Modulútmutató Számítógép hardverismeret modul 1. Bevezetés A modul alapvető célja, hogy a hallgatót megismertesse az IBM PC-k hardverelemeivel, részegységeivel és megteremtse az elméleti alapot a számítógépekkel kapcsolatos, gyakorlatban előforduló kérdések megválaszolásához. A modultankönyv a számítógép részegységeinek mindegyikét egy-egy különálló fejezetben tárgyalja, bemutatja fejlődésüket és a lehetőségekhez mérten a mai, kereskedelemben kapható legfejlettebb eszközöket. 2. Kezdeti követelmények, előfeltételek A modul minden témaköre úgy épül fel, hogy egészen az alapoktól indul és innen jut el a mélyebb ismeretekig. Konkrét előfeltétel ezért nincsen, viszont egy általános műszaki jártasság szükséges a megértéshez. Mindenekelőtt ajánlott az informatika, elektrotechnika, analóg és digitális technika és a méréstechnika tantárgyakban tanultak ismerete. 3. Tanulmányi megterhelés A modul 90 óra ráfordítást igénylő nyitott modul, ezért ez a 90 óra önálló tanulást és tanulmányozást jelent. Ez elsősorban a HTML formátumban, a hálózaton megtalálható modultankönyvből lehetséges. 4. Szükséges segédeszközök Kötelező irodalom: Számítógép hardverismeret című modultankönyv. 5. A modul részletes tartalma 1.
2.
3.
4.
5.
6. 7.
A számítógépházak fajtái és tulajdonságaik – Számítógépházak részei – Számítógépházak fajtái Az alaplap – Az alaplap felépítése – Chipkészletek A processzor – Processzorok felépítése – Processzor üzemmódok – Teljesítménynövelő felépítésbeli eljárások – Processzor típusok Az írható-olvasható memória – A memória fajtái – Szempontok memória választásához Merevlemezes tároló – Lemezkezelés – Merevlemezes csatolók Hajlékonylemez meghajtó – A hajlékonylemezes meghajtó csatolója CD-ROM – A Compact Disc története – A CD technika alapjai – A lemez felépítése – CD írása – Szabványok – CD lemezek nagyüzemi gyártása – A tárolókapacitás növelése – CD-ROM-ok vezérlői
1
8.
9.
10.
11.
12.
13.
– Néhány CD fajta – A DVD A multi IO kártya – Merevlemez vezérlő – Floppy meghajtó – Soros vonali illesztő – Párhuzamos illesztő fokozat – Botkormány illesztő A hangkártya – Az analóg-digitális átalakítás – A digitális-analóg átalakítás – A hangkártyák felépítése – Ismert hangkártya típusok – Hardveres beállítások A modem – Amplitúdó moduláció – Frekvencia moduláció – Fázis moduláció – A modemek felépítése – Hibajavító protokollok A grafikus kártya – A grafikus kártyák fejlődése – A grafikus kártyákon használt RAM típusok – A gyorsítókártyák Megjelenítő eszközök – CRT monitorok – LCD monitorok, LCD panelek – Projektorok Adatbeviteli eszközök – A billentyűzet – Az egér – Trackball – Digitalizáló táblák – Az eszközök számítógéphez csatlakoztatása
6. Tanulási sorrend, tanulási feladatok Hét 1. hét 2. hét 3. hét 4. hét 5. hét 6. hét 7. hét 8. hét 9. hét 10. hét 11. hét 12. hét 13. hét 14. hét 15. hét
Téma 1. A számítógépházak fajtái és tulajdonságaik 2. Az alaplap 3. A processzor 3. A processzor 4. Az írható-olvasható memória 5. Merevlemezes tároló 6. Hajlékonylemez meghajtó 7. CD-ROM 7. CD-ROM 8. A multi IO kártya 9. A hangkártya 10. A modem 11. A grafikus kártya 11. A grafikus kártya 12. Megjelenítő eszközök 13. Adatbeviteli eszközök Számonkérés
2
7. Asszisztálás, irányítás Az elméleti anyag a modultankönyvben található, hetekre való bontását az előző fejezet tárgyalta. A felkészülést segíti az egyes témakörök végén található fogalom- és kérdésgyűjtemény. 8. Számonkérés A modulperiódus utolsó, 15. hetében a modultankönyv anyagából egy 60 perces tesztet kell írni, melynek kérdései elsősorban a már említett, témakörök végén található kérdésekből várható.
3
I. rész Számítógépház – alaplap – processzor – memória Készítette: Kovács Gábor TI-41 Tartalomjegyzék 1. A számítógépházak fajtái és tulajdonságai 1.1. A számítógépházak részei 1.2. Házak fajtái 2. Az alaplap 2.1. Az alaplap felépítése 2.2. Chipkészletek 3. A processzor 3.1. Processzorok felépítése 3.2. Processzor üzemmódok 3.3. Teljesítménynövelő felépítésbeli tulajdonságok 3.4. Processzortípusok 3.4.1. Első generációs processzorok 3.4.2. Második generációs processzorok 3.4.3. Harmadik generációs processzorok 3.4.4. Negyedik generációs processzorok 3.4.5. Ötödik generációs processzorok 3.4.6. Hatodik generációs processzorok 4. Az írható-olvasható memória 4.1. A memória fajtái 4.2. Szempontok memória választásához
4
29 29 33 37 37 53 61 61 70 72 74 75 75 76 77 80 83 93 93 100
1. A számítógépházak fajtái és tulajdonságai A számítógép részegységei mind-mind valamilyen dobozban foglalnak helyet. Vannak azonban olyan perifériák, melyek a fő alkatrészekkel egy közös házban helyezkednek el. Ezt a dobozt nevezzük számítógépháznak. A számítógépház az, ami a monitor mellett a legnagyobb térfogatú, fémből készült, műanyag előlappal ellátott doboz. A háznak többféle típusa létezik, ezek méretben és a beépíthető perifériák számában térnek el. Vannak azonban olyan részek, melyek minden házban egyformán megtalálhatóak. Először nézzük meg ezek szerepét és működését. 1.1. A számítógépházak részei Tápegység A számítógép áramkörei kis feszültséggel működnek, az energiát pedig a 230 V-os hálózatról kapják. Az áramkörök azonban tönkremennének ettől a nagy feszültségtől. Ezért szükség van egy olyan egységre, mely a 230 V-os feszültségből előállítja a szükséges kisfeszültséget. Ez a hálózati tápegység feladata. A hálózati feszültség a terheltségtől függően változik akár 10-15%-ot is. Ezt az elektronikus áramkörök nem vagy csak nehezen viselik el. Az optimális megoldás, ha mindig azonos feszültségről üzemelnek. A stabilizált tápegységek képesek a kimeneti feszültséget - a terheléstől függetlenül - azonos értéken tartani. Alapvető követelmények a tápegységekkel szemben: - A rendelkezésre álló tápforrás feszültségének átalakítása a készülék üzemeltetéséhez szükséges egyenfeszültséggé - Az előállított feszültség stabilizálása (nem minden esetben követelmény) - Rövid időtartamú bemeneti feszültség kimaradás esetén a kimeneti feszültség szünetmentes biztosítása - A táplált áramkör védelme a bemenetről származó tranziensektől vagy a tápegység meghibásodásától - A tápegység kimenetének a bemenettől való galvanikus leválasztása A tápegységeknek a csoportosítása többféle szempont alapján törtéhet. Számunkra most az üzemmód szerinti csoportosítás az érdekes. Ez alapján háromféle típust különböztetünk meg: a lineáris-, kapcsolóüzemű és előszabályzott tápegységeket. A harmadik típust ritkán, csak speciális területeken használják, ezért most itt nem foglalkozunk vele. Lineáris tápegységet használnak kisebb elektronikus eszközökben, a számítógépekben kapcsolóüzemű tápegységet találhatunk. Mivel a két típus nagyon elterjedt, összehasonlításként nézzük meg mindkét típus működési elvét. Áteresztő tranzisztoros tápegységek: A hálózati feszültséget egy transzformátorral kisebb vagy nagyobb feszültséggé alakítjuk. Mivel ez váltakozó feszültség egyenirányítani kell. Az egyenirányító kimenetén megjelenik egy lüktető egyenfeszültség, mivel az egyenirányító nem képes tökéletes egyenirányításra. A lüktetést a szűrő áramkör vágja le, így ennek kimenetén már ez egyenirányított, zajmentes feszültséget kapjuk meg. Ahhoz, hogy ebből stabil egyenfeszültség legyen, egy egyenfeszültség szabályozó áramkört kell beépítenünk. Ez a kívánt feszültséget szolgáltatja a kimenetén, melyre közvetlenül a fogyasztó kapcsolódik. A feszültségszabályozó kialakítása kétféle lehet, soros- illetve párhuzamos kapcsolású. A soros feszültségszabályozó a lineáris tápegységek területén a legelterjedtebb. Ezért részletesebben csak ezzel foglalkozunk, a leírtak egy része azonban a párhuzamosra is érvényes. A D1 és D2 dióda végzi el a kétutas egyenirányítást, míg a C kondenzátor az egyenfeszültség szűréséért felelős. Az A és B ponton keresztül érhető el a szűrt, stabilizálatlan egyenfeszültség. Az áteresztő elemet (R1) az A és B kimeneti kapcsok közé kötjük. R1 tulajdonképpen egy változtatható ellenállás. A rajta bekövetkező feszültségesés a kimeneti feszültséget a kívánt értékűre csökkenti. A gyakorlatban változtatható ellenállásként rendszerint tranzisztort használnak fel. Ennek ellenállását a vezérlőlábon keresztül befolyt áram nagyságával lehet szabályozni. Az Ohm-törvény alapján a szabályozó elemen eső feszültség az ellenállás nagyságától és az átfolyó áram erősségétől függ. A tápegység teljesítményfelvétele tehát a terheléssel arányosan változik. Nagy hátránya ennek a tápegység
5
típusnak, hogy a rajta eső feszültség hőt termel, ami a mi esetünkben veszteségként jelentkezik. Ez a veszteség annál nagyobb, minél nagyobb a kimeneti és a bemeneti feszültség közötti különbség és a kimeneti áram. A kimeneten és a bemeneten felvett teljesítmény hányadosa adja meg a tápegység hatásfokát. A gyakorlatban ennek százszorosát szoktuk megadni, így százalékértéket kapunk. Ez a típus maximum 60% körüli hatásfokra képes. Kapcsolóüzemű tápegységek: Működése alapjaiban eltér a lineáris tápegységtől. Itt nincs transzformátor, legalábbis a hálózati oldalon. Egyenirányítás és szűrés után a feszültség a DC-DC konverterre kerül. Ez a bemenetére kapcsolt feszültségből valamilyen más, kisebb vagy nagyobb feszültséget állit elő. Funkcionálisan négy részből áll. A kapcsolóval az egyenfeszültségből néhány tíz kHz frekvenciájú négyszögjelet képzünk. Ezt egy nagyfrekvenciás transzformátorra vezetjük, mely a galvanikus elválasztást valósítja meg. Az átalakított kimeneti feszültséget újra egyenirányítjuk és egy szűrőn átvezetve kapjuk a tápegység kimenetén a stabilizált egyenfeszültséget. Felmerülhet a kérdés: mitől lesz a kimenti feszültség stabilizált? Erre szolgál a kapcsolóelemen kívül a szabályozó és a meghajtó áramkör. A szabályozó egység a kapcsoló megfelelő periódusidejű kapcsolgatásáért felelős. A bemenetére a kimeneti feszültség kapcsolódik, s kimeneti jele pedig a kapcsolójel. Ha a kimeneti feszültség csökken, akkor a kapcsolót gyakrabban kell kapcsolgatni, aha viszont a kimeneti feszültség növekszik, akkor pedig ritkábban. Tehát a kimeneti feszültség a kapcsoló be- és kikapcsolásának idejétől függ. Ezt a módszert nevezzük impulzusszélesség modulációnak. A meghajtó áramkör a visszacsatoló áramkörben is biztosítja a galvanikus elválasztást. A PC-k tápegységei: A számítógépekben lévő áramkörök négyféle feszültséget igényelhetnek, legalábbis ennyire van lehetőség Az áramfelvétel esetén a minimális érték azt jelenti, hogy addig nem indul el a tápegység, amíg az előirt terhelés nincs biztosítva. Mivel a stabilizálás visszacsatolás útján történik, a megjelelő feszültségértékek rendelkezésre állásához bizonyos idő szükséges. Ezt nevezzük beállási időnek. Mivel ezt a jellemzőt sok tényező befolyásolhatja, a rendelkezésre állás tényét a tápegység közli a számítógép alaplapjával. Ez a Power-Good (táp megfelelő) jel. Ez a jel a kimeneti egyen- és a bemeneti váltakozófeszültséget érzékelő jelnek a logikai és kapcsolatából jön létre. Hibás működés esetén alacsony logikai szintű, míg hibátlan működés esetén magas logikai szintet ad. Ha valamilyen oknál fogva megszűnik a bemeneti váltakozó feszültség, akkor az érzékelő a kimeneti feszültség csökkenése előtt minimum 1 ms-mal alacsony szintre állítja a PowerGood jelet. Az egyenfeszültség érzékelő a bekapcsoláskor alacsony szintre állítja, majd az összes kimenet megfelelő éréke után minimum 100, de maximum 500 ms ideig még ott is tartja. Ha bármelyik kimenet túlterhelődik, a tápegység 20 ms-on belül kikapcsol, ezzel védve meg az áramköreit a károsodástól. Ezzel a megoldással a tápegység a rövidzárral szemben is védett. Lehetőség van olyan kialakításra, hogy a monitor a tápegységen keresztül kapja a hálózati feszültséget. Ekkor a POWER gombbal egyszerre lehet a monitort és a számítógépet bekapcsolni. A csatlakoztatásra a tápegység dobozának a hátulján van lehetőség. A tápegység fizikailag külön dobozban található meg a házon belül. A megfelelő szellőzés biztosítása érdekében egy +12V-ról működő ventilátor szívja ki a meleg levegőt a dobozból. Ez a +12V-os kivezetés nincs összekapcsolva a perifériák számára előállított +12Vtal. Nyomógombok, kapcsolók és kijelzők Ezek szolgálnak a számítógép működésébe való beavatkozására. Összesen két kapcsolót és egy nyomógombot találunk a számítógépház előlapján. - RESET: A kapcsoló megnyomásával a számítógép hardveres újraindítását lehet elérni. Funkciója megegyezik a ki-, majd bekapcsolással. - TURBO: A Pentium előtti számítógépek esetében volt jelentősége. Segítségével kétféle működési sebesség közül lehetett választani. Mai új házakon már előfordulhat, hogy nem is találunk ilyen kapcsolót. A másik lehetőség, hogy már nem TURBO, hanem SLEEP feliratot találunk a kapcsoló megjelöléseként. Ekkor a számítógép alacsony üzemmódba helyezését tudjuk kiváltani a nyomógombbal.
6
POWER: Hálózati kapcsoló, a 230V-ot kapcsolja a tápegységre és a monitorra, ha az a tápegységen keresztül kapja a tápfeszültséget. - KEYLOCK: Ez egy kulccsal működtethető kapcsoló, elfordításával le lehet tiltani a billentyűzetet. A POWER kapcsoló vezetékén kívül mindegyik kapcsoló a nyomógomb csatlakozóját az alaplap megfelelő helyére tudjuk ráilleszteni. Ezek helyei az alaplap leírásában egyértelműen benne vannak. Előfordulhat, hogy nem áll rendelkezésre ilyen leírás. Ha szerencsénk van, akkor az alaplapon megtalálható a csatlakozók elnevezése, melyből a csatlakoztatás egyértelmű. -
Visszajelzők Általában 3 LED teszi vizuálissá a számítógép műveleteinek egy kis részét. - POWER: A bekapcsolt állapotot jelző, általában zöld színű LED. - TURBO: A kapcsoló benyomott állapotát jelzi. - HDD: Piros színű LED, mely akkor bocsát ki fényt, ha merevlemez művelet van. Mindhárom LED vezetéke az alaplapra csatlakozik, melynek helyét az alaplap leírásából tudhatjuk meg. Ha nincs leírás, akkor nézzük meg az alaplapot, mert az esetek többségében rá vannak szitázva a feliratok. Előfordulhat még extra (és haszontalan) felszerelésként a számítógép sebességét mutató kijelző beépítése is. Ez hivatalosan a számítógép sebességét mutatja, azonban az esetek 99,99%-ában mi állítjuk be a mutatni kívánt értéket, tehát semmi valóságalapja nincs. Viszont jól mutat. A beállítás jumperek tömegével történik. A beállítás menete minden esetben egy kis méretű papírlapon található, amit a házhoz csomagolnak. A kijelzőt a TURBO gomb vezérli, így mutatja a lassabb és a gyorsabb sebességet is. Pentium gépek esetében ennek már nincs jelentősége. Hangszóró Általában minden számítógépházban találunk ilyent, alapvető feladata a monitorvezérlő esetén az akusztikus visszajelzés. E nélkül nem lehetne a hibát detektálni. Ma már más jelentősége nincs, mert gyakorlatilag minden PC-ben van hangkártya és hozzá illeszthető hangszóró. A hangszóró vezetékét az alaplap megfelelő csatlakozójára kell dugaszolással csatlakoztatni. Bővítő helyek Minden ház hátulján vannak azok a nyílások, ahol majd a bővítőkártyák hátlapjai lesznek elérhetők. Ezek számát nem lehet pontosan megadni, mert gyártónként változhat. Annak érdekében, hogy a por ne tudjon ezeken a nyílásokon keresztül a számítógépházba bejutni, ezeket gyárilag lefedik. A lefedés módja kétféle lehet. Az olcsóbb megoldás, amikor a nyílás kontúrjainál kivágják azt, de két rögzítő fület meghagynak. Ahova kártyát szeretnénk szerelni, azt nekünk kell kitörni. Ennek a megoldásnak a hátránya, hogy ha eltávolítjuk a kártyát, akkor a nyílás fedetlen lesz, minek következtében sokkal több por kerülhet a számítógépbe. A drágább, de jobb megoldás szerint a nyílásokat csavarral rögzített lemezcsíkok fedik. Az eltávolítása és visszahelyezése így nagyon egyszerű. Kaphatóak olyan házak is, melyek hátlapján kialakítottak a kivezetett portok csatlakozójának megfelelő méretű és alakú nyílásokat. Ezeket minden esetben lemezek fedik, melyeket használat esetén ki kell törni. A közös funkcionális részek ismertetése után nézzük meg az egyes típusok jellemzőit, illetve az eltéréseket közöttük. 1.2. Házak fajtái Baby ház Néhány évvel ezelőtt ez volt a legkedveltebb típus. Fekvő elrendezésű. A meghajtó bővitőhelyek számára nem lehet pontos választ adni, mert ahány ház annyi féle lehetséges. Általában igaz, hogy egy
7
3,5 és három 5,25 méretű helyet használhatunk fel a meghajtók beépítéséhez. A számítógépház alján különböző furatok teszik lehetővé az alaplap biztonságos rögzítését. A fedél rögzítése alapján alapvetően háromféle típusról beszélhetünk: 1. A fedelet csavarok tartják, melyek kicsavarása után a fedél az előlappal együtt lehúzható a fém tartóvázról. Ennek a kezelése meglehetősen nehézkes, a szétszerelés nagyon körülményes és sok helyet igénylő folyamat. 2. Ebben az esetben is csavarok rögzítik a fedelet, ez azonban nincs összeépítve az előlappal, így a fedél felfelé egyszerűen leemelhető a házról. A fedelet kissé hátrahúzzuk, majd alul megfogjuk és felfelé levesszük a keretről. 3. Ez a legmobilabb típus. Itt a fedél hátsó részét csavarok, míg az első részt két retesz rögzíti. A reteszeket benyomva a ház fedele felnyitható. Aki gyakran módosít a gép hardverén, annak optimális lehet ez a típus. Akkor érdemes baby házat választanunk, ha elegendően nagy hely áll a rendelkezésünkre az asztalon a ház elhelyezésére. Előnye viszont, hogy a monitor a számítógépház tetejére helyezhető, így az nem foglal el külön helyet az asztalunkon.
Mini torony Az előlapon a már említett funkcionális elemek találhatók. Általában két 5,25 és 3,5 meghajtót építhetünk be, de természetesen ez gyártótól függ. Az alaplap szerelése másképp történik, mint a baby ház esetében. Az alaplap függőlegesen helyezkedik el és egy fémlemezre van szerelve. Ezt a lemezt csavarok rögzítik a ház keretjéhez. Szerelés esetén csak egyszerűen ki kell csavarni ezeket és a lemez kibuktatható az alját tartó nyílásokból. A kártyák, így a nekik kiképzett nyílások is vízszintesen helyezkednek el. A fedél csavarokkal van rögzítve a kerethez, ezek száma 4, 5 vagy 6 lehet. Eltávolítás után a fedelet kissé hátrahúzzuk, majd hátuljának az alját megfogva leemeljük a keretről. Ez a típus nagyon elterjedt, mert kedvezőek a méreteik, az asztal mellett a földön kényelmesen elfér. Nagyon nehéz azonban a szerelése a nagy zsúfoltság miatt.
Miditorony Másik nagyon elterjedt típus. Hasonló, mint a mini torony, azonban a bővítő helyek számát megnövelték és a doboz méretei nagyobbak. Általában három 5,25-os és két darab 3,5 meghajtó szerelhető bele. A ház szerelhetősége sokkal jobb, mint a mini toronyé.
