőek el egymástól. •
A nagygépek (mainframe): nagy műveleti sebességűek, tárolójuk nagy kapacitásúak, perifériáik nagy teljesítményűek. Ezeket a gépeket elsősorban tudományos számításokhoz, nagyvállalati adatfeldolgozáshoz használják. A gépeket szintén nagy teljesítményű operációs rendszerrel látják el, amelyek a gépek használatát nagy számú felhasználónak teszik lehetővé egy időben. Általában központi gépekként szolgálnak számítógéphálózatokban.
•
A középgépek (mini computer): memóriájuk kisebb kapacitású, sebességük is alacsonyabb. Kisebb adatmennyiséggel dolgoznak, többnyire folyamatvezérlési, mérésfeldolgozó rendszerek kiszolgáló gépeikét alkalmazzák őket. Viszonylag nagyszámú felhasználó kapcsolódhat rá. Általában bonyolult grafikai feladatokat (pl. térinformatikai rendszerek, mérnöki tervezőrendszerek - CAD/CAM) végeztetnek munkaállomásként.
•
A kisgépek (micro computer): teljesítményük viszonylag alacsony, többnyire önállóan, személyi számítógépként használják őket. A csoport nagy teljesítményű tagjai munkaállomásként, hálózati kiszolgálóként (server-ként) működnek. Ebbe a csoportba tartoznak az IBM PC kompatíbilis számítógépek.
4
Hardver ismeretek
A számítógépeket csoportosíthatjuk azokkal feldolgozott utasításfolyam és adatfolyam vizsgálata alapján. Ennek jelentősége csak a bonyolultabb számítógép architektúrák befolyásolásánál van. •
SISD (Single Instruction Stream Single Data Stream): egyetlen utasításfolyam és egyetlen adatfolyam feldolgozása. Az ilyen gépek egy vezérlő egységgel és egy aritmetikai-logikai egységgel rendelkeznek, egy időben egyetlen utasítás végrehajtására alkalmasak. Ilyenek a hagyományos, Neumann-elvű számítógépek (pl. PC-k).
•
SIMD (Single Instruction Stream Multi Data Stream): egyetlen utasításfolyam, többszörös adatfolyam feldolgozása. Ezek a gépek egy vezérlő egységgel és több aritmetikai-logikai egységgel rendelkeznek. Egy időben ugyanazt az utasítást hajtja végre több adaton. Ilyenek a vektor- vagy tömbprocesszoros számítógépek.
•
MISD (Multi Instruction Stream Single Data Stream): több utasításfolyam alapján egyetlen adatfolyamat feldolgozása. Valójában ilyen gépek nincsenek, de bizonyos értelemben ide vehetjük a pipeline feldolgozást alkalmazó számítógépeket.
•
MIMD (Multi Instruction Stream Multi Data Stream): több utasításfolyam és több adatfolyam feldolgozása. Ebbe a csoportba tartoznak a multiprocesszoros gépek.
A nagygépek és a kisgépek közötti különbségek: •
A nagygépek belső és külső perifériális teljesítménye és megbízhatósága jóval nagyobb, mint a kisgépeké.
•
A kisgépek központi egysége, processzora egyetlen integrált áramköri egységet alkot, míg a nagygépek általában több egységűek.
•
A kisgépek összeszerelt állapotukban általában egyetlen házban vannak elhelyezve, míg a nagygépek mérete akár több szekrény nagyságúak is.
•
A magas integráltságú áramkörök (VLSI) nem hoznak létre különbséget, hiszen ma már szinte minden gép kihasználja az áramkör-technika legmagasabb fokát.
A számítógépek struktúrája A különböző számítógépek felépítését mindig egy alapgondolat határozza meg. Tipikus architektúra-elvek 6 tipikus architektúra (struktúra) létezik, melyek jelentős mértékben különböznek egymástól.
5
Hardver ismeretek
1. Neumann-elvű számítógépek: • •
• • •
A gép vezérlése tárolt program alapján történik. A gép irányítása vezérlésáramlásos rendszerű, azaz a számítógép vezérlő egysége a tárolt program utasításait egyenként sorra véve oldja meg az adott feladatot. az automatikus programvégrehajtás egyszerűsítése végett a vezérlő egységben egy utasításszámláló regiszter tárolja a soron következő utasítás tárolóbeli helyének címét. A gép egy közös tárolót tartalmaz, amely egyaránt tárolja a program utasításait és az utasítások által feldolgozandó adatokat is. A program és az adatok kódolására bináris kódrendszert alkalmaz. A program utasításai által kívánt aritmetikai és logikai műveletek elvégzésére egy önálló egység, az ALU szolgál. Az adatok és a program bevitelére/kihozatalára önálló egységek szolgálnak.
A teljesítmény növelésében akadályt jelent a processzor és a tároló közötti adatátviteli sebesség korlátozottsága, amelyet a közös program- és adattárolás, vagyis az utasítások soros feldolgozása csak fokoz. A Neumann-elvű gépek az SISD csoportba tartoznak. A működésük gyorsításához, a teljesítmény növeléséhez kevés lehetőség van. •
A számítógép erőforrásainak egyenletesebb leterhelésére a multiprogramozott üzemmódot alkalmazzák.
•
A funkcionális egységeket többszörözik, multifunkcionális processzort alakítanak ki.
•
A processzor tevékenységeket és az I/O műveleteket átlapolással, spooling technikával oldják meg.
2. Harvard-architektúrájú számítógépek: A Harvard-architektúrájú számítógépek felépítése ugyanaz, mint a Neumann-elvű gépeké, csupán abban különbözik, hogy külön program és külön adattárolót használ a processzor. A két tárolási funkció szétválasztásával csökken a közös sínrendszer használatából eredő szűk keresztmetszet, így növelhető a gép teljesítménye. Ezek a gépek szintén az SISD csoportba tartoznak. A külön tárolók használata megszünteti a programutasítások felülírásának lehetőségét, így a futó program nem tudja módosítani önmagát. 3. Vektorszámítógépek: A matematikai-tudományos számítások körében gyakran kell számsorozatokkal, vektorokkal műveleteket végezni. Ezekre a műveletekre jellemző, hogy azonos számításokat kell elvégezni egymás után. Az adatsoron történő műveletvégzés lehetőséget ad azok átlapolt (pipeling) végrehajtására és ezzel a teljesítmény növelésére. A vektorszámítógépek a folyamatok kezelése szempontjából az SIMD csoportba tartoznak. A vektorprocesszorok teljesítménye függ az adatátlapolás hosszától. Minél több elem feldolgozását lehet átlapolni, annál inkább növekszik a processzor teljesítőképessége. Meg kell oldani a vektorelemek tárolóból történő lehívásának és visszatöltésének hatékony
6
Hardver ismeretek
módját is, hiszen a tároló elérési ideje jelentősen csökkenti a számítógép teljesítményét. Ennek megakadályozására a műveletvégző egység előtt és után regiszterláncot alkalmaznak az adatok ideiglenes tárolására, és a tárolóterület több részre felosztva, a vektorelemeket sorra az egymást követő memóriablokkból készíti elő a processzor. Teljesítőképességüket erősen rontja az, ha skalár mennyiségekkel kell dolgoznia, mert áthaladásuk a feldolgozó láncon időveszteséget okoz, ezért a vektorprocesszorok mellett külön processzor áll rendelkezésre. 4. Tömbprocesszoros számítógépek: A tömbprocesszoros számítógépek a vektorszámítógépek továbbfejlesztett változata. A gépek több processzorral és ehhez kapcsolódó memóriamodullal rendelkeznek. A vektor- és mátrixműveletek végrehajtásának sebessége nagymértékben növelhető, ha valódi párhuzamos műveletvégzés (nem átlapolás) történik a gépekben, vagyis minden processzoron ugyanazt a műveletet hajtja végre a gép, a vektorok vagy a mátrixok különböző elemeivel. Ezek a gépek is az SIMD csoportba sorolhatók. A processzorokat és a memóriamodulokat egy vezérelhető kapcsolóhálózat köti össze, amely lehetővé teszi bármelyik processzor összekapcsolását bármelyik modullal. 5. Multiprocesszoros számítógépek: A teljesítőképesség növelésének következő lépcsőfoka a több processzor használata. Lényeges, hogy a processzorok között feladatmegosztás legyen. Ezek a gépek az MIMD kategóriába tartoznak. A processzorok közötti, illetve a processzorok és a megosztott memóriamodulok kapcsolatok megvalósítására szolgáló hálózat statikus és dinamikus is lehet. Statikus hálózat esetében a processzorok között állandó struktúrájú a kapcsolatok kiépítése, dinamikus hálózat esetében a processzorok közötti kapcsolatokat igényeknek megfelelően lehet kialakítani. A csomópontokban (processzorokban) elhelyezkedő egységek között az adatok továbbítása általában egységes formájú üzenetekben történik. Az üzenetek tartalmazzák a célállomás (fogadó processzor) azonosítóját, valamint a feldolgozandó adatokat és egyéb kiegészítő információkat. 6. Adatvezérelt számítógépek: Az adatvezérelt számítógépek alapjaiban különböznek a Neumann-elvű gépektől. A vezérlés-áramlásos soros utasítás-feldolgozása helyett a feladatokhoz szükséges adatoktól függ a műveletek végrehajtása. A számítógép logikai struktúráját az elvégzendő műveletek egymáshoz kapcsolódását leíró adatáramlási gráf határozza meg. A csomópontokhoz vannak hozzárendelve az elvégzendő műveletek. Egy-egy ilyen hozzárendelés aritmetikai és logikai műveletek elvégzését, több befutó adat közüli választást, egy adat valamely irányba történő irányítását eredményezi. A gráf éleihez a csomópont által igényelt adatok, illetve a művelet eredményeként keletkező adatok vannak hozzárendelve. Az adatáramlási gráf alapján készíti el a fordítóprogram annak programgráfját, amely kijelöli a műveletet és a kapcsolódó adatokat. Az adatvezérelt számítógépek multiprocesszoros rendszerek, amelyben a processzorokat egy kapcsolóhálózaton keresztül kötik egymáshoz és minden ütemben az adatok egy-egy processzor-pár között mozognak az adatokban előírt módon.
7
Hardver ismeretek
Minden körben a bemeneti adatok és a kimeneti adatok (eredményadatok) kiegészítésre kerülnek a következő elvégzendő utasítás azonosítójával, majd a megjelölt utasítás alapján, a rendszer összepárosítja azzal az adattal, amelynek utasításazonosítója ugyanaz. Ezt követően a programtárolóból kikeresi az utasítás műveleti kódját és hozzáteszi az adatcsomaghoz, majd ezt még kiegészíti az eredmény következő felhasználási helyének címével. Az így összeállított adatcsomag kerül a processzorba, ahol az előírt utasítás végrehajtása megtörténik. A kapott eredmény a kapcsolóhálózat segítségével jut tovább a következő végrehajtási lépés előkészítési fázisába, vagy kerül ki a gépből.
Neumann-elvű számítógépek felépítése, erőforrásai A Tipikus architektúra-elvek alatt már szó volt a Neumann-elvű gépekről. Mivel a PC-k is ebbe a csoportba tartoznak, bővebben kitérünk erre az elvre. A hagyományos (Neumann-elvű) számítógépek felépítésének kidolgozásában hatalmas szerepet játszott a magyar származású Neumann János. Az 1940-es évek közepén fejlesztették ki azt a számítógépet, amely tárolt program alapján dolgozott soros feldolgozás szerint. A mai számítógépek többsége így működik. A közös adat- és programtároló alkalmazásának következménye az, hogy a program utasításait a végrehajtás során át lehet írni - mintha az is adat volna. Ezt a lehetőséget ma már nem célszerű kihasználni, hiszen egyrészt a rendelkezésre álló tárolóhely nagysága már többnyire elegendő, másrészt a programok bonyolultsága olyan fokú lett, hogy az ellenőrizhetőség hosszadalmas. Az automata gép hatékonyságának növelésére különböző önálló egységeket hoztak létre. A mikroszámítógépek esetében ez az elkülönítés már igen jól látható, mivel az egyes egységek vagy egy-egy integrált áramköri egységben (IC-ben), vagy egy-egy áramköri kártyán találhatók. A számítógép több funkcionális 5 főegységre bontható. Ez a központi egység, a háttértárolók, a perifériák és a sínrendszer. A különböző egységek mindig az alaplapon, vagy az alaplapra kapcsolva találhatók. A PC alaplapja a processzorra, a memóriára és a sínrendszerre épül. Erre kapcsolódnak a különféle perifériák.
8
Hardver ismeretek
Ház A ház (mechanika) külseje teljesen változatos lehet, mégis 2 fő megjelenési formát tudunk elkülöníteni: • •
desktop (asztali, fekvő elrendezésű), torony (álló elrendezésű), ezen belül mini-, midi-, és nagytorony.
Léteznek AT, ATX-es számítógép házak, amelyekben különböző tápegység van. Az AT házak mechanikus kapcsolóval kapcsolható be és ki a számítógép, az ATX-es házak mechanikus nyomógombbal kapcsolhatók be és ki, vagy szoftveresen kapcsolhatóak ki. Az ATX-es ház impulzusjeleket használ. Az asztali számítógépekben 2 vagy 3 db 5Ľ-es hely van, ahova helyezhetünk, 5Ľ-es floppyt (hajlékonylemez meghajtó) vagy 3˝-et átalakító keretben, winchestert (merevlemez meghajtó) és CD olvasót/írót, stb. Található rajta 1 db 3˝-es foglalat, ide rakhatunk a 3˝-es floppy meghajtót vagy streammer meghajtót. A minitoronyban 2 db 5Ľ-es hely van és 2 db 3˝-es. A miditoronyban 3 db 5Ľ-es hely van és 2 db 3˝-es. A nagytoronyban 5 vagy 6 db 5Ľ-es hely van és 2 db 3˝-es. A ház előlapján különböző gombok és lámpák (ledek) találhatók. Ezek elhelyezése, formája, színe igen változatos. Mindenképpen találhatunk egy főkapcsolót, amellyel áram alá helyezhetjük a számítógépet (ez lehet a ház oldalán vagy hátulján is). Ezt az állapotot egy "Power" feliratú lámpa is jelzi. Másik gyakori gomb a "Reset", melynek megnyomásával újraindíthatjuk a számítógépet, mintha egy rövid áramszünetet csinálnánk. A "Turbo" feliratú gomb (ha van) a processzor sebességét (órajel gyakoriságát) tudja két érték között változtatni. Ez általában egy lámpa is szokta jelezni, de van digitális kijelzővel ellátott gép is, mely a két értéket számmal is megjeleníti. Néhány géptípuson az előlapon található egy zár kis kulccsal. Ennek feladata az, hogy üzemem kívül a gépet lezárva blokkolni lehet a billentyűzetet, így a gépet idegen nem tudja használni. Mivel ezt a védelmet könnyű hatástalanítani, ezért az újabb gépeken már más védelmet alkalmaznak.
Tápegység A PC házaiban hálózati feszültségről működő tápegység van. A PC házak méretüktől függően 180-220 W teljesítményű tápegységet tartalmaznak. Ezek a 220 V-os hálózati feszültségről üzemeltethetők az európai szabványnak megfelelően. Terhelt állapotban a feszültségek egymáshoz viszonyítva legfeljebb 300 ms késéssel elérik a megadott értékeket. A tápfeszültség esetleg rövidre zárása esetén – a felépítésnek köszönhetően – a tápegység nem károsodik, mert 20 ms-on belül az összes kimenet lezárásra kerül. A napjainkban kapható PC házak tápegységeit rendszerint 2 tápcsatlakozóval szolgáltatják. Ezek közül a két 6 érintkezőset az alaplapra (a fekete föld jelöléssel a közép felé) kell csatlakoztatni. A többi 4 az egyes meghajtók áramellátását szolgálja. Ennek két típusa van, egy a 5,25"-es, egy a 3,5"-es meghajtókhoz.
9
Hardver ismeretek
Alaplap A 286-os alaplap korában az Intel melletti utángyártók ötlete volt, hogy az alaplap szabványos rendszerelemeit (8237, 8259A, 8254 stb.) célszerű lenne berendezésorientált áramkörökbe integrálni, mert egyszerűbb és megbízhatóbb lesz az alaplap. Az ötlet annyira bevált, hogy a következő processzor és alaplap generációknál következetesen továbbvitték egészen a mai napig. Az eredmény egy szinte átláthatatlan dzsungel lett. Számos gyártó sok különböző elemkészletet (Chipset, lapkakészlet) állított elő, melyek hardveroldalról teljesen eltérnek egymástól, és a mindenkori BIOS feladata szoftveroldalról közös szintre hozni őket. A lapkaháborúba az Intel sokáig nem szállt be, a Pentium processzorokhoz készített Triton lapkakészlettel azonban De-facto szabványt hozott létre. A funkcionális elemek egybeintegrálása mellett a lapkakészletek egyre inkább az új technológiai megoldások nélkülözhetetlen segítői lettek (pl. AGP-kártya, PCI-ISA-híd), melyekhez többnyire hajlékonylemezen adott meghajtóprogramok tartoznak. A következőkben röviden átnézzük az ismertebb lapkakészleteket a processzorok és a gyártók függvényében.
80286-os alaplap A 286-os gépek NEAT alaplapjaihoz néhány cég gyártott lapkakészletet (Chips and Technologies, Suntac, Sis stb.). A készletek közös jellemzője, hogy programozható konfigurációs regiszterekkel rendelkeznek, melyek beállítására a SETUP menüben megjelent az ADVANTED és EASY NEAT CHIPSET REGISTER SETUP (vagy hasonló) menüpont. A készletben lévő elemek száma (kezdetben 4) fokozatosan csökkent egészen az egymorzsás alaplapig. Mintaként a Sis gyártmányú lapkakészletet mutatjuk be. A SiS lapkakészlet három tagból áll, melyek az alábbi feladatokat látják el: •
85C401 CPU vezérlés: Gyorstár vezérlés, DRAM vezérlés, árnyék RAM beállítások, gyors A20 Gate átváltás, DRAM átlapolt és lapmódbeállítás, Weitek társprocesszor interfész.
•
85C402 sínvezérlés, adatpuffer: ISA sínvezérlés, sín órajel beállítás, paritás logika, NMI logika, várakozó állapot logika.
•
85C206 perifériavezérlés: Két 8259A PIC, két 8237 DMA, 74LS612 DMA lapregiszter, 8254 CTC, MC146818 CMOS óra, egyéb perifériasín-apróságok.
80386-os alaplap A 386-os alaplapok lapkakészlete hasonlít a 286-os elemekhez. A legfontosabb módosítás a 32 bites sín kezelése. Több gyártó készített chipkészletet, ezekben a leggyakoribb áramkör a 28G-os készletek C206os perifériavezérlője. Mintaként a Chips and Technologies cég CS8230 típusú készletet mutatjuk be. A CS8230 AT/386 lapkakészlet hét VLSI áramkört tartalmaz a 386-os PC AT kompatíbilis rendszerek alapfunkcióinak ellátásához. A 82C20G integrált perifériavezérlővel
10
Hardver ismeretek
kiegészítve teljes AT gép építhető fel mindössze 40 IC-t használva (memória áramkörök kivételével). A készlet az alábbi elemeket tartalmazza: •
82C301 sínvezérlő: AT sín időzítése, I/O és memória műveletek várakozó állapotai, sínállapotok vezérlési logikája, 3 konfigurációs regiszter, "B" port.
•
82C302 tárvezérlő: Átlapolás és lapmód beállítás, tárelérés döntési logika (CPU, DMA és frissítés), 14 konfigurációs regiszter.
•
82C303/82C304 címsín interfész: Címdekóder a többi chip számára, interfész a helyi, periféria és rendszersín között, portcím dekóder kimenetek.
•
82C305 adatsín interfész (2 darab): Kapcsolat a helyi, rendszer és U O csatornasín között, adatkonverzió.
•
82C306 vezérlőjel puffer: 14 MHz-es oszcillátor, paritás áramkör.
80486-os alaplap A PCI felület (Peripheral Components Interconnect) bevezetésével a lapkakészletek felépítése alapvetően megváltozott. A PCI- és az ISA-felület közötti kapcsolat kezelésére először az Intel készített lapkészletet. Ez érthető, hiszen a PCI fejlesztésében az Intel jelentős részt vállalt. Az Intel lapkakészlet a Saturn fantázianevet kapta, és a következő áramkörökből áll: •
82424TX gyorstár/DMA vezérlő (CDC): A CDC összeköti a CPU sínt a PCI sínnel, előállítja a cím és vezérlő jeleket, gyorstárat és DRAM vezérlőt tartalmaz. Közvetlen kapcsolatban áll a DPU-val, mely az adatirányításért felelős. A két áramkör azért került külön tokba, mert túl sok kivezetéssel rendelkeznek.
•
82423TX adatút egység (DPU): Az adatút egység adatvonal meghajtókat tartalmaz, más készletekben a rendszervezérlő áramkörben található.
•
82378IB rendszer bemenet/kimenet (SIO): A PCI és ISA sín közötti felületet a SIO valósítja meg.
Tartalmazza azokat a szabványos elemeket, melyekből az ISA és EISA PC-k felépülnek (időzítő, megszakításvezérlő, DMA vezérlő, továbbá a PCI sínhozzárendelőt, mely a CDC-vel együtt két PCI mestert tud kezelni.
11
Hardver ismeretek
Pentium alaplap Intel lapkakészletek Az Intel a 486-os PCI lapkakészletről igen gyorsan váltott Pentium processzorokra, de az eredmény nem volt igazán lenyűgöző. A 4 elemből (82434LX, 82378IB és két 82433FX) álló Mercury fantázianevű Intel készlet volt az első, Pentium processzorhoz készült készlet. Sajnos mind a 60-66 MHz-es processzor, mind a hozzá készült lapkakészlet zsákutcának bizonyult. Nem nyújtottak nagyobb teljesítményt, mint egy jó 486DX2-es rendszer, és sokkal többe kerültek. A Mercury készletet nem Pentium tulajdonságokhoz fejlesztették, csak egy továbbfejlesztett 486-os PCI lapkakészlet volt. Az első igazi Pentium képességű lapkakészletet az Intel viszonylag későn jelentette meg. A Triton fantázianevű készlet (82430FX) az alábbi négy elemből áll: •
82437FX Triton rendszervezérlő (TSC): Tartalmazza a gyorstár és operatív tár vezérlőegységet. A vezérlőegység felelős a CPU, gyorstár, operatív tár és PCI sín között adatátvitelért. A 2. szintű gyorstár támogatja a visszaírás (write back) üzemmódot, kapacitása legfeljebb 512 kbájt. A gyorstár szabványos, csoportos (burst) vagy adatcsatornás (pipelined) csoportos statikus RAM elemekből épülhet fel.
•
82438FX Tl-iton adatút (TDP) 2 darab: A két TDP feladata a TSC-vel együttműködés támogatása legfeljebb 128 Mbájt szokásos vagy EDO RAM kapacitásig.
•
82371FB PCI ISA IDE gyorsító (PIIX): Az áramkör a PCI-ISA hidat valósítja meg, a korábbi SIO áramkör továbbfejlesztett változata. A PIIX felelős a teljes ISA sín kommunikációért. Két DMA és megszakításvezérlőt, időzítőt, energiatakarékos tápellátásvezérlőt és kibővített IDE felületvezérlőt tartalmaz legfeljebb négy eszköz számára (merevlemez, CD-ROM).