Torony vagy nagytorony Ez a toronyházak közül a legnagyobb méretű. Ezt is többféle méretben gyártják, általában a nagyteljesítményű szervekhez használják fel. Minimum öt 5,25-os négy darab 3,5 meghajtó építhető be. Egyes tornyoknál a meghajtók egy kulccsal rögzíthető fedéllel letakarhatók. Ez az illetéktelen beavatkozások ellen véd. Slim ház Ez is egy fekvőház, azonban a magassága pontosan akkora, hogy egy 3,5 floppy meghajtó függőlegesen elfér benne. Az alaplap vízszintesen fekszik benne, de a bővítőkártyák nem férnek el függőlegesen. A megoldás egy olyan bővítőkártya használata, melyen két kártyacsatlakozó hely van és az alaplap csatlakozójába dugható. Így a bővítőkártyák is vízszintesen helyezkednek el. Mivel nagyon kisméretű a ház, nem nagyon bővíthető, ezért nem terjedt el és egyre inkább háttérbe szorul. ATX ház A mai legkorszerűbb házak, ennek megfelelően az áruk meglehetősen magas. Kialakításkor megalkottak egy szabványt, melyet ATX szabványként ismerünk. Ez kimondja, hogy minden csatlakozó
8
az alaplapra kerüljön előre rögzített helyre. Az alaplapoknak más tápcsatlakozójuk van, melyen keresztül kihasználhatják az ATX ház intelligens tápjának tulajdonságait. A legfontosabb, hogy az előlapon lévő POWER kapcsoló nem a tápot kapcsolja le, hanem csak takarék üzemmódba helyezi. Ekkor úgy tűnik, mintha a ki lenne kapcsolva a gép. Valamilyen esemény (pl.: gombnyomás, POWER gomb megnyomása, modem adásvétel, stb.) bekövetkezése esetén a számítógép automatikusan bekapcsolható, majd a megfelelő tevékenységek után szintén automatikusan elvégezhető a kikapcsolás is. Ezeknek a házaknak a tápegységei is kikapcsolhatjuk, sőt ki is kell, ha valamilyen szerelést végzünk, mivel csak így fezsültség mentesíthetjük az áramköröket. A ház hátulján található meg az erre szolgáló kapcsoló. Az ATX házak is kaphatóak, mint a hagyományos házaké. A méreteik azonban nagyobbak. A nagyobb szélesség lehetővé teszi a Pentium II processzor beépítését, mert ez igen nagy fizikai méretekkel rendelkezik. Fogalmak, jelenségek Új típusú fejlesztés, melyre a nagyfokú szabványosítás jellemző. Még drága. Baby ház Asztali, fekvő kivitelű ház. Ma már egyre ritkábban kapható a kereskedelemben. Nagy előnye a viszonylag tágas belső kivitel és a könnyű szerelhetősége Kapcsolóüzemű tápegység A feszültség átalakítását egy kapcsoló megfelelően ütemezett kapcsolásával állítja be. LED Light Emmitted Diode, fényemittáló dióda. Félvezető eszköz, mely feszültség hatására fényt bocsát ki. Általában zöld, piros és sárga színűvel találkozhatunk gyakran. Lineáris tápegység A be- és a kimenetek között egy áteresztő elem található, melynek az ellenállása határozza meg a kimeneti feszültséget. Hátránya, hogy nagy be- kimeneti feszültség különbség esetén nagy hőmennyiséget kell leadnia. Midi torony ház Álló ház, a mini toronynál nagyobb, több meghajtó befogadására képes. Mini torony ház Álló tájolású ház, meglehetősen kompakt méretben . A mérete miatt a későbbi bővítés meglehetősen nehézkes. Nem teszi lehetővé sok meghajtó alkalmazását. Nagyon kedvelt, gyakran alkalmazott típus. Slim ház Nagyon kicsi, lapos ház. Összesen két kártyát tudunk az alaplapba behelyezni. A későbbi bővíthetőség egyszerűen lehetetlen. Azoknak előnyös, akik nem szeretnék később bővíteni a gépüket és csak kis helyük van az asztalon. Stabilizált tápegység A kimenetre kapcsolt terhelés nagyságától függetlenül a kimenetén azonos feszültséget biztosít. Tápegység Olyan áramkör, mely a bementei feszültségből kisebb vagy nagyobb feszültséget állit elő. Torony ház Kimondottan nagy szerverek számára készült, sok perifériát befogadni képes ház. ATX
Ellenőrző kérdések 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Milyen alkatrészei vannak a számítógép dobozának? Mire szolgál a tápegység? Milyen feszültségekkel találkozhatunk a PC-kben? Mi a Power Good jel és mire szolgál? Mire szolgál a tápegységben található ventilátor? Milyen nyomógombok és kijelzők találhatók a számítógép dobozán? mire szolgálnak a bővítőhelyek? Hasonlítsa össze a számítógépházak egyes típusainak főbb tulajdonságait!
9
2. Az alaplap A számítógép működéséhez elengedhetetlen áramköröket egy közös áramköri lapon alakították ki. Ez jelentős méretcsökkenést eredményezett. Mivel az áramkörük közel kerülnek egymáshoz, növelni lehet a köztük történő kommunikáció sebességét, ami a számítógép gyorsabb működéséhez vezet. Az alaplapok két alapvetően eltérő típusát különböztethetjük meg. Az egyik az XT, míg a másik az AT alaplap. Az AT alaplap felépítése megfelel a mai modern alaplapokénak, azonban ott a bekeretezett áramkörök egy közös integrált áramkörben kerülnek kialakításra. 2.1. Az alaplap felépítése
BIOS Minden PC alaplapján található egy vagy több csak olvasható memória (ROM, Read Only Memory). Ez azokat az alapvető rutinokat tartalmazza, melyekre az operációs rendszernek szüksége van. Ezeket a rutinokat nevezzük közös néven angolul Basic Input-Output Systemnek (BIOS), magyarul központi bekimeneteti rendszernek. Ha megvizsgáljuk az ábrát, láthatjuk a PC virtuális felépítését. A legalsó szint a hardver ("vas"), erre épül közvetlenül a BIOS. A BIOS tartja a kapcsolatot a hardver és az operációs rendszer között. Az operációs Felhasználói rendszerre épülnek a felhasználói programok, egy program időben akár több is. A BIOS teszi lehetővé, hogy az operációs rendszer (és ezzel együtt a felhasználói Operációs rendszer programok is) elérhesse a számítógép áramköreit, más szóval az erőforrásait. Mivel a ROM csak olvasható, mint a nevéből is ROM BIOS kiderül, ezért a tartalmát nem lehet megváltoztatni. Amennyiben új rutinokra lenne szükség, akkor az egész tokot ki kellene cserélni. Az újabb alaplapokban erre Hardver nincs szükség. A BIOS-t az alaplap gyártója készíti el az alaplapra integrált áramköröket figyelembe véve. A BIOS tehát önálló programmodulok gyűjteménye. Ha bekapcsoljuk a számítógépet, akkor működésbe lép egy öntesztelő áramkör. Ez az áramkör megvizsgálja a számítógépben jelen lévő összes tápfeszültséget. Amennyiben valami nem működik rendesen, akkor az áramkör nem engedi működni a számítógépet, ezzel próbálja megvédeni a meghibásodástól. Ha mindent rendben talál, akkor ezt az alaplapnak jelzi egy megfelelő jellel, majd engedélyezi az alaplap órajel generátorát. Ez az áramkör biztosítja a processzor és az egyéb áramkörök részére a működő órajelet. Mivel már van órajel, ezért a processzor elkezd működni. A processzorban megtalálható az a cím, ahonnan az elinduláskor be kell olvasni az első utasítást. Ezen a címen mindig egy ugróutasítás van, amely átadja a vezérlést a ROM-BIOS-nak. A BIOS az E0000h és az FFFFh címtartományban található. A kezdőcím változhat BIOS-tól függően, de az utolsó cím az FFFFh. Az indulás esetén a BIOS megvizsgál egy jelzőbitet, ami információt nyújt arról, hol kezdeti indítás (hidegindítás) volt-e vagy csak ún. melegindítás történt-e. Ettől a bittől függ a számítógép indítási folyamatának folytatása. Ha hidegindításról van szó, akkor el kell indítani egy diagnosztikai programot, ami megvizsgálja, hogy az elérhető áramkörök működő képesek-e. Ha valamilyen hibát talál, akkor a képernyőre írja a megfelelő hibaüzenetet (POST kód). Természetesen ez csak abban az esetben megfelelő módszer, ha a videovezérlő biztonságosan működik. Ha ezzel van a hiba, tehát a vizuális hibakijelzés lehetetlen, akkor a BIOS fütty kódokkal jelzi a hibát. Ez a teszt melegindítás esetében elmarad, hiszen a bekapcsoláskor már úgyis megtörtént. A hibakeresésre alkalmas programot a BIOS tartalmazza. A legelterjedtebb program az IBM POST (Power On Self Test, bekapcsolás utáni önteszt). A POST a számítógép összes fontos áramkörét leteszteli. Ha minden rendben van, akkor megjeleníti a bejelentkező információkat. Ha hiba történik, akkor a hibának megfelelő kódot és a hozzá tartozó szöveget kiírja a képernyőre.
10
Megszakítások A processzor a számítógép központi műveletvégző egysége. Ebből kifolyólag nagyon sok mindennel foglalkozik, úgy tűnhet, mintha mindezt egyszerre végezné. Ha műveletvégzés közben történik valamilyen esemény, amit a processzornak kell lekezelnie, akkor két lehetőség adódik. Az egyik, hogy megvárjuk, hogy a processzor végezzen az éppen végzett tevékenységekkel, majd ezután foglalkozik az új eseménnyel. Ez nem jó megoldás akkor, ha gyorsan kell az új folyamatot elvégeznie. Erre szolgál a második lehetőség, amit megszakításnak nevezünk. Mint a nevében is benne van, megszakítjuk a processzor működését és elvégezzük az új feladatokat, majd folytatjuk az abbahagyott műveletet. Nézzünk meg egy tipikus példát a megszakításkezelésre. Minden számítógép rendelkezik egy billentyűzettel, melynek segítségével tudunk információt bevinni a számítógépbe. Ha a processzor azt figyelné, hogy mikor nyomunk le egy billentyűt, akkor nem tudna közben semmi mást csinálni, csak várakozna. Hogy ez ne így legyen, megszakítást alkalmazunk. Ha lenyomunk egy billentyűt, akkor a processzornak elküldünk egy megszakításjelet. Ezt érzékelve a CPU felhagy az addig végzett művelettel és megvizsgálja , milyen billentyűt nyomtunk le. Ezután végrehajtja a billentyűhöz tartozó műveleteket, majd visszatér a felfüggesztett feladatához. Ez a módszer rugalmasan kezeli az új helyzeteket, a megszakítási folyamat azonban nem ilyen egyszerű. Ahhoz, hogy a processzor a felfüggesztett folyamatot folytatni tudja, visszatérési címet és a flag-eket el kell menteni valahova. Erre szolgál a verem (stack). Ez egy átmeneti tároló és valóban úgy működik, mint egy verem. Az újonnan betett adat a verem tetejére kerül és mindig a legfelső adatot tudjuk kivenni. A verem elemeire egy mutató mutat, amit veremmutatónak (stack pointer, SP) nevezünk. A veremtárat a szakirodalom LOFO tárnak is nevezi, mely az angol Last Input First Output szavak rövidítése, ami magyarul annyit tesz, hogy az utolsóként beírt adatot olvashatjuk ki elsőként. Ezután az IP (Instruction Pointer, programszámláló) regiszterbe be kell tölteni a megszakítási rutin kezdőcímét, majd a processzor ezen a címen folytatja a programvégrehajtást. Minden megszakítási rutin egy IRET utasítással fejeződik be, melynek hatására a stack-ból visszatöltjük az IP és a flag-ek értékeit. Ennek eredményeként a programvégrehajtás ott folytatódik, ahol abbamaradt. Alapvető követelmény, hogy a megszakítási rutin ne változtassa meg a processzor regisztereinek állapotát. Amennyiben ez nem megoldható, akkor a regiszter tartalmát is el kell menteni, majd a megszakítás végén visszatölteni. Mindezt a megszakítási rutinnak kell megoldania. Kétféle megszakításról beszélhetünk, az egyik a hardvermegszakítás, míg másik a szoftvermegszakítás. A hardvermegszakítások a különböző hardverelemekhez vannak hozzárendelve. A szoftvermegszakításokat a BIOS vagy az operációs rendszer váltja ki, de nem különböző hardverelemek, hanem bizonyos funkciók. Az alapötletet az adta, hogy a programoknak lehetnek olyan részei, amelyek más programrészek szolgáltatásait igénylik. Ezeket a szolgáltatásokat a hardvermegszakításokhoz hasonló módon kérheti a program. Ezeket a programrészeket tehát egy-egy megszakítás vektorszámhoz rendelik, a vektor a program kezdetére mutat. A szoftvermegszakítások működési mechanizmusa azonos a hardver megszakításokéval. Az eddig elmondottakból kitűnik, hogy a processzor sok forrástól kaphat megszakításkérést. Probléma akkor lép fel, mikor két periféria egyszerre szeretne megszakítást kérni. A versenyhelyzet kivédése érdekében minden megszakításhoz egy prioritási szint tartozik. Minél nagyobb egy megszakítás prioritása, annál előbb kerül végrehajtásra. A legnagyobb prioritása az NMI-nek (Non Maskable Interrupt, nem maszkolható megszakítás) van. A megszakítás maszkolása azt jelenti, hogy programból letiltható. Tehát az NMI nem tiltható le programon belül. A hardver- és szoftvermegszakítások mindegyike maszkolható. - Az XT-k megszakítás-kezelő egysége: Az XT gépek IT rendszere az Intel cég i8259A típusú megszakítás-vezérlőn alapszik. Az áramkör nyolc független csatornán érkező kérést tud kezelni. A kéréseket sorrendbe rakja, meghatározza melyik eszköznek van a legnagyobb prioritása (súlya), majd megszakítás kérelemmel jelentkezik a processzor felé. Az IRQ0...IR7 bemeneteken TTL logikai magas szintek jelentik a megszakítás-kérési állapotot. A legnagyobb súllyal az IRQ0 vonal, a legalacsonyabbal az IRQ7 vonal rendelkezik. - Az AT gépek megszakításkezelése: Az AT-k 16 szintű megszakítási rendszerrel rendelkeznek. Az i8259A a vezérlők számát az XT-khez képest kettőre emelték. A két kaszkádba kötött vezérlőnél a második kimenete az első IRQ2 bemenetére került. Az IT vektorokat úgy helyezték el a táblában, hogy az XT gépekkel a kompatibilitás megmaradjon. A hardver megszakítások listáját a következő táblázat tartalmazza.
11
Vektor 08h 09h 0Ah 70h 71h 72h 73h 74h 75h 76h 77h 0Bh 0Ch 0Dh 0Fh 0Fh
Szám NMI IRQ0 IRQ1 IRQ2 IRQ8 IRQ9 IRQ10 IRQ11 IRQl2 IRQl3 IRQ14 IRQ15 IRQ3 IRQ4 IRQ5 IRQ6 IRQ7
Felhasználás Alaplap RAM paritáshiba, I/O csatorna paritáshiba Rendszeróra Billentyűzet Megszakítás a CTRL2 vezérlőtől Real Time óra Szoftver úton átirányítva a 0Ah vektorhoz Fenntartva Fenntartva Fenntartva 80287 aritmetikai processzor hibakezelés Merevlemez vezérlő Fenntartva Második RS232C interfész Első RS232C interfész Másodikpárhuzamos nyomtató Floppy lemez vezérlő Első árhuzamos nyomtató interfész
A táblázatban a megszakításkérelmeket prioritási sorrendben 1áthatjuk. A legnagyobb prioritással az NMI hír, míg a legalacsonyabbal az IRQ7 bemenet. Észrevehetjük, hogy a második vezérlő IRQ bemenetei prioritásban megelőzik az első vezérlő IRQ3...IRQ7 bemeneteit. A kaszkádba kapcsolás miatt az IRQ2 bemenet nem használható. Annak érdekében, hogy ezt a hiányt kipótolják, az IRQ9-es vonalat használják az IRQ2 pótlására. Az IRQ9 kérést kezelő megszakítási rutin egyszerűen átadja a vezérlést az IRQ2-t kiszolgáló rutinnak. Ezeknél a PC-knél a megszakítások kezelése egy kissé bonyolultabb, mint az XT, ISA vagy VESA sínes rendszereknél. A PCI (Component Interconnect) rendszernél négy új megszakítást definiáltak, de az alaplapgyártó cégek ezeket nem szabványosként kezelik. Az új megszakítások alaplapi eszközökhöz, vagy a sínbe helyezhető perifériákhoz rendelhetők. A PCI rendszernél a PCI bővítősínekbe intelligens kártyákat helyezhetünk be, melyek képesek önállóan adatátvitelt kezdeményezni. Az eddig említett megszakítások a PCI kártyák által is használhatóak. Itt azonban nem IRQ rövidítéssel, hanem INT előtaggal jelölik a megszakításokat. Az alaplapoknál az 5, 9, 11, 14 és 15-ös számú megszakításokat rendelik a perifériákhoz. Minden PCI bővítőhely csak a négy új megszakítás közül választhat. A választást általában a SETUP-ban lehet megadni, a PCI bővítőhelyek számhoz rendelve egy megszakítást. Közvetlen memória-hozzáférés Ha a perifériák és a tároló közötti adatátvitelt a processzor végzi el, akkor az minimum négy részből tevődik össze. 1. A processzor kiválasztja a forrás perifériát. 2. 2. Beolvassa az adat első blokkját. 3. A processzor kiválasztja a célperifériát. 4. 4. Kiírja az adatblokkot. 5. 1-5 lépés folytatódik a többi blokk esetében. Ezzel szemben a közvetlen memória-hozzáférés egyetlen lépéből áll. Természetesen mindez egy blokkra értendő. Ha több blokkot kell mozgatni, akkor az annyi lépésből fog állni, amennyi a blokkok száma.
-
Az XT gépcsalád DMA vezérlése: Az IBM tervezői ezt a feladatot is - sok egyébhez hasonlatosan egy intelligens célprocesszorra bízták. A DMA vezérlő céljára az Intel cég i8237A nagy bonyolultságú eszközét használták fel. Tekintsük át először egy I/O eszköz és a memória közötti adatátvitelt. Ha ez programozott úton történik. a 8088 mikroprocesszor először a váróburokban figyeli az új adat megjelenését, majd beolvassa azt a I/O vonalról az AL regiszterbe, végül az AL tartalmát beírja valamely
12
-
memóriahelyre. Mindez DMA vezérlőn keresztül a következőképpen zajlik le: a 8237A egyszerűen vár és semmit sem csinál mindaddig, míg egy logikai magas értékű jel meg nem jelenik a DREQ (DMA Request, DMA kérés) vonalán. Ez a jel az új adat megjelenéséről informál. Ekkor a 8237A nyugtázó jelet küld az I/O eszköz számára a DACK (DMA Ackowledge = DMA átvitel nyugtázása) vonalon, melynek hatására az az adatot a buszra helyezi. Ezzel azonos időben a 8023A vezérlő a címvonalakra teszi az aktuális memóriarekesz címét, ahol az adatot tárolni akarja, és kiadja a MEMW jelet, amely a buszon lévő adatot beírja a memóriába. Egy bájt átvitele DMA vezérlővel 5 óraciklust igényel, míg programozott módban 29 óraciklusra van szükség. Időben kifejezve, az első esetben 1 ms, a másodikban 6 ms időt vesz igénybe az átvitel. Az AT-kben alkalmazott közvetlen memória hozzáférés: Ezeknél a gépeknél már két R237A-5 típusú vezérlő került beépítésre. Ezáltal már hét csatornán kérhetnek a perifériák közvetlen memória hozzáférést. A két vezérlő kaszkádba kapcsolt, az első HRQ (Hold Request = tárolás kérés) kimenete a második DRQ0 bemenetére csatlakozik. Mindkét vezérlő számára a busz-hozzáférést a második vezérlő HRQ vonala kezdeményezi a processzor felé. Az első részére a DMA kérést nyugtázó jelet a DACKO kimenet szolgáltatja. A 0...3 csatornákat az első 8237A, az 5..7 csatornákat pedig a második DMA vezérlő. A 0...3 csatornákon bájtos, az 5...7 vonalakon pedig 16 bites átvitelt lehet megvalósítani. Minden csatorna használható a teljes 16 Mbájtos címtartományban, a 0...3 csatornák maximum 64 Kbájtos, az 5...7 csatornák pedig 128 Kbájtos adatblokkok átvitelére.
Időzítő/számláló áramkör A számítógép működése során minden folyamat csak a megadott időben történhet. Ezt az órajel biztosítja. Vannak olyan esetek is, amikor egy folyamatot, vagy egy eseményt kell időzíteni. Ennek biztosítására a PC tervezői beépítettek egy számláló/időzítő áramkört. Ez az INTEL cég i8253 típusú áramkörére épül, mely három darab 16 bites programozható számlálót tartalmaz. A 8253A három, egymástól független, de kaszkádosítható, összekapcsolható resetelhető (előírt állapotba beállítható), 16 bites lefelé számláló áramkört tartalmaz, amelyek maximális működési frekvenciája 2 MHz. A számlálás programozható binárisan vagy decimálisan. A belső részletek és az adatsín közötti kapcsolatot a vezérlőjelek valósítják meg az alábbi táblázat szerint. CS L L L L L L L L H L
RD H H H H L L L L X H
WR L L L L H H H H X H
A0 L L H H L L H H X X
A1 L H L H L H L H X X
Működés DO...D7 → 0. Számláló DO...D7 → 1. Számláló DO...D7 → 2. Számláló DO...D7 → CWR 0. Számláló → DO...D7 1. Számláló → DO...D7 2. Számláló → DO...D7 D0...D7 lebeg nincs kijelölve az áramkör DO...D7
A táblázatban az L a logikai alacsony szintet, a H a logikai magas szintet jelenti. A processzorral a kapcsolatot néhány vezérlőlapon és az adatsínen keresztül tartja. A vezérlőlábak az Intel processzorok azonos funkciójú lábaival megegyező nevet viselnek és az időzítésük is olyan, hogy az egymással való kapcsolat optimális legyen. Az AT-kbe 8254-es áramkört építettek be, mely teljes mértékig kompatibilis a 8253-al, de ez ötször nagyobb működési frekvenciára képes. A 0. sorszámú számláló az időzítő megszakítások ütemezésére használatos. Az 1. sorszámú csatorna szolgál a DRAM frissítésének időzítéséhez. Ez minden 15 msonként elindít egy frissítési ciklust. A 2. számú időzítő a hangszóró vezérlését valósítja meg, de ez egyéb célokra is felhasználható. Az egyes számlálók az alábbi címeken érhetők el: Cím 40h 41h 42h 43h
Eszköz Számláló0 Számláló1 Számláló2 Vezérlőregiszter
Felhasználás IRQ0 kiváltása RAM frissítésének vezérlése Hangszóróvezérlés Vezérlőregiszter
13
Vezérlőregiszter A CWR (Control Word Register, vezérlő szó regiszter) programozásával lehet a számláló működési üzemmódját beállítani, valamint az aktív számlálót kijelölni. A regisztert csak írni lehet. Az SC0 és SC1 bitekkel a számlálót lehet kiválasztani, az M0-M2 bitek határozzák meg a működési üzemmódot. A BCD bit 1 értéke esetén a számláló BCD kódban számol. Üzemmód beállító bitek: M2 0 0 X X 1 1
M1 0 0 1 1 0 0
M0 0 1 0 1 0 1
Üzemmód 0 1 2 3 4 5
A 8253 számláló üzemmódjai Mode 0 Megszakítás a számláló nullázódásakor. A kimenet akkor vált át 1-re. ha a számláló elérte a nulla állapotot. Mode l Újraindítható monostabil multivibrátor. A kimenet a számolás ideje alatt alacsony szintű. A Gate bemenettel lehet újraindítani. Mode 2 Frekvenciaosztó. A CLK bemenetre adott órajel frekvenciát osztja le az általunk megadott mértékben. Mode 3 Frekvenciaosztó szimmetrikus félperiódusokkal. Az osztási periódus felében magas, a másik felében pedig alacsony szintű lesz a kimenet. Mode 4 Szoftvervezérelt indítóimpulzus. A kimenet csak akkor vált át egy órajelnyi ideig alacsony szintre, amikor a számláló elérte a 0 értéket. Nem indul automatikusan újra. Mode 5 Hardvervezérelt indítóimpulzus. Megegyezik a Mode 4-es móddal, azonban itt a Gate bemenet felfutó élére történik számlálás. Óra áramkör A PC/XT-ben nem volt valós idejű óra beépítve. Ezt egy bővítőkártya tartalmazta. Az AT-k esetében már az alaplapon található egy ilyen áramkör. Az óra áramkör a kikapcsolás után is megőrzi az adatokat, mégpedig egy RAM (Random Access Memory, véletlen hozzáférési memória) áramkörben. Ahhoz, hogy ne veszítse le a tartalmát a kikapcsolás után egy elemmel vagy egy akkumulátorral biztosítják a szünetmentes tápellátást. Felismerték azonban, hogy nagyobb RAM kialakításával itt tárolhatják a rendszeradatokat. 8255-ös PIO (Parallel Input/Output, párhuzamos be/kimenet) port Ez az áramkör kibővíti a PC-k adatsínjének szélességét 24 bitre. Az AT-k megjelenésével a 8255 lekerült az alaplapról, mert a 285-os processzortól kezdődően már a rendszervezérlő látja cl a feladatait. Egyes periféria kártyák azonban még mindig használják ezt a jól bevált áramkört. 4 MHz-es órajellel működik, a fejlettebb 8255-2 pedig már képes 8 MHz-es sebességre is. 24 TTL kiés bemenete van, ezek 3 darab 8 bites bankba vannak szervezve. Ezek elnevezései rendre A, B és C port. Ezek lehetnek ki- és bemenetek egyaránt. A három bank tulajdonképpen négy, mivel a harmadik bank két négybites egységben programozható. A programozást a vezérlőregiszter (Control Word Register, CWR) segítségével tudjuk megvalósítani. A vezérlő 3 üzemmódban képes működni, melyek a következők: Mode 0 Az A és B portok bitenként programozható ki- vagy bemenetek. A C port két 4 bites egységként programozható ki- és bemenetnek.
14
Mode 1 Az A és B port itt is hitenként programozható irányúak, a C port pedig 3-3 handshake (kézfogás)jelet és 1-1 megszakításjelet valósítanak meg. A handshake üzemmóddal az átvitel minősége javítható, mivel a vevőnek meg kell erősítenie a helyes információvételt. Mode 2 Az A port kétirányú sínként működik, melynek 5 handshake jelét a C port valósítja meg. A B port és a C port 3 bitje tetszőlegesen programozható. Mindegyik port más-más címen érhető el. Ezek a következők: 60h 61h 62h 63h
A port B port C port Vezérlőregiszter
A vezérlőregiszter nem olvasható. Billentyűzetvezérlő A PC/XT-ben a 8255 egy portja volt felelős a billentyűzet kezeléséért. Az AT-kben már egy mikrovezérlő látta le ezt a feladatot. A vezérlő alkalmazásával lehetővé vált, hogy a számítógép a billentyűzetnek is küldjön adatokat. Ezzel lehetővé vált a billentyűzet programozása. Ez ellenőrzi le a billentyűzet-zár állapotot, valamint elvégzi a videokártya felismerését is. Feladatai közé tartozik még az A20 címvonal kapu (Gate A20) átkapcsolása is. Erre a kompatibilitás megőrzése érdekében volt szükség. Az XT-k csak 1 Mbájt memóriát voltak képesek megcímezni a 20 címvonalukkal (A0-A19). A címzés szegmensekre osztással van megoldva. A fizikai címet úgy kapjuk, hogy a szegmenscímhez hozzáadjuk a szegmensen belüli eltolást (offset). Ez a valóságban úgy történik, hogy az offsetcímhez 4 bittel eltolva adjuk hozzá a szegmens címét. Ez tizenhattal való szorzást jelent. Így képes a 8088 lMbájt+64kbájt memória elérésére. Az 1 Mbájt feletti részt a processzor az ez alatti területre képezi le, mert csak ekkora területet képes kezelni. A 286-os processzortól kezdve már sokkal nagyobb memória elérésére képesek, mivel több címbittel rendelkeznek. Ahhoz, hogy az XT-ken futó programok az AT-ken is ugyanúgy fussanak, a R042 (billentyűzet-vezérlő) beépítettek egy kapcsolót. A vezérlő egy kimenetét és az A20 címvonalat egy ÉS kapura vezetik, így a címvonal állapota maszkolható programból. Ezt az átkapcsolást nevezik Fast A20Controll-nak. Egyes BIOS-ok SETUP programjában is lehet találkozni ilyennel. A sínrendszerhez szorosan hozzátartozik a helyi sínt a rendszersíntől elválasztó sínmeghajtó egység (bus interface), amely egyrészt a megfelelő nagyságú jeleket biztosítja a hosszabb rendszersín számára, másrészt elválasztja az egyes sínrészeket egymástól, harmadrészt a sín vezérlő jeleket szolgáltatja, szabályozza a sínfoglalásokat. A sínt egyidőben csak egy eszközpár használhatja. A busz használatát valamelyik eszköz kezdeményezi, amelyet aktív eszköznek (master) neveznek, szemben a kapcsolatban résztvevő másik, passzív eszközzel(slave), amely csak fogadja és végrehatja az aktív eszköztől származó vezérléseket. A busz használatát eredményező folyamatot a passzív eszköz indítja azzal, hogy jelzést ad(megszakítási kérelmet) a processzornak valamilyen feladat elvégzésére. A sínvezérlés módja A sínrendszerek a vezérlés szempontjából két fő csoportra oszthatók: - Szinkron ütemezésű sínek, amelyek saját órajellel rendelkeznek és ezek ütemei szabják meg a sínen zajló folyamatok, műveletek lefutását. Az ütemezés történhet a vezérlőjelek azonos élével, de lehetséges a jelek ellenkező élével is vezérelni az egyes folyamatokat. - Aszinkron ütemezésű rendszerek, amelyek saját órajellel nem rendelkeznek és a folyamatok és műveletek lefutását, az egymást követő elemi lépések befejezése szabályozza. Az IBM PC vagy XT sín Az 1981-ben bevezetett 8 hites PC, illetve XT sín egy viszonylag egyszerű szinkron sín, paritásvédelmi lehetőséggel és élvezérelt megszakítási rendszerrel rendelkezett. Ezek a gépek az Intel
15
i8086-os processzorral voltak szerelve, ami 8 bites adatsínnel és 20 címvezetékkel rendelkezett. Ez utóbbiból következik, hogy maximálisan 1 Mbájt memória kezelésére alkalmas. Az IBM által kiadott dokumentációkban semmilyen utalás nem található a jelek időzítési adatairól. Két igen nagy hátránya van ennek a sínrendszernek. Az egyik, hogy az adatforgalmat csak az alaplapon levő processzor és 4 csatornás direkt memória elérés vezérlő (DMA) egységek vezérelhetik. A másik korlát az élvezérelt megszakítás rendszerből adódik. Egy szintre, megszakítás kérés jelre csak egy egység kapcsolható. A megszakításvezérlő összesen 8 megszakításkérő vonalat tud kezelni. A perifériák címzése esetén az IBM lecsökkentette címeket 10 bitre, ami 1024 periféria megcímzését teszi lehetővé. A periféria számát nem a sín és a processzor korlátozza, az újabb fejlesztésű periféria kártyákon már kihasználják a CPU által biztosított 16 hitet. Az adat- és címvezetékeken kívül még kivezették a csatlakozóra a megszakítási- és közvetlen memória-hozzáférési vezérlő ki- és bemeneteket, valamint az összes tápfeszültség vonalat. Az összes jelet egy 62-érintkezős csatlakozóra vezették ki. Ehhez kell függőlegesen behelyezni a kártyákat. A kártyák mindkét oldalán vannak érintkező felületek melyek a csatlakozó megfelelő pontjával érintkeznek. Ilyen bővítő csatlakozóból összesen 8 darabot találunk az alaplapon. Ezek egy kivételével teljesen megegyeznek. A 8 bővítőhely adatvonalai közvetlenül a processzorra kapcsolódnak. Az ide helyezett kártyáknak nagyon megbízhatóan kell működni, mert könnyen tönkretehetik a processzort. AT sín: A körülbelül 1984-ben bemutatott AT sín jelentősen kibővítette a lehetőséget. Az i80286 típusú processzor felhasználása megkövetelte a megcímezhető memória l6 Mbájtra való növelését, és a 16 hites adatátvitel megvalósítását is. Ezen kívül a sínt már külső egység is vezérelheti. A DMA csatornák már képesek szavas átvitelre is, ezt az SBHE jel alacsony szintje jelzi. A 16 bites perifériaillesztőnek vagy memóriának a sínciklus elején jelezni kell ezt a képességüket az IOCSI 16 (Input/(Output Chip Select l6, 16 bites bemenet/kimenet egység kiválasztás) illetve a MEMCS16 (Memory Chip Select 16, 16 bites memória kiválasztás) jelek alacsony szintre állításával. Az ISA sínre több master (vezérlő) egység is csatlakozhat. A sín vezérlési jogát a MASTER jel alacsony szintre állításával lehet elérni és egy DMA csatorna felhasználásával valósíthatjuk meg az átvitelt. Ebben az üzemmódban a master egységnek kell gondoskodnia a dinamikus memóriák frissítésére. Az átvitel befejezésekor először a MASTER vonal aktivizálását, majd a DMA kérést kell megszűntetni A vezérlési jog átadhatósága miatt néhányjel irány és típusa megváltozott. Az XT-khez és a PC-khez kifejlesztett kártyák felhasználhatósága érdekében a 62 pólusú csatlakozóra kivezetett, memóriaműveletet jelentő SMEMR és SMEMW jelek csak az alsó 1 Mbájtos címtartományban aktívak és időzítésük a PC, XT sínével közel azonosak. A további memóriaterületek a 36 pólusú csatlakozón megtalálható MEMR és MEMW jelekkel vezérelhetők. Ezen jelek időzítése az alaplap típusától függ és összefügg annak sehességéve1. A processzor minden perifériaműveletnél beépít egy várakozási állapotot, amikor semmit nem csinál, csak vár. Ez a lassú eszközök megbízható elérését teszi lehetővé. A várakozási állapotok száma az IOCHRDY (Input/Output Channel Ready). be/kimeneti csatorna kész) aktív szintre állításával megnövelhető. A sínciklusok lerövidítésére a OWS jel szolgál. Ezt a jelet az írás és olvasás vezérlőjelekkel kapuzott címdekóder kimeneti jeléből kell előállítani. A csatlakozóra vezették ki a 16 adatvezetéket, a 24 bites címsínt, a kibővített, 16 csatornás megszakítás-kezelő egység megszakításkérő vonalait a közvetlen memória hozzáférés vezérlő be és kimeneteit, valamint még egyéb vezérlő és tápfeszültség jeleket. A sín bővítését úgy oldották meg. hogy a PC-hez vagy XT-hez kifejlesztett kártyák az AT változatban továbbra is használhatók maradjanak. Az alaplapon a 62 pólusú csatlakozó mögé új 34 pólusút is elhelyeztek. A kibővített cím-, adat- és vezérlő vonalakat erre az új csatlakozóra vezették ki. Egyetlen kivétel a OWS jel, amit az eredeti 62 pólusúra kötöttek a CRSEL jel helyére. Erre a jelre nem volt szükség, mert az AT-hez nincs bővítő doboz. A OWS jel felhasználásával lehetőség van gyors 8 és 16 bites periféria és memória kialakítására is. Általában 6 darab 16 bites és 2 darab 8 bites csatlakozót találhatunk a régi 286-os alaplapokon. Sajnos az AT bővítő sínről sem adott ki időzítéseket is tartalmazó specifikációt az IBM. Ezt a feladatot a bővített változatának, az EISA busznak a kialakításánál végezték el, innen ered az Industry Standard Application (ISA) busz elnevezés is. Az ISA sín annyira bevált és elterjedt, hogy még a mai napig is használják a számítógépeknél. Minden alaplapon található belőle legalább 2 darab. Ez még sokáig így marad, mivel sok esetben nincs szükség ennél nagyobb sebességű átvitelre. Már említettük, hogy a perifériák címzésére az IBM szakemberei csak 10 bitet használtak fel. Ezzel összesen 1024 különböző periféria választható ki. A mérnökök azonban egyes eszközöknek már ebből is előre kiosztottak fix címeket.
16
További sínrendszerek A 32 bites processzorok megjelenésével az AT bővítőbusz már nem tudta biztosítani az összes lehetőséget. A l6 Mbájtnál nagyobb memória kezelése, a 32 bites adatátvitel magvalósítása alapvető felhasználói igényként jelentkezett. Az IBM új fejlesztésű számítógép családot dobott a piacra, a PS/2 típusokat, melyek már a megnövekedett igényeket is kielégítő buszra, a Micro Channel-re épülnek. A sín nem kompatibilis az AT bővítő sínnel, így az AT-hoz kifejlesztett kártyák itt nem használhatók. A Micro Channel buszról információt csak jelentős összegű jogdíj ellenében ad az IBM. A későbbiekben többféle 32 bites sín terjedt el, ezekről ejtünk néhány szót. A sínrendszerek fejlődése azonban nem állt meg, mivel gyorsabb és nagyobb adatsín szélesség rendelkező processzorok egyre modernebb és gyorsabb síncsatlakozást követelnek a gyors működés érdekében. Ezért várható, hogy a következő néhány esztendőben újabb és gyorsabb sínrendszerek kerülnek forgalomba.
-
-
-
A VESA sín: Ez a sín is a 32 bites processzorokhoz illeszkedik, kihasználja ezek minden lehetőségét. A VESA sín a processzor kivezetéseit közvetlenül használja fel. A sín maximálisan 33 MHz frekvenciával működő processzort tételez fel, de ebből a szempontból a DX2/66 vagy a DX4/100 processzor is ilyennek tekinthető. A sebességet ezzel az illesztéssel 133Mbájt/s-ra növelhetjük, azonban a felhasznált kártyák számával az elérhető sebesség csökken. I.egfeljebb 2-3 csatlakozóhelyet lehet kialakítani. Ha egy periféria vagy memória egység a VESA sínen érhető el, a sínciklus kezdetén az LDEV jellel kell jeleznie. A csatlakozó kialakításánál ügyeltek arra, hogy a régi kártyákkal is kompatibilis maradjon a csatlakozó. Ezért az ISA sín mögé kb. 5 mm-rel elhelyeztek egy 2x58 érintkezővel rendelkező csatlakozót. Ennek sűrűsége jóval nagyobb, mint az ISA csatlakozóé, ez sok hibalehetőségre ad okot. Ez a sínrendszer még másfél évvel ezelőtt is elterjedt volt, a Pentium processzorok elterjedésével azonban háttérbe szorult a PCI sínnel szemben, mára pedig teljesen eltűnt a piacról. PCI sín: Megalkotásakor már fegyelembe vették, hogy a Pentium processzorok 64 bites külső adatsínnel rendelkeznek. Így ez az illesztő már nem csak 32 bites adatátvitelt valósít meg, hanem 64 bitest is. A kezdeti PCI sínek csak 33 MHz-es órajellel voltak képesek működni így az átviteli sebessége 133 Mbájt/s vagy 64 bit esetén 266 Mbájt/s. Nem sokkal a PCI sín kifejlesztése után ez az átviteli sebesség kevésnek bizonyult, így módosították, hogy maximálisan 66 MHz-es órajellel legyen képes működni. Ebben az esetben az átviteli sebesség 266 Mbájt/s vagy 532 Mbájt/s lehet. PCI rendszerbe már nemcsak 5V-os,hanem 3.3V-os egységeket is csatlakoztathatunk. A VESA sín legnagyobb hátrányát, a kis számú csatlakoztatható illesztő számát a PCI sín 10 darabra növeli, melyből összesen öt lehet kártyahely. A maradék öt pedig az alaplapon talál ható perifériák csatlakozását oldja meg. A PCI sín nem kompatibilis sem az I,SA, sem a VESA sínekkel. de a kártya kialakítása lehetővé teszi a kártyahelyek megosztását. A PCI sínre illeszkedő kártya az ISA kártya "tükörképe". Az alkatrészeket és a csatlakozókat a másik oldalon helyezték el, így a PCl kártyahelyeket az ISA kártyahelyek között helyezhetjük el. A felhasználók kényelmét próbálja meg fokozni a Plug and Play technológia, mely lehetővé teszi a csatlakozóba illesztett eszközök automatikus felismerését és beállítását. A PCI sín támogatja ezt a módot, és operációs rendszertől függően ezt megbízhatóan képes is elvégezni. PCMCIA sín: Ez a sínrendszer nem az asztali PC-k esetében használható, hanem a hordozható számítógépekhez fejlesztették ki. A hordozható számítógépek (lap-top) perifériája bankkártya méretű, és ezeknek az illesztését valósítja meg ez a szabvány. A PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) sínrendszer statikus és dinamikus RAM, Flash Eprom valamint periféria kártyákat kezelhet. A háromféle magassági mérettel gyártott periféria kártyák között merevlemezes egységeket, lokális hálózati csatolókat, modemeket, stb. találhatunk. Ez a sínrendszer nem alkalmaz DMA csatornákat az átvitelhez, valamint a kártyákon nem lehet master egység.
Tápfeszültség csatlakozó Az alaplapra szereltek egy 12 pólusú tápfeszültség-csatlakozót. Ezen az összes elérhető tápfeszültség megtalálható.
17
Integrált perifériák A 486DX2 alaplapoktól kezdve megjelentek az integrált perifériák is az alaplapokon. Ez a gyártási mód annyira bevált, hogy ma már minden alaplap része valamilyen periféria. Nézzük meg az egyes perifériákat. Minden periféria részletes leírása megtalálható a megfelelő fejezetben, erre minden esetben megtalálhatjuk az utalást. EIDE vezérlő Az EIDE az Enchanced Integrated Device Equipment rövidítése, mely magyarul továbbfejlesztett integrált eszköz-elektronikát jelent. Kifejlesztését az a felismerés határozta meg, hogy a sebességet úgy lehet növelni, ha a meghajtó elektronikát az eszközhöz legközelebb helyezik el. A csatolókártya csupán a rendszerjelek meghosszabbítását végzi el. Az EIDE az IDE (Integrated Device Equipment, integrált eszköztechnika) továbbfejlesztése. Erre az IDE korlátai miatt volt szükség. Ez az interfész a megfelelő BIOS-szal maximum 504 Mbájtos merevlemezek kezelését tette lehetővé. Ez túl kicsinek bizonyult, ezért megszületett az EIDE szabvány. A lehetőségeket azonban csakúgy lehetett kihasználni, hogy a BIOS-t is továbbfejlesztették. Az IDE szabványt eredetileg a merevlemezek számára fejlesztették ki, de annyira bevált, hogy más eszközök is ezt a szabványt alkalmazták a kommunikáció megvalósítására. Az EIDE interfész két eszköz csatlakozását teszi lehetővé. A két meghajtó nem egyenrangú viszonyban áll, nekünk kell megmondani, hogy melyiknek milyen legyen a státusza. A magasabb "rendűt" nevezzük masternek, míg a másik a slave. A meghajtókon kell ezt beállítani, azonban egy lehetőség szerint a kábelre helyezés dönti el, hogy melyik lesz a master és melyik a slave. Az alaplapokon szinte kivétel nélkül két ilyen vezérlőt találunk. Az egyiket elsődlegesnek (Primary), míg a másodikat másodlagosnak Secondary) nevezzük. Ezzel a módszerrel két master és két slave meghajtó lehet a rendszerben. Mint már említettük, az interfész típus nem csak a merevlemezeknél használatos, hanem sok más eszköznél is, mint például a CD-ROM-nál. Az egységek egy 40 eres szalagkábelen keresztül kapcsolódnak az interfész áramkörhöz. Ez az áramkör lehet az alaplapra integrálva, de előfordulhat külön kártya formájában is (IDE kártya vagy más néven multi IO kártya). Egy kábelre két egység csatlakoztatható, ezek sorrendje tetszőleges. Ez csupán akkor nem igaz, ha kihasználjuk azt a lehetőséget, hogy a kábelre csatlakoztatás helye dönti el a masterslave státuszt. Ezt az üzemmódot nevezzük Cable Select (CS) módnak. Csak abban az esetben használható, ha a vezérlő, a meghajtó és még a kábel is támogatja ezt az üzemmódot. Bár az eszközök többségében megvan ennek a lehetősége, azonban mégsem terjedt el igazán. Az interfész a BIOS-ban tiltható, illetve engedélyezhető. Hajlékonylemez meghajtó interfész Két floppymeghajtó csatlakoztatását teszi lehetővé, egy 3,5”-ost és egy 5,25”-ost. Ezek nem egyenrangúak, a kábelre csatlakoztatás helye határozza meg, hogy melyik a 0. sorszámú (A) és melyik az 1. Sorszámú (B) meghajtó. A kábel vége felé találhatunk egy csavarást, amely miatt a kiválasztó jelek a két meghajtó más-más lábára csatlakoznak. Ezek biztosítják a megkülönböztetést. Az alaplapra integrált interfésszel mind a DD-s (Double Density, dupla sűrűségű), mind a HD-s (High Density, nagy sűrűségű) lemezmeghajtók kezelhetők. Az interfész a BIOS-ban engedélyezhető illetve tiltható.
Soros portok Általában két R5232C típusú soros portot integrálnak az alaplapokra. Ezek aszinkron soros átvitelt tesznek lehetővé. A soros portok engedélyezése illetve tiltása. valamint az átvitel üzemmódja a BIOS-ban állítható be. Párhuzamos interfész Kétirányú párhuzamos adatátvitelt tesz lehetővé a számítógép és a periféria (pl. nyomtató, szkenner, stb.) között. Az átvitel üzemmódja, valamint az engedélyezés/tiltás a BIOS-ban beállítható.