A Triton FX készletet az Intel igen gyorsan továbbfejlesztette. Az új készletek egymástól alig különböznek, mindegyik a 82430 típusjelet viseli, csak az utána következő betű változik meg. Fontos technológiai lépést jelentett, hogy a TDP áramkört beleintegrálták a TSC IC-be. A PIIX áramkör is folyamatosan fejlődött. Először megjelent az USB (Universal Serial Bus, általános soros sín), azután a gyorsabb SDRAM áramkörök támogatása, majd az UltraDMA/33 átvitel a megfelelő merevlemez-meghajtókhoz. Az EIDE merevlemezeknél UltraDMA átvitel használatához kiegészítő meghajtót (Bus Master Device Driver) kell betölteni, mely az alaplaphoz mellékelt hajlékonylemezen több operációs rendszer változatban található meg. A 430TX változat PIIX4 áramkörénél esetenként előfordulhat, hogy a csökkentett (3,3 V) tápfeszültség miatt az ISA bővítőkártyák vagy a merevlemez-meghajtók nem működnek megbízhatóan. A 430VX és TX áramkörök hibájaként róható fel, hogy a gyorsítható memória legfeljebb 64 Mbájt méretű. Ennél nagyobb memóriával rendelkező gépeknél (pl. NT szerver) emiatt jelentős teljesítménycsökkenés érzékelhető. Az Intel szerint, ha valakinek 64 Mbájtnál több memória kell, vegyen Pentium II processzoros alaplapot.
12
Hardver ismeretek
Nem Intel lapkakészletek Az Intel mellett más lapkagyártók is készítenek készleteket, de ők még nem jósolják a Socket 7 processzorok végét. Az utángyártók lapkakészletei a gyorsítható memória méretének növelésére (legalább 5 T2 Mbájt), és a rendszersín sebességének fokozására (75 MHz) törekszenek. A rendszersín sebességének 66 MHz fölé növelése nem veszélytelen. A PCIfelületen 33 MHz-es sebesség engedélyezett. Ha a PCI-sín órajelét a rendszersín órajeléből osztjuk le, a PCI sebessége meghaladja a 33 MHz-et, és ez néhány kártya hibázásához vezethet. Emiatt néhány lapkakészlet nem rögzíti a PCI sebességét a rendszer órajelhez. A megoldás két különböző úton lehetséges. Az Apollo VPX készletnél a PCIsín aszinkron működik a rendszersínhez képest. Az ALI Aladdin V+ készletnél viszont a rendszerórajelet 2, 5-del osztva kapjuk meg a PCI órajelet. Az 5581 és 5582 SiS készlet belső felépítése egyforma, a lúvezetésekben van csak különbség közöttük. Ugyanez igaz az 5597 és 5598 SiS készletekre is, melyeknek az a különlegességük, hogy integrált grafikus vezérlőt tartalmaznak (Super TX készlet). A videó információ tárolására az operatív tárból hasítanak ki részt, az eljárást megosztott memóriarendszernek (Shared Memory System) nevezik. A felhasználható videó memória méretét a Setup menüben lehet beállítani az operatív tár rovására. Az alaplapok teljesítmények meghatározásánál az alaplap, a lapkakészlet és a BIOS játszik szerepet. Emiatt előfordulhat, hogy két azonos készletből felépülő alaplap között jelentős különbségek adódnak különböző BIOS esetén. Intel PentiumPro és Pentium ll lapkakészletek A PentiumPro és Pentium II processzorok lapkakészleteinek területén az Intel uralkodó helyzetben van. Az első PentiumPro készletet 82440KX típusjelöléssel (nem hivatalos neve: Orion) dobta piacra. A készletbe nyolc áramkör tartozik: három vezérlő (82452KX, 82453KX és 82454KX), a már korábban megismert PCI-ISA híd PIIX áramkör (82371) és négy adatút IC (82451KX). A lapkakészlettel elérhető teljesítmény asztali gépeknél éppoly kiábrándító, mint az első Pentium készlettel (Mercury). Az Orion valójában többprocesszoros rendszerekbe ajánlható. Az Intel felismerte a hibákat, és viszonylag hamar új készlettel jelentkezett, melynek a Natoma fantázianevet adta (82440FX). A Natoma készlettel elérhető teljesítményt már az asztali gépek is ki tudják használni. A készlet a következő elemekből áll: •
82441FX PCI és memóriavezérlő (PMC): Tartalmazza az operatív tár vezérlőegységet, mely legfeljebb 1 Gbájt méretű FPM (Fast Page Mode), EDO (Extended Data Out) vagy BEDO (Burst EDO) típusú, SIMM vagy DIMM tokozású lehet. A PCM felelős a PCI sín adatátvitelért, vezérli a DBX áramkört, mellyel közösen alkotják a gazda-PCI hidat.
•
82442FX adatsíngyorsító (DBX): A DBX egyszerűbb felépítésű, mint a PCM, valójában a 64 bites CPU - memória utat képezi. Tartalmaz még egy egyéni 16 bit széles adatsínt a PCI átvitelek és a PMC regiszterek kezelésére.
•
82371SB PCI ISA IDE gyorsító (PIIX3): A PIIX3 áramkör a 430VX és HX készletből került át a Natoma lapkakészletbe. Fő feladata a PCIISA híd megvalósítása, továbbá tartalmazza a szokásos programozható perifériavezérlő áramköröket (megszakítás, DMA vezérlő, USB port stb.).
13
Hardver ismeretek
A gazdasín (host bus, processzor sín, GTL+) vezérlését is a PCM áramkör hajtja végre, és az ún. I/O-APIC áramkör (Advanced Programmable Interrupt Controller, fejlett segítségével lehetővé teszi a növelt programozható megszakításvezérlő) megszakításfeldolgozást (Enhanced Interrupt Processing). A feldolgozást a PIIX3 áramkör végzi. A többprocesszoros üzemmód igényli az APIC használatát. A készletben nem találunk gyorstárvezérlőt, mivel a PentiumPro processzor beépített gyorstárral és vezérlővel készül. Tekintve, hogy a Pentium II processzor a külső CPU sín felől nézve elvileg egy MMX bővítésekkel ellátott PentiumPro processzor, a 430FX lapkakészlet lehetett az első Pentium II készlet. A két processzor közötti szembetűnő különbség a tokozásban (Socket 8 és Slot 1 ) van, de ennek a lapkakészlet szempontból nincs jelentősége. Az 1997 őszén megjelent első Pentium II alaplapokban az FX-ből továbbfejlesztett 82440LX készletet találhattuk. Javítottak a gyors SDRAM támogatáson, melynek köszönhetően a DIM-modulokon EEPROM lapkának kell lennie. A PCI-ISA-hídként használt PIIX4 áramkör (a 82430TX készletből ismert) ugyanis ebből olvassa ki a memória IC-k paramétereit, hogy az időzítést optimálisra állítsa be. A 82440LX-re épülő Pentium II alaplapok tehát csak EEPROM áramkörrel szerelt DIM-modulokat fogadnak el, és az alaplap tervezőjétől függ, hogy SDRAM memóriaelemeken kívül más típust (FPM, EDO, stb.) használhatunk-e. A PIIX4 áramkör 3,3 V tápfeszültséget igényel, ezért a 82430TX készletnél leírtak itt is érvényesek. A 82440LX készlet másik újdonsága, hogy elsőként támogatja az AGP kártya használatát. A 82240LX készlet (eltekintve a PIIX4 áramkörtől) egyetlen BGA tokból áll 82443LX jelöléssel, legfeljebb 333 MHz-es processzorral használható. Az LX lapka továbbfejlesztéseként az Intel további két új készlettel jelent meg a piacon 1998 áprilisában. A 82440BX készlet 400 MHz-es vagy gyorsabb Pentium II processzorokhoz készült, és igen népszerű lett. A 82443BX jelölésű áramkör mellett PIIX4 vagy PIIX4e PCI-ISA- híd IC alkotja a készletet. A BX rendszersín sebessége 66 MHz-ről 100 MHz-re nőtt, ami egy régi sebességkorlát ledöntését jelenti. A nagyobb rendszersínsebességhez gyorsabb memóriaelemek szükségesek, ezért a BX lapkával szerelt alaplapokon csak 100 MHz-re ajánlott SDRAM áramkörök kerülhetnek (PC 100-DIMMs/, melyeknek okvetlenül kell EEPROM lapkával rendelkezniük. Az órajel hozzárendelés szinkron megoldású, ezért a PCI-sín sebességét a rendszersín sebességének hárommal osztásával kapjuk meg. A BX készlet megengedi korábbi Pentium II processzorok használatát (66 MHz-es rendszersín), ha ez a lehetőség a BIOS Setup-ban is megtalálható. A 82440EX AGPSet lapkakészlet visszalépést jelent a korábbi fejlődési irányhoz képest, melyet az indokol, hogy a Celeron (Pentium II processzor L2 gyorstár nélkül) processzorokhoz készült. A 440EX és LX lapka lábkompatíbilis, néhány korlátozással azonban EX alaplapok esetén számolnunk kell: • • • •
csak egyprocesszoros rendszerekhez felel meg, nincs ECC hibajavítás a tárolóelemeken, legfeljebb három PCI aljzat lehet az alaplapon (öthöz képest), csak két DIMM foglalat található az alaplapon, a rendszersín sebessége legfeljebb 66 MHz lehet.
A lapkakészletek fejlődése nem állt le. Legújabban ismét három típust dobott piacra az Intel. A 82440GX AGPSet készlet a munkaállomások piacát célozza meg. Nem sokban különbözik a BX készlettől (1 Gbájt helyett 2 Gbájt lehet az operatív tár). A 82450NX PCI Set készletet Xeon szerverekhez tervezték. A szervernek nincs szüksége AGP-kártyára, ezért kimaradt a készletből az AGP-támogatás. A kezelhető memória méretét 8 Gbájtra emelték,
14
Hardver ismeretek
melyhez címbit permutálást (Addres Bit Permuting) és nagy sávszélességű négyutas átlapolást használnak. A lapka érdekes tulajdonsága, hogy a PCI-sínek több konfigurációra nyitottak: négy darab 32 bites, két darab 64 bites vagy egy 64 bites és két 32 bites sínként üzemelhetnek. A lapkakészlettel a Xeon processzorból négy dolgozhat közös rendszerben, a szám klaszter vezérlővel nyolcra növelhető. Az NX készlet négy tagból áll: 82451NX memória és I/O hídvezérlő (MIOC), 82454NX PCI bővítő híd (PXB), 82452NX RAS/CAS generátor (RCG) és 82453NX adatút multiplexer (MUX). A 82440ZX AGP Set készlet a 100 MHz-es FSB (front side bus) és SDRAM teljesítményét biztosítja a PC-nek. Az áramkörnek létezik egy olcsóbb, kisebb teljesítményű változata is 82440ZX-66 jelöléssel elsősorban Intel Celeron processzorhoz.
15
Hardver ismeretek
Processzor 4004 processzor A világ első mikroprocesszora, 4-bites adatbusszal és 12-bites címzéssel (maxium 4 Kb memória). 2250 tranzisztorból épül fel. 4040 processzor A 4004 továbbfejlesztett változata. Bővített utasításkészlete van, és kezeli a megszakításokat (interrupt). 8008 processzor Az adatbuszt 8-bitesre, a címvezetéket 14-bitesre (maximum 16 Kb memória) bővítették. 300 KHz-es órajelen működött, 3300 tranzisztort tartalmazott. 8080 processzor 8008-as processzor veremkezeléssel, 16-bites címzéssel (maximum 64 Kb memória). 2, 2.66 és 3.125 MHZ-es változatokban készült, 4500 tranzisztorból áll. 8085 processzor Új utasításokat és több megszakításvonalat (interrupt line) tartalmaz. 3, 5 és 6 MHz változatban készült. 6200 tranzisztorból áll.
8086/8088 processzor Az Intel első széles körben elterjed processzora, mert az Intel 8088 processzorra épültek az IBM PC és PC/XT rendszerek. 16 bites belső és 8 (8088), vagy 16 (8086) bites külső adatbusszal, 20 bites címvezetékkel rendelkezik. Ebben a processzorban jelent meg először a szegmentált memóriakezelés. 1 Mb memóriát tud kezelni, 64 Kb-os szegmensekben. 2 mikronos technológiával készült, 4, 5, 8 és 10 MHz-es változatokban. Az utasításvégrehajtást 4 szakaszra bontották, mindegyikért egy-egy egység felelős: Fetch Unit (az utasítás betöltése a memóriából), Decode Unit (betölti az adatokat, az utasításokat un. micro operation –ökre (uop) bontja), Execute Unit (sorban végrehajtja az uop -okat), Retire Unit (az eredményt visszaírja a megfelelő regiszterbe, portra vagy memóriacímre). 1983-ban megjelent kibővített változatuk a 80186 és 80188. Ezeket már 12.5 és 16 MHz-es változatban is gyártották. 29000 tranzisztort tartalmaz.
16
Hardver ismeretek
80286 processzor A külső és belső adatbusz 16 bites, a címvezetéket 24 bitesre bővítették, így lehetővé vált 16 Mb memória kezelése, de továbbra is csak 64 Kb-os szegmensekben. Megjelent a védett mód (Protected Mode) ami lehetővé teszi az 1 Mb fölötti memóriaterület elérését, és több program párhuzamos futtatását. Ilyenkor a processzor gondoskodik arról, hogy minden program csak a saját memóriaterületére írhasson. Ha mégis illegális elérés történik, akkor a processzor általános védelmi hibát (General Protection Fault) generál. Így lehetővé vált többfeladatos operációs rendszerek (pl: Windows) futtatása. A védett mód nagy előnye, hogy az op. rendszer a fizikai memóriában elmozgassa a futó programok szegmenseit, anélkül, hogy ezt a programok érzékelnék. 6, 8, 10, 12, 16 és 20 MHz-es változatban gyártották. Erre a processzorra épültek az IBM PC/AT rendszerek. 134000 tranzisztorból áll.
80386 processzor 32-bites belső, 32 (DX: Double-word eXternal) vagy 16 (SX: Single-word eXternal) bites külső adatbuszt, és 32 bites címvezetéket tartalmaz. Így az elérhető memória mérete 4 Gb, és a 64 Kb-os szegmenskorlátozás is megszűnt. Tartalmazza az eddig meglévő utasítások 32-bites változatait, és új, bittesztelő és bitkereső utasításokat is. Megjelent a virtual 8086 mode, ami több 8086 processzor egymástól független emulálását jelenti. Két új szegmensregisztert is beépítettek. A pipeline technikának köszönhetően az utasítás-végrehajtó egységek már párhuzamosan dolgozhatnak. Pl. amikor az Execute Unit egy uop végrehajtásán dolgozik, a Fetch és Decode Unitok már a következő utasítást töltik be, és szedik szét uop – okra, a Retire Unit pedig még az előző művelet eredményét írja vissza. Így a négy egység működése folyamatossá válik. 12, 16, 20, 25 és 33 MHz-es változatban gyártották, 0.8 mikronos technológiával. A tranzisztorok száma 275000.
80486 processzor Továbbfejlesztették a párhuzamos végrehajtást azzal, hogy a Decode és az Execute Unit-ot 5 egysége bontották fel, és ezek közül bármelyik párhuzamosan működhet. Beépítettek egy 8 Kb-os L1 cache –t, ami a memória-elérést jelentősen felgyorsította. A DX jelzésű típusoknak van egy beépített lebegőpontos matematikai egysége (FPU – Floating-Point math Unit), az SX-ekből ez hiányzik. A DX változat képes egy lebegőpontos és egy fixpontos műveletet párhuzamosan végezni. 20, 25, 33 és 50 MHz-es változatban gyártották. 1992 márciusban jelent meg DX2 változat a már rendszersín órajelének kétszeresével, 40, 50 vagy 66 MHz-en működik. Ekkor kellett először, hogy a magas üzemi hőmérséklet miatt, a processzora hűtőbordát, illetve ventilátort szerelni. 1994 márciusban kezdték gyártani a DX4et, ami a külső órajelet háromszorozta, és 5 volt helyett 3.6 voltot használt. A Pentiumhoz hasonlóan 2X8Kb belső cache-t tartalmaz, 0.6 mikronos technológiával gyártották, 75 és 100 MHz-es változatban. 1.2 millió tranzisztorból épül fel.
17
Hardver ismeretek
Pentium processzorok A Pentium processzorok első példányai 60-66 MHz sebességgel, 5 V tápfeszültségről üzemelnek.. A következő fokozatot jelentő 75 MHz-es (és gyorsabb) processzorok belső sokszorozót használnak (1,5 - 3, 5 szorzó). A szorzótényezőt az alaplap átkötéseivel lehet beállítani. Az alaplapon lévő foglalat típusa is megváltozott, Socket 5 vagy Socket 7 aljzat kell az alaplapon. Vigyázzunk azonban arra, hogy a processzor órajelének állításával a rendszer többi órajele is megváltozik! A PCI-alaplapon az ISA-felület átviteli sebessége legfeljebb 8,33 MHz, a PCI-felületét pedig 33 MHz lehet. Az órajel képzése a szabványos 14,318 MHz-es jelből fáziszárt hurokkal történik (PLL). A processzor órajel belső szorzóját külön átkötés/elv határozzák meg (pl. 75 MHz-es Pentiumnál 1,5). A Pentium processzorok új generációját jelenti az MMX (Multi Media Extension, multimédia bővítések) processzor. Ez 57 új parancsot képes értelmezni, amelyek főképp a képfeldolgozásra, video- és hangalkalmazások támogatására vonatkoznak. Sajnos, a multimédia-képességek kihasználására kevés program létezik. Feltétlen előnyt jelent viszont, hogy mind az adatok, mind pedig az utasítások belső gyorstára (L1 cache) megkétszereződött, azaz 16-16 kbájt méretű lett. Az MMX processzorok újdonsága az is, hogy a külön tápfeszültségről üzemel a CPU belső magja (2,8 V), és a kimeneti meghajtó fokozat (3,3 V). A lábkiosztásnál ezt a két feszültséget a Vcc2 (mag) és Vcc3 (I/O) különbözteti meg. PentiumPro processzorok Az Intel 1995-ben fejlesztette ki a Pentium processzorok következő generációját. A PentiumPro processzor eltér a négyzetes felépítéstől, mert egyetlen tokba integrálták a processzort, és egy 256/512 kbájt méretű másodlagos gyorstárat /L2 cache). Az L2 gyorsítót a processzor saját órajelének sebességével használhatja. Ezzel a teljesítménye jelentősen megnőtt, mert az MMX és az első Pentium II processzorok is csak az órajel felével járathatják a gyorsítót. Az elsődleges gyorstár mérete (L1 cache) viszont megmaradt az eredeti 8 + 8 kbájton. A PentiumPro processzorok 150, 1 G6, 180 és 200 MHz-es változatban kaphatók, mindegyik 66 MHz-es rendszersínsebességgel működik. Méretének köszönhetően a PentiumPro processzorokhoz saját foglalatot kellett kifejleszteni, mely a Socket 8 nevet kapta. Több (legfeljebb négy) PentiumPro processzor közös rendszerbe köthető. A címsín szélességét 3G bitre növelték, így a fizikailag címezhető memória mérete G4 Gbájtra emelkedett. Az utasításkészletben csak egyetlen utasítás változott meg. Az x86 utasítások feldolgozása a PentiumPro processzoroknál alapvetően módosult. Az utasítást a processzor mikroműveletekre bontja le, amelyeket öt párhuzamos feldolgozóegység hajt végre. Az elv a RISC technikában vált ismertté. A PentiumPro processzor kívülről CISC processzorként (összetett, de lassan végrehajtott utasítások, belülről RISC processzorként (egyszerű, de gyors végrehajtású utasítások) működik. Az ugrás előjelző egységet is továbbfejlesztették. A várható következő ugrási címeket tároló puffer ennél a processzornál 512 bejegyzés fogadására képes. A PentiumPro processzor széles körű elterjedését gátolta, hogy csak az Intel tervezett a processzorhoz lapkakészletet, és az is, hogy a Pentium II processzorok hamar megjelentek a piacon. A Pentium II Xeon processzort tekinthetjük a PentiumPro processzor követőjének.