18
USB interfész Az Universal Serial Bus, univerzális soros sín lehetővé teszi intelligens soros perifériák felfűzését egy közös sínre. Egy új szabvány, a Compaq, DEC, IBM NEC és a Northern Telecom cégek közös fejlesztése. A jelenleg használt soros port kiváltására új alternatívákat nyit a számítástechnika számára. A Plug and Play technológiát kiterjeszti a számítógépházon kívülre. A számítógépek az USB perifériákat (monitor, nyomtató, egér, billentyűzet, és még sorolhatnánk) ugyanolyan módon képesek felismerni, mint a PCI sínbe illesztett kártyákat. Az USB specifikáció szerint összesen 127 darab eszköz kapcsolható össze, fűzhető fel egy USB sínre. Először az Intel HX chipkészlete támogatja az USB eszközök kezelését. Operációs szinten azonban csak a Windows95 OSR2 vagy a nemrégiben megjelent Windows 98 támogatja. Az USB eszközök összekapcsolása tiered star topológia szerint történik. Ez azt jelenti, hogy az eszközök csomópontokhoz kapcsolódnak, a csomópontokat pedig szorosan kapcsolják össze egymással. A legfelső szinten áll a hoszt adapter, mely fizikailag a PC házban található, a PC sínrendszeréhez kapcsolódó interfész. Az adapter akár az alaplapra integráltan, akár külön kártya formájában is megjelenhet. A PC-kben csupán egyetlen USB kártya lehet, ennek fizikai korlátjai azonban kiterjeszthetőek. Léteznek ún. USB HUB-ok. Ezek az eszközük úgy viselkednek, mintha különálló USB meghajtók lennének. Külön tápellátásuk van és egyenként maximum 127 USB eszköz illesztését teszik lehetővé. A HUB-ok száma maximum öt lehet, így maximálisan öt szint mélységű hálózat építhető ki. Az ábrán is ilyen kialakítást láthatunk. Az ilyen rendszerben az eszközök maximális száma 127*5-8 = 627 lehet. Azért kell levonnunk 8 egységet, mert a HUB-ok összekapcsolása I-1 vezetéket igényel. Két eszköz között maximálisan 5 m távolság lehet. Az USB eszközök csatlakoztatására egy 4-eres kábelre van szükség. Ebből két ér a tápfeszültség vezeték. Ha egy USB eszközt csatlakoztatunk a HUB valamely portjához, akkor azt a HUB érzékeli. Az USB kártya (host) alaphelyzetbe állítja a portot, azaz kiad egy RESET-et. Amennyiben a csatlakoztatott eszköz szintén egy HUB volt, akkor annak egy portját kell alaphelyzetbe állítani. A kártya ezt követően megkísérli a kommunikációt az új eszközzel. Egyedi azonosítót rendel hozzá, betölti a szükséges meghajtó programot és elkezdi az eszköz konfigurációját. Ilyenkor szükség lehet egy információs fájlra, mely az operációs rendszer számára írja le az eszköz tulajdonságait. Ennek ellenére Plug and Play-ről beszélhetünk, mivel erre a lépésre csak egyszer, az első konfigurációkor van szükség. Az univerzális soros port két sebességen dolgozik, 1.5 és 12 Mbit/s-a1, A kisebb sebességet használhatják azok az eszközök, melyek működése megszakításos jellegű. Ilyen például az egér és a billentyűzet. A gyorsabb adatátviteli módot olyan eszközök igényelhetik, amelyek működéséhez nagy teljesítményű adatot kell továbbítani. Ilyen eszközök lehetnek a digitális képfeldolgozást megvalósító eszközök. Az ilyen jellegű sebességcsoportosítás teszi lehetővé az eszköz gyártási költség optimalizálását. A porton keresztül történő félduplex (egyidőben csak egyirányú adat átvitel) átvitel megadott időhosszúságú időszeletekre bontható. Ezt nevezzük időosztásos multiplexelésnek. Ezt egy központi csomópont végzi el. Minden csomópontnak vannak prioritásai, melyek az alábbiak lehetnek: - Időkritikus (isochronous) - Ömlesztett adatfolyam (bulk-data) - Vezérlés (control) - Periodikusan ismétlődő megszakítás (interrupt) A szabvány korlátozza az állandóan fellépő terhelés számára kiosztható időszelet nagyságát. Az egyes eszközök önállóan foglalhatnak le maguknak megszakítási és időkritikus kereteket, azonban a központi csomópont a terhelések függvényében korlátozhatja a lefoglalt mennyiségeket. A lefoglalt, de felhasználás nélküli sávszélességet az ömlesztett adatfolyamok kitölthetik, de csupán abban az esetben, ha nincs szükség arra vezér1ő információ átviteléhez. Az időkritikus rendszerekben a hibajavítás a szoftver és az USB eszköz feladata, mivel a szabvány nem foglalkozik a helyes adatátvitel leellenőrzésével, hibajavításával illetve az adatcsomagok újraküldésével. Ez az átviteli mód olyan rendszereknél használatos, ahol a kieső időszeleteknél fontosabb, hogy az adatok egyenletesen és a helyes sorrendben érkezzenek meg. Ilyen rendszerek például az audió- és videó rendszerek. Az ömlesztett adatfolyamok és a megszakítások viszont az USB szabvány szerint újra átvihetők.
19
Az AGP port Eredetileg a Pentium processzorhoz fejlesztették ki, ma már azonban nemcsak azokhoz használják, egyre inkább elterjedőben van. Az AGP (Accelerated Graphics Port, gyorsított grafikus port) a PCl sínnél elméletileg négyszer gyorsabban képes végrehajtani a ciklusokat. Nagy előnye, hogy nem kell csak a kártya memóriájával megelégednünk. Ha szükség van a nagy méretű 3D-s képek kirajzolásához, akkor a kártya képes a rendszer memóriáját használni. Másik mód a gyorsabb működés eléréséhez, hogy a kártya tartalmaz egy kitüntetett szerepű portot, melyen keresztül közvetlenül, késleltető elemek közbeiktatása nélkül képes elérni a memóriát és a processzort. Az adatátvitel sebessége a rendszer órajelével egyezik meg. Természetesen a memóriának nagyon gyorsnak kell lennie, mert különben nem tudná kiszolgálni a kártya igényeit. Ezért erre a célra csak az SDRAM megfelelő, sőt nem baj, ha a RAM tudja a 100 Mhz-es működési sebességet. A következő táblázatban összehasonlítottunk a PCI és az AGP port néhány tulajdonságát. AGP PCI Párhuzamos (pipeline) művelet végrehajtás Nincs párhuzamos végrehajtás A cím és az adat nincs A cím és az adat multiplexelt Egy master, egy cél periféria Több master és több cél periféria A memória olvasáson és íráson kívül nincs más Kapcsolódás az egész rendszerre IO művelet Magas/alacsony prioritási sor Nincs prioritási sorrend Az AGP port úgy képes elérni a táblázatban látható 533 Mbájt/s átviteli sebességet, hogy a memória eléréséhez egy új technikát használ. Ennek DIME (Direct Memory Execute, direkt memória végrehajtás) nevet adták. A nagy képeket az AGP a rendszermemóriában, a RAM-ban tárolja. A gyors kiolvasásához a RAM közvetlen elérése szükséges. A kiolvasás során a képek digitális leképzései (textúrák) átkerülnek a kártyán lévő átmeneti tárolóba. Ennek a sebessége még az SDRAM-nál is nagyobb, esetenként lehetőség van a memória egyidejű írására és olvasására is. Ez közel kétszer akkora sebességnövekedést jelent a hagyományos memóriához képest. Innen a képet a grafikus áramkör küldi el a monitornak. A memóriába írás hasonlóképpen történik, csak az ellenkező irányba. Az áramkör azokat a képeket, amelyek már nem férnek el a saját memóriájába, a processzor megkerülésével közvetlenül a RAM-ba tárolja. Innen bármikor előhívhatja, ha szükség lenne rá. A kártya csak olyan alkalmazások esetén éri meg a meglehetősen borsos árát, ha szeretünk sokat játszani. A tervező és egyéb programok még nem képesek kihasználni azokat az előnyöket, melyeket az AGP nyújtani képes. Mindenesetre jelenleg az AGP egyre inkább el terjedőben van, a szoftverfejlesztők már egyre inkább figyelembe veszik a kártya által nyújtott lehetőségeket. Várható, hogy a tendencia tovább fog folytatódni. 2.2. Chipkészletek A Pentium alaplapok kezelését megvalósító áramkörök egy-egy családot alkotnak. Ezeket nevezik chipset-eknek. Mindegyik chipset-nek megvan a maga jellegzetessége, általában az újabb fejlesztésű processzorok új chipset-et igényelnek. A továbbiakban áttekintjük a forgalomba került chipset-ek főbb ismertetőit és jellemzőit.
Intel 430FX -
Az összes 3V-os Pentium processzor támogatása Integrált második szintű cache vezérlő Write-Back cache támogatás Konfigurálható cache nélküli, 256 vagy 512 Kbájt cache üzemmódra. Integrált DRAM vezérlő 64 bites adatsín 4 Mbájttól 128 Mbájtig támogatott RAM méret Felhasználható RAM típusok: EDO, FPM DRAM és DRAM
20
-
5 RAS vezeték 3V vagy 5V RAM használata is megengedett EDO RAM támogatás Teljes, szinkron 25/30/33 MHz PCI sín interfész Egyes folyamatok akár 100 Mbit/s sebességgel is hozzáférhetnek a processzorhoz Szinkronizált CPU-PCI kapcsolat a nagy sebességű grafikus kártyákhoz 208 lábú QFP tokozású 82437FX rendszer vezérlő és 100 lábú, QFP tokozású 82438FX adatvezérlő került az alaplapra.
Intel 430Hx -
Minden 3 V-os Pentium processzor támogatása Két processzor egy alaplapon történő használatának lehetősége 2.1 verziószámú PCI sín Integrált második szintű cache vezérlő Write-Back cache-támogatás Konfigurálható cache nélküli, 256 vagy 512 Kbájt cache üzemmódra. Csak pipeline Burst Sram használható 512 Mbájtig cache-elhető DRAM Integrált DRAM vezérlő 64 bites adatsín 4 Mbájttól 512 Mbájtig támogatott RAM méret Használható már 64 Mbájtos RAM modul is Felhasználható RAM típusok: kiterjesztett EDO (66 MHz), FPM DRAM és DRAM 8 RAS vezeték RAS előtti CAS frissítés lehetősége Programozható memória cím puffer Opcionális paritásvizsgálat 324 lábú BGA tokozás Opcionális hibafelismerő és javító áramkör (ECC, Error Checking and Correction) Egy bites hiba javítása, két bites hiba észlelése, plusz Nibble (4 bit) hiba detektálása Egyszeres és többszörös bit hibáról riport készítése Teljes, szinkron 25/3033 MHz PCI sín interfész 0WS (0 Wait State, várakozás állapot nélküli) CPU-PCI időzítés grafikus kártyák számára USB (Universal Serial Bus, univerzális soros sín) támogatása
Intel 430VX -
Minden 3 V-os Pentium processzor támogatása Két processzor egy alaplapon történő használatának lehetősége. 2.1 verziószámú PCI sín Integrált második szintű cache vezérlő Write-Back támogatás Konfigurálható cache nélküli, 256, vagy 512 Kbájt cache üzemmódra Pipeline Burst, SRAM és DRAM használható Integrált DRAM vezérlő 64 bites adatsín 4 Mbájttól 128 Mbájtig támogatott RAM méret Támogatja az eltérő RAM típusok: EDO, FPM DRAM és SDRAM Támogatja az eltérő RAM típusok vegyes használatát Felhasználható RAM típusok: EDO, FP DRAM és SDRAM Használhatók a 3 V és az 5 V RAM-ok is Teljes, szinkron 25/30/33 MHz PCI sín interfész 5 PCI sín master Back-to-Back PCI memóriaírás konvertálása Burst PCI írására CPU-PCI memóriaírás küldés Közös memóriapuffer felépítés (SMBA, Shared Memory Buffer Architecture) támogatása USB támogatás 206 lábú QFP tokozású rendszer vezérlő és a két 100 lábú QFP tokozású adatút választó
21
Intel 430TX -
Felhasználható asztali és mobil PC-ken Használhatók a 66 MHz-es külső órajellel működő processzorok. PCI 2.1 kompatíbilis Integrált adatút választó Integrált DRAM vezérlő 4-256 Mbájt memória 64 Mbájtos DRAMSDRAM támogatás Használható memória típusok: EDO, FPRAM és SDRAM 6 RAS vonalas kiválasztás Frissítési módok: RAS előtti CAS frissítés az EDO és az SDRAM-nál Kiterjesztett frissítés az EDO és az SDRAM-nál EDO RAM esetében képes a RAM saját magát önállóan frissíteni Integrált L2 cache vezérlő 64 Mbájt DRAM cache-elhető 256k vagy 512k cache memória Burst SRAM-okból 64kx32 SRAM is használható Teljes szinkron 30/33 MHz PCI vezérlő 4 PCI sín master A változó hosszúságú PCI ciklusokhoz egy változtatható hosszúságú időzítő Tápellenőrzés tulajdonsága Dinamikus órajel leállítás Felfüggeszti a RAM működését Felfüggeszti a lemezmeghajtók működését Belső órajel vezérlés SDRAM és EDO RAM frissítése önfrissítéssel történik meg a takarékos állapot alatt Tesz tulajdonság USB port használata 324 lábú MGA 430 TX rendszervezérlő és abszolút választó
Intel 440FX PCI -
Használhatók a Pentium Pro processzorok 83 MHz külső órajel frekvenciáig 32 bites címzés használata Teljesen szimmetrikus SMP (Symmetric Multi-Processor, szimmetrikus többprocesszoros működés) használata két processzorhoz Integrált DRAM vezérlő Memória használata 8 Mbájttól 1 Gbájtig FPM (Fast Page Mode), EDO (Extended Data Out Page Mode), BEDO (Extetnded Data Out Burst Mode) DRAM memóriamodulok használata Automatikusan képes detektálni a memória típusát. 8 RAS vonal használata Használhatók 4-, 16- és 64 Mbájtos DRAM eszközök Szimmetrikus és aszimmetrikus DRAM címzés használatát Paritás és ECC lehetőség Az ECC képes 1 bites hibát javítani és 2 bites hibát felismerni Használhatók a 3,3 V és az 5 V feszültségű RAM-ok is. PCI sín interfész PCI 2.1, 5V interfész kompatíbilis 100 Mbits-nál nagyobb adatáramlási sebesség a PCI és a DRAM között 5 PCI Bus master PCI-ISA IO híd Késleltetett folyamat végrehajtás Adatpuffer a megnövekedett igények kielégítésére Rendszer kezelés mód ( SMM, System Managment Mode) engedélyezés Tokozás 208 lábú PQFP PCI híd/memória vezérlő (PMC, PCI BridgeMemory Controller), 208 lábú PQFP a 440FX PCI adatsín gyorsító
22
Intel 440LX AGP -
Pentium II processzor használata akár 100 Mhz-es sebességig. 32 bites címzés Teljesen szimmetrikus SMP (Symmetric Multi-Processor, szimmetrikus többprocesszoros működés) használata két processzorhoz) Dinamikusan felfüggesztett folyamatok használata Integrált DRAM vezérlő EDO és SDRAM használata Maximálisan 512 Mbájt SDRAM-ot vagy I Gbájt EDO RAM-ot képes kezelni 64/72 bites memória sín Beállítható DRAM interfész 8 RAS vonal a kiválasztáshoz 4-, 16- és 64 Mbájtos RAM modulok használhatók Szinkron vagy aszinkron DRAM címzés Beállítható ECC Az ECC 1 bit kijavítására és 2 bites hiba észlelésére képes Csak 3.3V-os.DRAM-ok használhatók AGP specifikáció kompatibilis AGP 66/133mhz és 3.3V eszközök használata Szinkron kapcsoló az alaplap sínfrekvenciájához PCI sín interfész PCI 2.1 interfész kompatibilis 100 Mbit/s-nál nagyobb adatáramlási sebesség a PCI és a DRAM között 4 PCI Bus master PCI-ISA I/O híd Késleltetett folyamat végrehajtásáig Adat puffer a megnövekedett igények kielégítésére Rendszer kezelési mód (SMM, System Management Mode) kompatibilis 492 lábú BGA tokozás
Fogalmak, jelentések A20 Gate Adatsín Alaplap
Baba BIOS
Chipset Címsín CPU EISA
286-os processzortól felfelé az XT-vel való kompatibilitás miatt az A 19 feletti címbiteket le kell tiltani. Ez vagy a BIOS-ból vagy egy szoftveren keresztül tiltható, illetve engedélyezhető. Az alaplapon és a perifériákon elhelyezkedő vezeték vezetékcsoport, mely adatokat továbbít a perifériák és a processzor között. A számítógép működéséhez nélkülözhetetlen áramköröket egy közös lapon helyezték el. Ezt nevezzük alaplapnak. Rendelkezik továbbá csatlakozókkal, melyekbe további funkciókat megvalósító kártyákat lehet behelyezni. Távtartó szakmai elnevezése. Feladatat az alaplap távoltartása a doboz aljától vagy a szerelőlemeztől. Basic Input Output System, központi be- kimeneti rendszer. Az alaplapon található egy csak olvasható memóriában. A számítógép működéséhez elengedhetetlenül szükséges perifériáik kezdését megvalósító utasításokat tartalmazza. Pentium alaplapok esetében a rendszervezérlési funkciókat áramkörcsaládok látják el. Ezeket nevezzük chipsetnek. Az alaplapon és a perifériákon megtalálható vezetékcsoport, mely az egyes eszközök kiválasztását teszi lehetővé. Central Processzor Unit, központi feldolgozás egység. Lásd: Processzor Az ISA sín 32 bites változata. Nagyon gyors adatátvitelt tesz lehetővé. A csatlakozója speciális kétsoros. ahol az alsó csatlakozórészen helyezkednek el az EISA jelek. A felső része megfelel az ISA csatlakozónak. Annak érdekében,
23
EPROM Háttértár Ház Időzítő IO port ISA sín
Kontroller Megszakítás
Memória Mikroprocesszor MotherBoard Operatív memória Órajel Órajel sokszorozás
PCI PIO Processzor
Regiszter Sínrendszer VESA
Vezérlősín
hogy az ISA kártyák csak a megfelelő mélységéig legyenek képesek bemenni a csatlakozóba, apró reteszeket kell alkalmazni. Erasable Programmable Read Only Memory, törölhető és programozható, csak olvasható memória. Tárolásra szolgál olyan területeken, ahol az információt a kikapcsolás után is meg kell őrizni. Nagy tárolókapacitású eszköz, mely a kikapcsolás után is megőrzi tartalmát. Az operatív memóriához képest lassú működésű. Az alaplap és egyes perifériák egy közös dobozban foglalnak helyet. Ezt nevezzük számítógépháznak. Többféle típusa létezik, a legelterjedtebb a baby és a mini torony ház. A bemeneti órajel leosztásával megadott időpontban egy folyamat kiváltására képes. A számítógép processzora és a perifériák közötti adatcserét megvalósító hardverelem. Az XT sín továbbfejlesztése. Már 16 bites adatsínt és 24 bites címsínt vezettek ki rá. A megszakítás- és DMA csatornák számát megduplázták. Az XT sínhez képest. A kompatibilitás megőrzése érdekében az XT csatlakozó mögé helyezték az új jeleket tartalmazó kiegészítő csatlakozót. Olyan hardvereszköz, mely az operatív memória és a perifériák közötti kapcsolatot valósítja meg A processzor programvégrehajtásának megszakítása oly módon, hogy a későbbiek folyamán folytatható legyen. A bekövetkezéskor a processzor elmenti egy átmeneti tárba, az éppen futó program állapotát, majd a megszakítási rutinra ugrik. Ennek végrehajtása után a programvégrehajtás ott folytatódik, ahol abbamaradt. Ennek érdekében a processzor visszatölti az eredeti programot és folytatja a végrehajtást. A számítógép tárolóegysége, adatokat és utasításokat tárolhatunk benne. Lehet operatív (központi) és háttértár jellegű. Feladata a programok végrehajtása és a perifériák működésének felügyelete. Lásd: Alaplap. A futó programot és az adatokat tárolja a futás ideje alatt. A számítógép kikapcsolásakor elveszíti tartalmát. A számítógép alkatrészei állapotukat csak megadott időközönként képesek megváltoztatni. Ennek vezérlését oldja meg az órajel. A modern processzorok nem azonos nagyságú órajelet használnak a lassú perifériák eléréséhez és a belső műveletvégzésre. A külső órajelet egy áramkör segítségével a tokon belül megtöbbszörözik. A többszörözés értéke 1 és 5 közé esik. Peripherial Component Interconnect, perifériák belső kapcsolódása. Olyan sínrendszer, ahol a perifériák közvetlenül a processzorra kapcsolódnak. Panel Input Output, párhuzamos be- és kimenet. A rendszer adatsínét szélesíti ki megadott bitszélességgel. pl.: a R255 a bemeneti 8 bitből 3x8 bitet csinál. a számítógép működését parancsokkal tudjuk meghatározni. A parancsok végrehajtását teszi lehetővé a processzor, melyet neveznek még központi végrehajtó egységnek is. Feladata az utasítások beolvasása, dekódolása és végrehajtása. Az utasítások a memóriában találhatók. A központi egységével sínrendszeren keresztül képes kapcsolatot tartani. Három sínrendszert szokás megkülönböztetni: az adat-, a cím- és a rendszersínt. A processzor legfontosabb jellemzői a működési sebesség, az adatsín szélessége, a címbitek száma, órajelés a működési feszültség nagysága. Rögzített, rövid adatok átmeneti tárolását teszi lehetővé. A perifériák közötti kapcsolatot megvalósító vezetékrendszer. Az alábbi típusok terjedtek el: XT, ISA, EISA, VESA, PCI, PCMCIA. Olyan sínrendszer, ahol az ISA csatlakozó mögött egy 116 pólusú csatlakozót is kivezettek. Ezen keresztül érhetők el azok a jelek, melyek közvetlenül a processzorra kapcsolódnak. Ezzel a megoldással nagyon gyors átvitel valósítható meg. A perifériák és a processzor működését meghatározó jelek csoportja.