18
Hardver ismeretek
Pentium II processzorok Az Intel a Pentium II processzornál ismét szakított egy hagyománnyal. Már a PentiumPro foglalata sem illik igazán a Socket x sorozatba, a Pentium II processzorok számára viszont új foglalatot fejlesztettek ki. A Pentium II CPU tulajdonképpen egy PentiumPro processzor MMX utasításkészlettel. Az L2 gyorstárat azonban nem a processzorral közös tokba integrálták, hanem egy bedugható kártyán a processzor mellett találjuk meg. A bedugható kártya élcsatlakozóval kapcsolódik az alaplapon kialakított új foglalatba, melyet Slot 1-nek neveznek. Az Intel azért választott új aljzatot, mert a Socket 7 a sín áteresztőképességét korlátozza. A növekvő sebességű processzorokhoz gyorsabb sín kell a teljesítmény kihasználásához. A két független sín architektúra (DIB, Dual Independent Bus) gyorsabb működést tesz lehetővé, de ehhez az L2 gyorstárnak közel kell lenni a processzorhoz. Az egyoldalas élcsatlakozós érintkezőket SEC-nek (Single Edge Contact), a dobozba zárt szerelvényt pedig SECC-nek (vagy SEC Cartridge-nak) nevezik. Az új kártya használatához két feladatot kellett megoldani: a SECC rögzítését az alaplaphoz és a processzor hűtését. A segédkártya mechanikus rögzítésű, a Pentium II processzorok alaplapba építése komoly szerelési feladatot jelent a felhasználónak. A processzor hűtését növelt teljesítményű ventilátor végzi, melyet lemezcsavarokkal vagy bepattanó fülekkel rögzítenek a processzor szerelvényhez. A két független sínarchitektúrát (DIB) az Intel először a PentiumPro processzorban hozta létre az átviteli korlátok csökkentésére. Az egyik sín (FSB, front side bus, rendszer sín) a processzor és az operatív tár között, a másik sín (BSB, back side bus) a processzor és az L2 gyorstár között teremt kapcsolatot. A függetlenség azt jelenti, hogy a processzor a két sínt egymástól függetlenül, akár egyszerre is használhatja. Az első Pentium II processzor Klamath néven vált ismertté. Az Intel nem sokkal az MMX processzorok után jelentette meg, a 233-300 MHz sebességtartományt fedi le: Az 512 kbájt méretű L2 gyorstár négy 7 ns sebességű modulból áll, melyhez egy 82459AB tag memória IC tartozik a kártya túloldalán. A gyorstár a processzor órajel felével működik. A processzor 0,35 mikronos technológiával készül, ezért felülete nagyobb a későbbi Pentium II processzoroknál, és több hőt is termel. A második Pentium II processzor 1998 tavaszán került piacra Deschutes néven (333400 MHz). Az Intel a Deschutes processzor gyártásánál alkalmazta először a 0,25 mikronos technológiát, melynek a nagyobb sebesség, az alacsonyabb tápfeszültség és a kisebb hőtermelés köszönhető. A disszipáció csökkenését eredményezi a processzor 2 V-os tápfeszültsége is. A processzor sebességéhez a gyorstárnak is igazodnia kell. Az 512 kbájt méretű L2 gyorstárat nagyobb alkatrészsűrűséggel két modulba tudták beépíteni. Az elérési időt 5, 5 ns (333 MHz) ill. 5 ns (400 MHz) értékre csökkentették. A tag RAM típusa is megváltozott 82459AC, illetve 82459AD áramkörre. Az új generációs Pentium II processzorok már 100 MHz-es FSB frekvencián üzemelnek. A növelt FSB-sebesség gyorsabb, 100 MHz-re készített SDRAM áramköröket igényel. A Pentium II processzorok képesek az operatív tárral 100 MHz-es sínen adatot cserélni, de a Klamath és a 333 MHzes Deschutes csak 66 MHz-es FSB-t használ. Az Intel BX lapkakészlete felismeri, hogy milyen processzorral dolgozik együtt, ezért a legtöbb BX alaplap követi az Intel-előírásokat, és automatikusan kiválasztja az FSB (rendszersín) sebességét. A Pentium II processzorok hagyományos alaplapba (Socket 7) építése nem lehetséges. Ha át kívánunk térni Pentium II-re, új alaplapot kell vennünk, mely már ATX formában készült, ezért valószínűleg új számítógépházra és tápegységre is szükségünk lesz. Ezenkívül operatív memóriát is cserélnünk kell 100 MHz-es SDRAM DIMM kártyára, ha 350 MHz-es vagy annál gyorsabb processzorra váltunk. Nem volt alaptalan tehát az Intel elgondolása, hogy
19
Hardver ismeretek
olcsó asztali gépekhez kedvező árú, de gyors Pentium II processzort készít. Az új, egyszerűsített Pentium II processzornak a Celeron fantázianevet adta. Az Intel Celeron processzor asztali számítógépekhez készült, Intel P6 mikroarchitektúrán alapszik, mint a többi Pentium II processzor. A Celeron tervezésekor a Deschutes processzorból indultak ki, és kihagyták az L2 gyorstárat. Az MMX technológián alapuló dinamikus végrehajtási képességgel rendelkezik. A processzornak a 266 és a 300 MHz sebességű változata jelent meg először, Socket 370 (PPGA, Plastic Pin Grid Array) és Slotl kivitelű tokozásban. Az L2 gyorstár hiánya jelentős teljesítménycsökkenést eredményezett, ezért a későbbi Celeron változatok (Celeron Mendocino = 300A, 333, 3G6 MHz) már 128 kbájt L2 gyorstárat tartalmaznak. A Celeron processzorok csak 66 MHz-es rendszersínsebességgel működnek, és nem támogatják a többprocesszoros üzemmódot. Az L2 gyorsító utólagos beépítése sem a CPU kártyára, sem az alaplapra nem lehetséges, mert a processzorhoz tervezett 440EX lapkakészlet ezt nem támogatja. A Celeron processzor is segédkártyára van szerelve, amely azonban nincs bedobozolva. A meztelen processzorszerelvényt SEPRnek (Single Edge Procesor Package) nevezik. A doboz hiánya miatt viszont a CPUkártya rögzítését és a processzor hűtését másképp kellett megoldani, mint a többi Pentium II processzornál, azaz a Celeron processzor csak a rögzítő szerelvényekkel együtt cserélhető az alaplapon más processzorokra. A Pentium II Xeon processzor 1998 júniusában került piacra. Teljesítménye alapján elsősorban hálózati kiszolgálókba (szerverekbe) és grafikus munkaállomáshoz szánta az Intel. A processzort és az L2 gyorstárat - a korábbiakhoz hasonlóan - egy dobozba zárt élcsatlakozós kár a hordozza, de a doboz mérete nagyobb az előző Pentium II dobozoknál, és az élcsatlakozó is több érintkezőt tartalmaz. Az ehhez tartozó új foglalatot Slot 2-nek nevezték el. Az első változatokban a CPU 400 MHz-es, az L2 gyorstár pedig 512, illetve 1024 kilobájt méretű, a rendszersín 100 MHz-es. Később megjelent a 450 MHz-es CPU, illetve a 2048 kilobájtos L2 gyorstáras kivitel. A Xeon processzor valójában egy Deschutes magból és gyors, nagyméretű L2 gyorstárból áll. Az L2 memória a processzor mag sebességével használható, mint a PentiumPro processzoroknál. Az ehhez szükséges igen gyors memóriát maga az Intel gyártja, melyet CSRAM-nak (Costum Static RAM) nevez. Az IC 512 kbájt méretű, ezért a 2048 kbájtos gyorstárhoz négy darab szükséges. Az L2 mérete és hűtési igénye indokolj a a Xeon-doboz nagyobb méretét. A gyorstár mellett néhány kellemes új tulajdonsággal is rendelkezik a Xeon. Először a többprocesszoros rendszerek támogatását említjük, mely utoljára a PentiumPro képessége volt. A Xeon processzorból négy köthető közös rendszerbe, 450NX lapkával és klasztervezérlővel pedig nyolc. Az új 36 bites címzési móddal (PSE36) a címezhető (és gyorsítható) memória mérete G4 Gbájtra nőtt. A legtöbb szerver igényli a memória ellenőrző és javító algoritmust (ECC), ezért a Xeon a 440GX és 450NX lapkakészlettel mind az operatív tárhoz, mind pedig az L2 memóriához használja az ECC-t. A Xeon CPU képes arra, hogy külső kérésre adatokat szolgáltasson magáról. Az adat lehet statikus (gyártási szám, órajel frekvencia, L2 gyorstár nagysága) és dinamikus (hőmérséklet, feldolgozási sebesség. A segédkártyán elhelyezett információs memóriában (PIROM, Processor Information ROM) a rendszer működésére jellemző adatok gyűjthetők, amelyek a számítógép felügyeletét segítik. A memóriában a számítógépgyártók a saját rendszerfelügyelő programjukat információval kiszolgáló modult is elhelyezhetnek. A processzorok fejlődése még nem ért a lehetőségek határára. Az Intel (és a többi processzorgyártó cég is) folyamatosan fejleszti processzorait, melyek már a Pentium III kategóriába tartoznak (Katmai, Willamette, Merced stb.).
20
Hardver ismeretek
Pentium III processzor 1.8 volt feszültséget használ. Tartalmaz egy új, 70 utasításból álló kiegészítő utasításkészletet és 8 db 128-bites regisztert (XMM0-XMM7). Ezt a bővítést először csak KNI-nek (Katmai New Istuctions) hívtak, de végül az SSE (Streaming SIMD Extension) nevet kapta (SIMD - Single Instruction Multiple Data). Mindegyik darab egy egyedi, 96-bites azonosítószámot, aminek kiolvashatóságát a BIOS-ban ki lehet kapcsolni. Beépítettek egy hardware véletlenszám-generátort, aminek fontos szerepe lehet az adattikosításban. 450, 500, 550, 600 és 650 MHz-es változatok léteznek, a 650 MHz-es 2.05 volt feszültséget használ. Megjelent egy 600B nevű változat, ami 133 MHz-es buszfrekvenciát használ. Az Intel speciális hűtéssel feltuningolt egy Pentium III-mat 1 GHz-re. Még 1999-ben várhatóak a 0,18 mikronos technológiával készült Pentium III-ak, állítólag PPGA tokozású változat is lesz.
Pentium kompatíbilis processzorok Már néhány éve megtört az Intel monopóliuma a processzorpiacon. Sok cég jelent meg saját fejlesztésű PC-kompatíbilis processzorral. Ilyen cégek elsősorban az AMD (Advanced Micro Devices), Cyrix, Texas Instruments és UMC. Az utángyártók processzorai több generáció óta kompatíbilisek az eredeti Intel processzorokkal, esetenként jobb paraméterekkel is rendelkeznek vagy olcsóbbak. Cyrix 6x86 és 6x86MX Az első Pentium-kompatíbilis processzort a Cyrix cég készítette 6x86 jelöléssel (fantázianeve: M1 /. Az IBM is ugyanilyen néven dobott piacra processzort, de ez is Cyrix fejlesztésű. A Cyrix nem gyárt processzorokat, az IBM és SGS cég készíti processzorait. Az akkori időkben leggyorsabb processzor 150 MHz-es órajelet használ, és a 6x86 P200+ jelölése kissé megtévesztő. A jelölés és tényleges órajel közti különbség az ún. P-viszonnyal magyarázható. A processzorok teljesítménymérése különböző Benchmark-programokkal történik, melyek jellemző alkalmazások gyűjteményét tartalmazzák (szövegfeldolgozás, grafika, táblázatkezelés, kiadványszerkesztés stb. ). Az AMD, Cyrix, IBM és SGS közös tesztprogram használatában egyezett meg (Ziff Davis: Winstone), mely az eredeti Pentiumhoz képest minősít: ezt nevezik P-viszonynak. Például a Cyrix 6x86 P200+ processzor egy 200 MHz-es Pentiummal azonos teljesítményt nyújt. A dolognak csak az a szépséghibája, hogy a Winstone nem végez lebegőpontos műveletsebesség-tesztet. A Cyrix processzor L1 gyorstára is 16 kbájt méretű, de nincs szétválasztva adat és kód részre. Szoftver szempontból ez nem okoz gondot. A 6x86 P200+ processzor 75 MHz-es órajelet kap, melyet belül kétszerez. A 75 MHz-es órajelből 37,5 MHz-es PCI sebesség következik, mely magasabb a megengedettnél. Előfordul, hogy némelyik PCI-kártya emiatt működésképtelen lesz. Ha Cyrix processzort választunk, ügyeljünk arra is, hogy az alaplap és a BIOS Setup illeszkedjen a processzorhoz! Az 1996 közepe után készült alaplapok zöme felismeri a Cyrix processzort, de nem biztos, hogy az összes változatát is kezelni tudja, és a kézikönyv sem tartalmazza a szükséges átkötés beállítást. A 6x86 processzor multimédiás továbbfejlesztése a 6x86MX (M2) processzor. Az L1 gyorstár továbbra is osztatlan, de mérete megnőtt 64 kbájtra. Az Intel MMX processzorral egyezően kettős tápfeszültséget igényel (2, 8 V a magnak, és 3,4 V a be/kimenetnek). A processzorcsalád tagjainak sebességi jellemzőit az 1-8. táblázat tartalmazza.
21
Hardver ismeretek
A legújabb, M-II-300 jelölésű Cyrix processzor 66 MHz rendszer órajellel működik Super Socket 7 foglalatban. Gyorsabban fut, mint egy 266 MHz-es Celeron. Teljesítménye a Pentium II 300 MHz-es CPUval mérhető össze, de sokkal olcsóbban vehetjük meg. AMD K5 és K6 A leggyorsabb 386-os processzort gyártó AMD cég egy sor 486-os processzort is előállított. Az első Pentium típusú AMD processzor az 5x86 PR75, de ez nem Pentium kompatíbilis. A PR75 azt jelenti, hogy teljesítményében egy 75 MHz-es Pentiumhoz hasonlítható. Az első igazi Pentium kompatíbilis AMD processzor a K5x86 (röviden K5) jelölést viseli. A sebességtartomány 75 MHz-től 133 MHz-ig terjed, és a Cyrix processzornál leírtakhoz hasonlóan a jelölésnél figyelembe kell venni a P-viszonyt. Például az AMD K5x86 PR166 belül 133 MHz-en dolgozik, de a Pentium 166 MHz-es processzorhoz mérhető. Licenszjogok miatt az AMD-processzor belső felépítése különbözik a Pentium processzortól, melynek elsősorban a lebegőpontos műveleteknél mutatott viszonylag kis teljesítmény a következménye. Az L1 gyorstár osztott, mérete kétszerese a Pentium processzorénak (2x 16 kbájt). Ennek köszönhetően a K5-ös szinte minden Pentium alaplapban gond nélkül működik. A K5 processzor különlegessége, hogy a PentiumPro-hoz hasonlóan mikralépésekre bontja le az utasítás-végrehajtást (ROPs, RISC Operations). 1997 áprilisában meglepetést okozott az AMD a K6 processzor megjelentetésével. A meglepetést az MMX képességek Socket 7 foglalatba integrálása, és a Pentium II képesség jelentette. A K6 technológia a NexGen cégtől származik. Az AMD megvásárolta a NexGent, megegyezett az Intel céggel az MMX jelölés használatában, és piacra dobta a K6 processzort. Az alaplap sebességre vonatkozó átkötéseit minden esetben a tényleges CPU órának megfelelően kell beállítani. A K6 processzor L1 gyorstára a Pentium MMX processzorok kétszerese, 2 x 32 kbájt méretű. A RISC jellegű végrehajtást megtartották, egy órajel alatt négy mikroművelet feldolgozása történik meg. A K6 processzorok szorzójának beállításához az alaplapon három átkötés szükséges. Az Intel Pentium II megjelenését követően az AMD is új processzorral állt elő. A K6-2 jelölést viselő CPU a 233-400 MHz tartományt fedi le, a gyorsabb processzorok 100 MHz-es rendszersín meghajtására is képesek. A processzor a három dimenziós alkalmazások (3D) futtatására specializálódott. A Pentium II processzorok a 3D alkalmazásokat brutális társprocesszoruk segítségével gyorsítják. Az AMD elegánsabb megoldást választott a 3D teljesítmény növelésére. A társprocesszorok számos összetett lebegőpontos számítására képesek, melyekből egy 3D alkalmazás csak néhányat használ ki. Az AMD kiemelte ezt a néhány utasítást, és lehetővé tette, hogy a processzor ezeket egyszerre több adaton hajtsa végre. A K6-2 CPU új utasításkészlete "3DNow!" néven vált ismertté. Azt az eljárást, amikor összefogunk néhány adatcsomagot, és ezeken egyszerre hajtunk végre műveleteket SIMD-nek (Single Instruction Multiple Data), egy utasítás, több adat) nevezik. Ez nem azt jelenti, hogy csak egy utasítás kell az adatok feldolgozásához, hanem egy utasítás több adaton azonos sorrendben és egyszerre hajtható végre. A háromdimenziós megjelenítés (rendering) során rengeteg mátrixműveletet kell végrehajtani, ahol az SIMDeljárás jelentős mértékben lerövidíti a szükséges időt. A SIMD első megvalósítása az Intel MMX processzorokban történt meg egész számokhoz. Lebegőpontos számokkal a Katmai és a K6-2 processzor képes SIMD működésre.
22
Hardver ismeretek
Memória A számítógépek legfontosabb erőforrása a processzor mellett a memória. A tárolóban található a végrehajtás alatt lévő program és a feldolgozásban használt adatok is. A memória legkisebb tárolási egysége az egy bit tárolására szolgáló elemi rész. A processzor által fizikailag egy egységként kezelhető legkisebb memóriaterület ennél nagyobb, ezt az egységet rekesznek (cella) nevezzük. Ennek mértéke az egyes géptípusoknál más és más lehet, de általában 1 byte (8 bit) nagyságú. Minden fizikailag önállóan kezelhető rekesz címmel (address) rendelkezik, amelyalapján a tárolóhelyet a processzor ki tudja választani és abban adatot tud elhelyezni, vagy adatot tud onnan kiolvasni. A rekeszek címeit 0-val kezdődő növekvő sorszámok alkotják. Fontos a cím lehetséges mérete, azaz az, hogy hány bináris helyiértéket lehet felhasználni a cím értékének leírására. Ha ez pl. 16 bit, akkor a maximális tárolóhely sorszám, azaz cím 65535 (216-1) lehet. Tehát ennél több tárolóhelyet közvetlen módon nem tud kezelni a processzor. Ez alkotja a címezhető tartományt. Az aritmetikai műveletvégzés során egy-egy számadat leírására nem elegendő 1 byte, ezért egységenként 2, esetleg 4-8byte-ot használ a processzor. Ezt a feldolgozásoknál használt méretet szónak (word-nek) nevezzük - ez nem fizikai, hanem logikai adatmennyiség.
RAM (Random Access Memory): Írhatók és olvashatók, vagyis általános célra használhatók. Ilyen eszközöket kell használni a központi memóriákhoz, mert ezek esetében kötelező az adatírási lehetőség. A RAM tárolók egyik típusa a dinamikus RAM (DRAM), mely alacsony teljesítményű, de tartalmát rövid idő alatt elveszti, ezért ciklikusan fel kell újítani. Már elérik a 8,16, sőt 32Mbyte méretet is. 1 bit tárolásához 1 FET szükséges. Sebességük 70-150ns (bővítő RAM), de a VRAM-ok (video RAM-ok) elérik a 20ns-ot is. A tárolók másik típusa a statikus RAM (SRAM), amely nem igényli az állandó újítást, és gyorsabb, viszont kisebb kapacitásúak. Sebességük 10-20ns között mozog (a CACHE memória 15ns-os elérési idejű), méretük 64-512Kbyte nagyságú. Hogy kikapcsolás után is megtartsa az információt - mivel kis teljesítményű - egy lítium elemmel biztosítják a tápellátását (CMOS). A RAM-oknak nagy felhasználási köre. Általában bővítő RAM-ként, CACHE memóriaként és perifériák bővítő RAM-jaiként (video RAM, hangkártyák RAM-jai), illetve CMOS-ként alkalmazzák őket.
ROM (Read Only Memory): Csak olvasható memória, melyet közvetlenül nem tudunk módosítani. Több csoportja létezik: vannak, amelyek csak egyszer ölthetők fel a gyártás során (ROM), vannak, melyeket a felhasználó tölthet fel egyszer (PROM - Programmed ROM), vannak, melyek speciális úton törölhetők (EPROM - Erasable PROM). A tárakba történő íráshoz vagy olvasáshoz meg kell adni a keresett tárolóhely címét, amit a címregiszter (MAR - Memory Address Register) fogad be és ennek tartalma vezérli a memória kiválasztó áramköreit. Az adatregiszter (MDR - Memory Data Register) a beírandó vagy kiolvasott adatot ideiglenesen befogadja.
Bővítő RAM
23
Hardver ismeretek
A számítógép egyik fő egysége. Több típusa létezik: DIP tokos (közvetlenül az alaplapra volt szerelve) - szószélesség 1 bit, szószám több. SIP tűs csatlakozós - 256 Kbyte, 1Mbyte, 9 bites (8 adatbit, 1 paritás-ellenőrző bit). SIMM késes - 9 bites, 256 Kbyte, 1Mbyte, 4Mbyte; 32 bites (paritás bitek nélkül); 32bytes generált paritás-ellenőrzéssel; 36 bites 1Mb, 4Mb, 8Mb, 16Mb, illetve 32Mbyte. EDO - 32 bites és magán a memóriamodulon elhelyeznek egy CACHE RAM-ot.
SIMM Talán a legnyilvánvalóbb dolog a SIMM-ekről, hogy az alaplapon közel függőlegesen állnak aljzatukban. Ennek két előnye van: helyet takarít meg az alaplapon és jó levegőáramlást biztosít a chipek körül. Továbbá ezeket a modulokat könnyebb kezelni, mint az egyes memóriachipeket, és bárki könnyen beépítheti őket. A SIMM-eknek 30 és 72 tűs változata ismeretes. A 30 tus SIMM-ek 8 bites DRAMokat használnak, a 72 tűsek 32 biteseket. Általában 4 darab 8 bites SIMM tud ugyanannyi adatot tárolni, mint egy 32 bites SIMM. A SIMM-ek úgy vannak tervezve, hogy 8, 9, 32 vagy 36 bitet olvasnak egyszerre. A 9 és 36 bites SIMM-eknek egy bitjük van a paritás ellenőrzésére. Ha a PC paritásos memóriát vár el, és mi paritás nélküli SIMM-et teszünk a gépbe, akkor a gép nem fogja felismerni a plusz memóriát. A SIMM-ek széleskörű elterjedésének következménye, hogy a gépbe rakható, egykor oly népszeru memóriakártyák eltűntek. Egy másik következmény, hogy a bővítésre használható memóriamodulok típusa a gyártó által tervezett típusokra korlátozódik. Memóriabővítéskor legyünk óvatosak, hogy az előírt típust vásároljuk meg.
DIMM A SIMM-ek lassan átadják a helyüket a DIMM-eknek, amelyek kétszer annyi memóriát tartanak ugyanakkora helyen, mint a SIMM-ek. A DIMM-ek mindkét oldalán vannak DRAM-ok és érintkezők, a SIMM-eknél csak az egyik oldalon. Jelenleg a piac több mint háromnegyed részét a SIMM-ek uralják, de részarányuk várhatóan három éven belül egynegyedre csökken. A DIMM-ek jelenleg drágábbak, mint az ugyanolyan kapacitású és sebességű SIMM-ek.
EDO RAM Az EDORAM az új PC-s memóriatechnológia eredménye. A hagyományos DRAMhoz képest mintegy 10%-kal gyorsítja a memóriaműveleteket. Az EDORAM kiküszöböli a várakozást a memóriából történő, egymást követő olvasási műveletek között, és ezáltal gyorsabb hozzáférést biztosít a memóriához. Az ábra azt szemlélteti, hogy míg a közönséges DRAM-nak az A és B blokk kiolvasása közben egy várakozást kell beiktatni a memória felfrissítése céljából, addig az EDORAM várakozás nélkül tudja ugyanezt az olvasási feladatot végrehajtani. A valóságban az történik, hogy egy DRAM mátrixban az információ kiolvasásához elektromos vonalakat kell feltölteni. A vonalak stabilizálódása időbe telik. Ha a CPU túl gyors, akkor nincs ideje megvárni a válaszokat, és azokat nem tudja megbízhatóan kiolvasni. Az EDORAM-ban reteszeket, vagy másodlagos memóriákat adnak a meglévő memóriacellákhoz, amelyek addig tartják stabilan a DRAM-ból kiolvasott információt, hogy
24
Hardver ismeretek
azok megbízhatóan elérhessék a CPU-t. E chipeknek 50 MHz-es rendszerbusz-sebességig jól kell működniük. Az EDORAM nemcsak gyorsabban szállítja az adatokat a processzorhoz, mint a közönséges DRAM, de kevesebb energiát is fogyaszt, és ez különösen vonzóvá teszi a kisméretű hordozható számítógépekben (noteszgépekben és hasonlókban) való alkalmazásokra. Csökkenti a másodszintű cache iránti igényt az egyszerűbb és olcsóbb pentiumos gépekben. Sajnos nem kompatibilis a 386-os, 486-os és a régebbi pentiumos gépekkel sem.
CD RAM (cached DRAM) Egy újabb lehetőség a gyorsabb memória-hozzáférésre az, hogy cache-t adnak a memóriához, de a memória chipjén. A hangsúly azon van, hogy a cache a memóriachipre kerül. Ezt a megoldást gyakran CDRAM-nak (vagy cache-sel ellátott DRAM-nak), vagy a memóriachipre telepített cache-sel ellátott dinamikus RAM-nak nevezik. Ugyanezt a megoldást takarja az EDRAM (enhanced DRAM) elnevezés is. A cache gyorsabban tud reagálni a CPU kéréseire, ha a keresett információ már eleve benne van. A sebességnövelés másik lehetősége, hogy a lassú DRAM-ból az adatokat nagy blokkokban hozzák el a belső buszok segítségével. Például a Mitsubishi CDRAM-jain (4 Mbites és 16 Mbites chipek) van egy 16 Kbites cache, 128 bites vonalakkal. Amikor adatkérés történik, a DRAM egy teljes 128 bites blokkot küld a gyors SRAM-nak. Ha a következő keresett cím ebben a blokkban van - miként ez gyakran elő is fordul - , a chip azonnal szolgáltathatja az információt. A cache-ek és a buszok méretének optimális kiválasztása még mindig a "művészet" kategóriájába tartozik. Van olyan cég, amely 2048 bit széles buszt használ, a 4 Mbites DRAM-on lévő 8 Kbites SRAM feltöltésére. A CDRAM-tól eltérő, de vele versengő megoldás a szinkron DRAM (vagy SDRAM). A szinkron DRAM-mal ellátott rendszerekben a CPU-t és az SDRAM-ot ugyanannak az órának a jelével kötik egymáshoz, szinkronizálják. A gyorsabb rendszerek drágábbak, mert az árnak fedeznie kell a SDRAM meghajtásához szükséges különböző logikai chipek árát is. A CDRAM és az SDRAM a 66 MHz-nél nagyobb frekvenciákon működő rendszerekben előnyös.
CACHE Gyors, kb.15ns-os elérési idejűek, éppen ezért az adatok gyors küldésére és tárolására alkalmazzák őket - a gép a bővítő RAM-ból átírja a CACHE-be az adatokat, és ott dolgozik. Két típusa létezik: van belső CACHE, mikroprocesszorba beépített (on-chip cache), és van külső CACHE, önálló tároló (off-chip cache). Általában külső CACHE-t alkalmaznak, mert azok mérete nagyobb lehet.
25
Hardver ismeretek
Mágneslemez A hajlékonylemez vagy floppy a legegyszerübb és a legolcsóbb háttértároló. A PC-k számára kétféle típusú hajlékonylemez áll rendelkezésre: az 5,25"-os, melynek maximális kapacitása 1,2 MB és a 3,5", melynek maximális kapacitása 1,44 MB. Manapság minden floppy az MFM eljárást használja az adatok rögzítésére. De még létezik az FM eljárást használó régi 180 KByte-os IBM Iemez is. A lemezeket használat előtt formázni kell. Ennek során alakul ki a sávokra és szektorokra tagolódó szerkezet. A sávokat (típustól függően) 40 vagy 80 koncentrikus kör alkotja. A szektorok szélessége 0,33 mm (360 Kbyte) és 0,115 mm (1,44 Mbyte) között mozog. A szektorok tulajdonképpen feldarabolják a sávokat, mintha tortaszeleteket vágnánk. DOS operációs rendszerben egy szektor 512 byte adatot tartalmaz. A lemezek sűrűségét tekintve kétféle sűrűségről beszélhetünk. A horizontális sűrűség a hüvelykenkénti sávok számát jelenti, ennek az angol rövidítése a TPI (Track Per Inch). A másik a lineáris sűrűség, amely egy sávban az egy hüvelykre írható bitek számát jelzi, angolul BPI (Bit Per Inch). A sávsűrűséget szokták az SD (Single Density=szimpla sűrűség), DD (Double Density=dupla sűrűség) és HD (High Density=nagy sűrűség) betűkkel jelezni. A lemeztípusra vonatkozó SS a Single Sided, azaz egyoldalú, a DS a Double Sided, azaz kétoldalas lemezt jelöli.
LS 120 meghajtó Régóta folynak kísérletek az 1,44 Mbájtos hajlékonylemez gyorsabb és nagyobb kapacitású változatának megtalálására. Számos ötlet nem vált be az elmúlt időkben (pl. 2,88 Mbájtos lemez). Minél több rendszerrel próbálkoznak, annál kisebb a remény a szabványos, mindenki által elfogadott megoldás megtalálására. Valószínű viszont, hogy több különböző, kb. 100 Mbájt kapacitású lemeztípus békés egymás mellett élése fogja jellemezni a piacot az elkövetkezendő években. A következőkben röviden áttekintjük az ismertebb "floppy" változatokat, melyekről előre csak annyit, hogy egymással nem kompatíbilisek. •
LS 120, A:Drive vagy Superdisk: három név ugyanarra a 120 Mbájtos meghajtóra, mely a régi lemezformátumot is képes olvasni.
•
Zip meghajtó: az Iomega cég különleges "hajlékonylemezes" meghajtója kb. 100 Mbájt kapacitással.
•
UHC (Ultra High Capacity): különleges 130 Mbájtos meghajtó a Mitsumi cégtől.
•
HiFD (High Capacity Floppy Disk): a Sony és Fuji cégek kicsit megkésett fejlesztése, de a kapacitása ennek a legnagyobb (200 Mbájt). Az 1,44 Mbájtos lemezek kezelésére is alkalmas.
Az LS120 meghajtó fejlesztésénél a nagy kapacitás mellett elsődleges cél volt a hajlékonylemezzel való kompatibilitás. Az A: meghajtó nevet éppen azért kapta, mert 1440 és 720 kbájtos lemezt írni és olvasni tud. Nagy előnye, hogy megtartotta a hagyományos lemez formátumát. Az LS120 nem terjedt el olyan mértékben, mint a gyártók remélték. Ennek oka egyrészt, hogy viszonylag lassú, másrészt pedig a PC-be építése elég későn sikerült.
26
Hardver ismeretek
A meghajtó két író/olvasó fejjel rendelkezik, a széles kezeli a hagyományos lemezeket, a keskeny a 120 Mbájtos lemezeket. A nagyobb kapacitáshoz lényegesen több sávra van szükség, ami azt jelenti, hogy a sáv szélessége sokkal kisebb. A fej biztonságos megvezetését a lemez egyik oldalán kialakított információ vezérli. Az információt lézeroptika olvassa, és lézerszervo (LS, Laser Servo) dolgozza fel. A lemez magasabb fordulatszámának köszönhető a nagyobb átviteli sebesség. Az LS120 meghajtó az ATAPI felületre kapcsolódik. Az 1997 vége után kiadott BIOS-változatok támogatják a meghajtót, akár operációs rendszer betöltésére is. Ha azt szeretnénk, hagy A: meghajtóként dolgozzon, a SETUP-ban tiltsuk a hajlékonylemezes meghajtót (A: meghajtót), vagy szereljük ki a számítógépből. Ha a BIOS nem támogatja az LS120 meghajtót, a lemezhez adott szoftverrel kell telepíteni a rendszerbe. Ebben az esetben az első szabad logikai nevet kapja a meghajtó (pl. D:).
ZIP meghajtó Az lomega cég már 1994-ben bemutatott egy új cserélhető merevlemez-meghajtót, melynek a ZIP nevet adta. Az LS120 megjelenése után az Iomega megváltoztatta eredeti tervét, és a ZIP meghajtót hajlékonyIemez-meghajtó kiváltására szánta. A ZIP meghajtó nem kompatibilis a hajlékonylemez-meghajtóval, és viszonylag drága adathordozót igényel. Az adathordozó nagyon hasonlít a floppy lemezhez, egy kicsit vastagabb, de hajlékony. A ZIP meghajtóban az adathordozó olyan nagy sebességgel (kb. 3000 ford./perc) forog, hogy légpárna alakul ki a Iemez és az író/olvasó fej kőzött. Megoldandó viszont a lemez stabilitása, hiszen a hajlékonylemez ilyen fordulaton berezeghet vagy üthet. Az adathordozót a ZIP kazettában mechanikusan rögzítik, és a rugón nyugvó fej csak egy kb. 1,2 mm széles résen át fér a lemezhez. A fej pontos megvezetéséhez maga az adathordozó szolgál információval. A hasznos sávinformáció közé ugyanis gyárilag szervoinformációt rögzítenek. Minden fordulat során a meghajtó 120-szor beolvassa a szervoinformációt, és ezzel vezérli az író/olvasó fejet. Az LS120 meghajtóhoz képest most nincs szükség drága és lassú optikai rendszerre, így a ZIP meghajtó kb. háromszor gyorsabb az LS120-nál. A szervoinformációt nem szabad megváltoztatni. Ha az adathordozó erős mágneses térbe kerül, nem csak a felírt adatok vesznek el, hanem a szervoinformáció is megsérül, és a lemez adattárolásra többé nem használható. A ZIP meghajtó nem rendelkezik mechanikus írásvédelemmel. A ZIP meghajtóhoz kapott segédprogrammal jelszavas védelem adható mind az íráshoz, mind az olvasáshoz jelenleg számos ZIP meghajtótípus létezik. A meghajtókat az alábbi szempontok szerint osztályozhatjuk: • • •
kivitel: belső, külső; kapacitás: 100 Mbájt ZIP, 100 Mbájt ZIP PLUS, 250 Mbájt ZIP; interfész: párhuzamos port (külső), ATAPI (belső), SCSI, USB (küIső);
A 100 Mbájtos lemezek mindegyike kazettába szerelt 3,5 hüvelykes adathordozót használ. A lemezfelületen 96 sávot alakítottak ki, minden sávban 2048 szektor, minden szektorban 512 adatbájt van. A lemez kapacitása ennek alapján pontosan 96 Mbájt. Párhuzamos port változat
27
Hardver ismeretek
A párhuzamos portos ZIP a külső kategóriába tartozik, két 25 pólusú csatlakozóval szerelték. Az apa csatlakozót a számítógép párhuzamos portjához kell kötni, az anya csatlakozót pedig egy esetleges nyomtatóhoz. Sajnos némely operációs rendszer (pl. Linux) és nyomtató (pl. HP Deskjet 500) nem szereti ezt a kombinációt. Az adatátvitel növelése érdekében a párhuzamos portos kétirányú átvitelre (EPP vagy ECP) kell beállítani átkapcsolókkal vagy az alap belsőlap SETUP-jával. A ZIP meghajtó természetesen működik a hagyományos (SPP) porton is, de sokkal lassabb. A ZIP meghajtóban nincs tápegység, külső adapter szolgáltatja az energiát (5V/1A). A megoldás hátránya, hogy nincs be/ki kapcsoló a meghajtón. Tanácsos ezért kapcsolható hálózati adaptert vagy kábelre szerelt külön kapcsolót használni, mert a ZIP meghajtót röviddel a PC után kell bekapcsolni. Ellenkező esetben a PC nem ismeri fel a meghajtót. SCSl változata SCSI felülettel belső és külső ZIP meghajtóknál is találkozhatunk. Külső változatnál a meghajtón két 25 pólusú csatlakozó és két konfigurációs kapcsoló található. Az egyik konfigurációs kapcsolóval állítjuk be a meghajtó számát (ajánlott érték: 5 vagy 6), a másik engedélyezi az SCSI sín lezárását (ha a kábel végén van a meghajtó). Az Iomega cég saját SCSI adaptert ajánl a ZIP meghajtóhoz, mely jelenleg az Adaptec AHA 1520 családon alapul. Z1P PLUS 1977 végétől kapható a ZIP PLUS meghajtó, mely a klasszikus ZIP részben továbbfejlesztett változata (be/ki kapcsoló, könnyű tápegység, automatikus SCSI/párhuzamos port felismerés stb.). A meghajtó párhuzamos portos és SCSI felülettel kapható, mindkettő ugyanazt a 25 pólusú csatlakozót használja. Az SCSI változat automatikus terminálási képességgel rendelkezik. ZIP 250 Mbájt A 250 Mbájt kapacitású ZIP meghajtó is a hagyományos ZIP továbbfejlesztése. A kategória legnagyobb kapacitású meghajtója párhuzamos portos és SCSI felülettű változatban jelent meg. Az új meghajtó olvassa és írja a szabványos 100 Mbájtos lemezt, de a hagyományos ZIP természetesen nem tudja olvasni a 250 Mbájtos lemezt.
28
Hardver ismeretek
Mágnesszalag Az egyre nagyobb kapacitású merev lemezes egységek adatainak védelme, mentése sok gondot okoz. A szalagos tárolókat jól alkalmazhatjuk mentések végzésére. Az elérhető kapacitás 40Mb és 10Gb közé, az adatátviteli sebesség 1-10Mb/perc nagyságrendbe esik, a szalag ára alacsony. Felhasználás előtt a szalagokat formázni kell. Ez meglehetősen időigényes, 120 Mbyte-os, QIC-80 szabványú szalag formázásához 2.5 óra szükséges. A formázott szalagra egy vagy több blokkban írhatunk fel fájlokat, de egy blokkon belül a fájlok nem modosíthatók, csak az egész szalagot vagy az utolsó blokkot lehet törölni.
Streamer meghajtók A streamer az egyik legolcsobb mágnesszalagos meghajtó típus. Többféle szabványú szalag kezelésére képes meghajtókat hoztak forgalomba. A legelterjetebb a nyolcad inches kazettát (Quoter Inch Cartrige – QIC) alkalmazó meghajtók, kapacitásuk 40 (QIC-40) illetve 80 (QIC-80) Mbyte. Megnövelt szalaghosszúságú kazettákkal 60 illetve 120 Mbyte, adattömörítéssel 120 illetve 250 Mbyte tárolására nyújt lehetőséget. A belső streamer meghajtókat kétféleképpen illeszthetjük a konfigurációhoz: Egyszerűen a floppy illesztőre kapcsolhatjuk. Ekkor a meghajtó A vagy B floppy meghajtóként, egyes típusokat a két floppy mellett még egy harmadik eszközként is kezelhetünk. Az adatátviteli sebesség a meghajtó és az illesztő között 500 Kbit/s. Mivel az illesztőkártya minden konfigurációban rendelkezésre áll, a megoldás legnagyobb előnye az olcsósága, hátránya a lassúsága. Adattömörítő kártyával is illeszthetjük a meghajtót, ekkor az adatátviteli sebessége 1 Mbit/sre növelhető, de az illesztőkártya drága, a tömörítési módszere gyártófüggő, lehet, hogy más rendszerrel nem kompatíbilis. Külső streamer egységek nem illeszthetők be az operációs rendszerbe, nem kezelhetjük logikai lemezes egységként, hanem csak felhasználói programokkal. Sajnos az adatok hordozása különböző meghajtók között nem mindig lehetséges. A hordozhatóság feltétele, hogy azonos szabvány szerint működő meghajtókkal kezeljük a szalagot, tömörítés nélkül írjuk fel az adatokat, lehetőleg azonos programmal, de legalább azonos formátumot használó programokkal végezzük a mentést és a visszaállítást.
Digital Audio Tape meghajtók A DAT meghajtók általában nagyobb kapacitású eszközök, 1-10 Gbyte tárolható egy szalagon. Legtöbbjük SCSI felülettel kezelhető és lényegesen gyorsabbak, mint a streamer meghajtók. A SCSI 2 szabvány tartalmazza a szalagos egységek kezelésére vonatkozó előírásokat is.
29
Hardver ismeretek
CD Manapság a CD-ROM meghajtók a számítógépek szinte nélkülözhetetlen elemei. Nemsokára minden gépnek ugyanolyan tartozéka lesz - vagy már most is az -, mint a merevlemez. A CDROM számos területen használható fel, így a szórakoztatásban, az oktatásban, az üzleti életben, az iparban, az egészségügyben és még sorolhatnánk. Se szeri se száma az újonnan megjelenő CD lemezeknek, amelyek a legkülönbözőbb témákban készülnek. Néhány éve a CD-ROM lemezek még szinte elérhetetlen árúak voltak, ma már nem különösebben drágák a többi számítógép-alkatrész között.
ISO 9660 CD-ROM szabvány Az audio (zenei) CD-k technológiáját 1982-ben fejlesztette ki a Philips és a Sony cég. Felismerve a technológiának a számítástechnikában nyújtott lehetőségeit, hamarosan elterjedt ebben a szférában is. A CD nagyon gyorsan fejlődő technolágia volt, de akkor még semmilyen szabvány nem szabályozta a fejlesztéseket. Minden vállalat egy kicsit eltérő formában kívánta előállítani saját termékét, ebből fakad, hogy számos különböző technológia alakult ki. Az iparág vezető vállalatai 1985-ben gyűltek össze, hogy megalkossák a szükséges szabványokat. Az ekkor elfogadott szabványok meghatározták a tartalomjegyzék és a címtárak szerkezetét, valamint meghatározták a logikai, az adatszerkezeti és az adatrögzítési rendszereket. A szabványt megalkotó vállalatok között ott volt a Microsoft, amely elkészítette azt a szoftvert, amely lehetővé tette a CD-ROM elérését a hagyományos DOS parancsokkal. A szoftver nevebizonyára sokan ismerik - MSCDEX, mely a Microsoft Compact Disc Extensions rövidítése. Ez a találkozó Tahoe városban történt a Sierra Montain területén, ezért az új szabványt High Sierra Specification-nek nevezték el. Az ISO nemzetközi szabvány is ezt a specifikációt fogadta el - kisebb módosításokkal - ISO 9660 néven. Eltekintve a ritka kívételektől, szinte minden CD-ROM meghajtó és lemez az ISO 9660 szabvány szerint készül. Az ISO 9660 szabványain kívűl számos egyéb szabványos előírást is kifejlesztettek. Négy szakkönyv mindegyikében a pontos részletes meghatározások ezrei találhatók. Az elbírásokat eredetileg különböző színű könyvekben adták ki azért, hogy a szabványokat a könyvek színe szerint jelölhessék. Néha egy CD-ROM lemezre olyan előírások is vonatkoznak, amelyek két, vagy több könyvből származnak. A piros könyv (Red Book) tartalmazza a zenére, illetve a CD-ROM lemez digitális zenéjére vonatkozó szabványokat. A sárga könyv (Yellow Book) az adatállományok tárolását szabályozza a DOS, Apple vagy Amiga adatállományoknál. A zöld könyv (Green Book) foglalja magába az interaktív CD és a kiterjesztett architektúrájú CD definícióit. A negyedik, narancssárga könyvben (Orange Book) az "egyszer írható - többször olvasható" típusú meghajtókra és a magnetooptikai meghajtókra vonatkozó szabványok találhatók meg.
Lézeres technológia A LASER a Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation kifejezésből képzett mozaikszó. Mint tudjuk, a fehér fény magába foglalja a szivárvány minden színét. Az egyes színek tulajdonképpen különböző frekvenciájú fények. Az alacsonyabb frekvenciánál a színek sötétvörösek, magasabb frekvenciánál a viola szín irányába tolódnak el. A közönséges fénysugarak nem koherensek, azaz szétszóródnak, nem alkotnak koncentrált sugarat. A lézerben a fény egyetlen színét erősen lehet fókuszálni és erősíteni, egyetlen színt alkot, rendezett koherens sugárban.
30
Hardver ismeretek
A lézerhatást számos gáz és anyag segítségével lehet előállítani. A jelenlegi CD-ROMok többsége olyan fényt használ, amely a színspektrum kisebb frekvenciájához tartozik, mint például a vörös és a sárga. A Samsung fejleszteete ki a zöld színű lézert. Állítólag ezzel az eljárással a jelenleginél ötször akkora adatsűrűséget lehet elérni. jelenleg is dolgoznak a kék lézer kífejlesztésén, amely még magasabb frekvenciával fog működni, és ezzel még több adatot lehet ugyanakkora helyen tárolni.
A CD-ROM működése A mágneses felvételnek és lejátszásnak van egy sűrűségi határa. Ennek egyik oka az anyag mágneses tulajdonsága. Minden sáv között egy meghatározott távolságnak kell lenni, hogy az egyik sávon lévő mágneses jel ne zavarja a másikat. Ezenkívül az író/olvasó fejek érzékenysége is határt szab a sűrűségnek. Az optikai technológiával készült CD lemezeknél ez a határ sokkal kedvezőbb, mivel az egyes jelek nem zavarják egymást, és a lézersugarat is jobban lehet fókuszálni, mint a mágneses erővonalakat. A hajlékonylemezek és merevlemezek koncentrikus sávokat használnak. A CD-ROM lemezek ettől eltérően, a hagyományos hanglemezekhez hasonlóan egy spirálban tárolják az adatokat. A spirál viszont nem kívülről, hanem belülről indul, és nagyon sűrűn van "feltekerve". Két szomszédos csíkja a spirálnak 1,6 mikron távolságra van egymástól. Ez azt jelenti, hogy egy 25 mm-es sávban 16 000-szer fordul meg a spirál, amit ha kinyújtanánk, körülbelül 4,8 km hosszú lenne. A mágneslemezeken egyes területek mágnesezve vannak jelezve az 1-es állapotot, mások nincsenek mágnesezve, jelezve a 0-ás állapotot. A CD-ROM lemezre felvételkor a lézer vagy barázdákat éget, jelezve az 1-es állapotot, vagy ép felületet hagy, jelezve a 0-ás állapotot. Amikor a lemezt lejátszuk, a sávra lézersugár fókuszálódik és onnan visszaverődik. Az épen hagyott felületről sokkal több fény verődik vissza, mint a barázdált felületről. A visszavert fényt érzékelve lehet az 1-es és 0-ás állapotokat meghatározni. A CD-ROM lemezeknél is beszélhetünk szektorokról. Itt a szektorok 2048 byte-osak. Minden szektor eleje egy 12 byte-os szinkronmezőt és egy 4 byte-os fejlécmezőt tartalmaz. Mivel csak egyetlen spirál sáv van, a fejlécmező a szektor címét perc:másodperc:századmásodperc formában tartalmazza. Az első szektor a 00:00:00, a második 00:00:01 és így tovább. A kódolásra két különböző módszer van. A (Mode 2) 288 byte-ot ad minden szektorhoz hibadetektáló (EDC, Error Detection Codes) és hibajavító kódok (ECC, Error Correction Codes) számára. Így egy szektor a 12 byte-os szinkronmezővel, a 4 byte-os fejlécmezővel, a 288 byte-os EDC/ECC-vel és 2048 byte adattal összesen 2352 byte hosszú. Ezt a kódolási módot legtöbbszőr akkor használják, ha fontos az adatok biztonsága. A spirális sávon körülbelül 270 000 szektor van, így 270 000 szektor x 2048 byte/szektor, 552 960 000 byte, azaz 552 Mbyte helyünk van az adattárolásra. A másik módszer, az egyes mód (Mode 1) nem használ hibadetektáló és javító kódokat, így a tárolható adatmennyiség 630 Mbyte. Még talán emlékszünk arra a problémára, hogy a mágneses lemezeknél minden sávban ugyanannyi szektor van, ezzel a lemez belső részén nagyobb lesz az adatsűrűség. Ennek kiküszöbölésére szolgált a Zone Bit Recording eljárás. A CD-ROM lemezeknél ilyen probléma nincs, mivel a szektorok fizikai hossza állandó. Ha a forgási sebesség állandó, akkor a spirálnak az olvasó fejhez viszonyított sebessége a lemez külső részén sokkal nagyobb lenne, mint a lemez belső részein. A CD-ROM olyan rendszert használ, amely képes változtatni a meghajtó sebességét attól függően, hogy a lemez melyik részét olvassa. A külső részen a meghajtó körülbelül 200 ford./perc fordulatszámmal, a belső részen pedig ennél
31
Hardver ismeretek
gyorsabban, körülbelül 530 ford./perccel forog. Ezzel biztosítják, hogy a fej és a lemez egymáshoz viszonyított sebessége állandó. Ezt állandó lineáris sebességnek (CLV, Constant Linear Velocity) nevezik. A CD-ROM-ok fejlődésével egyre gyorsabb CD-ROM-olvasókat állítottak elő. Először az említett sebességet, illetve sebességeket körülbelül megkétszerezték, ezeket a meghajtókat nevezték 2 x-es sebességű CD-ROM-oknak. Természetesen a fejlődés itt sem állt meg, jöttek a 4 x-es, a 6 x-os, majd a 8 x-os sebességű CD-ROM-ok. Manapság már léteznek 48 x-os CD-ROM-ok is. Sokáig az átviteli sebesség egyáltalán nem változott, maradt a kezdeti 75 szektor/másodperc, azaz l50 Kbyte/s érték. A sebesség növelésével kezdett az átviteli sebesség nőni. A kétszeres sebességű CD-ROM-ok 300 Kbyte/s, a négyszeresek 900 Kbyte/s átviteli sebességgel rendelkeznek. A hatszoros sebességű CD-ROM-ok már lehetővé teszik a videofilmek finom, életszerű lejátszását. A hagyományos zenei lemezeket továbbra is az eredeti 150 Kbyte/s-os átviteli sebességgel kell lejátszani. A nagyobb sebességű meghajtók bármelyik lemezt le tudják játszani amit a lassabbak, csak sokkal gyorsabban. A lemezről beolvasott adatok egy puffertárba, vagy gyorstárba kerülnek először, és csak ezután dolgozza fel őket a PC. Az eredeti MPC specifikáció 64 Kbyte-os puffert ír elő, de sok új rendszernek már 256 Kbyte-os, sőt akár 2 Mbyte-os puffere van. Általánosságban azt mondhatjuk, hogy minél nagyobb az átmeneti tár, annál finomabban lehet animációkat, filmszerű videókat futtatni. Az CD-ROM meghajtók elérési ideje az MPC specifikáció szerint legalább 1000 ms. Ez meglehetősen lassúnak mondható, de ez csak elméleti érték, a valóságban a régebbi meghajtóknak is körülbelül 300-400 ms elérési idejük van. Az újabbaknak 200 ms körül alakul ez az érték és várható, hogy ez a jövőben még csökkeni fog. Nem minden CD-ROM meghajtó egyforma, többféle típus létezik. van beépített, vagy külső, SCSI csatolós vagy saját interfésszel rendelkező és még egyéb dolgokban különbözhetnek. A belső meghajtók ugyanolyan nagyságúak és formájúak, mint egy szabványos 5,25"-os lemezmeghajtó, tehát a szabványos rekeszbe szerelhetők. A tápfeszültséget is a szabványos négyeres csatlakozón kapják a tápegységtől. Igazából, ha nincs kifejezetten külső meghajtóra szükségünk, akkor inkább a belső meghajtót javasolhatjuk. Egyrészt azért, mert egy ugyanolyan képességű külső és egy belső meghajtó között árban körülbelül 30 000 forint különbség van, a belső javára. A külső meghajtó helyet foglal íróasztalunkon, külön tápvezetéke, tápegysége lesz. Ezek és a hozzá vezető szalagkábel elhelyezése felesleges kényelmetlenséget okozhat. Hogy a külső meghajtó mellett is legyen érv: ha egy IBM kompatibilis PC-t és egy Macintosht is üzemeltetünk, akkor a SCSI külső meghajtót mindkét géppel használhatjuk És persze ha nincs üres aljzatunk, akkor sincs más választás-külső meghajtót kell venni.