24
XT sín
XT számítógépek perifériáinak csatlakoztatását tette lehetővé. Lehetőségei nagyon korlátozottak. 8 adat és 20 címvezetéket tartalmaz és élvezérelt megszakítási lehetőséggel rendelkezik.
Ellenőrző kérdések 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20.
Mire szolgál az alaplap? Mi a BIOS szerepe? Hogyan történik a PC-kben a megszakítások kezelése? Mi a különbség az XT és az ART megszakítás kezelése között? Mi a PCI sín megszakításkezelésének a lényege? Hogyan történik a DMA átvitel a PC-kben? Mi a szerepe az időzítő áramkörnek? Mire szolgál az óra áramkör? Mi a billentyűzet vezérlő szerepe? Mi a rendszervezérlő? Mire szolgálnak a sínrendszerek? Milyen jellemzői vannak az AT sínnek? Miben nyújt többet a PCI sín a VESA sínhez képest? Hol használatos a PCMCIA sínrendszer? Mik a jellemzői a PCMCIA sínrendszernek? Mire szolgálnak a chipkészletek? Mi az AGP? Hogyan zajlik az AGP ciklus? Milyen esetekben gyorsabb az AGP sínes kártya a hagyományos kártyához képest? Mi az USB port működési elve?
25
3. A processzor A mikroszámítógép szíve a CPU (Central Processor Unit, központi feldolgozó egység). Ez az egység végzi a numerikus műveleteket, az összeadást, kivonást, szorzást, osztást stb., a logikai műveleteket ÉS, VAGY,·NEM. összehasonlítás stb. és az időzítési műveleteket. A CPU műveleteket egy utasításból álló halmaz vezérli. Ezt nevezzük programnak. A programot a memóriában tároljuk, ugyanúgy, ahogy a feldolgozandó adatokat és a kiszámított eredményeket is. A CPU önmagában nagy lehetőségeket rejtő, de életképtelen eszköz. A processzor csak azt tudja megcsinálni, amit megmondunk neki. Tehát két számot akkor és csak akkor tud összeadni, ha megmondjuk neki, hogy hol találja az egyik és hol a másik számot, mit kell vele csinálnia és az eredményt hova rakja. Ezeket az információkat közöljük a CPU-val, amikor egy utasítást kiadunk neki. Tehát ha bármit el akarunk végeztetni a CPU-val, a feladat algoritmusát kell megfogalmazni az utasításkészlettel. Mivel a processzor csak "egyszerű" műveleteket képes elvégezni, ezért az elvégzendő feladatot is nagyon egyszerű lépésekre kell lebontani. 3.1. Processzorok felépítése Külső csatlakozások és működésük A külvilággal különböző funkciójú vezetékeken keresztül történik meg az információcsere. Vannak olyan vezetékcsoportok, melyek funkcionálisan egy csoportba tartoznak. Ezeket a csoportokat nevezzük síneknek, vagy az angol elnevezés alapján buszoknak (Bus). Alapvetően három fő csoportot különböztethetünk meg, melyek a következők: Címsín A memória vagy a perifériák és a processzor közötti adatcsere címek segítségével történik. A címvezetékek csoportját nevezzük címsínnek (Address Bus). A címsín szélessége változik a processzorok típusától függően. Kezdetben 20 bites volt, ma már akár 36 bites címsínt is találunk egyes processzoroknál. A címsín mérete meghatározza a maximálisan megcímezhető fizikai memória méretét. A jellemző értékeket az alábbi táblázat tartalmazza. A címsín szélessége 20 24 32 36
A maximálisan megcímezhető fizikai memória 1 Mbájt 16 Mbájt 4 Gbájt 64 Gbájt
Adatsín Az adatok is párhuzamos futó vezetékekben haladnak az egyes egységek között. Ezeknek a vezetékeknek a közös neve adatsín (Data Bus). Az adatsín különböző számú biteket tartalmazhat. A fejlődés során a 16 bites, majd a 32 és ma már a 64 bites adatsín a jellemző érték. Az adatsín szélessége meghatározza az adatátviteli sebességet, mivel négyszer szélesebb adatsín négyszer nagyobb átviteli sebességet képes produkálni. Az adatátviteli sebesség mértékegysége a bájt/s, vagy ennek a prefixumos változatai, mint a Kbájt/s, a Mbájt/s és a Gbájt/s. Vezérlő sín A processzor és a rendszert alkotó többi egység közötti kommunikációt vezérlőjeleket nevezzük vezérlőjeleknek. Ezekből is több található, minél modernebb egy processzor, annál több. A vezérlőjelek csoportját nevezzük vezérlősínnek (Control Bus). A rendszervezérlő jelek mindig a processzoroktól függenek.
26
Rendszer órajel A számítógépekben minden művelet, tekintet nélkül annak típusára, csak a megadott időpontokban törtéhet meg. Ezeket az időpontokat egy jel határozza meg, melynek az elnevezése órajel (Clock). Ennek frekvenciája alapvetően meghatározza a rendszer sebességét és teljesítményét. Az órajel sebességét az időegység alatt bekövetkező állapotváltozás ,jelenti (frekvencia), melynek mértékegysége a Hz vagy ennek prefixummal ellátott többszörösei (KHz, MHz). A Hz egy tízes számrendszerbeli mértékegység, tehát az 1 KHz az 1000 Hz és 1 MHz az 1 millió Hz. Ha tehát növeljük az órajel frekvenciáját, akkor növekedik a processzor és az egész számítógép sebessége is. A processzorok hatalmas változáson mentek át, amely elsősorban a sebességben mutatkozott meg. Ezt a növekedést a perifériák sebességének növekedése nem tudta követni. Ez azt jelenti, hogy hiába dolgozna a processzorunk nagyobb órajellel és így nagyobb sebességgel, ha vannak nála lassabban működő eszközök is a rendszerben. Ha egy lassabb eszköznek szeretnénk adatot küldeni nagyobb sebességgel, mint amilyen gyorsan képes azokat fogadni, akkor adatvesztés léphet fel, ez pedig a számítógép működésének rendellenességét vonja maga után. Ebbő1 következik, hogy minden rendszerben a maximális sebességet a leglassabb eszköz határozza meg. A processzorgyártók egy ügyes technikát fejlesztettek ki ennek a korlátnak a ledöntéséhez. A processzorokba beépítettek egy áramkört, mely képes a külső órajelet megtöbbszörözni. Így tehát a processzor nagyobb, míg a perifériák kisebb sebességen működnek. A működésük szinkronban marad, mert a rendszer órajelét többszörözzük meg. A többszörözés értéke 1 és 5 közé eső szám fél számokkal növelve ( 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5) Nézzünk meg erre a megoldásra egy példát: Legyen a rendszer órajele 66 MHz. A processzoron állítsunk be 4x szorzást, így ez 264 MHz-en működik (266MHz a szabványos). A PCI sín órajele a rendszer órajelének a fele, tehát 33 MHz. Az ISA sín pedig a PCI sín órajelének az 1/4-vel működik, vagy 8,3 MHz-el. Belső egységek és működésük A processzorok tartalmaznak olyan elemeket, melyek a működéshez elengedhetetlenül szükségesek. Ezek minden processzorban egyformán megtalálhatók. A processzor egy általános, nagyon leegyszerűsített felépítését az ábra mutatja. A későbbiek folyamán majd az egyes processzorok részletes ismertetésénél megadjuk a belső felépítés blokkdiagramját (sajnos nem állt rendelkezésre minden típusról a belső felépítés). Akkor nézzük át, hogy melyek is azok az egységek, melyek minden processzornál megtalálhatók. Megjegyezzük, hogy egyes egységek a harmadik-negyedik generációs processzoroktól kezdve találhatók meg. Ez nem jelent problémát, mert az ennél régebbi processzorokat ma már sehol sem használják.
Regiszterek A regiszterek a processzor műveletvégzése során használt adatok átmeneti tárolására szolgálnak. A regiszterek elérése nagyon gyors, még az elsőszintű cache-nél (átmeneti tároló, lásd később is nagyobb sebességgel érhető el. Mindez köszönhető annak, hogy processzor és a regiszterek fizikailag egy egységet alkotnak, össze vannak integrálva. Tehát a processzor és a regiszterek működési sebessége azonos és szinkronban vannak egymással. Ez azt jelenti, hogy ha egy regiszter tartalmára szükség van, akkor az azonnal rendelkezésre áll. A regiszterek fontos jellemzője hogy mennyi adatot képesek tárolni. Az az optimális helyzet, ha ennek mértéke pontosan megegyezik a processzor által feldolgozható adatok bitszélességével. Bus Interface Unit A busz interfész egység a 80386-os család processzorainak kapuja a külvilágba. Bármely egyéb egység, amelynek külső adatra van szüksége, a BIU-hoz fordul adatért. Ha valamely utasítás adatot akar a memóriába vagy I/O-csatornába írni, az adat és a cím a BIU-hoz kerül, amit a BIU a sínre helyez. A BIU csak a fizikai címmel foglalkozik, ezért az operandus címeknek először át kell haladniuk a szegmentáló és a lapozó egységeken.
27
Egész végrehajtó egység Ez a blokk végzi el az egész számokkal végzendő műveleteket. Minden matematikai művelet visszavezethető az összeadásra és a kivonásra. A PC-kben a legtöbb számítási művelet egész számokkal történik. Lebegőpontos végrehajtó egység Az adatok, mint már említettük kétféle típusúak lehetnek, egész és lebegőpontos számok. Az előbbiről már ejtettünk szót az előző oldalakon. A lebegőpontos szám megfelel a matematikában használatos normál alaknak. 2000=2* 10 , ahol 2 szorzó, a 10 az alap és a 3 a kitevő. A számítástechnikában az elnevezések egy kissé máshogy alakulnak. A lebegőpontos számok általános alakja a következő: m*ak, ahol az m a mantissza, ami 0 és 1 közé eső szám, az a az alap és a k a karakterisztika. A lebegőpontos számok tárolása ennek megfelelően történik, vagyis három részletben. Külön tároljuk az alapot, külön a mantisszát és külön a kitevőt. Ezzel a módszerrel a maximálisan ábrázolható szám sokkal nagyobb, mint az egész számok esetében. A lebegőpontos számokkal végzett műveletek igen sok időt igényelnek, mert sok lépéből tevődnek össze. A főbb, lépések leegyszerűsítve a következők, ha két lebegőpontos számot szeretnénk összeadni: -
Az első szám beolvasása. Az első szám mantisszájának beolvasása. Az első szám kitevőjének beolvasása. A második szám Az második szám mantisszájának beolvasása. Az második szám kitevőjének beolvasása. Az összeadás elvégzése (ez magában több művelet elvégzését jelenti, mivel ez matematikailag is bonyolult művelet). Az eredmény kiírása Az eredmény mantisszájának eltárolása. Az eredmény kitevőjének eltárolása.
Ebből a jelentősen leegyszerűsített folyamatból is látható, hogy bizony igen hosszú ideig tart két lebegőpontos szám összeadása. A szorzás pedig még ennél is rosszabb, mert annyi összeadást kell végezni, mint amennyi a szorzó értéke. Ennek felismerésnek a folyományaként jöttek létre a lebegőpontos műveletek számítására optimalizált processzorok, amelyek a rendszer processzorjának a válláról leveszik ezeket a számítási műveleteket. Az egész számokkal végzett számításokat továbbra is a rendszer fő processzora végzi el. A matematikai társprocesszorok (így is nevezik a lebegőpontos műveletvégző egységet) típusjelzése csupán annyiban tér el a processzorokétól, hogy az utolsó számjegy nem 6, hanem 7. Például a 8086-os processzor társprocesszorja a 8087 típusjelzést viseli. A 486DX processzoroktól kezdve a lebegőpontos egységet egybeintegrálják a processzorral. Ennek a megoldásnak többféle előnye is van, melyek a következik: Sokkal nagyobb működési sebesség érhető el. Ez annak az oka, hogy a processzor a társprocesszor közötti vezetékek hosszúsága jelentősen lerövidült, ami a kommunikációs sebesség növelését tette lehetővé. A processzor és a lebegőpontos egység jóval szélesebb adatokkal képes dolgozni, mint a processzor, mely biztosítja a gyors műveletvégzési sebességet. A processzor és az lebegőpontos aritmetikai egység közötti adatátvitelt speciális regisztereken keresztül történik, mely tovább növeli az egységnyi idő alatt elvégezhető műveletek számát. A későbbi, órajel többszörözést alkalmazó processzoroknál (lásd lejjebb) az FPU is képes a megnövelt órajel frekvencián működni.
28
Szegmentáló egység A szegmentáló egység alakítja a szegmentált címet lineáris címmé. Az átalakítás idejét a párhuzamos műveletvégzés majdnem teljes egészében elfedi. Egy cím átalakításához maximum egy óraciklus idő szükséges (de többnyire nulla). A szegmentáló egység tartalmaz egy cache-t, mely deszkriptortáblázat információt tárol a hat szegmensregiszter mindegyikéhez. Lapozóegység A lapozóegység a szegmentáló egység által szolgáltatott lineáris címeket alakítja fizikai címekké. Ha a lapozás nem engedélyezett, a lineáris cím azonos a fizikai címmel. Amikor a lapozás engedélyezett. a mikroprocesszor a lineáris címterületet 4096 bájtos lapnak nevezett blokkokra osztja. A lapok különböző fizikai címekre helyezhetők el. Utasításlehívó egység Az utasításlehívó egység feladata viszonylag egyszerű. Az utasításkódoló egység egy 16 bájtos sorból veszi a parancsokat, amit az utasításlehívó egység tölt tele. A lehívó egység folyamatosan kéri a BIU-t, hogy hozza ki a memória tartalmát a következő utasítás címéről. Amint az utasításlehívó egység megkapja az adatot, elhelyezi azt egy sorban, és amennyiben a sor nincs tele, kér egy újabb 32-bites memóriarészt. A BIU az utasításlehívó egység kéréseit kevésbé fontosként kezeli, mint a többi egységét. Az éppen végrehajtás alatt álló utasításoperandus kérései a legnagyobb prioritásúak, ugyanakkor az utasításlehívás a lehető leggyakoribb művelet. Utasításdekódoló egység Az utasításdekódoló egység feladata hasonló az utasításlehívó egységéhez. Az utasításlehívó a sorból egyedi bájtokat emel ki és meghatározza, hogy hány byte szükséges a következő utasítás végrehajtásához. A 80386-os utasításai 1-16 Bájt hosszúak lehetnek. Miután az utasításlehívó kiválasztotta az egész utasítást a sorból az utasításdekódoló egység átalakítja a műveleti kódot belső formátumú utasítássá és elhelyezi az utasítássorban, amelyben megadott számú utasítás fér el. Az utasítás-végrehajtó egység azonnal jelez a BIU-nak, ha a dekódolt utasítás memóriahivatkozást is tartalmaz. Ez lehetővé teszi, hogy az adott utasítás operandusai még a végrehajtás előtt betöltődjenek. Utasítás-végrehajtó egység Az utasítás-végrehajtó egység a CPU azon része, amely bármilyen műveletet elvégez (léptet, összead, szoroz, stb.), ami egy utasítás végrehajtásához szükséges. A regiszterek a végrehajtó egységen belül találhatók. Az utasítás-végrehajtó egység logikai része több-bites léptetést tud végrehajtani egy óraciklus alatt. Az utasítás-végrehajtó egység ezt a képességét nem csak a léptetéseknél használja ki, hanem szorzások felgyorsításához és a címindexek generálásához is. Az utasítás-végrehajtó jelez a BIU-nak, ha adatot kell a memóriába vagy valamely I/O-csatornára küldenie. Elsődleges cache-vezérlő Minden modern processzor tartalmaz egy integrált cache memóriát. Ennek elérési sebessége nagyon gyors, mert a processzor sebességén vagy közel ilyen sebességen képes működni. A memória olvasás esetén nem csak az éppen szükséges adatot és/vagy utasítást olvassuk ki, hanem az ezt követőeket is. Ez a módszer annak a megfigyelésnek az eredménye, hogy a memória olvasás esetén, ha nincs ugróutasítás, akkor a következő olvasás a következő címről történik. Ha tehát egy olvasás esetén egyszerre egy akkora blokkot olvasunk be, mint amekkora a cache mérete, akkor ezek elérése sokkal gyorsabban lehetséges, mint a külső memóriából. Olvasás esetén a processzor mindig megnézi, hogy a cache-ben megtalálható-e a szükséges információ. Ha igen, akkor beolvassa onnan azt, ellenkező esetben a memóriához kell fordulnia. Ugrás esetén természetesen a beolvasott adatokra nincs szükség, ezért ki kell üríteni a cache-t és a megfelelő memória címről be kell olvasni az új adatokat és utasításokat . Az ürítés időt vesz igénybe, mialatt a processzor semmit sem csinál. Ennek kivédése érdekében különböző technikákat alkalmaznak, amelyek intelligens módon próbálják meg előre megjósolni az ugróutasítások eredményét, így a felesleges műveletek kimaradnak.
29
A belső cache memóriát mind az utasítások, mind az adatok tárolására használhatja a processzor. Ebből a szempontból kétféle cache memóriakezelést különböztethetünk meg. Az egyik módszer szerint egy közös cache-t használnak az adatok és az utasítások tárolására is Ezek vegyesen találhatók a cacheben. A másik módszer szerint külön utasítás- és külön adatcache-t használunk. Ez a megoldás előnyösebb, mint a közös tároló használata, mert így egyidőben elérhetők az adatok és az utasítások is. Ebből következik, hogy azonos cache méret mellett a különválasztott szervezéssel nagyobb összteljesítményt tudunk elérni. A tipikus cache méret 8 Kbájt és 64 Kbájt között változik az egyes processzor típusok esetében. Egy szintig igaz, hogy a nagyobb cache méret nagyobb műveletvégzési sebességet jelent. Ha azonban túl nagyra választjuk meg a cache méretét, akkor annak két következménye is lesz. Az egyik, hogy a cache kialakítása nagyon drága, mert igen sok alkatrészből állnak. Ezért a nagy cache annyira megdrágítja az előállítást, hogy a költségráfordítás több mint, a vele szerzett teljesítménynövekedés. A másik következmény, hogy a nagy cache-ben több információ elfér. Minél nagyobb ez az érték, annál tovább tart a keresés ebben. Elérhetjük azt a helyzetet is, hogy a keresési idő hosszabb lesz, mint a külső memóriaművelet. Ekkor pedig amellett, hogy jelentősen megdrágítottuk az áramkört, még lassítottunk is a műveleteken. Utasítás készlet A processzorok feladata, hogy az utasításokat megadott sorrendben végrehajtsa. Ezeket az utasításokat a programozó határozza meg és a végrehajtás eredménye kihat a rendszer működésére. A processzor és ezzel együtt a rendszer teljesítményét alapvetően az határozza meg, hogy az utasításokat milyen sebességgel lehet végrehajtani és ezek mekkora változást eredményeznek a rendszer működésében. A fejlesztőmérnökök célja, hogy minél gyorsabb és nagyobb teljesítményű processzorokat készítsenek el. A sebességnövelésnek két módja van, vagy az utasítások végrehajtási idejét rövidítjük le vagy az utasítások komplexitását növeljük meg. Az előbbi azt jelenti, hogy vagy az utasítások végrehajtási idejét lecsökkentjük, melyet felfoghatunk úgy, mint ha a processzor órajelét megnöveltük volna. A komplexitás azt jelenti, hogy egy utasítás végrehajtásának eredménye egyezzen meg akár több utasítás egymás utáni végrehajtásának eredményével. Az ideális az lenne, ha mindkét módszert egyszerre alkalmaznánk, azonban ennek technikai és gazdasági okai vannak. Ezek alapján a processzorok alapvetően két irányba fejlődtek, a RISC (Reduced Instruction Set Computer, csökkentett utasításkészletű számítógép) és a CISC (Complex Instruction Set Computer, összetett utasításkészletű számítógép) vonalon. A CISC processzoroknak az utasításkészlete bőséges, az utasítások többsége összetett, egy utasítás lehetőség szerint több funkciót is magában foglal. Ezzel szemben a RISC processzorok utasításkészlete jelentősen szegényebb, azonban ezeket rendkívül gyorsan és nagy hatékonysággal képesek végrehajtani. Annak eldöntése, hogy melyik technikát használjuk, nem egyszerű feladat. Általában igaz, ha egy programot kifejlesztettek egy adott technikára, akkor az meg is marad annál. A PC-k esetében a CISC processzorok terjedtek el, míg a nagy teljesítményű szerverekben és grafikus alkalmazásokat futtató gépekben elsősorban RISC processzorok végzik a műveleteket. A RISC processzorok jelentősen drágábbak, mint a CICS processzorok, bár ezt is nehéz megmondani. A RISC processzorok azonos órajel mellett általában nagyobb hatékonysággal és nagyobb sebességgel képesek futtatni az alkalmazásokat, mint a CISC processzorok. x86-os utasításkészlet Azokat az utasításokat, melyek nem vagy csak kis mértékben változtak a 86-os család megjelenése óta, x86-os utasításoknak nevezzük. Ezeket minden, ebbe a családba tartozó Intel és minden ezekkel kompatibilis processzor ismer és képes végrehajtani. Az elmúl 15 év alatt ezek az utasítások nem változtak, bár egy-egy újabb családtag megjelenésével kibővültek. Pentium és Pentium Pro utasításkészlet Az Intel a Pentium és Pentium Pro processzorok esetében néhány újabb utasítással bővítette ki az utasításkészletet. Ezeket a parancsokat nevezzük Pentium kiegészítésnek. Néhány program (elsősorban a játékok) ezeknek a felhasználásával képesek a rendszer teljesítményét optimálisabban kihasználni.