32
Hardver ismeretek
Monitor A számítógépekhez használt monitorok fizikai működése nagymértékben hasonló a megszokott TV készülékek működéséhez. A képernyő tartalmát egy elektronsugár rajzolja fel a fénykibocsátó réteggel bevont felületre, még pedig a képernyő bal felső sarkától kezdődően, jobbra és lefele haladva, párhuzamos sávokra bontott részekben. Egy teljes képernyő tartalom kirajzolása minimum 1/25 másodpercig tart. A képernyő végigpásztázásában kétféle eljárást alkalmaznak: •
folytonos, egymást követő soronkénti pásztázás (non-interlacing), amely kevésbé finom felbontás, de gyakoribb képfelfrissítést eredményez.
•
váltott soros, minden második soronként pásztázás (interlacing), amely finomabb felbontást, de alacsonyabb frissítési frekvenciát eredményez. A váltott soros pásztázásnál félképenként 1/50 sec szükséges, így a teljes kép kirajzolása 1/25 sec alatt történik.
A képernyő elektronsugár által végigpásztázott egy-egy sávját nevezik rasztersornak. A képernyőtartalom vibrálását, villódzását elkerülendő, a világító festékanyag utánvilágítási ideje hosszabb, mint a közönséges TV készülékeké. A képernyővel kapcsolatos jellemzők többsége szoftver úton állítható, választható. Ilyen jellemzők például: •
a kurzor alakja, tulajdonsága; a karakteres kurzor két formája használatos általában: az aláhúzás (a karaktermátrix 9. vagy 10.sorában), vagy a blokkforma, amely egy karakternyi hely inverzben való megjelenítése; többnyire beállítható a kurzor villogása is; grafikus képernyőn különféle grafikákat (nyíl, kéz, stb.) használnak kurzorként.
•
a karakterek tulajdonságai (attribútumai), mint például a karakter aláhúzása, villogtatása, vagy inverz formában történő kiírása; lehetőség van a karakter kiemelt (fényesebb) formájú kiíratására is
•
a szín megválasztása, amely három színnek (háttár, előtár és a keret színének) a megadását jelenti.
•
a képernyő görgetése (scrolling), lapozása (paging); a képernyő tartalmának soronkénti lefelé, vagy felfelé történő mozgatása a görgetés; ez történhet karaktersoronként (character scroll), vagy folyamatosan (soft scroll). A képernyő tartalmának képernyőnkénti váltása a lapozás, amely lehet teljes képernyős (full page = 24 sor (, vagy félképernyős (half page)).
•
a képernyő megosztása (split), amelynek hatására két részre osztható a képernyő és a két részben más és más rés jeleníthető meg például és szövegállományból.
A képernyőn megjelenő karakterek formáját a karakter generátorok szabják meg. A karakter generátor egy olyan vezérlő, amely minden karakter raszterpontonként leírását tartalmazó ROM tároló segítségével, kiíratandó karakter megjelenít a képernyőn. A karakterROM raszterpont-mátrix formájában (1-0-ások sorozatával) tárolja azt, hogy mely pontot kell
33
Hardver ismeretek
kivilágítani és melyeket nem. A kiíratandó karakter ASCII kódja egy mutató a ROM tároló azon helyére, ahol a karakterhez tartozó pont-mátrix tárolása jellé alakítja az egység és ezt a jelsorozatot küldi a monitor vezérlésére. A ROM tároló cseréjével egyszerü módon megoldható a képernyőn megjelenő karakterek kiírási formája. Ha grafikus képernyőforma használatos (tehát pontonként programozható a kiíratás), akkor akármilyen betüforma kialakítható és alkalmazható. A képernyő működésével kapcsolatos alapjellemzők (sorok, oszlopok száma, felbontás finomsága, a képernyőtartalom tárolásának helye a memóriában, stb.) értékét a vezérlőkártyákon beállítható video üzemmódok határozzák meg. A video üzemmódokat sorszámokkal jelölik, amelyek száma ma már, a fejlődés révén, többtucatnyira növekedett. A mai gépekben lévő monitorvezérlő kártyák (többnyire VGA, SVGA típusúak) ismerik a korábbi video üzemmódokat is és így a régebbi monitorokhoz készült programok továbbra is használhatók maradnak. A monitorok méretét a képernyőátmérővel adják meg hüvejkben ("). 1 hüvejk=1 inch=2,54 cm. A legkisebb méret a 14" átmérőjű, a legnagyobb a 24". Ez a szám a képátló hosszát jelenti. He tehát egy 14"-os monitorrol van szó, annak a szélessége körülbelül 10˝. A monitorokat a képernyőátmérőn kívűl a képfrekvencia és a felbontás jellemzi. A felhasználótól illetve a felhasználástól függ, hogy milyen típusú monitorra van szükség. Az egyszerű DOS alkalmazásokhoz (szövegszerkesztéshez, táblázatkezelés) biztosan megfelel egy egyszerű, viszonylag kicsi (és olcsó) 14" vagy 15"-os monitor. A windows alkalmazásokhoz, vagy egyéb grafikus felületek használatához legalább egy 640X480 képpont felbontású 70Hz képfrekvenciás monitorra van szükség. Ez a felbontás azt jelenti, hogy a képernyő vízszintes 640, függőlegesen 480 képpontra tagolódik, azaz összesen 307 200 képpontot tartalmaz. Ha grafikus alkalmazásokat futtaunk 14"-os monitoron 1024X768-as felbontással, akkor az ikonok túl kicsik lesznek ahhoz, hogy hatékonyan használjuk a kezelőfelületet. Ha tehát ilyen nagy felbontásra van szükség – például kiadványszerkesztéshez, fotóalkalmazásokhoz vagy tervezőprogramokhoz (CAD) – akkor érdemes nagyobb átmérőjű monitort használni. Az igényelt képátló egyszerűen kiszámítható, ha ismerjük a képpontátmérőt nagyságát, vagyis a lyukmaszk méretét. A kép szélessége a vízszintes képpontok (pl. 1024) és a képpontátmérő (pl. 0,28 mm) szorzatával egyenlő (1024X0,28=28,7 cm, ami17" képátlónak felel meg). Kisebb képátló esetében a felbontást inkább az olvshatóság korlátozza. Képátló 14" 15" 17" 19-20" 21" 24"
Felbontás 640X480 képpont 800X600 képpont 1024X768 képpont 1280X1024 képpont 1600X1200 képpont 1900X1600 képpont
A képernyőméret mellett a képfrekvencia (függőleges szinkronizáció) és a sorfrekvencia (vízszintes szinkronizáció) határozzák meg a monitor felbontását. Minnél magasabb a képfrekvencia és a felbontás, annál nagyobbnak kell lennie a sorfrekvenciának. Ezért az értékek egymástól függenek. Tájékozódásként jól használható ez a képlet, amely e három érték összefüggését adja meg. Sorfrekvencia=sorok száma*képfrekvencia
34
Hardver ismeretek
A képlet szerint egy 1024X768 felbontású képernyő 75Hz-es képfrissítéssel 57,6 kHz sorfrekvenciát igényel. Látjuk, hogy a sorfrekvencia a képfrekvenciától függ. A monitorokhoz állandó értéket adnak meg viszont a sávszélességre, mely a következő képlettel számítható: Sávszélesség=felbontás*képfrekvencia Az előző példában a sávszélesség 1024*768*75=60 Mhz-re adódik Ezt az értéket a képvisszafutás miatt kb. 10 %-al növelni kell még a tényleges sávszélességhez. A képpontfrekvencia sebessége megmondja, hogy a letapogató fénysugár milyen gyorsan halad a képernyőn vízszintesen. Számítása az alábbi módon történik: Képpontfrekvencia=sorfrekvencia*vízszintes felbontás A 1024*768 képpontos felbontásnál 75 Hz-es képfrekvensia mellett a képpontfrekvencia értéke 59 MHz (768X75X1024). Ezt növelni kell még a sorvisszafutásra szánt idő miatt. Ha éles képet szeretnénk kapni, a képfrekvencia a sávszélességen belül legyen.
Multisync és overscan monitorok Ha egy program futása során megváltozik a felbontás, akkor a vízszintes és függőleges szinkronizációt is át kell állítani ahhoz, hogy a kép ne ugorjon. Ezt a problémát először a NEC cég oldotta meg és a monitort, amely képes a felbontást megváltoztatni úgy, hogy a kép nem ugrik, multisync monitornak nevezték el. Azóta más cégek is készítettek ilyen monitorokat, csak az elnevezés más: "Autoscan" vagy "Multiscan" névvel illetik ezeket. Az overscan elnevezés mást takar. A legtöbb képernyőn a tényleges felhasznált terület körül egy keskeny fekete keret is látható. Az overscan monitorok az egész képernyőfelületet használják, nincs keret, így egy kisebb overscan monitor képe nagyobb egy ugyanakkora képátmérőjű "normális" monitornál.
Ápolt és nem ápolt üzemmódok A kép felépítésének módja alapján kétféle működési modot különböztetünk meg. Nem átlapolt (Non-Interlaced) módban a képpontsorokat egymás után írja a monitor. Az utolsó sor után a sugár visszafut a bal felfő sarokban lévő kezdőpontba és újrarajzolja a képet. Ezzel ellentétben átlapolt módban a kép két lépcsőben áll össze, amit ez emberi szem persze egy képnek fog látni. Az első "körben" a páratlan számú sorokat írja az elektronsugár, a következő lépésben pedig a párosokat. Ha a monitor kisebb felbontásban dolgozik, akkor valószínűleg nem ápolt módban üzemel, nagyobb felbontásnál – ahol nagyobb felbontásra van szükség – pedig átlapolt módra vált. Az átlapolt üzemmód tehát nagyobb felbontást nyújt viszonylag alacsony képfrekvencia mellett is, ennek azanban ára van: a kép kissé vibrálhat. A felhasználóknak nics beleszólásua az üzemmódokváltoztatásába, azt a monitor a kívánt felbontáshoz automatikusan beállítja. A gyártók általában a használható üzemmódoknál feltüntetik az átlapolt módban használható üzemmódokat.
A monitor működése
35
Hardver ismeretek
A monitor fizikailag ugyanúgy működik, mint a televízió. A működés szempontjából leglényegesebb alkatrész: a katódsugárcső vagy röviden képcső. A képcső működése emlékeztet az elektroncső működésére. Régen, amikor még nem voltak tranzisztorok, az összes számítógép elektroncsövekkel működött. Ezek a szerkezetek ugyanazt a feladatot látták/látják el, mint manapság a tranzisztorok: viszonylag kis feszültséggel lehet viszonylag nagy feszültséget vezérelni. Az elektroncső három részből áll: katód, anód és rács. A katód fémes anyagból van, és elektronokat bocsát ki, ha melegszik. A katód – ugyanúgy, mint a villanykörtét – egy egyszerű fűtőszállal melegítik. Ha az anódra pozitív feszültséget kapcsolunk, akkor az a katód által kibocsátott negatív töltésű elektronokat vonzani fogja. A vezérlő rács az anód és a katód között helyezkedik el. Ez az alkatrész olyan, mint egy kapu: Ha kis negatív feszültséget kapcsolunk rá, akkor nem fogja átengedni az elektronokat, míg ha 0 feszültséget, vagy kis pozitív feszültséget kapcsolunk rá, akkor szabadon átengedi az elektronokat az anódra. A képcső az elektroncsőhöz képest kiegészül 4 eltérítő lemezzel és az anód kialakítása is egy kicsit más. Az anódot foszforral borítják, így ha az elektronsugár becsapódik rá az adott ponton felvillan a foszfor, és egy ideig világít. A mágneses térbe kerülő mozgó elektronok ugyanúgy viselkednek, mint bármely fémes tárgy mágneses mezőbe. Ezért az eltérő lemezekkel – amelyekből 1 a jobb, 1 a bal, 1-1 pedig fent és len található - az elektronsugarat is el lehet téríteni. Mivel 4 eltérő lemez van, amelyekre feszültséget kapcsolhatunk, minden irányban eltéríthetjük az elektronsugarat. Végeredményben tehát az lektronsugarat be és ki tudjuk kapcsolni, valamint az elektronokat a képernyő bármely pontjára tudjuk irányítani. Ténylegesen a kép megjelenítése soronként történik: az elektronsugár végigpásztázza az összes sor összes képpontját és azokat világítja meg, amelyeket akarunk. Ezekből a képppontokból fog összeállni a kép.
A színes monitor működése A színes monitorok működése elve nem különbözik a fekete-fehér – vagy általában az egyszerű (sárga vagy zöld) – monitorok működésétől. A leglényegesebb különbsége az, hogy minden alapszínhez (vörös, zöld, kék) tartozik egy-egy elektronsugár és így minden szín e három alapszín keveréséből áll össze. Az egyes pontok úgynevezett tripletteket, színhármasokat alkotnak. Hogy egy adott elektronsugár a megfelelő pontra jusson, az elektronsugarak különböző szögben esnek a képernyőre. Ezenkívül az elektronsugár előtt egy fémből készült lyukmaszk is található a szomszédos triplettek árnyékolására. A maszkon lévő lyukak méretét a gyártók rendszerint megadják a monitor egyéb addatai mellett. Ez az érték általában 0,31 mm, vagy jobb esetben 0,26 mm. Minnél kisebb a lyukmaszk mérete, annál finomabb szemcséjű lesz a kép. A színhármasok (triplettek) különböző módon helyezhetők el. Az elhelyezés módja elsősorban a kép kontrasztjára van befolyással. Két elrendezés mód alakult ki: az egyik szerint a színhármasok egyenlőszárú háromszöget alkotnak (Delta). Ez az elrendezés roszabb kontrasztot ad, mivel két pont között mindig van egy üres rész, amely sötét marad. A másik elrendezés a SONY alakította ki és a Trinitron nevet kapta. Itt a színpontok egymás mellett helyezkednek el. Ezzel az elrendezéssel élesebb és világosabb lett a kép. A lyukmaszkot itt nem fémlemez alkotja, hanem rácsot képező kifeszített drótok. Hogy a drótok tökéletesen párhuzamosak legyenek, nagyon nagy erő feszíti meg őket, ehhez viszont megfelelő keretet kellett kialakítani., amely elviseli ezt az erőt. Ez a Trinitron képcsöveket egy kissé nehezebbé teszi. A Trinitron képcső igaz hátránya azonban az, hogy a függőlegesen futó szálakat a képet többé-kevésbé fel lehet ismerni. Ez főleg nagyobb monitoroknál és nagyobb
36
Hardver ismeretek
felbontásnál lehet zavaró. Ezenkívül kellemetlen a kép alsó harmadában futó vízszintes szál, amely a függőleges szálakat köti össze és stabilizálja őket.
Alacsony sugárzású monitorok Néhány éve már nem csak a monitor teljesítményadatai (felbontás, szinkronfrekvenciák) iránt érdeklődnek az emberek a monitor vásárlásakor, hanem a képcső által kibocsátott káros sugárzás mértéke is komoly kérdéssé vált. Ezek a sugárzások az emberi szervezetre, elsősorban a szemre tartós veszélyeztetés esetén ártalmasak. A svéd kísérletekből ajánlások születtek az alacson sugárzású monitorokra (Low Emission vagy Low Radiation) vonatkozóan. Kettőt érdemes kiemelni ezek közül: az MPR-II és a TCO ajánlást.Az MPR-II csak a monitorokkal foglalkozik, a TCO kiterjed a munkahelyi környezet egyéb ártalmaira is. Az alacsony sugárzású monitoroknál árnyékoló lemezzel védekeznek az elektromos és elektromágneses tér kijutása ellen, és kiváló minőségű transzformátorokat és eltérítő tekercseket alkalmaznak. Ezek a sugárzások példőul a rádióműsorok sugárzásában jelentkezhetnek. Az elektronok a monitorokban felgyorsulnak, hogy nagy energiával a képernyőbe csapódva felvillanást okozzanak. A közben keletkező sztatikus tér (akárcsak a televíziónál) a képernyő megérintésekor érzékelhető. Az elektromosan feltöltött képcső magához vonzza a levegőben szálló porszemeket, melyek a képernyő gyors elszennyeződését okozzák. A gyártók az újabb monitorok képfelületét vezető réteggel látják el, melyet leföldelnek a töltések elvezetésére. A monitorban röntgensugárzás akkor keletkezik, amikor az elektronok hirtelen lefékeződnek. A korszerű monitorokban olyan kicsi a sugárzás mértéke, hogy bőven megfelel az előírásoknak.
Energiatakarékos PNP monitorok A korai monitorok hibája volt, hogy az állandó képtartalom egy idő után "beégett" a képernyőbe, így kikapcsolás után is látni lehetett a negatív képtartalmat. Védekezésül operációs rendszer vagy egyéb segédprogramokat (ún. képernyőkímélő programokat) futtathattunk az állandó képtartalom megtörésére. A mai monitorok normál használata mellett a beégés veszélye nem áll fenn. A képernyőkímélő programok futtatása helyett jobb megoldás a nem használt monitor takaréküzemre állítása vagy kikapcsolása. A számítógéprendszer legnagyobb fogyasztója a monitor, ezért ténylegesen energiát (és penzt) takaríthatunk meg ezzel. A monitorok energiatakarékos kapcsolására az elmúlt években több szabvány készült. A svéd NUTEK és az amerikai Energy Star nevét kell első helyen említeni. Az Energy Star logóját a számítógép bekapcsolásakor valószínüleg mindenki látta már. Az Energy Star nem csak a monitor, hanem egyéb PC-elemek (mikroprocesszor, merevlemez) takarékos üzemére is vonatkozik. A VESA cég közvetlenül a monitorra határozta meg a DPMS rövidítésű előírásokat. A Display Power Management Signaling (monitor energiakezelés jelzés) négy fokozatot definiál: bekapcsolt, készenléti (stand by), felfüggesztett (suspend), kikapcsolt. Tétlen állapotban a fokozatok között átkapcsolás időzítését egyénileg lehet beállítani a BIOS Setupban. A VESA DPMS és a NUTEK takarékos módok nem egyformák. A NUTEK rendszerben nincsen készenléti mód, de lényegi különbég nincs köztük. Grafikus rendszer konfigurásánál ügyeljünk arra, hogy a monitor is támogassa a választott módot, különben a videokártya impulzusjelei tönkretehetik a monitort. A VESA monitor és videokártya közötti kapcsolatra szabványt dolgozott ki DDC néven ( Display Data Channel, monitor adatcsatorna). Az adatcsatorna arra szolgál, hogy a
37
Hardver ismeretek
monitornak PNP (Plug and Play) képessége lehessen. A DDC monitor közölheti a videokártyának adatait, így a grafikus rendszer konfigurálása sokkal egyszerűbb lehet. Törr DDC változat is létezik. A legegyszerűbb és legjobban elterjedt változat neve DDC1, melynél nem szükséges külön kábel a monitor és a videokártya között. A DDC1 kapcsolat egyirányú: a monitor 128 kbájt méretű blokk (EDID, Extended Display Identification, bővített monitor azonosítás) folyamatos átküldésével tájékoztatja a videokártyát. Az átvitelhez a függőleges szinkronjel biztosít órajelet. A PNP képességhez DDC1 tulajdonságú monitor és meghajtóprogram szükséges. A Windows 95 már tartalmaz ilyen meghajtóprogramot. A DDC2 változatban kétirányú a kapcsolat, de ehhez a monitort és a videokártyát külön kábelletl kell összekötni.
38
Hardver ismeretek
Videokártya Minden monitorhoz szükség van egy grafikus kártyára, amely a számítógép által küldött adatokat, parancsokat a monitor számára érthető digitális vagy analóg jelekre bontja. Ezenkívül a grafikus kártyán található a képernyő-memória, amely azt a célt szolgálja, hogy a kép álljon. Ha ezt nem is vesszük észre, a képet a monitor másodpercenként legalább 50-szer rajzolja újra. A képernyő-memóriát, mint minden memóriát, a PC-vel meg lehet címezni, írni, olvasni lehet. A képernyő-memória mindig az aktuális monitorkép leképezése. A grafikus kártyán található egy speciális chip, a grafikus vezérlő, amely a monitor vezérlését látja el.
MDA kártya 1981-ben megjelent eredeti IBM PC videokártyája, az MDA (Monochrome Display Adapter) kártya, csak szöveges megjelenítésre képes. A képernyő-memória mérete 4 Kbyte, ezzel a lehetséges felbontás 80x25, azaz 25 sor, egyenként 80 karakterrel. A karakterek 9x14 képpontból (pixel) állnak. Grafikus üzemmód nem állt rendelkezésre. Az MDA csatlakozó jelei digitális TTL jelek. A katódsugarat két frekvenciával vezérlik. Az egyik vezérlőfrekvencia a képfrekvencia (függőleges szinkronizáció) a másodpercenkénti képváltás számát adja meg. Minnél nagyobb ez az érték, annál stabilabb lesz a kép. A második vezérlőfrekvencia a sorfrekvencia (vízszintes szinkronizáció), ami egy képpontsor kiírásának idejét határozza meg. Minnél gyorsabban ír ki egy sort, annál nagyobb lehet a kép felbontása.
CGA kártya A CGA kártya tulajdonképpen az MDA kártya továbbfejlesztése. A CGA (Color Graphics Adapter) kártya már grafikus módban is használható. Ehhez a memória méretét 16 Kbyte-ra kellett növelni. Szöveges módban ugyanúgy 80x25-ös felbontásra képes, valamint ezen túl létezik 40x25 karakteres üzemmódja is. A CGA karakterei 8x8 képpontból állnak össze. A képernyő-memória első byte-jában a képernyő bal felső sarkába kerülő karakter ASCII kódja van tárolva. A következő címen a karakter megjelenítési módja, attribútuma található. A harmadik byte tartalmazza az első sor második oszlopába kerülő karakter kódját, a negyedik pedig ennek attribútumát, és ez így folytatódik az utolső sor oszlopáig. 80x25-ös karakterfelbontás esetén tehát 4000 byte memória kell a képernyőtartalom tárolásához. A páros címeken mindig karakterkód, a páratlan címeken attribútum van. A szöveges módon kívül létezik a CGA-nak két különböző grafukus üzemmódja is. A nagyobb felbontást nyújtó 640x200-as módban 2 szín (fekete és fehér) használható, míg a 320x200-as módnál 4 különböző szín. Az első esetben minden képponthoz 1 bit tartozik, azaz összesen 128 000 bitre van szükség, ami éppen 16 Kbyte. A második esetben az egyes képponthoz 4 szín rendelhető, ezért 1 képpont adatait 2 biten kell tárolni (két biten 4 kombináció lehetséges: 00, 01, 10, 11). Ekkor persze csak feleakkora felbontásra képes a kártya. A CGA kártya jelei is digitális jelek. Minden egyes elektronsugár (vörös, zöld, kék) számára ven egy vezérlő jel.