30
Vannak processzorok, melyek magukat valódi Pentium kompatibilisnek írják le, azonban ezek inkább csak kompatibilisek. Ez azért van, mert az Intel nem adta ki a Pentium processzorok felépítését, ezért a klón gyártók inkább csak találgattak. Ennek eredménye. hogy ezek bizony kisebb-nagyobb mértékben különböznek az eredeti Pentium processzoroktól. A kompatibilitás az x86 utasítások szintjén maximális. Ez a tény azt eredményezi. hogy nem ugyanúgy futnak az egyes programok az eredeti és a kompatibilis processzorokon. A legrosszabb esetben - bár nagyon ritkán fordul elő - a program nem is képes futni a nem eredeti processzorokon. Ilyen szoftver például az Windows NT, melyhez egy füzetet mellékelnek, hogy mely egységekkel - így a processzorokkal is - kompatibilisek. A helyzetet bonyolítja, hogy a kompatibilis processzorok is tartalmaznak a teljesítményüket növelő utasításokat, melyek az x86-os készletben nem találhatók meg. Általános esetekben ezeket nem használják ki a szoftverek. Ez azonban nem általános. Pentium MMX utasításkészlet Az utóbbi években egyre nagyobb utat tört magának a multimédia a számítástechnika piacán. A képés hangfeldolgozó programok egyre nagyobb és nagyobb számítási teljesítményt követeltek meg a processzoroktól. Ezek a számítások azonban nagy részt azonosak voltak, ezek ismétlődtek, bár a végrehajtásuk számításigényes volt. Megjegyzés: Vannak olyan processzorok, melyek az analóg jelekkel kapcsolatos műveleteket nagyon gyorsan képesek elvégezni. Erre úgy volt mód hogy ezeket az utasításokat hardverből tudja elvégezni akár egy órajel ciklus alatt. Ezeket a processzorokat nevezzük digitális jelfeldolgozó processzoroknak (Digital Signal Processor, DSP), míg magát a folyamatot digitális jelfeldolgozásnak (Digital Signal Processing, DSP) nevezzük. A két fogalom nem keverendő össze. Sajnos a PC-kben alkalmazott processzorok nem támogatják ilyen szinten ezeket a műveleteket, de sokáig nem is volt erre szükség. A probléma áthidalására az Intel az x86 utasításkészletet kibővítette 57 olyan utasítással, melyek a multimédiához kapcsolódó leggyakoribb számításokat képesek elvégezni. Az MMX utasításokat elsősorban a játékok, valamint a kép- és hangfeldolgozó programok tudják maximálisan kihasználni. A mai modern processzorok mindegyike rendelkezik MMX utasításkészlettel. x86 emuláció A modern kompatibilis processzorok már alkalmaznak RISC alapokat is. Ennek az egyik következménye, hogy már nem kompatibilisek hardverből az x86-os processzorokkal. A gyártók viszont nem estek abba a hibába, hogy a kompatibilitást megszüntessék. A probléma megoldásához beépítettek egy olyan áramkört. mely az x86-os utasításokat lefordítja a processzor RISC utasításaira. Tehát a processzor tulajdonképpen emulálja az x86-os processzorokat a kompatibilitás megtartása érdekében. A jövő... A fejlődés már egyre inkább abban az irányban halad, hogy megszűnik a hardver kompatibilitás a régebbi processzorokkal. Ez a tendencia az újabb processzorok kibocsátásával egyre egyértelműbbé válik. Ma még merészség lenne azt állítani, hogy az x86-nak vége, de az „alagút végén” már ez látszik. A processzorgyártók a sebességnövelés érdekében már egyre inkább rákényszerülnek a RISC technika beépítésére a processzorokba. Ez pedig magával vonja a hardver kompatibilitás megszűnését. Ennek a bekövetkezése esetén a szoftvereket is újra kell írni, optimalizálni kell az új technológiára. Ez azonban még a jövő zenéje és ha valahol nem lehet jósolni, akkor az a számítástechnika. 3.2. Processzor üzemmódok Valós üzemmód A processzorok valós üzemmódban nem működnek, mint a 808C,-os processzorok. Ez biztosítja a teljes körű lefelé kompatibilitást a processzorcsaládon belül. A processzor csak 20 címbitet használ. így :1 maximálisan megcímezhető memória mérete 1 Mbájt. Minden processzor rendelkezik ezzel az üzemmóddal és a számítógép induláskor ebbe az üzemmódba lép és csak ezután lehet átkapcsolni a védett üzemmódra. .
31
Védett üzemmód A 286-os volt az első processzor, mely elsőként támogatta ezt az üzemmódot. Lehetővé teszi modern, multitaszk rendszerek használatát. A következő előnyöket nyújtja a valós üzemmódhoz képest: - Teljes hozzáférés a memóriához, az 1 Mbájtos határ megszűnt. - Multitaszk képesség, mely azt jelenti, hogy az operációs rendszer felügyelete alatt többprogram futhat egymással párhuzamosan azonos időben. - Virtuális memória használatának lehetősége, mely lehetővé teszi a processzor számára, hogy a merevlemezt használja kiegészítő memóriaként a programok futtatásához, ha az szükséges. - Gyorsabb 32 bites memória hozzáférés. - Gyorsabb 32 bites IO hozzáférés. Az üzemmód már a 286-os processzorban is megvolt, bár a DOS operációs rendszer korlátozott képességei miatt nem lehetett kihasználni. Meg kellett várni a Windows programot, mely az elsők között támogatta a multitaszkos programvégrehajtást. Ma már minden operációs rendszer védett módot használ, még a DOS is. Ez utóbbi rendelkezik egy DPMI nevű modullal, mely lehetővé teszi a védett mód használatát. A játékok is ma már szinte kivétel nélkül a védett módot választják futtató környezetként a meghízhatóbb és több lehetőséget tartalmazó működés miatt. A 386-os processzor különleges üzemmódja, mely lehetővé teszi, hogy a 8086-ra írt programok egy 32 bites operációs rendszer felügyelete alatt fussanak. A szoftver lehet akár egy operációs rendszer is. Amikor egy program virtuális védett üzemmódban fut, akkor úgy látja, mint ha egy R086-os processzoron futna. Ezzel szemben valójában egy 32 bites környezetben fut, rendelkezve annak minden elérhető rendszererőforrásával. Ez az üzemmód teljes mértékig a kompatibilitást szolgálja és a 386-os processzoroktól kezdve minden processzor támogatja ezt az üzemmódot. Csővonal (Pipeline) Ez a technika az utasítás végrehajtás gyorsítását tesz lehetővé. Ez azáltal valósul meg, hogy egy utasítás végrehajtása megadott számú részben történik. Ennek száma határozza meg a csővonal mélységét. Nézzük meg egy példán keresztül a működést, mivel úgy sokkal könnyebb megérteni. Tételezzük fel, hogy a csővonal mélysége 4, vagyis az utasítások végrehajtása négy lépésben történik. Beolvassuk az N. utasítást, ez az első lépés. A következő lépésben a beolvasott utasítást dekódoljuk. Eközben az első egység már beolvassa az N+1. utasítás kódját. Harmadik lépésként be kell olvasnunk az N. utasítás operandusait, mialatt az első egység már olvassa az N+2. utasítást és már dekódoljuk az N+l utasítást. Negyedik lépésben megtörténik az N. utasítás végrehajtása. Az első egység már olvassa az N+3. utasítást, a második dekódolja az N+2. utasítást, míg a harmadik olvassa az N+1 . utasítás operandusait. A működésből látszik, hogy kívülről úgy tűnhet, mintha a processzor a példánál maradva négyszer annyi utasítást hajt végre, mint a hagyományos, soros végrehajtás esetén. Ez így igen hatékonyan működik, de ha például egy ugróutasítás a végrehajtandó utasítás, akkor az azután beolvasott utasításokra nincs szükség. A processzor ilyenkor egyszerűen kiüríti a csővonalat. Azonban a következő utasítás úgy tűnik, mint ha négyszer olyan hosszú ideig hajtódott volna végre, mint a többi. Annak érdekében, hogy az ilyen hibás beolvasások csak ritkán, vagy optimális esetben soha ne következzenek be, különböző technikákat használnak. Minél modernebb egy processzor annál eredményesebben működnek ezek, ezzel is tovább növelve a teljesítményt. A pipeline technikát már a 386-os processzortól kezdve használják. a szintek száma egyre növekszik. Natív utasítás végrehajtás A natív utasítás végrehajtás esetén a processzor közvetlenül képes az x86-os utasításkészlet parancsait végrehajtani, RISC utasításokra alakítás nélkül. A lépések a következők: - Fetch (Utasításbehívás): Az első lépésben betöltődik az utasítás. Ez az állapot nem foglalja magában a közvetlen memória olvasását, mert annak elérési ideje nagyon lassú. Speciális vezérlő áramkör olvassa be az utasítás blokkot az elsődleges utasítás cache-be. Az utasításblokk mérete 16 vagy 32
32
-
-
-
bájt. Ez a blokk hozzáférhető a gyors beolvasás biztosítása érdekében a végrehajtó egység számára. Néhány processzor tartalmaz olyan különböző egységet, mely megcsinálja ezt a műveletet. Dekódolás (Decode): Ez a lépés az utasítás dekódolását (felismerését) végzi el. A beolvasott utasítást értelmezi, majd továbbadja a következő egységnek. Néhány processzor több dekódoló egységet használ párhuzamosan a teljesítmény növeléséhez. Címszámítás (Address Generate): Néhány utasításnak szüksége van a memóriában lévő adatra, amelyekkel műveletet végeznek. Ebben a lépésben történik meg a memóriacím kiszámítása, meghatározása a dekódolt utasítás alapján. Végrehajtás (Execute): Az aktuálisan beolvasott és dekódolt utasítás végrehajtására szolgá1. Tehát az előző állapotok eredményeit használja fel. Visszaírás (Write Back): Ha az utasítás végrehajtása megtörtént, egyes esetekben keletkezhet az adott utasításnak eredménye. Ebben a lépésben ezt az eredményt írjuk be egy belső regiszterbe vagy a memóriába. A memória írás a processzor sebességéhez képest nagyon lassú, ezért először a memória pufferbe kerül az adat. Ezt majd beírjuk a memóriába vagy a cache-be, ha lehetőség adódik rá. Ennek a módszernek a használatával nem fogjuk vissza a processzor teljesítményét a memória várakozás ideje alatt sem.
x86 fordítás végrehajtási lépései -
-
Utasítás lehívás ciklus az első lépés. Beolvassa végrehajtó egység számára az utasítást. A lassú memória elérés miatt nem ez az egység csinálja a közvetlen memória olvasást. Egy speciális vezérlő áramkör egy hosszabb blokkot (16 vagy 32 bájt hosszúságút) olvas be az első szintű utasítás cachebe. Dekódolás állapot a beolvasott utasítás értelmezését végzi el. Néhány processzor több dekódoló egységet tartalmaz, ezek párhuzamos használatával gyorsítva a dekódolás műveletét. Probléma / Ütemezés Végrehajtás: A beolvasott és értelmezett utasítást hajtjuk végre ebben ciklusban. Visszavonulás Visszaírás: Egyes utasításoknak a végrehajtása után eredmény keletkezik. Ebben a fázisban ezt az eredményt írjuk az adatcache-be vagy a memóriába. A memória közvetlen írása lassú, ezért az eredmény az írási pufferekbe kerül. Innen kerül majd a memóriába, ha a memória kész az adatot fogadni. Ezzel a megoldással nem fogjuk vissza a processzor működését.
3.3. Teljesítménynövelő felépítésbeli tulajdonságok Szuperskalár felépítés Több végrehajtó egységet tartalmaznak, ami lehetővé teszi, hogy a processzor egy időben több utasítást hajtson végre. Ez felfogható úgy is, mint egy belső többprocesszoros működés. Csővonal elv A módszer angol elnevezése pipeline. A működésének jellemzésére nagyon találó a név, mivel úgy is működik, mint egy csővonal. Az utasításokkal kapcsolatos műveleteket részekre osztjuk. Minden rész végrehajtását különálló áramkör részlet végzi el. Ha egy egység végzett a saját, az aktuális utasításra vonatkozó feladatával, már a következő utasítással végezheti el ugyanezt a műveletet. Ennek a módszernek az előnye, hogy látszólag a processzor többször annyi műveletet végez el ugyanannyi idő alatt. Az, hogy mennyi a többször, a csővonal melysége, vagyis a műveletegységek száma adja meg. Tehát ha 4-szeres pipeline-t használ a processzor, akkor virtuálisan 4-szer több műveletet képes elvégezni egységnyi idő alatt. Ezekből látható, hogy minél mélyebb, minél több szintből áll a csővonal annál gyorsabban lehet az utasításokat feldolgozni, tehát annál gyorsabb a processzor működése. A csővonalba az utasítások folyamatos memóriacímről érkeznek, tehát lineárisan következnek egymás után. Ha azonban a végrehajtandó utasítás egy olyan utasítás, melynek eredményeként a következő parancsot nem az ez utáni, hanem egy teljesen más címről kell beolvasni, akkor már a csővonalban lévő utasítások nem kerülnek végrehajtásra, vagyis feleslegesen olvastuk be őket. Ha ilyen, például ugróutasítás van végrehajtás alatt,
33
akkor a csővonalat ki kell üríteni és az új címről beolvasni az új utasítást. Ekkor úgy tűnhet, hogy ennek a végrehajtási ideje többször olyan hosszú, mint az ezelőtti utasításoké. Annak érdekében, hogy lehetőleg ne kelljen kiüríteni soha a csővonalat, különböző módszereket dolgoztak ki, melyeket a következőkben ismertetünk. Szuper-csővonal (Superpipelining) A csővonal több lépcsőből áll, mint egy szimpla csővonal. Elméletileg a több lépcső használatával az egyes lépcsők kevesebb munkát végeznek, ezért lehetőség nyílik magasabb órajel frekvencia használatára. Jósolt végrehajtás és utasítás ugrás előrejelzés A gyors processzorok egy időben több utasítást hajtanak végre. Ha egy éppen végrehajtott utasítás után egy olyan utasítás következik, mely megváltoztatja a programlépések végrehajtásának sorrendjét (mint például az ugróutasítások), akkor ennek eredménye nem kerül felhasználásra. Ebben az esetben a processzor feleslegesen végezte le ezt a munkát. Ezért szükség van egy olyan áramkörre, mely megjósolja az előző utasításból, hogy mi lesz a következő. A végrehajtás ennek megfelelően fog végrehajtódni. Ha a jóslás eredményes volt, akkor időveszteség nélkül folytatódhat a program végrehajtása. Ellenkező esetben a hibásan végrehajtott utasítás eredményét eldobja a processzor és végrehajtja a helyes utasítást. A jóslás minősége meghatározza az utasítás végrehajtás hatékonyságát és ezzel együtt a sebességét. Nézzünk meg egy ilyen programrészletet, melyben az A, B és a C betűk változókat jelentenek. IF A = B THEN C=C+1 ELSE C = C -1 END IF Vizsgáljuk meg a működését ennek a kis programrészletnek. Ha A=B, akkor C értékét meg kell növelnünk 1-gyel, ha azonban nem, akkor C-t csökkenteni kell 1gyel. A beolvasáskor első lépésként beolvassuk az első sort, mely a feltételt tartalmazza. Ezután beolvassuk a második, majd a harmadik sort, és így tovább. Tegyük fel, hogy A nem egyenlő a B változóval. Ekkor nem kell végrehajtani a második sorban lévő utasítást, hanem csak a negyedik sorban lévőt. Tehát feleslegesen olvastuk be a második sort, ezzel időt vesztettünk. Ha azonban egy egység képes meghatározni már az utasítások beolvasását előtt, hogy melyikre lesz szükség, akkor csak azt kell beolvasnunk és így időt nyerhetünk. Most mondhatja a tisztelt Olvasó, hogy az az idő, amit a processzor az utasítások beolvasásával tölt jelentéktelen, mivel csupán ns (a másodperc egymilliárd része) vagy μsról (a másodperc egymilliomod része) van szó. Ez így igaz is, azonban ha figyelembe vesszük, hogy program több millió utasításból is állhat, akkor ebből már akár másodperces késleltetések adódhatnak. 3.4. Processzortípusok Miután nagy vonalakban megismerkedtünk a központi feldolgozó egység belső felépítésével, nézzük meg, hogy milyen processzorokat használnak a PC-kben. A PC-k az Intel cég 8086-os processzorára vagy annak fejlettebb változataira épülnek. Ezek a processzorok egy egész családot alkotnak. A család neve x86 család. A típusjelzésben csak a 80 után lévő szám jelöli a fejlettebb processzorokat, az utolsó két számjegy szintén megegyezik (80286, 80386 és 80586). Ezzel a jelölésmóddal az Intel szakított, amikor kihozta a Pentium processzorát. Ez már nem egyértelműen CISC processzor, felfedezhetőek benne a RISC jegyek is. Ettől a típustól kezdve a számmal történő jelölés megszűnt. A PC-k megjelenése után felbukkant két új gyártó, melyek olyan processzorokat készítettek, melyek kompatibilisek az eredeti Intel processzorokkal az esetek többségében minden tekintetben. Néha azonban jobb, néha pedig rosszabb teljesítményt produkálnak, mint az eredetiek.
34
3.4.1. Első generációs processzorok: 8086 Mint már említettük a 8086 volt az első processzor, melyet a PC-kbe beépítettek. Ez egy 16 bites processzor, nevét a 16 bit szélességű adatsínről kapta. A címsín 20 bit szélességű, ezzel több mint 1 millió rekesz, pontosan 1 Mbájtot tud megcímezni. Három, különböző sebességű változat terjedt el, a 4,77 MHz, a 8 MHz és a 10 MHz-es típus. Ez még 40 lábú DIP tokozással készült. Matematikai társprocesszort külön áramkör formájában lehetett csatlakoztatni hozzá. Ennek típusjele 8087 volt.
8088 Az IBM XT (Extended Technology, kiterjesztett technológia) ezzel a processzorral készszült. Belső felépítése megegyezik a 8086 felépítésével, azonban kifelé csak 8 bites az adatsín szélessége. Azért készítették el, hogy egyszerűbb legyen számítógépeket építeni a felhasználásával. 40 lábú DIP tokozású, a társprocesszort szintén külön áramkör formájában lehet csatlakoztatni hozzá. 3.4.2. Második generációs processzorok 80186/80188 A 8086/8088 továbbfejlesztett, kibővített változata. Egy alkatrészen belül valósítottak meg egy konkrét mikroszámítógépet, amihez már csak memóriát kell csatlakoztatni a működéshez. Sokféle ipari vezérlőrendszerben alkalmazzák, a PC-knél nem terjedt el.
80286 16 bites processzor, amit 16 bit széles adatsín és 24 bit széles címsín jellemez. A 24 bites címsínnel 16 Mbájt memória megcímzésére képes. Kétféle üzemmódja van, a valós és a védett. Természetesen a 16 Mbájtos memóriát csak védett üzemmódban képes kezelni, valós módban meg kell elégednünk az 1 Mbájtos maximális területtel. A megnövekedett lábszám miatt a tokozáson változtatni kellett, már PGA tokozásban került forgalomba. A matematikai társprocesszort, melynek 80287 a típusjele az alaplapon kialakított foglalatba beillesztve lehetett a 286-os processzorhoz kapcsolni. A sebességnövekedés a 8088 és a 80286-os processzor között nagyon nagy mértékű. Ez az adatsín szélesség megnövelésének, valamint a belső felépítés jelentős kibővítésének köszönhető. Az IBM ezt a processzort használta fel az AT (Advanced Technology, fejlett technológia) számítógépek gyártásához. 3.4.3. Harmadik generációs processzorok 80386DX Az Intel első, valóban 32 bites processzora a PC-k számára. A belső regiszterek valamint az adat- és címsínek is 32 bitesek. A 32 bites címsínnel 4 Gbájt memória fizikai címzésére van lehetőség. A 286-os és a 386-os processzor közötti sebességbeli növekedés nem olyan mértékű, mint a 8088 és a 286-os processzor között. A 386DX processzor megnövelt te1jesítménye és a kibővített processzor üzemmódok (teljes mértékig védett mód és virtuális valós mód) lehetővé tették a grafikus kezelői felülettel (GUI, Graphical User Interface) rendelkező operációs rendszerek kifejlesztését. Az utasításkészlete a standard, x86-os utasításokat foglalja magában. A 386DX processzor volt az első, mely alkalmazta a csővonal utasítás végrehajtást, ezáltal is növelve a teljesítményét. Az AMD és a Cyrix megjelentette a 386 kompatibilis processzorjait, melyek az Intel processzorokkal teljes kompatibilitást mutattak. Az Intel a processzorokat csak 33 MHz sebességig gyártotta, azonban az AMD és a Cyrix is készített 40 MHz-es változatot. Ezek teljesítménye abban az időben nagyon
35
kiemelkedő volt, a gyengébb 486-os processzorokéval összehasonlítható. Azonban természetesen már eljárt felettük az idő, ma már meglehetősen elavultak.
8088 Az IBM XT (Extended Technology, kiterjesztett technológia) ezzel a processzorral készszült. Belső felépítése megegyezik a 8086 felépítésével, azonban kifelé csak 8 bites az adatsín szélessége. Azért készítették el, hogy egyszerűbb legyen számítógépeket építeni a felhasználásával. 40 lábú DIP tokozású, a társprocesszort szintén külön áramkör formájában lehet csatlakoztatni hozzá.
80386SX A 386SX a 386DX processzor egyszerűsített változata. Az adatsín szélességét lecsökkentették 16 bitre, a címsín szélességét pedig 24 bitre. Ezzel 16 Mbájt fizikai memória címezhető meg. A 386Sx később jelent meg, mint a DX. A megjelenés célja az volt hogy a 286-os processzorokat kiváltsák egy azonos interfésszel rendelkező, de nagyobb teljesítményű processzorral A 386SX processzor nem illeszthető bele a 286-os alaplapba, mert a lábkiosztások nem kompatibilisek egymással. Ilyen alaplapba egy adapter közbeiktatásával 1ehet a 386SX processzort telepíteni. Az SX az azonos órajelű 386DX processzorhoz képest 20-25%-kal ; kisebb teljesítményt nyújt. A processzor nagyon népszerűvé vált a hordozható számítógépek piacán. Ez különösen igaz volt a 386 SL verziójára, mely rendelkezett az SMM-nek megfelelő energiatakarékos üzemmel. A processzor belülről 32 bites maradt aminek eredményeként képes futtatni a 32 bites programokat, bár nagyon lassan. A 16-33 MHz órajelű változatok készültek és az AMD és a Cyrix is elkészítette a maga 386SX kompatibilis processzorát. Mára már elavult. 3.4.4. Negyedik generációs processzorok 80486 DX A 486DX processzor az első tagja a 486-os családnak, melynek sokkal több tagja van, mint a 386-os családnak volt, igen nagy sebességnövekedést mutat a 386DX processzorhoz képest, sokkal nagyobbat, mint a 386 a 286-hoz képest. Az azonos órajelű 386DX processzorhoz képest 100-150%-os teljesítménynövekedést mutat. A 486DX processzor magával vonta a grafikus operációs rendszerek és felhasználói programok nagymértékű elterjedését. A 486DX processzor a teljesítmény növelése érdekében nem alkalmazott sínszélesség növelést, 32 bites adat- és 32 bites címsínnel rendelkezik. Ha megfigyeljük a belső felépítést, feltűnhet néhány újítás a 386-os processzorhoz képest, melyek a következők: Gyorsabb utasítás végrehajtási idő: a magon belül gyorsabban történik meg az utasítás végrehajtása. Mélyebb csővonal: A mélységet egy szinttel megnövelték, már 5-ös mélységű. Elsődleges cache: A 486 volt az első processzor, melyné1 bevezették a processzoron lévő első szintű cache-t, lecsökkentve ezzel a memória hozzáférések számát. Integrált aritmetikai társprocesszor: A processzorba integráltak egy lebegőpontos számításokat elvégző egységet, melynek teljesítménye jobb, mint egy 386-387 processzorpárosé. Burst mód: Beépítettek a processzorba egy burst módú memóriakezelő egységet, mely lerövidíti a memória hozzáférésének módját. Energiatakarékos üzemmód: Az SL verzió rendelkezik energiatakarékos üzemmóddal. Továbbfejlesztett számítógép felépítése: A 486-os alaplapok tartalmaznak egy másodszintű cache-t, mely tovább növeli a számítógép összteljesítményét. Az AMD és a Cyrix is fejlesztett 486DX processzort, de ezek nem terjedtek el a piacon.