39
Hardver ismeretek
40
Hercules kártya A CGA kártyával egy időben jelent meg a Hercules grafikus kártya, amely a grafikus kezelőn kívül egy párhuzamos portot is tartalmazott. Abban az időben ez igen előnyös kombináció volt. A Hercules kártya szöveges és grafikus módban is használható, felbontása 720x348 képpont. Szöveges módban a karaktereket 9x14 képpontos mátrixok alkotják, 25 sorban 80 karakter helyezkedik el. Ez jobb a CGA kártyánál. A Hercules kártya monokróm és az IBM BIOS nem támogatja, mivel a kártyát nem az IBM cég gyártotta. Ezért mindig szükség van egy kiegészítő programra, amely kifejezetten a Hercules üzemmódot támogattja. A képernyő-memória 64 Kbyte meretű, és a tárkiosztás szöveges módban megegyezik az MDA kártyáéval. Ez azt jelenti, hogy a memória szintén a B0000h címen kezdődik, viszont a C0000h címig tart, nem pedig csak B10000h-ig, ahogy az MDA kártyánál. A memória két grafikus képet képes tárolni, ezért a memória két részre van osztva (B0000h, B8000h). Egy grafikus lap ezen túlmenően még 4 memóriabankra van felosztva (pl. B0000h, B2000h, B4000h, B6000h), hogy a memóriaelérés még gyorsabb legyen. Ha a képernyő-memória adatait olvasni kell, akkor az első jel az első bankba, a második jel a második bankba stb. van. Így az adatmutatót csak 4 elem kiolvasása után kell növelni. Ezzel a vezérlő elég sok időt megtakarít. A Hercules kártya kapcsán meg kell említeni egy érdekességet, az úgynevezett Dual Monitor Mode-ot (páros monitor üzemmód). Ha egy alaplapon a Hercules kártya mellett egy VGA kártya is található, akkor a két kártya párhuzamosan is tud működni. Ennek olyan programoknál van értelme, amelyek képesek két képernyő kezelésére (pl.: AutoCAD, Caddy), vagy olyankor, ha a régi programok miatt szükség van a Hercules kártyára. Ilyenkor a VGA kártyát kell a setupban elsődleges kártyának kijelölni. Az alaplapon lévő átkötést pedig úgy kell beállítani, mintha színes monitor lenne a géphez. Minden vezérlés ezentúl a VGA monitorra vonatkozik. A CAD program telepítésekor úgy kell a rendszert konfigurálni, hogy a rajzok a VGA monitoron jelenjenek meg, a szövegek. Menük pedig a Hercules képernyőn. A két monitor közti átkapcsolás egy-egy egyszerű DOS utasítással történhet. MODE MONO MODE CO80
bekapcsolja a Hercules kártyát, bekapcsolja a VGA kártyát.
EGA kártya Az EGA (Enhanced Graphics Adapter) a CGA kártya továbbfejlesztéséből született. Maximális felbontóképessége 640x350 képpont. Ezt 16 különböző színnel tudja megjeleníteni, amelyeket egy 64 színű palettáról lehet választani. Mindezen információk tárolásához 256 Kbyte memória szükséges, legfeljebb ennyi található a kártyán. Szöveges módban a karakterek felbontása 8x14 képpont lett és a sorok száma 43-ra növelhető. Az EGA kártyához számos cég (Paradise, Optima, Oak) kínál speciális vezérlőket, amelyeknek saját BIOS-uk van. Az EGA kártya képes a CGA és az MDA kártyák működését emulálni. Általában a kártya felismeri a programok által kért egyes üzemmódokat és automatikusan vált közöttük. Ha ez nem működik, akkor be kell tölteni egy emuláló programot a megfelelő özemmód használatához. A képernyő-memória négy 64 Kbyte-os memóriasíkra van felosztva. Az utángyártók túlszárnyalták az IBM specifikációt, az IBM EGA után hamarosan megjelentek a 640x480 felbontású EGA kártyák is. A korábbi felbontás 4:3 arányú vízszintes/függőleges megjelenítéséhez volt megfelelő, a 640x480-as felbontással 1:1 aránnyal lehet rajzolni. Ennek előnye, hogy pl. a kör rajzolásánál nem kell eltorzítani az ábrát, a grafikus memóriában tárolt kör képpontok a képernyőn is szabályos körként jelennek meg.
Hardver ismeretek
41
VGA kártya Az EGA kártya korlátozott színválasztéka igazán szép képek megjelenítéséhez kevésnek bizonyult. Kézenfekvő volt tehát és új kártyatípus kifejlesztése. A több színt az egyes színek több fényerő kombinációjával lehet elérni. Az EGA minden szín fényerejét két biten, 4 fokozatban határozza meg, hárombites kombinációkkal 8 fényerő, összesen 8x8x8=512 színárnyalat közül választhatnánk, de ennek az ára a csatlakozó lábszámának növelése 3 lábbal (3 szín). Az emberi szem számára két színárnyalat közötti legkisebb különbséget akkor kapjuk, ha 24 bites felbontással dolgozunk. Ebben a felbontásban minden szín fényerejét 8 bit határozza meg, és a színárnyalatok száma meghaladja a 16 milliót. Az ehhez szükséges videocsatlakozónak viszont már 27 lába lenne. Nyilvánvaló, hogy a TTL színjelek növelését a csatlakozó mérete korlátozza, ezért az új kártyatípus analóg vonalakon adja ki a csatlakozóra a színjeleket. A csatlakozón három színjel (és hozzá három föld) hordozza a színkeverés alapszíneit egyenfeszültséggel. A vonalon lévő 0 V sötét, a 0,7 V szint pedig teljes fényerőt jelent. A közbenső fokozatok száma nincsen korlátozva. Az IBM a PS/2 sorozatú gépei számára fejlesztette ki a VGA (Video Graphics Array) kártyát. Ez a kártya legfeljebb 640x480-as felbontásban tud megjeleníteni 16 színű grafikát, ahol minden szín egy 262 144 (18 bit) színárnyalatot tartalmazó palettáról választható. Az EGA kártyához képes fejlesztés, hogy a VGA a palettaregiszter tartalmát egy dikgitális/analóg átalakítóra (Digital Analog Converter, DAC) viszi. A DAC 256 db 18 bites regisztert tartalmaz (minden szín számára 6 bit), melyek közül a palettaregiszer választ. A DAC regiszterek tartalmát alakítja a DAC alalóg feszültséggé. A 16 db palettaregiszter mindegyike 6 bites (mint az EGA esetén), és a DAC címzéséhez szükséges további két bitet a VGA elektronika színkiválasztó regisztere adja. Láthatjuk tehát, hogy minden színt 6 bites analóg jel hordoz, azaz két fényerő közötti különbség kb. 11mV-os feszültségugrásnak felel meg. Az utángyártó cégek a VGA esetén is felülmúlják az IBM előírásokat. A továbbfejlesztett kártyák SVGA (Super VGA) nevet viselnek, és az egész világon igen széles körben elterjedtek. Néhány elterjedtebb SVGA felbontás: 640x480 800x600 1024x768 1280x1024
képpont, képpont, képpont, képpont,
16 millió szín; 32 768 szín; 256 szín; 16 szín.
A megjelenítés memóriaigénye jelentősen megnőtt. Az 1024x768x256-os ábrázolást alapul véve a képpontok száma 786 432, azaz a memóriaméret egy síkon 786 432 bit. 256 színhez 8 memóriasík szükséges, tehát a kártya teljes memóriaigénye 768 kbyte, felkerekítve 1Mbyte. A szabványos VGA 640x480x16-os felbontás ugyanakkor megelégszik 256 kbyte memóriával is (307 200 képpont, 4 bitsík, 153 600 byte). A VGA kártyákon is található saját BIOS. Ennek bejelentkező üzenete látható a képernyőn minden bekapcsolást követően. Szöveges megjelenítés (A/N, alfanumerikus mód) az EGA kártyával megegyező módon történik. A színek azonban a DAC regiszterek segítségével átkódolhatók. Grafikus üzemmód (APA, All Point Addressable, minden pont címezhető) is az EGA kártyánál megismert módon működik. Nagyon fontos, hogy a videokártya vásárlásakor meghajtóprogramokat kapjunk a Windows különböző változatainak telepítéséhez és az egyes alkalmazói programok futtatásához.
Hardver ismeretek
A legtöbb VGA kártya rendelkezik egy bővítő csatlakozóval is a kártya felső élén, melyen keresztűl pl. TIGA kártyához lehet kötni. Ennek az angol neve feature csatlakozó.
AGA kártya Az AGA (Advanced Graphics Adapter) kártyát a Commodore cég készítette el, még a VGA kártya megjelenése előtt, saját PC-i számára. Az AGA a CGA és a Hercules kártya kombinációja. CGA üzemmódban azonban mindkét felbontásnál (320x200 és 640x200) 16 szín használható. A monokróm Hercules üzemmódban (720x348, 80x25 karakter) pedig további két üzemmódot lehet alkalmazni: 132x25 karakter és 132x44 karakter. Ezek az üzemmódokat azonban csak kevés program támogatja.
PGA kártya Az EGA kártya után készítette el az IBM 1984-ben a PGA (Professional Graphics Adapter) kártyát. Itt alkalmazták először a kártya és a monitok közti jelátvitelt. Ezzel az eljárással 640x480 képpontos felbontásnál 256 színt lehetett választani a 4096 színű palettáról. Ehhez akkoriban a kártyának saját processzorra volt szüksége, ez pedig elég drágává tette. A VGA kártya megjelenésével a PGA kártyának leáldozott a napja.
MCGA kártya A PS/2 25 és 30-as modellekhez készítette el az IBM a Multi Color Graphics Adapter (MCGA) kártyát, amely szintén analóg jelekkel vezérli a monitort. Teljesítménye valahol a CGA és az EGA kártya között van. Grafikus módban 320x200-as felbontás mellett 256 színt lehet használni, melyeket egy 262 144 színű palettáról választhatunk. Szöveges módban 25 sor van, soronként 80 karakter, minden karakter 8x16 képpontből áll. Az MCGA kártyát szintén a VGA kártya szorította ki a piacról.
8514/A kártya Az IBM a VGA szabvány továbbfejlesztésével készítette el a 8514/A szabványt, amely eredetileg a Micro Channel rendszerű PS/2 modellekhez készült. Ezekhez a kártyákhoz speciális monitorra van szükség, 1024x768 képpontos felbontással és 256 színnel. A 8514/A jelzés az IBM magyfelbontású analóg monitorához tartozik. A 60-as és a 80-as PS/2 modellek említett felbontása csak 8514/A vagy azzal kompatíbilis monitorokon használható ki, innen származik a szabvány neve. Leteznek ISA sínre való 8514/A grafikus kártyák, de ezek egyáltalán nem terjedtek el. A 8514/A kártyát az IBM is szinte "elfelejtette", az elvek nagy részét az XGA kártyában örökítette tovább. Vannak olyan Windows grafikus gyorsítókártyák, amelyek egy speciális meghajtóprogrammal képesek a 8514-es üzemmódot emulálni, ezzel a régebbi 8514-esre írt programokat futtatni.
42
Hardver ismeretek
XGA kártya Szintén az IBM gyártmánya az XGA kártya (eXtended Graphics Array), amely mind a VGA, mind a 8514-es kártyával kompatíbilis. Az XGA kártya legfontosabb jellemzője, hogy nagyon gyors. Ezt a gyorsaságot egy speciális chip segítségével éri el. A grafikus kártya és a PC hardvere közti kommunikáció általában az I/O portokon keresztül történik. Nem így az XGA kártyánál. Itt ugyanis a portok memóriacímekké vannak leképezve, ezért úgy kezeli őket a hardver, mintha memóriacímek lennének, ezzel persze sokkal gyorsabb a hozzáférés. Tovább növeli a gyorsaságot az intelligens chip, amely képes őnállóan vonalat, illetve téglalapot rajzolni, sokkal gyorsabban, mintha ezt egy szoftver csinálná képpontokból. Az XGA kártya felbontása 1024x768 képpont 256 színnel, vagy 640x480 képpont 65 536 színnel. Továbbá megjeleníthető egy hardver-kurzor, amely 64x64 képpontból állhat.
TIGA szabvány A Texsas Instruments cég egy speciális grafikus processzor (TMS340XX) bázisán fejlesztette ki a TIGA (Texsas Instruments Graphics Architecture) szabványt. A TIGA szabvány tulajdonképpen szoftveres kapcsolatot teremt a processzor, az alkalmazás és a grafikus processzor között, ezért nincs szükség a grafikus kártya hardverelemeinek pontos ismeretére. A kártya intelligenciáját a beépített grafikus processzornak (pl. 34020) köszönheti. Ennek a processzornak saját RAM memóriája (1-2 Mbyte) és utasításkészlete van, mely szabadon bővíthető. Az új utasításokat a PC processzora tölti le a grafikus processzornak. Ezek az új utasítások minden egyes alkalmazáshoz rendelkezésre állnak. A TIGA kártyán önállóan futnak az alkalmazások, függetlenül a PC processzorától. Ezzel vált lehetségessé a különösen rövid képfelépítési idő, és ebből persze következik, hogy ugyanannyi idő alatt több képet képes ábrázolni. A Texsas Intruments cégen kívül mások is forgalmaznak a TIGA szabványon alapuló kártyákat, így például az EIZO, Hercules vagy Opta cégek. Maga a Texsas Instruments is több TIGA kártyát kínál: TIGA 10, TIGA CARD, TIGA STAR, TIGA DIAMOND stb. Ezek alkalmazási területe az egyszerübb Windows alkalmazásokon túl, a grafikus munkaállomások alkalmazásai, mint pl. 3 dimenziós modellezés, az animásió vagy multimedia alkalmazások. A VGA üzemmódot minden TIGA kártya támogatja, bár más-más módon: így a TIGA 10 kártyát például össze kell kötni a PC-ben lévő VGA kártyával. Miközben magán a TIGA kártyán is van VGA-vezérlő chip. A TIGA szabványt a Windows támogatja, ennek ellenére nem nagyon terjedtek el a TIGA kártyák a Windows-felhasználók körében. Ennek oka valószínüleg a TIGA kártyák meglehetősen magas ára, különösen a Windows grafikus gyorsító kártya árával összehasonlítva.
Grafikus gyorsítók A legtöbb DOS-alkalmazás számára a VGA kártya felbontása és sebessége megfelelő, és árban is mefizethető. A Windows azonban más, nagyobb igényeket támaszt a grafikus kártya felé. Ennek az a magyarázata, hogy minden ablak megnyitásakor, minden menüpont kiválasztásakor az egész képet újra meg kell rajzolni. Ha például egy 100 x 100 képpont méretű ablakot (ez egyébként nem valami nagy) át akarunk helyezni, akkor ehhez legalább 20000 pixelt kell megváltoztatni (törölni az előző, felrajzolni az új helyen). Hogy a munka a Windows környezetben ne legyen idegölő, gyorsabb képfelépítésre van szükség.
43
Hardver ismeretek
Ugyanez a koncepciója az előző fejezetben ismertetett TIGA kártyának is. Ott egy speciális grafikus processzor segítségével gyorsították a funkciókat, ez pedig meglehetősen drágává tette a kártyát. 1992-ben jelent meg az első Windows gyorsító kártya, tulajdonképpen ugyanezzel az elképzeléssel: egy intelligens processzor átveszi a PC processzor munkájának egy részét. Ezt a kártyát az 1989-ben alakult S3 Incorporated cég fejlesztette ki. Ez a kártya speciálisan a Windows által gyakran használt grafikus eljárásokat definiálta a kártya hardverében. Ilyen tipikus eljárások a következők: Bit-Blit: Ablak eltolása. Az eljárás felvesz egy négyszöget, és egy másik pozíción újra megrajzolja. Hardware Cursor: Kurzorkezelés, egérkurzor megjelenítés. A PC processzora csupán az egérkoordinátákat adja meg a kártyának, az önállóan kezeli az egérkurzort. Line Drawing: Vonalhúzás. A processzor csak a kezdő- és végpont koordinátáit adja át a kártyának. Circle Drawing: Körrajzolás. A processzor csak a kör középpontját és sugarát adja meg. Polygon Fill: Terület kitöltése. Egy sokszöget az adott pixelinformációkkal tölt fel. A gyorsítókártyák általában VGA-kompatibilisek. Ez azt jelenti, hogy a gép bekapcsolásakor "normális" VGA kártyaként jelentkeznek be. Vannak olyan gyorsítókártyák, amelyekhez DOS alatt is kell meghajtószoftver, másukat automatikusan felismer a BIOS, van amihez nem kell DOS meghajtó. A gyorsítókártya hatása DOS alkalmazásoknál alig vagy egyáltalán nem tűnik fel. A kártya mellé adott meghajtóprogramok között általában nem csak a Windowshoz való meghajtó program található meg, hanem más grafikus alkalmazásokhoz valók is, például OS/2-höz, AutoCAD-hez vagy Ventura Publisherhez. A meghajtóprogramok szerepe rendkívül fontos és gyakran okoznak fejfájást a felhasználóknak. Gondoljunk arra, hogy ha például csak Windows meghajtónk van (mert csak azt kaptunk a kártya mellé), akkor semmit nem használ a kártya egy DOS-os CAD programnál. De ilyen probléma lehet az operációs rendszer fejlesztése (Upgrade): az új változatnál esetleg nem fut megfelelően a meghajtószoftver. Ilyenkor új meghajtót kell beszerezni. Ezért nem mindegy, hogy hol, milyen cégnél és milyen gyártmányt veszünk meg. Lehet, hogy mire a mi problémánk felmerül, addigra a cég, akinél vásároltunk, már nem is létezik. És ekkor gyakorlatilag semmit nem tehetünk. Nem érdemes tehát spórolni: keressük meg azokat a gyártókat és cégeket, akik már régóta a piacon vannak, jó nevük van és biztosak Lehetünk abban, hogy másfél év múlva is megtaláljuk őket. Újabban vált/válik lehetségessé egy másik forrás a meghajtók beszerzésére: az Internet. A legtöbb gyártónak saját Internethelye van, ahol meg lehet őket találni, és onnan a megfelelő meghajtószoftvereket letölteni.
44
Hardver ismeretek
3D grafikus kártyák A 3D grafika a számítógépes grafika azon területe, melynél kétdimenziós térben (monitorképernyő) háromdimenziós tárgyakat hozunk létre. A kétdimenziós tér képpontjának tulajdonsága az X és Y pozíció, a szín és a fényerő. 3D esetén ehhez még mélységinformációt kell hozzáadnunk, amely megadja, hogy a képzeletbeli Z tengely mentén hol fekszik a pont. Ha sok 3D képpontot egymás mellé teszünk, háromdimenziós felületet kapunk, melyet textúrának neveznek. A textúrák kezelése mellett a 3D grafika támogatja több tárgy egymáshoz való viszonyát (pl. a tárgy egy részét takarja egy másik tárgy). Végül a 3D grafika különleges technikákat használ a megjelenítéshez (pl. sugárkövetés [ray tracing] egy képhez valóságosnak tűnő árnyék készítésére). A hagyományos grafikus megjelenítést megkülönböztetésül kétdimenziós grafikának, röviden 2D grafikának nevezik. A 3D képeket a számítógépen belül absztrakt modell kezeli. A 3D objektumot rendszerint kis háromszögek (vagy más sokszögek) százai, ezrei alkotják. Ha a program mozgatja az objektumot, a háromszögek csúcsainak pozícióját változtatja meg. A 3D tárgyak információinak bittérképre konvertálásához és az adatokból történő képszerkesztéshez (rendering) sok memóriára és nagy számítástechnikai teljesítményre van szükség. Korábban a 3D grafika csak erős munkaállomásoknál volt megtalálható, ma már a legtöbb személyi számítógépben van 3D gyorsító. A grafikus gyorsító memóriát és célorientált processzort tartalmaz néhány 3D renderelési művelet elvégéséhez. A geometriai számításokat továbbra is a PC processzora végzi, a 3D gyorsító kártya elsődleges feladata a képszerkesztés, a textúrák kitöltése és árnyékolása. Nincs a PC-ben még egy olyan összetevő, mely olyan gyorsan fejlődne napjainkban, mint a grafikus rendszerek. A grafikus lapkakészletgyártók (Nvidia, ATI, 3Dfx stb.) egymást túllicitálva jelentetik meg az új lapkákat, melyek kétszer-háromszor többet tudnak, mint a féléve megjelent elődjük. A gond csak abban rejlik, hogy a szabványosítás nem tud lépést tartani a fejlődéssel. Az új grafikus kártyák a 2D gyorsító mellett tartalmaznak egy 3D gyorsítót is, vagy a két gyorsító egy új, közös tokba kerül. Léteznek tiszta 3D kártyák is, melyek a hagyományos VGA kártya mellett párhuzamosan működnek (pl. Monster 3D a Diamond cégtől). A 3D kártya kiválasztásánál ügyeljünk arra, hogy minél több 3D funkciót támogasson hardverrel. A hiányzó funkciókat a meghajtóprogramnak kell kezelnie, ez azonban a sebesség és a minőség rovására megy. Nézzük a fontosabb 3D funkciókat: Bi/trilinear Filtering: A textúrán belül lágy eloszlások előállítását végző szűrő funkciók, ezek szolgálnak az ívelt szerkezetek sokszögesítésének elkerülésére is. Clipping: Művelet, mely meghatározza, hogy az objektumnak mely része látható a képernyőn, és a nem látható részt kivágja. Ezzel időt takarít meg, mert a nem látható részt figyelmen kívül lehet hagyni. Dithering: Több alkalmazásban használt hatás (2D grafika, nyomtatás). Kevés szín különleges mintázatba keverésével olyan hatást kelt, mintha sok színből állna. Flat Shading: Sokszög színek, miáltal pl. az élek élesebbek lesznek. Fogging: Az egymástól távolodó objektumok ködbe veszését előállító funkciók. Guarad Shading: Ez az algoritmus a 3D felületnek valósághű árnyalást ad. A színeloszlások irányértékek interpolációjából következnek.
45
Hardver ismeretek
Lighting: A valós világ objektumai valamilyen megvilágításban láthatók. A fényforrás színtónust okoz, a fény visszaverődik, árnyékok és egyéb fényhatások keletkeznek. Fényforrás bárhol és bármi lehet (nap, hold, robbanás fénye stb.). MIP mapping: Az objektumra több textúra van helyezve, a közelebb jövő objektumok részletgazdagsága nő. Shading: Az ívelt felületek a jobb kinézés érdekében satírozottok, ez kis négyszögekre bontással érhető el. Texture Mapping: A felületek kitöltése mintával (pl. téglafal), melytől az valóságosnak tűnik (pl. a falon kép, tapéta stb. van). Sok különböző típusú textúratérképezés létezik szoftver és hardver használatban. Transparency: Az objektumok egy része egészen vagy félig átlátszó. Számításokkal meghatározható hogy pl. mi látszik egy ablak mögött. Különösen játékoknál fontos jellemzője a 3D kártyák minőségének a másodpercenként megjelenített képek száma. 25 kép/sec alatt az emberi szem már nem érzékeli folyamatosnak a képsort. A 3D kártyák videomemória igénye fokozott. A háromdimenziós kép tárolásához három puffer szükséges: az elülső (front) puffer tartalmazza a megjelenített képet, a hátsó (back) pufferben épül fel a következő kép, végül a Z puffer őrzi a harmadik dimenzió értékeit. Két dimenzió esetén például 4 Mbájt memóriával 1600x1200 felbontás és 16 bites színmélység valósítható meg (pontosabban 3,75 Mbájt kell). 3D kártyánál már az 1024x768 felbontású l6 bit színmélységű megjelenítéshez is 4,5 Mbájt memória szükséges (1024x768x3x16/8 bájt, 16 bit az elülső, 16 bit a hátsó, 16 bit pedig a Z pufferhez). A háromdimenziós ábrázoláshoz különleges szoftverillesztőket fejlesztettek ki, melyeket a legtöbb 3D lapka támogat. Enélkül minden grafikuskártya-gyártónak saját programot kellene készítenie kártyájához, mely egyrészt árnövekedést okozna, másrészt nem lenne kompatibilitás a kártyák között. Két illesztőprogramot említünk meg: Direct-3D: A Direct X része, főképp Windows 95 alatti játekoknál használják. A Direct X progamot a Windows 95-be utólag kell telepíteni. A gyakorlatban a Direct X gondoskodik arról, hogy a játék telepítése során a videokártyához tartozó meghajtóprogram felülírható legyen. Open-GL: A Silicon Graphics terméke, professzionális célokra fejlesztették ki. Ezt a szabványt a Windows NT 4.0 már tartalmazza, a Windows 95-ben csak az OSR2 változattól találjuk meg.