36
80486SX A 486SX processzor megegyezik a 486DX processzorral azzal a különbséggel, hogy eltávolították az integrált lebegőpontos egységet. Ezt kívülről lehet csatlakoztatni, azonban az így nyújtott teljesítmény elmarad az azonos órajelű 486DX processzorok sebességétől. A 486SX processzorok 16, 20, 25 és 33 MHz-es sebességű változatban készültek. 80486DX2 és 486DX2 OverDrive A 486DX2 volt az első processzor, mely a külső órajelt megduplázta és a belső egységeket ezen a frekvencián működtette. Ez a módszer egyszerűbbé tette a sebesség növelését, mint ha az alaplap áramköreit módosították volna. A 486DX2 processzor 168 lábú tokozású, ami lehetővé teszi a már meglévő 486-os processzorok helyére történő illesztést, ha azok tudják az órajel többszörözést. A 169 lábú OverDrive processzorok a 386-os és 486-os processzorok feljavítására szolgálnak. Az Intel csak 50 és 66 MHz-es változatot készített, melyek 25 és 33 MHz-es órajellel működtek. Ezzel szemben a Cyrix és az AMD készített olyan DX2 kompatibilis processzort is, mely már 40 MHz-es külső órajellel működött, így a belső sebessége 80 MHz-re adódott. A kompatibilis processzorok gyártásánál az Intel processzorokhoz képest belső felépítés változtatás történt. Az alábbi áramkörökkel egészítették ki az eredeti architektúrát: Energiatakarékos üzemmód: Az SMM mód támogatása. Write-Back cache: Az elsődleges cache-né1 alkalmazott Write-Back technika kismértékű sebességnövekedést eredményez. Alacsonyabb teljesítményfelvétel: Ezt az leszi lehetővé, hogy már 3V-ról működnek, azonban behelyezhetőek az 5V-os alaplapba is mindenféle feszültségcsökkentő vagy átalakító áramkör felhasználása nélkül (ezt nevezik 5V tűrésnek).
80486DX4 vagy 80486DX4 OverDrive A DX4 a DX2-vel kezdődő fejlődést folytatta. A külső órajelet megháromszorozta, így a processzor háromszor gyorsabban működött, mint a memóriasín. Az Intel kétféle változatot készített, az egyik 75 MHz-es (25 MHz-es külső órajel sebesség), a másik pedig100 MHz (33 MHz-es külső órajel sebesség) volt. A teljesítményfelvétel optimalizálására a tápfeszültséget lecsökkentették 3,3V-ra. Az AMD és a Cyrix gyártott még olyan processzort is a fentieken kívül, mely 40 MHz-es órajellel működött 120 MHz-es belső sebességgel. A kompatibilis processzorok felépítése lehetővé tette, hogy a ' 3,3V-os processzort az 5 V-os foglalatba helyezzük, mindenféle segédeszköz nélkül. A kompatibilis processzorok 8 Kbájt cache-t tartalmaznak szemben az Intel 16 Kbájtos cache méretével. A cache-t az utasítások és az adatok megosztottan használhatják. Az Intel DX4 processzorok nem kerültek a piacra önálló processzorként egészen a Pentium processzorok megjelenéséig. A PC-k többségét az AMD processzorjaival készítették. Az OverDrive processzor jó alternatíva volt az olyan alaplapok számára, melyek nem támogatták a 3,3V-os tápfeszültséget. A DX2 és a DX4 processzorok mára már természetesen elavultak , azonban a 100 MHz-es változat igen jó eredménnyel futtatta az alap alkalmazásokat.
AMD 5x86 (Am80486DX5) Az Intel a 486DX4-100 processzorok készítésével úgy döntött, hogy már nem fejleszt negyedik generációs processzort és teljes egészében csak a Pentium processzorok gyártásával kezd el foglalkozni. Az AMD megmaradt ennél a generációnál és tovább bővítette az órajel többszörözés mértékét, a szorzószámot megnövelte eggyel: Az 5x86os processzor, bár azt sugallja az elnevezése, hogy ötödik generációs processzor, bár sugallja az elnevezése, hogy ötödik generációs processzor, mégis egy négyszeres órajel többszörözést használó 486-os processzor. Az alaplapnak támogatni kell az órajel négyszerezést és a 3,45V-os tápfeszültséget. A processzor már a 0,35 mikronos technológiával készült és a Socket3 foglalatba illeszkedik. A processzor olyan jó teljesítményértékeket mutatott, hogy az már összemérhető volt a Pentium 75 MHz-es processzorral. Még ma is meglehetősen sok, ezzel a processzorral szerelt számítógép van a felhasználók birtokában.
37
Cyrix 5x86 (M1sc) Bár a neve hasonló (ugyanaz), mint az AMD processzorjának a neve, a felépítése teljesen más. Míg az AMD az órajel többszörözést növelte meg, addig a Cyrix a processzor magját alakította át. A 6x86 magjából kiindulva elkészítették az egyszerűsített változatot, mely a 486-os alaplapokba illeszkedik. A belső felépítés miatt nagyon nehéz eldönteni, hogy az M1 melyik processzor generációba tartozik, a negyedikbe vagy az ötödikbe. Több olyan tulajdonsága van, mely az ötödik generációs processzorokra jellemző. A csővonal mélysége 6, a belső egységek 64 bit széles sínrendszeren kommunikálnak, 16 Kbájt elsődleges cache-t tartalmaznak és a sebesség meggyorsítása érdekében az ugrás előrejelzést végző áramkör is része a magnak. A processzor kétféle sebességű változatban készült, l00 és 120 MHz-es belső működési sebességgel. A külső 33 vagy 40 MHz-es órajelet háromszorozzák és így adódik a 100, illetve a 120 MHz-es működési sebesség. A processzor teljesítménye összehasonlítható egy 90 vagy 100 MHz-es Pentium processzor teljesítményével. Csak olyan alaplapban használható, mely képes a processzor számára a 3 V-os tápfeszültséget biztosítani. A régebbi alaplapokban egy feszültségcsökkentő áramkör segítségével használható. 3.4.5. Ötödik generációs processzorok Pentium Az Intel első ötödik generációs processzora. A jól megszokott számmal történő elnevezés helyett a Pentium elnevezést választották, mert a cég szerette volna levédeni a processzor nevét, de ez a .számokkal természetesen nem megoldható. A Pentium elnevezés vált a legnépszerűbbé, ezért az Intel minden ezt követő processzorába beépítette ezt a nevet. A Pentium az első 64 bites processzor, mely továbbra is 32 bites címsínt használ a memória és a perifériák elérésére. A belső szervezése olyan, hogy a 64 biten érkezű adatokat, 32 bit szélességben dolgozza fel. A sebesség jelentős növekedését okozta az , hogy ez a processzor egyszerre két műveletet tud végrehajtani. Két gyorsítótárat építettek bele, az egyiket az. adatoknak, a másikat az utasításoknak. az i80486-hoz hasonlóan ebben a processzorban is megtalálható a matematikai segédprocesszor. A belső felépítésben a főbb változtatások a következők: Szuperskalár felépítés: A Pentium processzor szuperskalár felépítésű, két párhuzamos végrehajtó egységet használ párhuzamosan. Valójában nem teljesen szuperskalár, mivel a két végrehajtó egység nem kompatibilis, az egyik nem támogatja az összes utasítás végrehajtását. Szélesebb adatsín: Mint már említettük a processzor .a külvilág felé 64 bites adatsínnel kapcsolódik, azonban a belső felépítése továbbra is 32 bites. Sokkal gyorsabb Memóriasín. A legtöbb Pentium 60 vagy 66 MHz-es külső órajelet használ, míg; a 486os processzorok csupán 33 MHz-est. Ugrás előrejelzés: A Pentium ugrás előrejelzést használ a csővonal hatékonyabb kihasználásához. Integrált energiatakarékos üzemmód: Minden Pentium processzor támogatja az SMM energiatakarékos üzemmódot. Szétválasztott első szint cache: 8 Kbájt cache áll rendelkezésére az adatoknak és 8 Kbájt az utasítások számara. Ezek használata egymástól független. Továbbfejlesztett lebegőpontos egység: Sokkal gyorsabb működésre képes, mint a 486-os processzorok lebegőpontos egysége. A processzorok számos változatban voltak kaphatók, az órajel frekvencia 60-20 MHz-ig terjed. A konkrét értékeket a táblázat tartalmazza. A 133 MHz alatti sebességű változatok Socket4, míg az ennél gyorsabbak Socket5 vagy Socket7 foglalatba illeszkednek. A Pentium OverDrive processzort a 486-os alaplapokba lehet beilleszteni. A Pentium processzor piacra bocsátása után derült csak ki a lebegőpontos egység hibája, melyet az Intel rövid időn belül kijavított. Évekig a Pentium processzor volt a legkeresettebb processzor, a klóngyártók is elkészítették a maguk többé-kevésbé kompatíbilis változatukat.
38
Intel Pentium OverDrive Az Intel Pentium processzorának átalakítása oly módon, hogy a 486-os alaplapokba helyezve képes legyen azok teljesítményét a Pentium processzor teljesítményének szintjére emelni. A processzor 32 bites adatsínnel rendelkezik a 486-os kompatibilitás miatt. Intel Pentium processzor MMX technológiával A Intel új fejlesztése, mely a számítógépek multimédiás alkalmazásokban való teljesítményjavulását eredményezi. 1997 januárjában bocsátotta ki az Intel az új és egybe utolsó ötödik generációs processzorát. A legnagyobb eltérés a Pentium és a Pentium MMX között a kibővített, MMX utasításkészlet. Az olyan alkalmazások futtatása során, melyek képesek kezelni az MMX utasításkészletet, nagy sebességkülönbséget tapasztalhatunk. A régi áramkörhöz képest az alábbi változtatások történtek: Megnövelt elsődleges cache: Külön választott, 16 Kbájt méretű adat és 16 Kbájt méretű utasítás cache-t tartalmaznak. Mélyebb csővonal: A csővonal állapotok számát ötről hatra emelték. A csővonal hatékonyabb kihasználása: A két párhuzamosan működő esővonal már teljesítményben közelít egymáshoz, mely gyorsabb és hatékonyabb utasítás feldolgozást tesz lehetővé. Továbbfejlesztett ugrás előrejelzés: A hatékonyságán javítottak az Intel szakemberei a Pentiumhoz képest. Továbbfejlesztett utasítás dekóder: Hatékonyabb és gyorsabb működésre képes, mint a Pentium processzor dekódere. A Pentium MMX láb kompatibilis a Pentium processzorral, az alaplapon Socket7 foglalatot igényel. Azonban két tápfeszültségre van szüksége, 3,3V-ra a külvilággal kapcsolatot tartó áramkörök számára és 2,8V-ra a belső áramkörök részére. A MMX utasításkészlet a lebegőpontos egység regisztereit használj az adatok átmeneti tárolására. Ha váltogatni kell az MMX és a lebegőpontos műveletek között, akkor az bizonyos esetekben jelentős időveszteséggel járhat.
Pentium OverDrive MMX A Pentium MMX processzor magjának Megváltoztatásával elkészítettek egy olyan processzort, mely a Pentium alaplapok Socket5 vagy Socket7 foglalatába illeszthető. Így a két tápfeszültséges működést nem támogató alaplapokban is kihasználhatják az MMX nyújtotta előnyöket.
Cyrix 6x86 A Cyrix a 6x86 processzorral lépett be az ötödik generációs processzorok piacara. A névválasztással szerették volna kihangsúlyozni a processzor belső felépítésének modernségét. A Cyrix a processzort már hatodik generációsnak is nevezi, bár a teljesítménye megfelelő egy ötödik generációs processzorénak. A Pentium processzorral teljesen kompatíbilis a lábkiosztást és a feszültségértékeket tekintve. A 6x86-os processzor teljes egészében Cyrix Fejlesztés és e miatt nem teljesen kompatíbilis a Pentium processzorral. A következő változtatások történtek a belső felépítés tekintetében: Mélyített belső pipeline: A csővonal mé1ységét ötről hétre növelték. Soron kívüli utasítás végrehajtás: Bizonyos utasításoknak szüksége lehet arra, hogy a végrehajtása soron kívül megtörténjen. Szuperskalár felépítés: A dupla csővonal lehetővé teszi az utasítások párhuzamos végrehajtását, ezáltal gyorsítva az adatfeldolgozást. Regiszter átnevezés: Ideiglenes tároló helyet biztosít az azonnali adathozzáférés számára, így a processzornak nem kell várakoznia az áramkörön felépített cache-re vagy a rendszer memóriára. Adatfüggőség megszüntetése: A két csővonal működése egymástól független, de az egyik kimenete a másik számára hozzáférhető.
39
Többszörös ugrás előrejelzés: Növeli a processzor teljesítményét, hogy nagy pontossággal előre jelzi a következő elágazások helyét. Spekulatív végrehajtás: Lehetővé teszi a csővezetékek számára az ugrás után folyamatos működést. 80 bites lebegőpontos egység 64 bites interfésszel 16 Kbájtos egyesített adat- és utasítás cache. Többprocesszoros rendszerek támogatása.
AMD K5
-
Az AMD első, ötödik generációs processzora, mely az alábbi főbb tulajdonságokkal rendelkezik: RISC alapú belső felépítés. 5 szintű csővonal, mellyel akár 5 utasítás is végrehajtható órajelenként. 16 Kbájt dupla portos, négyutas asszociatív utasítás előrejelzővel ellátott utasítás cache. 8 Kbájtos dupla portos négy bankkal, négyutas asszociatív adat cache. Teljesen spekulatív utasítás végrehajtás. Dinamikus, cache orientált 1 Kbájtos ugrási előrejelzés. Ha ez téves, akkor a processzor csupán 3 órajelnyi időt veszít. Integrált, nagy teljesítményű lebegőpontos feldolgozó egység. Órajel vezérlő PLL (Phase Locked Loop, fáziszárt hurok) felhasználásával. 3,3V-os működés és System Management Mode (rendszer felügyeleti mód, SMM) az alacsony fogyasztás eléréséhez. 64 bites, Pentium kompatíbilis processzor 296 lábú SPGA tokozásban Kompatibilis a Pentium rendszerekkel.
3.4.6. Hatodik generációs processzorok Intel Pentium Pro 1995-ben vezették be a Pentium utódjaként a Pentium Pro processzort. A processzormagot teljesen átalakították, RISC elemeket építettek be. A fizikai felépítése is teljes egészében megváltozott. A Pentium Pro processzor teljesítménye minimum 50%-kal jobb a Pentium processzorénál ugyanazon az órajel sebességen. A processzorba beépítettek új utasításokat is. A teljesítményjavulás érdekében a következő újdonságokkal rendelkezik: - Szuper csővonal: A csővonal állapotok számát l4-re növelték az eddigi 5 helyett. - Integrált második szintű cache: A processzortokba integrálták a második szintű cache-t is. Ezzel a megoldással az L2 cache is képes a processzor sebességén működni, ezzel is gyorsítva az adatok és az utasítások nagyon gyors betöltését. - 32 bitre optimalizált: A Pentium Pro processzor belső felépítése kimondottan a 32 bites alkalmazások számára optimalizált. A l6 bites szoftvereknél nem mutatható ki különösebb sebességnövekedés a hasonló órajelű Pentium processzorhoz képest. - Szélesebb címsín: A címsín szélességét megnövelték 36 bitre, amellyel 64 Gbájt memóriát lehet fizikailag megcímezni. Több processzoros üzemmód támogatása: A processzor rendelkezik azzal a képességgel, hogy más Pentium Pro processzorokkal együttműködjön, egymás között a feladatokat megosszák. Ehhez az üzemmódhoz egy ilyen működést támogató alaplap és szoftver szükséges. - Komolyabb ugrási előrejelzés: A dinamikus utasítás előrejelzés egy segédpuffert, a BTB (Branch Target Buffer, ugrási cél puffer) használ a gyakran előforduló utasítások előrejelzésére. Ez a puffer kétszer akkora, mint a Pentium processzoré. - Regiszter átnevezés: Ez a tulajdonság megnöveli a csővonal párhuzamos végrehajtási teljesítményét. Ideiglenes tároló helyet biztosít az azonnali adathozzáférés számára, így a processzornak nem kell várakoznia az áramkörön felépített cache-re vagy a rendszer memóriára. - Spekulatív utasítás végrehajtás: Lehetővé teszi, hogy a csővezeték az ugrási utasítás végrehajtása után is azonnal működőképes legyen. Ezt úgy valósítja meg, hogy az ugrási utasítás esetén, ha annak végrehajtását nem szükséges azonnal végrehajtani, akkor a csővonalban lévő utasításokat még végrehajtja és csak aztán végzi el az ugrási utasítást.
40
Pentium II Az Intel a Pentium Pro processzor fejlesztésével viszonylag gyorsan leállt és elkezdte fejleszteni a Pentium Pro alapokra épül, MMX utasításkészletet is tartalmazó processzorát, a Pentium II-t. Az Intel nem titkolt szándéka egy olyan processzor kifejlesztése volt, mely teljesítményben többet nyújt, mint a Pentium Pro, mégis nagy vásárlóközönség számára elérhető. A processzor főbb tulajdonságai a következők: - A Pentium II is tartalmaz egy második szintű cache-t, mely a processzor sebességének a felével működik. A cache és a processzor egy közös áramköri lapra került. A második szintű cache mérete 512 Kbájt, melyet az adatok és az utasítások megosztva használhatnak. - Külön sínrendszeren valósul meg cache-el és külön sínrendszeren a külvilággal való kommunikáció. Binárisan kompatibilis a processzorcsalád korábbi tagjaival. - Két különválasztott sín. Külön sínrendszeren keresztül valósul meg a külső rendszervezérlés és a belső cache vezérlés. - 32 bites operációs rendszer és 32 bites alkalmazás futtatására optimalizált. - 16 Kbájt adat- és 16 Kbájt utasítás első szintű cache. - A struktúra megengedi két processzor és 64 Gbájt fizikai memória használatát. - Hibajavító kód az adatsín számára. - A processzor kialakításában szakítottak az eddigi PGA-SPGA tokozással és kifejlesztettek e új technikát, amit SEC (Sin le Edge Connector, egysoros csatlakozó) néven védtek le. Ennek lényege hogy a processzor minden komponenset egy hordozó lapra szerelik ezt teljesen betokozták egy fémből és műanyagból készült kazettába. Ez a kazetta a későbbiek során már nem nyitható fel a belső elemek sérülése nélkül. A SEC tokozás olcsóbb a PGA vagy SPGA tokozásnál. Az új tokozás miatt új alaplapra is szükség van, melynek rendelkeznie kell a SEC kazetta befogadására alkalmas SLOTI csatlakozóval. Az Intel levédte a SEC tokozást és a SLOT1 csatlakozót. Ez a lépés lehetetlenné tette az AMD és a Cyrix számára, hogy ők is kövessék ezt az új tokozási és csatlakoztatási módot.
Celeron Az Intelnek be kellett látnia, hogy a Pentium II processzor a vásárlók nagy része számára túlságosan drága. A nagy előállítási költségnek az oka a második szintű cache volt, ezért egyértelmű volt a döntés, miszerint ki kell szedni a Pentium II processzorból. Azonban ezzel a lépéssel már nem beszélhetőnk Pentium II-ről, ezért ennek a konstrukciónak Celeron lett a neve. A Pentium processzor minden tulajdonságát megtartotta, de az L2 cache miatt a teljesítménye jóval lassúbb annál. Ezen a tényen próbáltak meg az órajel növelésével segíteni. Ez a módszer nem igazán jelent megoldást a problémára, mivel egy 300 MHz-es Celeron processzor egyes alkalmazások futtatása esetén nem képes elérni egy Pentium 200MMX processzor teljesítményét. A tokozás továbbra is SEC kazettás, jóval vékonyabb azonban, mint a Pentium II. A csatlakozót, melyhez ez a vékonyabb kazetta beleilleszthető, Slot2-nek nevezték el. A Celeron processzor használatához új chipkészlet szükséges. Csak olyan alaplappal használható a Celeron, mely Intel 440EX chipkészlettel rendelkezik. Ismereteink szerint léteznek olyan alaplapok, melyek képesek mind a Pentium II, mind a Celeron processzor befogadására. Ha ilyen alaplap nem áll rendelkezésre, a Celeron foglalatába a Pentium II-t csak egy adapter csatlakozóval helyezhető be. A Celeron processzoroknak van egy különleges tulajdonsága: elképzelhetetlenül túl lehet hajtani (Overclock). Ez azt jelenti, hogy a megadott órajel frekvencia helyett jóval magasabb belső frekvenciát állítunk be. Egy 300 MHz-es Celeron processzor stabilan és biztonságosan működik 450 MHz fölötti frekvencián is.
AMD K6 Az AMD a K6-os processzor kifejlesztése után szeretett volna egy olyan stabil, megbízható processzort, melynek ;teljesítménye a Pentium Pro processzorénak megfelelő viszont a Socket7 foglaltba illeszkedik. Így született meg a K6, mely az AMD első hatodik generációs processzora. A K6 egy tovább bővített belső felépítésű processzor, mely az x86-os utasításokat emulálva hajtja végre és RISC technológián alapszik. A teljesítménynövekedést okozó belső felépítésbeli tulajdonságok:
41
- Nagyobb első szintű cache. Az integrált első szintű cache méretét 64 Kbájtra növelték, melyből 32 Kbájtot az adatok, 32 Kbájtot pedig az utasítások átmenti tárolására használható. - Extra utasítás dekóder. Négy x86 utasítás dekódert tartalmaz, melynek teljesítménye összehasonlítható a Pentium II és a Pentium Pro teljesítményével. - Nagyobb ugrási előrejelzés tábla. 8192 elemű tömböt tartalmaz az ugrási előrejelzések számára, míg más processzorok ennek maximum ll8-át használják, A táblázat hatékonysága az AMD szerint 95%n-os. - Hat egész végrehajtó egység. A hat végrehajtó egység lehetővé teszi hat egész adattal végzett művelet elvégzését párhuzamosan. - MMX utasításkészlet. Az x86-os utasításkészletet kiegészítették az 57 MMX utasítással, mely a multimédiás műveletek elvégzését gyorsabbá teszi.