AGP kártyák Hiába nőtt meg jelentűsen a PC grafikus és videomegjelenítési képessége, még 3D kártyával sem lehet PC-vel teljes játékfilmet előállítani. 1996 közepe óta ennek fő okát a PCI sebességében határozzák meg, mert nem tud elegendő adatot szállítani. Az Intel kezdeményezésére ezért a grafikuslapka-gyártók konzorciumot alkottak, és definiálták a gyorsított grafikus port (AGP, Accelerated Graphics Port) paramétereit. Az AGP nem sínrendszer (nem a PCI bővítése), hanem egy csatlakozó aljzat, melybe csak az AGP
46
Hardver ismeretek
felületnek megfelelő (video) kártyát lehet bedugni. Az AGP csatlakozó sem elektromos, sem mechanikus vonatkozásban nem kompatíbilis a PCI csatlakozóval. Az AGP-hez lapkakészlet tartozik, mellyel a processzortól függetlenül, a processzorral párhuzamosan dolgozhat. Az adatcsere a PC operatív memóriája és az AGP kártya között folyik. Az Intel szerint az AGP-s alaplapon lévő operatív memóriának 66 vagy 100 MHz sínsebességen működőnek kell lennie. Az AGP-nek 32 bites síne van, melyen a cím- és adatvonalak multiplexelve jelennek meg. Létezik még 8 címvonal, mely az ún. "oldalsáv" címzéshez szükséges. Az AGP hasonlóan a PCI-hez - 66 MHz-es sebességen dolgozik. Tekintve azonban, hogy az órajel felfutó, és lefutó élénél is lehetséges adatátvitel, az átviteli sebesség elérheti az 533 Mbájt/sec értéket (66 MHz x 2 x 4 bájt). Az AGP használ-néhány PCI vezérlőjelet, és az aktív állapotba vivő inicializálás is a PCI sínen keresztül történik. Az AGP funkciók nem csak BIOS-ból, hanem operációs rendszerből is (Direct Draw) aktiválhatók. Az AGP adatátvitelben is mester és szolga (cél) kapcsolatról van szó. A grafikus kártyavezérlő a mester és az alaplap lapkájába (pl. Intel 440LX) integrálták a szolgaként működő AGP logikát. Az AGP protokoll három átviteli módot ismer, melyet 1x, 2x és 4x átvitelnek neveznek. Az egyszeres mód funkcionálisan a PCI átvitelnek felel meg. Kétszeres módnál a már említett módon kétszereződik meg az átvitel. Négyszeres mód esetén különbségi engedélyező jeleket használnak (AD és AD#), melyek fel-és lefutó éleinél is adatot lehet átvinni, így az 1xeshez képest négyszeres az átviteli sebesség. Az AGP technológia megértéséhez nézzük meg, hogyan történik a 3D grafika megjelenítése AGP kártya nélküli PC számítógépen. Az élethű 3D grafika geometriai számítások sorozatának végrehajtását igényli a 3D objektum térbeli elhelyezéséhez. Ezeket a műveleteket rendszerint a processzor (pontosabban a lebegőpontos aritmetikai társprocesszor) végzi. Ezzel egy időben a grafikus vezérlőnek a textúra adatokat kell feldolgoznia, hogy az objektum felületeit kitöltse, árnyékolásokat végezzen. A 3D grafika legkritikusabb része a textúratérkép feldolgozása, a háromdimenziós objektum felületeit leíró bittérkép értelmezése. A textúratérkép feldolgozása során beolvasnak egy, kettő, négy vagy nyolc textúraelemet (texel, texture element) a bittérképből, bizonyos matematikai közelítéssel átlagolják őket, majd az eredményt a hátsó (back) pufferbe tárolják a következő kép előkészítéséhez. 1. A textúra térkép a merevlemezről az operatív memóriába kerül az IDE/PCI sínen és a lapkakészleten keresztül. 2. Ha a textúratérképre szükség van egy jelenetben, a processzor az operatív memóriából beolvassa az elemeket, nézőpont és megvilágítási transzformációt hajt végre rajtuk, és az eredményt visszaírja az operatív memóriába. 3. A grafikus vezérlő beolvassa az átalakított textúrát az operatív tárból, és saját helyi videomemóriájába tárolja (hátsó puffer). A jelenlegi rendszereknél az adat a PCI sínen halad. 4. A grafikus vezérlő beolvassa a textúrát ís a 2D szín információt a helyi memóriából, hogy 2D monitoron megjeleníthető legyen a kép. Az eredményt beírja az elülső pufferbe, melyet keret- (frame) puffernek is neveznek. Mostantól kezdve a digitális/analóg átalakító olvassa a keretpuffert, és folyamatos a megjelenítés.
47
Hardver ismeretek
Előszőr: a textúrát az operatív tárban és a helyi memóriában is tárolni kell, ami felesleges helypocsékolás. Másodszor: a textúra rengeteg helyet foglal el a helyi memóriában, esetleg nem is fér el benne, ami a hardvergyártókat minél nagyobb videomemória beépítésére kényszeríti. Harmadszor: a PCI sín l32 Mbájt/sec átviteli sebessége szűk keresztmetszetet jelent a textúratérkép átvitelére, ráadásul a PCI sínt más rendszereszköz is igényli. A 3D grafika terjedése sokat köszönhet a PC fejlesztéseknek. Talán a legfontosabb fejlesztés a Pentium II processzorok megjelenése az alaplapban. A Pentium II jobban kezeli a 3D geometriai számításait (másodpercenként több háromszöget dolgoz fel), a processzormag mellé épített gyorstárat tartalmaz, a két független sín elv (DIB) megengedi, hogy az L2 gyorstárhoz egyszerre ketten forduljanak (processzor, operatív memória). Az AGP a másik fontos összetevője a 3D kártyák teljesítménynövelésének, mert egyrészt gyors kapcsolatot biztosít az alaplap lapkakészlete és a videokártya grafikus vezérlője között, másrészt pedig képes textúrákat közvetlenül az operatív tárból olvasni rendelés során. A rendszermemória egy részét az operációs rendszer dinamikusan foglalja le a grafikus vezérlő számára, melyet AGP memóriának vagy nem lokális videomemóriának neveznek. A helyi videomemória drágább, mint az operatív memória, és nem használható más célra, ha a futó alkalmazás grafikájának nem kell a teljes memória. A grafikus vezérlő gyors hozzáféréssel használja a videomemóriát a képernyő frissítésére, Z puffernek és elülső és hátsó pixel pufferként. Ha a textúrákat rendszermemóriában lehet tartani, több videomemória marad nagyobb képfelbontáshoz, illetve megengedhető nagyobb képtartalmak Z pufferelése. A legtöbb alkalmazás 2-16 Mbájt memóriát igényel a textúra tárolására. Az Intel szerint AGP kártyával ez teljesíthető. Az AGP két üzemmódot biztosít a grafikus vezérlő számára, hogy textúratérképet olvasson közvetlenül az operatív memóriából. Csővezetékes (pipelining) módban az AGP átlapolja a memória vagy sínhozzáférést "n" ütemre. Az átlapolás mértéke (az egymásután kiadott címek száma) az AGP megvalósítástól függ, maga az átlapolás az alkalmazói program számára teljesen átlátszó. A PCI sínen csak akkor adható ki az új memóriacím, ha az előző adat olvasása befejeződött. Mind az AGP mind pedig a PCI képes csoportos (burst) módban adatot átvinni, amikor egyetlen kérésre több adat átvitele történik meg, de ez csak részben javít a PCI nem csővezetékes természetén. Oldalsáv címzés (sideband addressing) módban az AGP nyolc kiegészítő címet ad a grafikus vezérlőnek, hogy új címet adhasson ki, miközben az előző kérés adatátvitele a 32 bites fő cím- és adatvonalon folyik. Az AGP memóriát a grafikus vezérlő gyorsan éri el. A gyorsaság a lapkakészletben (pl. 440LX) lévő hardvernek köszönhető. A lapka a címek átalakításával lehetővé teszi, hogy a grafikus vezérlő (és szoftvere) a memóriában szerteszét lévő adatokat folytonos területen lássa. A lapka címfordítást végző hardverét GART-nak (Graphics Address Remapping Table, grafikus címet áttérképező tábla) nevezik, és hasonló feladatot lát el, mint a processzor lapozó hardvere. A processzor "lineáris" virtuális címét a lapozó hardver fizikai címre alakítja. Ezeket a fizikai címeket használjuk a rendszer, memória, a helyi keretpuffer és az AGP memória elérésére. A CPU ugyanolyan címelvet használ a keretpuffer és AGP memória eléréséhez, mint a grafikus vezérlő. Az operációs rendszer ezért a CPU lapozó hardverét 1:1 egyenes, nem átalakító módba állítja.
48
Hardver ismeretek
A jelenlegi, AGP-vel szerelt PC-k három sajátossággal rendelkeznek, az alkalmazói programok pedig megpróbálják mindhármat támogatni. •
A hardver rendelkezik AGP-vel, de nem használja ki az AGP textúra képességelvet. Ilyenkor csak az adatátvitel gyorsulása érhető el, a csővezeték és oldalsáv címzés nem.
•
A hardver képes AGP memóriából renderelni, de az alkalmazói programnak nincs szüksége arra, hogy a textúrákat helyi memóriába cserélje. A hardver vagy tud, vagy nem tud textúrázni helyi memóriából. Jobb, ha nem teszi ezt, mert így elkerüli a képpontírással, képernyőfrissítéssel, texel és Z értékek olvasásával történő ütközést.
•
A hardver akkor fut leggyorsabban, ha mind az AGP mind pedig a helyi memóriából képes textúrázni. A kisebb vagy gyakrabban használt textúrák a helyi memóriában, a nagyobb vagy ritkábban használtak pedig az AGP memóriában tárolódnak.
A Pentium II processzoros rendszerekben az operációs rendszer az AGP memóriát kizárja a gyorsításból (cache). Az operációs rendszer által használt WC (Write Combining, íráskeverés) jelölés sokkal gyorsabb írási hozzáférése biztosít az AGP memóriához, mint az UC (Uncacheable, nem gyorsítható). Ha a sín szabad, a WC memóriába több egyedi írás csoportba fogható (burst), melyek célja a lapkába épített dedikált íráspuffer. Ha a processzor olvasási céllal fordul a memóriához, a WC és UC memória egyformán lassú.
49
Hardver ismeretek
Billentyűzet A billentyűzet a mikoroszámítógép közvetlen irányítására, kisebb mennyiségű adat bevitelére használható. Az alkalmazott változatai a 101/102 gombos billyentyűzet. A 101/102 gombos változatnál külön számbillentyűzet van a numerikus adatok könnyebb bevitelére. A billentyűk funkcionálisan több csoportba sorolhatók: •
A billentyűzet legnagyobb részét, az írógép billentyűzethez hasonló felépítésű, alapkarakterek (betűk, számjegyek, speciális karakterek) billentyűi alkotják;
•
A numeruikus adatok bevitelét könnyíti meg a számbillentyűzet, amely a billentyűzet jobboldalát foglalja el;
•
A (101/102 gombos) billentyűzet felső részét foglalják el a funkcióbillentyűk, amelyek hatása az egyes felhasználói, alkalmazói programoknál más és más;
•
Az alapkarakterek és a számbillentyűk között helyezkednek el a képernyőkezelő billentyűk, amelyek a kurzor mozgatására, a képernyő tartalom mozgatására szolgálnak.
Egy másik csoportosítási lehetőség: •
karakterbillentyűk,
•
funkcióbillentyűk,
•
váltóbillentyűk(shift, ctrl, alt), amelyek egy másik billentyűvel együtt lenyomva módosítják az eredeti billentyű hatását,
•
kapcsolóbillentyűk(CapsLock, NumLock, ScrollLock), amelyek tartósan modosítják egyes billentyűcsoportok hatását.
A billentyűzet működése A billentyűzet saját vezérlővel rendelkezik, amely nem csak adatokat tud küldeni az alaplapon lévő billentyűzet illesztő felé, hanem parancsokat is tud fogadni. A billentyűzet megszakítási rutin valamelyik billentyű lenyomásakor annak billentyűkódját (scan code) átküldi a billentyűzet pufferbe. A lenyomott billentyű azonosítására egy sorszám szolgál és nem a karakter ASCII kódja, mivel ugyanahhoz a billentyűhöz több karakter is tartozik. Minden billentyűlenyomáskor a vezérlő 2 byte-ot küld át a pufferbe. Azoknál a billentyűzetkombinációknál, amelyekhez ASCII kód rendelhető, az átküldőtt byte-ok közül az egyik az ASCII kódot, a másik a billentyűkódot (scan code) tartalmazza. Azoknál a kombinációknál, amelyek valamely funkcióbillentyűhöz tartoznak, az átküldött byte-ok közül az első 0 értéket, a második a billentyűkódot foglalja magában.
50
Hardver ismeretek
Tetszőleges ASCII kódérték (a 0 kivételével) bevihető, az ALT billentyű lenyomásávalés vele egyidőben, a számbillentyűzeten a decimális kódérték bebillentyűzésével. Mivel a 0 kódérték a funkcióbillentyűk jelzésére van fenntartva, ezért azt nem lehet bebillentyűzni.
51
Hardver ismeretek
Egér Az egér az utobbi idők grafikus képernyőinek kedvelt 'mutató' eszköze, amivel a képernyő különböző helyein lévő objektumokra lehet rámutatni és a pozíció alapján, az egér billentyűivel vezérelni lehet az objektumhoz kapcsolódó rutint. Amíg az egérhez hasonló funkciójú botkormány(joystick) és fényceruza kezelésére beépített rutinok tartoznak, addig az egér kezelő rutinjait önálló és külön betöltendő meghajtő(driver) tartalmazza. Ezt a meghajtót ez egér használata elött betöltve, az állandó jelleggel a memóriában marad a gép kikapcsolódásáig. Müködés szempontjából, az egérnek alapvetően háromféle tipusát használják: •
mechanikus vezérlésű egérnél két, egymásra merőleges görgőrendszer mozgását érzékeli a berendezés és ennek jeleit továbbítja a gép a soros portja felé;
•
optikai vezérlésű egér esetében, egy hálózatos rajzolású egér alátéten mozgatva az egeret, egy LED fényének a visszaverődését érzékeli a berendezés és továbbítja a processzor felé;
•
opto-mechanikai vezérlésű egér működése hasonló a mechanikus megoldásúéhoz, avval a különbséggel, hogy az egér elmozdulásával együtt előforduló hasított korongon fényt átbocsátva, az így kapott fényimpulzusokat érzékeli a berendezés.
Az egér és a processzor közötti kapcsolat a soros vagy PS/2 porton keresztül jön létre. Bizonyos időközönként, a soros vagy PS/2 bemeneten keresztül 3, vagy 5 byte-ot (protokoll) küld az egér érzékelője. A három byte tartalma: 1.byte 2.byte 3.byte
az utolsó 100ms alatti x- irányú elmozdulás előjeles értéke. az utolsó 100ms alatti y- irányú elmozdulás előjeles értéke. az egér billentyűinek helyzete, állapota.
52
Hardver ismeretek
Szkenner Néhány évvel ezelőtt a szkennerek még olyan drágák voltak, hogy egyéni felhasználó nem is álmodhatott a beszerzésüktől. Mostanában azonban úgy leesett az áruk, hogy egyetlen PC mellől sem hiányozhatnak. Napjainkban a síkágyas lapolvasók hódítanak, bár kaphatók úgynevezett dokumentumszkennerek is – utóbbiak kisméretű, 30x27 centiméteres alapterületű eszközök. A síkágyas lapolvasók természetesen laposak, vastagságuk nagyjából tíz centiméter, alapterületük pedig éppen csak meghaladja egy A/4-es lapét. Belülről nagyjából úgy néznek ki, mint egy fénymásoló: a fedél alatt egy üveglap található, ez alatt fel-alá mozog egy fényforrással ellátott rúd. Ha be akarunk szkennelni egy dokumentumot, arccal lefelé az üveglapra fektetjük, úgy, mintha fénymásolni szeretnénk. Csakhogy a szkenner nem egyszerű másolatot készít, hanem digitális kópiát: elektronikus formájúra alakítja dokumentumunkat, így az szerkeszteni tudjuk a PC-n. A lapolvasók elviekben nem sokat változtak az elmúlt évek során. A legfontosabb különbség, hogy az első szkennerek csak szürkeárnyalatú (fekete-fehér) másolatokat tudtak készíteni. Később megjelentek a színek, és nagymértékben finomodott a felbontás. Külön öröm, hogy a színes szkennerek megjelenésével a méretek is összezsugorodtak. A régi A/4-es szkennerek (vagyis azok az eszközök, amelyekkel maximum A/4-es lapokat digitalizálhattunk) méretükben közelebb álltak egy A/3-as oldalhoz. A mai korszerű lapolvasók alig nagyobbak egy A/4-es lapnál, és kényelmesen elférnek az íróasztalon. Az irodákban a hagyományos, papírra gépelt vagy nyomtatott dokumentumokat elektronikus formájúra alakíthatjuk, és elraktározhatjuk a PC-n. Így a faxoktól a leveleken ás a papírfecnikre írt telefonszámokig minden fontos adatot megőrizhetünk a magunk – no meg az utókor – számára. Egy OCR (optikai karakterfelismerő) szoftverrel felvértezve a PC a géppel írt dokumentumot beszkennelt változatát olyan szöveggé tudja átfordítani, amelyet szövegszerkesztőbe vagy táblázatkezelőbe is bevihetjük. A lapolvasó az otthoni felhasználóknak rengeteg szórakozást ígér. Színes szkennerrel valamennyi fényképünket digitalizálhatjuk, és egy képszerkesztő programmal kijavíthatjuk rajtuk a hibákat, eltüntethetjük a piros szemeket, világosíthatjuk vagy sötétíthetjük a képet, végül kinyomtathatjuk. Egyszóval a fényképezés terén elszenvedett kudarcainkat fényes diadallá fordíthatjuk át. Minden szkenner ugyanúgy működik. Megvilágítja a képet, és a visszaverődött fény elemzése alapján létrehozza a kép elektronikus változatát. Mindehhez hat fő alkatrészre van szüksége: egy fényforrásra, lencsékre, amelyek összegyűjtik a fényt, egy CCD-re (töltéscsatolt eszköz), amely felfogja a visszaverődött fényt, egy ADC-re (analóg-digitális konverter), amely átalakítja a CCD jelét, végül egy léptetőmotorra, amely a fényt végighúzza a dokumentumon. A legfontosabb rész a CCD. Megfelelő CCD-vel a lapolvasó gyönyörű képet készít, de ha gyengébb a töltéscsatolt eszköz, az igencsak megmutatkozik a végtermék minőségében. A CCD fényérzékeny elemek sorából áll, amelyek feszültséggé alakítják a beérkező fényt. Minél erősebb a fény, annál nagyobb feszültség képződik, és annál valósághűbbek lesznek a kép elektronikus változatának színei. A kép minősége alapvetően függ a CCD-ben lévő elemek számától: e számmal arányosan nő a felbontás és a kép részletgazdasága. A felbontást – az egy hüvelykre eső képpontok számával mérik (ennek rövidítése a dpi). Ha egy szkenner a 300 dpis felbontást támogatja, és a A/4-es oldalakat tud beolvasni (ez nyolc hüvelyk, vagyis durván
53
Hardver ismeretek
húsz centi szélességű lapokat jelent), akkor ehhez a CCD-jében 2400 elemre van szükség. A drágább szkennerek már a 600 dpi-t is tudják: ehhez értelemszerűen 4800 CCD-elem kell. Minden CCD-ben három szűrő van: egy a vörös, egy a zöld, egy pedig a kék fényhez. Akárcsak a monitorokon, ebből a háromból itt is kikeverhető az a sokmilliónyi szín, amelyet a képen látunk. A régi lapolvasók még háromszor mentek végig a képen, és külön-külön szkennelték be a színeket, az újabb típusok azonban már egy menetben képesek leolvasni mind a három színt. A CCD által előállított feszültség a CCD dinamikus tartományától függ – magyarán attól, hogy mennyire érzékeny az eszköz. A dinamikus tartományt bitekben mérik: minél magasabb ez a szám, annál érzékenyebb a CCD. Az olcsóbb szkennerek általában 24 bitesek, vagyis 24 bites adatokkal írják le a képpontok vagy pixelek jellemzőit. Igényesebb munkákhoz – például grafikai tervezéshez, nyomdai előkészítéshez – drágább, 30-36 bites egységeket használnak. A leolvasott színek pontossága a CCD dinamikus tartománya mellett attól is függ, hogy a CCD-ről érkező elektromos jelet milyen jól veszi át a szkenner következő fontos alkotórésze, az ADC. Utóbbi olyan digitális értékké alakítja a feszültséget, amelyet már a számítógép is értelmezni tud: megjelenítheti a képernyőn, és elraktározhatja a lemezen. A CCD a szkenner jobb alsó sarkában foglal helyet, de a fény hosszú utat tesz meg, míg eljut idáig. A nagy utazás kiindulópontja a rúd, amely a síkágyas lapolvasók üveglapja alatt mozog fel és alá. A fénymásolókhoz hasonlóan ezen a rúdon található a fényforrás, jelenesetben egy fluoreszcens cső. Ennek teljes hosszában egyenletes fényt kell kisugároznia: ha bármelyik végén gyengébb a fényerősség, akkor ez a kép szélein minőségromlást eredményez. Miközben a rúd végighalad az üveglap alatt, a szkenner a fényt a képre sugározza. Amikor a fény visszaverődik, már hordozza az eredeti fotó vagy fénykép színeire vonatkozó információkat. A visszavert fényt egy tükörsor összegyűjti, és egy lencsére irányítja, amely az A/4-es képről érkező fényt az aprócska CCD-re vetíti. Ennek a lencsének a minősége – a CCD-éhez hasonlóan – alapvetően befolyásolja a végeredményt. A rudat egy léptetőmotor húzza végig a kép alatt. Ahhoz, hogy a rúd simán és egyenletesen haladjon végig útján és a beolvasott kép arányai megfeleljenek az eredetiének, a motornak óraműszerű pontossággal kell dolgoznia. A legtöbb léptetőmotor hüvelyként 600-at lép, ez a 600 dpi-s függőleges felbontást biztosít. Egyes motorok azonban feleekkora lépésekre is képesek, és ezzel a felbontást 1200 dpi-re emelik. A beszkennelt képek CCD által meghatározott felbontását az úgynevezett optikai felbontás jellemzi. Ha CCD-nkben hüvelykenként 300 elem van, a felbontás 300 dpi lesz. De gyakrabban találkozhatunk egy másik mérőszámmal is: az interpolált felbontással. Ez a felbontás gyakorta elképesztő magas szám, például 9600 dpi. De vajon hogyan lesz 300 dpiből 9600 dpi? Az interpoláció összehasonlítja az egymás melletti képpontokat, és a köztük lévő rést olyan pixelekkel tölti ki, amelyek színeit "megtippeli". Az eljárás kisebb részekre bontja a pixeleket, és újakat hoz létre. Ha egy négyszög alakú kis területen például négy pixelünk van, amelyek közül három fekete, egy pedig fehér, az interpolációs szoftver gyors mérlegelés után mondjuk úgy dönt, hogy a négyből 16 hozható létre, amelyekből tíz lesz a fekete, hat pedig a fehér. Maga a döntés nagymértékben függ attól az algoritmustól, amelyet a szkenner gyártója a termékhez kidolgozott. Minnél jobb az algoritmus, annál tökéletesebb az interpoláció, és annál jobb a szkennelés. De ha gyenge a szoftver, többet árt, mint használ. Ha egy A/4-es kép beolvasásakor a felbontást interpolációval 2000 dpi-re növeljük, az eredményül kapott állományszörnyeteg elraktározásához körülbelül egy gigabájt tárterületre lesz szükségünk. A szkennelési eljárásban az adatátvitel jelenti a legszűkebb keresztmetszetet. Régebben az olcsó szkennereket a párhuzamos porton keresztül csatlakoztatták a számítógéphez, és néhány modell még ma is ezt a "bejáratot" használja. Az újabbak azonban
54
Hardver ismeretek
már inkább az USB portot kultiválják. Nemcsak az adatcsere gyorsul fel a PC és a lapolvasó között, hanem – feltéve, hogy megfelelő operációs rendszerünk van – a telepítés is lényegesen leegyszerűsödik.
TWAIN A szó a "Technology Without An Interesting Name" (magyarul: érdekes név nélküli technológia) mérsékelten vicces rövidítése. A TWAIN egy vezérlőprogram, amely lehetővé teszi a számítógép számára különféle perifériák, például szkennerek és digitális kamerák vezérlését, valamint a perifériák adatainak továbbítását a PC-re. Néhány évvel ezelőtt a PC-hardvert még nem szabványosították olyan magas szinten, mint manapság, és az alkatrészek, perifériák nem sokat tettek azért, hogy megkönnyítsék az operációs rendszer dolgát. Ha egy új hadvert telepítünk a rendszerre, gyakran kézzel kellett módosítanunk a hardverbeállításokat, és a BIOS-ba is bele kellett nyúlnunk. A TWAIN előnye az volt, hogy megoldotta a szabványosítás hiányából eredő galibákat: a felhasználók biztosak lettek abban, hogy PC-jük és lapolvasójuk szót ért egymással. Széles körű ipari használata miatt sok programcsomag, köztük a képszerkesztő programok is támogatják a TWAIN-t. Ez azt jelenti, hogy az alkalmazásainkból tudjuk vezérelni a szkennert. Ha például képszerkesztő szoftverünkben megnyitjuk a File menüt, látni fogunk egy Aquire tételt, majd pedig egy olyan címszót, amely TWAIN eszközről teszi lehetővé a képbehozatalt. Ha kattintunk, megjelenik egy, az összes telepített TWAIN eszközt felsoroló menü, és a listájáról egyszerűen kiválaszthatjuk azt, amelyikre az adott pillanatban szükségünk van. A TWAIN vezérlők révén utasíthatjuk a lapolvasót a szkennelés megkezdésére, továbbá a szkenner beállításait is módosíthatjuk.
55
Hardver ismeretek
56
Nyomtató A nyomtató a mikroszámítógépek azon kimeneti eszköze, amely az ember számára közvetlenül olvasható, értelmezhető eredményt szolgáltat. A mikroszámítógépek mellett kisebb teljesítményű nyomtatókat használnak, amelyeknél fontos követelmény a jó minőségű nyomtatási kép. A leggyakoribb nyomtatók az alábbi csoportokba sorolhatók: •
karakterenkénti nyomtatók (teljes karaktert nyomtatók, mátrixnyomtatók), amelyek egyegy karaktert kiírva a nyomtatófejet egy pozicíóval jobbra, vagy balra viszik;
•
sornyomtatók, amelyek egyszerre egy teljes sor összes karakterét kiírják.
Emellett beszélhetünk karakteres- és grafikus nyomtatókról. Ez utóbbiak esetében pontonként történhet a nyomtatás.
Nyomtatótípusok Karakternyomtatók A mikroszámítógépek mellett, a legismertebb karakternyomtatók a margarétakerekes (daisy-whell printer) nyomtatók. A margarétakerekes nyomtatók esetében , a karakterek képei egy forgó, hasított tárcsa mögött elektromágnessel müködtetett kalapács helyezkedik el, amely a szükséges időpontban a tárcsa valamelyik szirmár ez előtte lévő papírhoz nyomja. A betűt tartalmazó tárcsa és a papír között található festékszalag. A margarétakerekes nyomtatók igen jó minőségű kiírást eredményeznek, különösen karbonszalag alkalmazásával. A nyomtatás sebessége: 30-50 kar/sec. A nagygépek mellett forgóláncos nyomtatónál egy amellyel a kellő pillanatban forgódobos nyomtatók elve karakterek.
forgóláncos, vagy forgódobos nyomtatókat használnak. A lánc felületén ismétlődik többször is a teljes karakterkészlet, egy kalapács nyom a papírhoz festékszalagon keresztül. A hasonló, csak annál egy dob felületén helyezkednek el a
Mátrixnyomtatók A mátrixnyomtatók a legáltalánosabban használt nyomtatók, viszonylagos olcsóságuk miatt, különösebb kisebb teljesítményigény mellett. A nyomtatófejben, oszlopban 9, vagy 24 nyomtatótű található, amelyek egyenként vezérelhetők. A karakterek alakját egy 5x7-es, 9x11-es, vagy 18x23-as pontmátrix pontjaival rajzolja ki a nyomtató, egyidőben mindig csakegy oszlop pontjaitnyomtatva. Az egy sorba írható pontok (dot) száma adja a felbontás és így a nyomtatás finomságát. Az alkalmazott felbontási pontszám 60-144 bpi (dot/inch) között mozog, a leggyakoribb érték 72 dpi.
Hardver ismeretek
Az egyes nyomtatóknál használt NLQ (near letter quality), vagy LQ (letter quality) nyomtatási formánál a jobb minőség, a folytonos vonal látszatának elérése érdekében, többszörös nyomtatást valósítanak meg 1-1 pontnyi eltolással az egyes nyomtatások között. A nagyobb tűszámú nyomtatók használata természetszerűleg lassúbb nyomtatást eredményez a nyomtatási kép javulása mellett. A nyomtatók sebessége 100-200- kar/s nagyságrendű, amelynek értéke NLQ, LQ minőség mellett a harmada, negyedére eshet vissza.
Tintasugaras nyomtatók A tintasugaras (ink-jet), buborék (bubble-jet) sugaras nyomtatók igen jó minőségű nyomtatási képet eredményeznek, szinte zajtalanul és alacsonyabb áron, mint a lézernyomtatók. A nyomtatási kép több tucat fúvókán keresztül kilövelt, porlasztott apró tintacsepp hatására alakul ki a papiron. A nyomtatóval jó minőségű grafikus nyomtatás is elérhető, akár szinesben is. A nyomtatás finomsága szokásos értéke 300x300 dpi; a sebesség pedig igen széles skálán, 20-200 kar/s között mozog.
Lézernyomtatók A számítógépek környezetében a legjobb minőségű nyomtatási képet a lézernyomtatók adják, amelyek ára a hasonló teljesítményű tintasugaras nyomtatók árának durván a kétszerese. A lézernyomtatók működési elve hasonlít az elektrosztatikus elvű másolók működéséhez. A nyomtatóban egy kb. 1000 V-ra feltöltött , fényérzékeny bevonattal rendelkező forgó henger van, amelyhez hozzányomják a nyomtatandó papírt. A forgó henger felületét a felbontási finomságnak megfelelő sűrűséggel, az alkotója mentén végigpásztázza egy lézersugár, amit a nyomtatandó kép jelével modulálnak. Ahol fénysugár éri a hengert, ott a fénysugár erősségének megfelelő mértékben a henger felülete elveszti a töltését. A forgó henger felülete elhalad a finom festékport tartalmazó kazetta előtt, amelyből a töltéssel arányos mennyiségben festékpor tapad a henger felületére, amelyet átad, rányom a hozzányomott papír felületére. A papír fűtött hengerek között halad át, amelyek a festékanyagot 'ráégetik' a papírra. A forgó henger felületét a a nyomtatás után letisztítják és így alkalmas lesz a következő lap nyomtatására. A nyomtatás előtt a teljes lap tartalmát pontokra bontva elő kell állítani, hogy a lézersugarat megfelelően vezérelni lehessen. A nyomtatási kép előállítása többféle módon történhet: •
A nyomtató saját processzorral rendelkezik, amely a számítógéptől kapott kiíratandó adatokat átalakítja a szükséges ú.n. bittérképes (bitmap) formába, azaz elkészíti a kiíratandó lap teljes képét pontokra bontva. Ennek a módszernek előnye, hogy a számítógép és a nyomtató között viszonylag alacsony (2000-8000 bit/s) adatátviteli sebességszükséges, így a soros (RS-232-es) csatlakozón keresztül átküldhetők az adatok és a nyomtatás nagy mértékben függetleníthető a számítógéptől. Ugyanakkor a nyomtató saját vezérlője gyakorlatilag egy kis számítógép, saját processzorral és memóriával. Egyegy lap bittérképes tárolása kb. 1MB memóriát igényel.
57
Hardver ismeretek
•
A nyomtatási képet a számítógépben állítják össze és az elkészült képet továbbítják a nyomtatóhoz. Ennál a megoldásnál ugyan olcsóbbá válik a nyomtató, de ugyanakkor leköti a számítógépet a kép előállításával, másrészt a szükséges adatátviteli sebesség lényegesen magasabb (1-2.5MB/s), mint az előző változatnál.
•
A korszerűnek tekinthető megoldás a nyomtatási képet egy közvetítő nyelv, a PostScript segítségével írja le és ezt az előírást továbbítja a nyomtató felé, amely ennek értelmezésére képes és ennek alapján kialakítja a véges nyomtatási képet.
A lézernyomtatók teljesítménye változó, mikroszámítógép mellett használt nyomtatók 3-8 lap/perc sebességgel működnek. A számítógép és a nyomtató közötti kapcsolat létrehozása leggyakrabban a párhuzamos csatlakozón (porton) keresztül történik. A párhuzamos csatlakozónál használt illesztőfelület, a CENTRONICS szabvány. Ez a csatlakozás egy-, vagy kétirányú lehet; az utobbi esetben ezen keresztül megvalósítható a számítógép-számítógép kapcsolat is.
58
Hardver ismeretek
Hangkártya A PC-k gyárilag igen gyenge hangkeltő eszközzel vannak ellátva. Természetesnek tűnik, hogy a számítástechnika a zene világában is szerepet kapjon, így a piacot napjainkban rengeteg ilyen kiegészítő tölti meg. A hangkártyák manapság a multimédiában is jelentős szerepet kapnak. A hangkártyák elsődleges feladata a hangképzés. A hangelőállításnak több formáját is alkalmazzák a mai hangkártyák, először tehát nézzük ezeket: •
Frequency Modulation – Ezen eljárájok során az FM szintézer egy szinuszhullámot modulál egy másik segítségével. A fázismodulátor – mely ezt a modulációt végzi – mellette található egy burkológörbe-generátor is, mely az adott hang ADSR jellemzőit határozza meg. A két elem együttesét nevezzük operátornak vagy hanggenerátornak. Az FM hangképzés során tehát hangmagassággal, hangszínnel és hangerővel képzett, szintetizált hangot kapunk, mely jelentősen eltér a természetes hangoktól.
•
Wave Playback – A hangkártyák egy külön áramköre foglalkozik a digitalizált minták lejátszásával. Az analóg-digitális átalakítóval elkészített és lemezre kimentett hangállományokat egy digitális-analóg átalakító segítségével játszák vissza a kártyák.
•
Wave Effects Synthesis – Itt a fentiekhez hasonló módon elkészített digitális mintákat szintén moduláció segítségévelkülönböző hangmagasságokban játszák vissza a kártyák. Ebben az esetben tehát természetes hangzású hangok fogják alkotni a zenei hangszereket.
Adlib Az Adlib hangkártya mindössze egy YM-3812 jelzésű, FM szintézer áramkört tartalmaz. Ez a szintézis 9 csatornán keresztül 9 hang, vagy 6 hang és 5 ritmushang (ütőshangszerek) megszólaltatására képes. Ezek előállítva, majd összekeverve küldi ki 4 W-os teljesítménnyel az analóg kimenetre. A hangkártya a 388h illetve 389h címeken kersztül programozható.
Sound Blaster A Creative Labs cég napjainkban már szinte szabvánnyá vált hangkártyatípusa a Sound Blaster. Az Adlib hangkártyákkal ellentétben az FM szintézis itt 11 csatornán történik, de igen hasonló módon. Az újítás viszont a digitális hangrögzítés és hangvisszajátszás. Erre a kártya egy 8 bites AD és egy 8 bites DA átalakítót valamint egy digitális jelfeldolgozó processzort (Digital Signal Processor) használ. •
A digitális hangállományokat 4 KHz és 23 KHz közötti mintavételezéssel képes lejátszani.
•
A mikrofonbemenetről érkező hangok digitalizálását 4 KHz és 11 KHz közötti mintavételezéssel lehet rögzíteni.
59
Hardver ismeretek
Hangtömörítésre is lehetőség van, ADPCM módszerrel, 1:1, 2:1, 3:1 és 4:1 faktorokkal. Az adatok átvitele közvetlenül programozottan, vagy DMA átvitellel történhet. A be- és kimeneteken kívül a hangkártya egy egybeépített MIDI (Musical Instrument Digital Interface) és botkormány csatlakozót is tartalmaz. A hangkártya szoftveres kezelése báziscímet, megszakítást és DMA csatornát igényel.
Sound Blaster Pro A Pro változat az eredetihez képest a következő változtatásokkal rendelkezett. •
Az FM hangszerek megvalósítását egy új, OPL3 jelzésű 20 operátoros egység végzi.
•
Kétcsatornás AD és DA átalakítók vannak jelen, melyek mono digitalizálás esetén 44,1 KHz-es, sztereóban pedig 22,05 KHz-es mintavételezést is lehetővé tesznek.
•
A hangkártya beépített keverővel és külső hangerőszabályzóval rendelkezik.
•
A legtöbb változat tartalmaz egy Panasonic felületű CD-ROM csatlakozót is.
Sound Blaster 16 A Pro után a SB16 ismét többirányú változást jelentett: •
A 16 bites AD és DA átalakítók segítségével a hangkártya CD minőségű felvételt és visszajátszást tesz lehetővé. A jelfeldolgozó processzor is képes 16 bites adatok kezelésére.
•
A 16 bites adatok kezelése végett a közvetlen memóriahozzáférés gyorsítósága a 16 bites DMA csatornák kezelése is lehetővé vált.
•
Ezen felül az SB16 egy kétutas hangszínszabályzóval (magas és mély) és három fokozatú hangerőszabályzóval rendelkezik.
•
A MIDI csatlakozó már támogatja az MPU-401 UART módú csatlakozót is. Ennek címét is szükséges beállítani a hangkártyán.
•
A Panasonic CD-ROM illesztő mellett helyet kapott egy Sony és egy MITSUMI illesztő is, valamint a Sound Blaster 16 SCSI2 verziója egy SCSI CD-ROM vezérlővel egészült ki.
60
Hardver ismeretek
Sound Blaster AWE 32 A Sound Blaster AWE 32 (Advanced Wave Effect) igazából egy Sound Blaster 16, melyet egy igen jó tulajdonságokkal rendelkező elektronikus szintetizátor-chippel láttak el. Ez a chip – az EMU 8000 - paraméterei és teljesítménye alapján egyaránt, megfelel a valódi, billentyűs szintetizátorokba épített chippeknek. Az EMU 8000-es rendszer 32 egymástól teljesen függetlenül használható szintetizátor csatornával rendelkezik, melyet a hullámtáblában foglalt hangmintákat képesek lejátszani. A hullámtábla két komponensú: •
Az EMU 8000 egy 1 Mbájtos ROM memóriában a 127 MIDI hangszer mintáit tartalmazza digitalizálva.
•
Az AWE 32 kártyán elhelyezett memóriabővítő helyekre tett – maximálisan 28 Mbájt – memóriába betölthető hangmintákat is kezelni tudja az EMU 8000, mint hangszert.
A beállítás paramétereket az SB 16-hoz teljesen hasonlóak, itt tehát csak az EMU 8000 által használt báziscím különböző.
Gravis Ultrasound Bár a felhasználók igen nagy része a Sound Blasterek valamely verziójával rendelkezik, egy szintén elterjedt hangkártya a Gravis cég Gravis Ultrasound (GUS) kártya is. Működésben eléggé eltérnek a Creative Labs termékeitől. •
A hanglejátszást nem a processzor végzi, hanem a kártyán elhelyezett vezérlő chip.
•
Verziótól függően 1-4 Mbájt RAM-mal bővíthetők, melyekbe minden használatkor az operációs rendszer tölti be a megfelelő hangszer mintákat a merevlemezről.
•
32 egyenkén programozható csatornán keresztül a zene lejátszása az AWE-hoz hasonlatos.
61
Hardver ismeretek
Hálózati kártya A hálózati csatolóval a helyi számítógép-hálózathoz (LAN-hoz - Local Area Network) kapcsolható a számítógép. Az Ethernet illesztőegységek egyedi címmel rendelkeznek, melyet a XEROX cég oszt ki a különböző gyártók között. Manapság a hálózati kártyákat kétféle csatlakozóval gyártják. Léteznek olyan kártyák melyek csak BNC dugósak, és vannak UTP (telefonvezetékes) csatlakozóval ellátottak. De általában a csatolón megtalálható mind a kettő hálózati felületre alkalmas csatlakozók. A kártyák többségén található két lámpa (ledek), melyek mutatják a küldött (TX) és a fogadott (RX) adatok intenzitását. A BNC csatlakozóval ellátott hálózati kártyák sebessége max. 10 Mbit/s, a UTP csatlakozósaknak két fajtájuk van. 10 Mbit/s és 100 Mbit/s sebességűek. A kártyát a számítógép alaplapjának egyik slot-jába kell dugni, attól függően, hogy ISA buszos a kártya, vagy PCI-os. PCMCIA-s hálózati kártya is létezik, amit a notebook egyik PCMCIA slotjába kell belecsúsztatni, feltéve ha van rajta. A BNC Ethernet kártyáknál, a kábelszegmensek végeit mind a vékony, mind a vastag, mind a sodrott érpáros hálózat esetén a megfelelő 50 Ohmos lezáróval kell ellátni, melyek közül az egyiket földelni kell (villámvédelem). A vékony és a vastag kábelek a mefelelő méretű BNC csatlakozókkal illeszkednek a különböző hálózati elemekhez. A vékony Ethernetnél a munkaállomások BNC T-dugón kersztül kapcsolódnak a szegmensekhez. Sodrott érpár használata esetén RJ-45 típusú, üvegszálas átvívő közegnél pedig SMA csatlakozót kell alkalmazni.
Repeater Jelismétlő, amely két vagy több kábelszegmens összeköttetésére szolgál. Sokféle változatát gyártják. Legelterjedtebb az úgynevezett MULTIPORT REPEATER, melyet akár az általunk kívánt kiépítésben is megvásárolhatunk egy vagy több vastag, vékony, sodrott érpáros, illetve optikai kábeles csatlakozási lehetőséggel.
Passzív HUB Jelerősítő nélküli hálózati elosztó elem, amely négy darab BNC csatlakozóval van ellátva. A hálózat telepítésekor ügyelnünk kell arra, hogy a passzív HUB-ok fel nem használt csatlakozóit (Port), 93 Ohm-os lezáróval (Terminátor) kell lezárni.
Aktív HUB Jelerősítővel ellátott hálozati elosztó elem. Megkülönböztethetünk belső – a munkaállomásba építhető – illetve, külső – saját tápegységgel ellátott – típusokat.
62
Hardver ismeretek
A portok száma szerint: • • •
4 port-os belső és külső, 8 port-os külső, 20 port-os külső,
aktív HUB 93 Ohm-os koaxiális, vagy sodrott érpáros (Twisted Pair) illesztéssel kapható. Az úgynevezett vegyes HUB-ok a különböző adatátviteli közegek csatlakozására alkalmasak. Ezek a berendezések a felhasználó igényei szerinti kiépítésben tartalmazhatnak koaxiális, sodrott érpáros, illetve optikai port-okat.
Hálózati topológiák A fogalom a hálózat alkotórészeinek összekapcsolási módjait, fizikai elrendezését jelenti. Mintha felülnézetbôl látnánk a rendszert, épületek, falak nélkül. Sín, csillag, fa, és gyűrű topológiák alakultak ki. Sín Minden gép egy közös kábelre (sínre) csatlakozik. Az információ végigfut a vezeték teljes hosszán, az egyenrangú állomások cím szerint kapják az adatokat. Kevesebb kábelt igényel, emiatt olcsóbb, de a kábel hibákat, szakadást nehezebb kijavítani, és kábelhiba esetén az egész hálózat leállhat. A sín két végét a kábel hullámimpedanciájának megfelelô (többnyire 50 Ohm-os) ellenállással kell lezárni. A gépek csatlakoztatási helyeinél speciális koax Tcsatlakozókat kell elhelyezni. Csillag Minden munkaállomás közvetlen kapcsolatban áll a szerverrel, a központi erôforrások gyorsabban érhetôk el, a kábel hibák jól behatárolhatók, és csak egy állomást zárnak ki az adatforgalomból. Ez a topológia igényli a legtöbb kábelt, emiatt drága. A szerver túlterhelôdhet, mert minden adatforgalom rajta megy keresztül. Fa A szerverbôl kiinduló "törzs" a csomóponti elosztókon (HUB) több-kevesebb ágra oszlik. A HUB lehet passzív elosztó, vagy erôsítô is. Utóbbival nagyobb távolságok hidalhatók át. Viszonylag kevesebb kábelt igényel a csillaghoz képest. A HUB hibája esetén részhálózatok eshetnek ki a forgalomból. A hibák könnyen behatárolhatók. Gyűrű Az elrendezés körkörös, az adatok géprôl-gépre vándorolnak, emiatt ennél a topológiánál a leglassúbb az adatforgalom. Viszonylag kevés kábel kell, de kábel hiba és munkaállomás kiesése esetén az egész hálózat leáll.
63
Hardver ismeretek
Modem A modulátor/demodulátor rövidítéséből alkotott neve annak az elektronikus készüléknek, amely lehetővé teszi, hogy analóg csatornákon keresztül digitális információkat továbbíthassunk. A számítógép a modemen keresztül közvetlenül kapcsolódhat az analóg (pl. telefonvonal) vagy digitális (pl. ISDN-vonal) csatornákhoz, távközlési hálózatokhoz, és ez lehetővé teszi más számítógépes rendszerekhez való kapcsolódását, és adatok cseréjét. Ehhez az szükséges, hogy a számítógép digitális jeleit hanginformációvá alakítsuk, elküldjük a másik gépnek, amely a hangot újra digitális információvá alakítja. Ennek eszköze a modem (mindkét oldalon). A telefonvonalak nagy zajszintje miatt más adatátviteli vonalak is kiépültek. Ezek közül egyik az ún. X-25 nyilvános csomagkapcsolt hálózat. Külsőre ugyanolyan, mint egy telefonkábel (két eres), de már célzottan számítástechnikai adathálózatként működik. Ezen kívül az adatátviteli mód lehet rádióhullám, üvegszál, mikrohullám, infra és lézersugár, stb. is. Minden egyes átviteli módhoz különféle modem szükséges. A modemek sebességét Baudban (bit/secundumban) adják meg. Ez a másodpercenként küldött (fogadott) információmennyiséget jelenti bitekben. A modemeket általában internetezésre és faxolásra használják. A mai modemek többsége 56600 bps (56,6 kbps) sebességű, de léteznek a csillagpontos hálózatra alkalmas kábelmodemek is. Megjelenési formája szerint lehet belső és külső is. A belső modemet az alaplap egyik slotjába helyezik el, attól föggően, hogy ISA buszos vagy PCI-os. A külső modemmek a drágábbak. A külső modem a gépen kívül helyezkedik el, s a soros vagy USB port-on keresztül kapcsolódik a számítógéphez.
64