AMD K6-2 3DNow! Az AMD 1998 nyarán bemutatta újabb processzorát, melyet K6-2 3DNow! néven ismerhettünk meg. A processzorok nagyon jó teljesítmény adatokat mutatnak. Természetesen rendelkeznek MMX utasítás kiegészítéssel, emellett pedig használnak egy új technikát a 3D műveletek elvégzésére. A Pentium II processzorokba a 3D megjelenítések azért olyan szépek és gyorsak, mert a lebegőpontos egységnek a teljesítménye nagyon nagy. Az AMD ezzel nem tudott vagy nem akart ,versenyezni, ezért megvizsgálták, hogy melyek azok a műveletek, melyeket a 3D-s alkalmazások a leggyakrabban használnak. Lehetővé tették, hogy ezeket a műveleteket egy időben több adattal is elvégezhesse. Ezt a módszert jelölik SIMD betűszóval (Single Instruction Multiple Data, egy utasítás, több adat). Természetesen a módszer nem azt jelenti, hogy elegendő egyetlen utasítás és máris több adaton lehet elvégezni bármilyen utasítást hanem, hogy ugyanazokat a speciális utasításokat el lehet végezni egy időben, ugyanabban a sorrendben több adatcsomagon. A 3DNow! nagyon szépen hangzik az elméletben, de a gyakorlati alkalmazásához szükséges, hogy a szoftverek is támogassák ezt a módot. Az első biztató jel erre a DirectX6, mely teljes mértékben támogatja az új technológiát. Az új technika támogatására három e1képzelhető lehetőség van: - Az első lehetőség, hogy a programok a 3D-s műveleteket a teljes egészében a Diriet3D egységre bízzák és nem fognak tartalmazni olyan részeket, melyek a 3D képalkotáshoz szükségesek. Ezzel a módszerrel az a baj, hogy a régebbi programok nem fognak felgyorsulni, mivel nem tudják kihasználni a 3DNow! –t. - Ennél jobb megoldás, ha a programokba beépítenek olyan részeket, melyek képesek együttműködni az új technológiával. Ennek azonban szükséges feltétele, hogy az AMD sok K6-2 processzort tudjon eladni és az eladási adatokra támaszkodva nyomást tudna gyakorolni a szoftvergyártó cégekre. - A harmadik lehetőség a hardvergyártók, konkrétan a 3D-s videokártya gyártók kezében van. Az ilyen kártya használatával a processzor számítja ki a 3D geometriát, a 3D-s kártya pedig ebből előállítja a képet. Ha tehát a 3D kártyákhoz léteznének olyan meghajtó programok, amik együtt tudnak működni az új technikával, akkor minden probléma megoldódna. Az NVIUIA cég már bejelentette, hogy nemsokára megjelenik a kártyáihoz készített, 3DNow! technikát támogató meghajtó programokkal. Ezekkel ki lehet használni az új processzor minden előnyét.
Cyrix 6x86MX A Cyrix új, hatodik generációs processzora a 6x86MX. A névben szereplő MX (Multimedia Extension) a multimédiás kiegészítésre utal. A 6x86 és a 6x86L után ez a harmadik processzorja a gyártónak, mely támogatja az MMX utasításkészletet. A processzor felépítésében nem tartalmaz RISC elemeket, mint az Intel vagy az AMD processzorai. teljesítményben mégis összehasonlítható azokkal. A 6x86MX továbbra is Socket7 foglalatba helyezhető, használatához nem kell különleges alaplapot vásárolnunk. A következő belső felépítésbeli újdonságokat tartalmazza: Négyszerezett belső első szintű cache: A 6x86-os processzorhoz képest az első szintű cache méretét megnégyszerezték, az eddigi 16 Kbájt helyett már 64 Kbájt cache-t tartalmaz. Egy új belső utasítás cache: A processzorba beépítettek egy kis méretű, de nagyon gyors, az utasítások tárolására szolgáló cache-t. Továbbfejlesztett ugrási előrejelzés: Az egység továbbfejlesztésével lehetőség nyílt a teljesítmény megnövelésére.
42
32 bites optimalizálás: A 6x86MX processzor 32 bites operációs rend- • ' szerek és 32 bites alkalmazások futtatására optimalizálták. A teljesítménynövekedést ilyen alkalmazások esetén érzékelhetjük igazán. A mérési eredmények szerint a multimédiás utasításokat gyorsabban hajtja végre, mint az Intel gyártású processzorok. A lebegőpontos egységet sajnos elhibázták, mivel ennek teljesítménye jóval alacsonyabb, mint a hasonló órajelű Intel vagy AMD processzorok számítási teljesítménye. Ezek a tulajdonságok a processzort játékok céljára teszik alkalmassá, mivel ott az esetek döntő többségében nincs szükség a lebegőpontos egységre, viszont nagyon gyorsan kell az utasításokat elvégezni. Ez a processzor azoknak ajánlható, akik elsősorban játékra vagy irodatechnikai alkalmazások futtatására szeretnénk használni. Erre a nagyon jó teljesítmény/ár viszony is igencsak alkalmassá teszi. Fogalmak, jelentések Adatsín
Alaplap
ALU
Bus Busz Cache
Cím Címsín CISC
CPU Csővonal
FPU Lebegőpontos ábrázolás
Lebegőpontos egység
Egy meghatározott számú vezetékből álló csoport, mely összeköti a processzort, a memóriát és a perifériákat. Ez a sín továbbítja az egységek között az adatokat. A szélessége 2, 16, 32 és 64 bit lehet, de speciális helyeken használnak 128 bites adatsínnel rendelkező processzorokat is. A számítógép működéséhez nélkülözhetetlen áramköröket egy közös lapon helyezték el. Ezt nevezzük alaplapnak. Rendelkezik továbbá csatlakozókkal, melyekbe további funkciókat megvalósító kártyákat lehet behelyezni. Arithmetic Logic Unit, aritmetikai feldolgozó egység. Az adatokkal végzendő műveleteket végzi el. Minden művelet visszavezethető az összeadásra és a kivonásra, tehát ezek gyors elvégzését teszi lehetővé. A processzor integrált része. Lásd: Sín. Lásd: Sín. Egy viszonylag kis méretű, nagyon gyors taroló, mely az adatok és az utasítások átmeneti tarolására szolgál. A cache elérése várakozási állapot nélkül lehetséges. A processzor ha olvas a lassú memóriából, akkor nem csak egy címről olvas, hanem egy egész blokkot és ezt eltárolja a cacheben. A következő olvasás jó eséllyel a következő címről fog történni de mivel ez már a cache-ben van, ezért nem kell a lassú elérésű memóriához fordulni. Ugrási utasítás esetén az új elemtől kezdődően kell betölteni egy blokkot és elehet folytatni a programvégrehajtást. A memória minden egyes adat tárolására alkalmas rekeszének egy egyedi azonosítója van, amit címnek nevezünk. A címzést megvalósító vonalak közös neve. Complex Insturction Set Computer, összetett utasításkészletű számítógép. Az ilyen elven működő processzorok sok utasítással rendelkeznek, melyek közül nagyon sok több funkciót is képes ellátni. Central Processor Unit, Központi feldolgozó egység. Az utasítások végrehajtását lépésekre osztjuk, minden részt más-más áramkör végez el. Ha az első végzett, akkor az eredményét átadja a másodiknak egységnek, de közben már a következő információval végzi el a feladatát. Ez úgy tűnhet, mint ha a processzor egységnyi idő a1att többször annyi utasítást hajtana végre. Fontos jellemző a csővonal mélységes, mely a feldolgozó egységek számát adja meg. Akkor lép fel probléma, ha a feldolgozandó utasítás ugrást tartalmaz, mert ekkor a csővonalban lévő, feldolgozás alatt álló utasításokat ki kell dobni, ami időveszteséget jelent. Ennek kivédésére vannak módszerek. Floating Point Unit, lebegőpontos egység. Lásd: Matematikai társprocesszor. A valós számok exponenciális ábrázolási módja az m*ak, ahol az m a mantissza, ami 0 és 1 közötti szám, az a az alap és a k karakterisztika. Ez utóbbi mérete a számábrázolástól és a számítógéptől egyaránt függ. Minél nagyobb ez az érték, a pontosság annál nagyobb. Lásd: Matematikai társprocesszor.
43
Matematikai társprocesszor
Órajel Órajel frekvencia
Pipeline Órajel szorzó
Processzor Processzor család Puffer
Regiszter
Rendszersín
RISC Sín Sínrendszer
Ugrási előrejelzés
Utasítás regiszter Utasítás számláló Utasításciklus
A 1ebegőpontos műveletek elvégzéséért felelős egység. Vagy külön áramkör formájában, vagy a processzorba integrálva lehet jelen. Ha a processzor ilyen adattal találkozik, műveletvégzés nélkül továbbadja a társprocesszornak, mely a művelet végeredményét adja vissza. A számítógép részegységeinek működése megadott ütemezés szerint történik. Ezt az ütemezést végzi el az órajel. Egy egység műveletet csak az órajel megfelelő részénél (például az élénél) képes végezni. Az egységek működését ütemező órajel frekvenciája. A frekvencia megadja, hogy az órajel egy másodperc alatt mennyi periódust tartalmaz. A mértékegysége a Hz, de használják a prefixumos változatait is, mint a KHz, MHz és a GHz. Lásd: Csővonal. A 486DX processzoroktól kezdődően a processzorok a belső áramkörök működéséhez magasabb frekvenciát használnak, mint a külvilággal való kommunikációhoz. Az a számot, ahányszorosa a belső frekvencia a külső órajelnek, órajel szorzónak nevezzük. Ennek értéke nem lehet tetszőeges, a használatos értéke nem lehet tetszőeges, a használatos értékek: 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5. A számítógép központi feldolgozó egysége. Értelmezi a gépi utasításokat, ütemezi a végrehajtásuk és kezeli a megszakításkérésüket. Fő részei az ALU, a regiszterek és az utasítás dekódoló és végrehajtó egység. A belső felépítés szempontjából hasonló, egymással funkcionálisan kompatíbilis processzorok tartoznak egy családba. Az egymással adatokat cserélő, különböző sebességű eszközök közötti szinkronizációt oldja meg az adatok átmeneti tárolásával. A puffer kis méretű, gyakran csupán egy adat tárolására szolgáló tároló. Az adatközlő eszköz és a puffer közötti adatátvitel végeztével az adatküldő már csinálhat más feladatot, az adat továbbítása a pufferből a címzetthez, a címzett sebességének megfelelően történik. Rögzített hosszúságú adatok átmeneti tárolására szolgáló igen gyors memória egység. Erre a célra a processzor speciális memória áramköreit használják, melyek általában 8, 16, 32, 64 bites bitvektorok tárolására lehetnek alkalmasak. A bitvektor hossza az esetek többségében a processzor belső adatsín szélességével egyezik meg. Megadott számú, azonos funkciójú vezeték, melyekhez különböző meghajtó áramkörökkel lehet ' kapcsolódni. A vezetékeknek két iránya lehetséges: ami a processzortól megy a perifériák felé irányul az output ami pedig a processzor felé irányul, az az input. A kimeneti vezetékeken jelzi a processzor a belső állapotait, melyeket a programok és a perifériák közlik az állapotukat. Reduced Instruction Set Computer, csökkentett utasításkészlet. Az utasítások csökkentésével lehetőség nyílt azok közvetlenü1 a hardverből történő végrehajtására. Ez jelentős sebességnövekedést eredményez. Olyan vezetékek összessége, melyek a számítógép részegységeit kötik össze. Ezeken párhuzamos információátvitel történik. A számítógép funkcionális egységei közötti kapcsolatot megvalósító vezetékrendszert nevezzük sínrendszernek. A legelterjedtebb sínrendszerek az XT, az AT vagy ISA, VESA és a mai leggyakrabban használt, a PCI. Egy áramkör előre olvas a memóriában, aminek eredményeként meg tudja állapítani, hogy egy ugró utasítás után hol fog folytatódni a program és onnan tölti be a következő utasítást a csővonalba. Így nem kell ugrási utasítás esetén sem kiüríteni a csővonalat. A processzor speciális célú regisztere, amely a memóriából kiolvasott utasítást átmenetileg tárolja. A Processzor egyik regisztere, mely a mindenkor végrehajtandó utasítás operatív memóriabeli címét tartalmazza. A gépi kódú utasítások végrehajtásának szokásos formája. Az utasítás először beolvassuk, majd dekódoljuk és végül végrehajtjuk. Ez a folyamat ismétlődik periodikusan.
44
Valós mód
Védett mód Vezérlő sín Virtuális memória Virtuális valós mód
x86
A 8086-os processzorok működésével kompatíbilis üzemmód. A legnagyobb korlátja, hogy a memória fizikai címzésére csak 1 Mbájtig képes. A processzorok a kompatibilitás megtartása érdekében támogatják ezt az üzemmódot. A 286-os processzoroknál bevezetett üzemmód, melynek legfontosabb tulajdonsága, hogy lehetővé teszi az 1 Mbájtos memória címzési korlát átlépését. A rendszer működésének irányításához használt jelek csoportja. Az operatív memória kiterjesztése a merevlemez felhasználásával. A memóriába már nem férő adatokat a merevlemezen tárolják és csak a szükséges részeket töltik be az operatív tárba. Ez egy speciális üzemmód, mely a 386-os processzoroktól kezdve támogatja minden processzor. A lényege, hogy lehetővé teszi a 8086-os processzorra írt programok futtatását 32 bites operációs rendszer felügyelete alatt. A 8086-os processzor utasításkészletét minden processzor képes végrehajtani. A tizenöt év alatt kisebb változásokon átment utasításkészletet nevezzük x86 utasításkészletnek.
Ellenőrző kérdések 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38.
Milyen fő részei vannak a CPU-nak? Mitől függ az adatátviteli sebesség ? Mi történik a lebegőpontos számokkal? Mi az FPU. Mi a lapozás? Hogyan történik az utasítások feldolgozása? Mi a cache? Milyen szintjei vannak a cache-nek? Mi az x86-os utasításkészlet? Mit jelent az MMX ? Mi az x86 emuláció? Mi a valós mód len e e? Miben különbözik a valós módtól a védett mód? Jobb-e, és ha igen miért jobb a virtuális valós mód? Mi a csővonal? Mi a csővonal elve? Hogyan működik az x86-os fordítás? Mi a szuperskalár fele ites len e e? Mi a szuper csővonal? Mi a jósolt utasítás végrehajtás? Miért jó az ugrás előrejelzés? Sorolja fel a 8088 processzor főbb jellemzőit! Miben különbözik a 80186-os processzor a 8086-ostól? Milyen tulajdonságai vannak a a80286-os processzornak? Mi az eltérés a 80386DX és a 803865X processzor között? Hasonlítsa össze a 486-os csa1ád processzorait! Mi a különbség az AMD és a Cyrix 5x86-os processzora között? Ismertesse a Pentium processzor jellemzőit! Mi az MMX előnye, miben nyújt többet? Mi a Pentium Pro és a Pentium közötti különbség? Milyen tulajdonságai vannak az AMD K6 processzornak? Mi a 3Dnow? Ismertesse a Cyrix 6x86MX processzor tulajdonságait! Milyen különbségek vannak a Cyrix 6x86MX és a Pentium II processzor között? Miért kell a processzorokat hűteni? Mi a processzor kiszerelésének módja? Hogyan kell a ventillátort le- illetve felszerelni a processzorokra? Mi a processzor beszerelésének módja?
45
4. Az írható-olvasható memória A számítógépek az adatok és programok átmeneti tárolására memóriát használnak mely a programok által egyaránt írható és olvasható. Az írható-olvasható memória céljára általában RAM-ot (Random Access Memory, véletlen hozzáférésű memória) használnak. A RAM olyan téma, amellyel minden PC felhasználó legalább egyszer találkozik. Ennek oka, hogy a RAM-bó1 szinte soha sincs e1ég. Az első PC 16 Kbájtnyi memóriájával szemben a mai PC-kben több tíz Mbájtra van szükség, hogy a programokat megfelelő sebességgel tudjuk futtatni. A számítógép előtt ülve vajon felmerült-e bennünk, hogy a PC milyen módon tárolja az adatokat a RAM-ban? 4.1. A memória fajtái Dinamikus RAM A RAM-nak sokféle típusa van. A legegyszerűbb a dinamikus RAM (DRAM - Dinamic Random Access Memory). Ezt használták a PC-kben meg két evvel ezelőtt is mert könnyű gyártani, viszonylag olcsó és megfelelően nagy kapacitású. Ma már a DRAM fejlettebb változatait használják túlnyomó többségben, de erről majd később részletesen lesz szó. A fejlettebb memóriatípusok is a DRAM-ra épülnek, annak tovább-bővítései. Ezen ok miatt a DRAM működésének rész1etesen bemutatása e1engedhetetlen a többi memória működésének megértéséhez. A PC-k digitá1is működésűek ami azt jelenti, hogy a kettes (bináris) számrendszerben dolgoznak. Minden számot egyesekkel és nullákkal fejeznek ki. Minden számjegynek egy bit tárolási helyre van szüksége. Egy tipikus DRAM áramkör egy bitet olyan memóriacellában tárol, mely két elemből, egy speciális tranzisztorból az ún. FET-ből (Field Effect Transistor, térvezérlésű tranzisztor) és egy kondenzátorból áll. A FET tranzisztor olyan félvezető elem mely a bemenetére adott feszültségtől függően vagy kinyit, vagy lezár. Ezáltal felfogható úgy, mint egy miniatűr kapcsoló. Alapanyagként általában szilícium egykristályt, szigetelőként szilícium-dioxidot, vezetőként pedig rendszerint alumíniumot használnak. Amennyiben a vezérlő elektródára (G - Gate, kapu) pozitív töltéseket viszünk ( pozitív feszültséget kapcsolunk), akkor a tranzisztor zár, tehát az elektronok el tudnak jutni a forrásból (S - Source) a nyelőbe (D Drain). Ha a G elektródára negatív töltéseket viszünk (negatív vagy nulla feszültséget kapcsolunk rá), akkor a tranzisztor kinyit, tehát a töltések nem tudnak a forrás és a nyelő elektróda között áramolni. Azáltal, hogy változtatjuk a vezérlőelektróda feszültségét, vezérelni tudjuk az elektronok áramlását a forrás és a nyelő között. Az ilyen típusú FET-eket nevezik n-csatornás FET-eknek. Bizonyos tranzisztorok az itt leírtakkal ellentétesen működnek, tehát negatív bemeneti feszültség hatására kerülnek vezető állapotba. Ezeket csatornás FET-eknek nevezzük. Az elnevezés a félvezető szennyezőanyagából adódik, attól függően, hogy milyen szennyező anyagot adnak a szilícium kristályhoz. Az egycellás DRAM egy bitet képes tárolni. A bit értéke l, ha van és 0, ha nincs töltés a kondenzátorban. E bit kiolvasása kétlépcsős folyamat. Először előtöltő áramkör feltölti a bitvonalakat egy vonatkoztatási feszültségre, rendszerint 2,5 Voltra. Ezután a szóvonal aktivizálódik, lezárja a tranzisztort, melynek során a kondenzátor rákapcsolódik az egyik bitvonalra. Ha a kondenzátor töltve volt, akkor annak a bitvonalnak, melyre a kondenzátor kapcsolódik, a feszültsége pedig enyhén nő, a másiké viszont változatlan marad. Ez a pozitív feszültségkülönbség a kimeneti oldalon 1-est eredményez. Ha viszont a kondenzátor nincs feltöltve, akkor a bitvonal feszültsége csökken, mert a kondenzátor felé folyik a töltések e része. Ez negatív feszültségkülönbséget hoz létre a két bitvonal között és 0-t a kimeneti vonalon. A memória beírása az olvasással ellentétes folyamat. Ahhoz, hogy a memóriacellába 1-est írjunk, a számítógép feszültséget ad a bemeneti vonalra, hogy feltöltse azt a bitvonalat, melyhez a tranzisztor van kötve és aktivizálja a szóvonalat. Ezáltal a kondenzátor rákapcsolódik a bitvonalra és mivel ez a kivezetése nagyobb feszültségre került, mint a föld felöli, ezért töltődni kezd. A 0 beírásának a folyamata hasonló az 1-esehez, ebben az esetben azonban megszűnik a feszültség a bemeneti oldalon, miközben a szóvonal még aktív. Ennek eredményeként a kondenzátor töltése elfolyik a föld felé A kondenzátorban való információtárolás felvet egy problémát. Arról van szó, hogy az adatok kiolvasása megsemmisíti az adatokat, pedig nekünk általában nemcsak egy kiolvasás erejéig kell őrizni az adatainkat. Az adatok megsemmisülésének az oka, hogy csak tudja a számítógép kiolvasni a kondenzátorban tárolt információt, hogy kisüti azt e bitvonalra. Ha a kondenzátor a kisütés előtt fel volt
46
töltve, akkor az kiolvasás után ki lesz sütve. Ezért a DRAM áramköröket úgy tervezik, hogy amikor a gép a kondenzátorból 1-et olvasott ki, azonnal újra fel is tölti. DRAM-oknak van egy nagyon hátrányos tulajdonságuk. Mint tudjuk, ideális alkatrészek nincsenek. Így van ez a kondenzátorok esetében is. Egy kondenzátor sem tudja a végtelenségig megőrizni a benne tárolt töltéseket. Minél kisebb a kondenzátor kapacitása, annál hamarabb sül ki. A DRAM celláiban olyan kis méretű a kondenzátor értéke, hogy a másodperc töredéke alatt elveszíti a benne tárolt töltéseket. Ennek kivédése érdekében a DRAM cellát fel kell frissíteni néhány ezred másodpercenként, különben az eltarolt 1-esek 0-va változnának az elektromos töltés elszivárgása miatt. A frissítésre a számítógépek többféle technikát használnak. Egyik általánosan használt technika még az első PC-k idejéből való: egy rendszeridőzítő és egy DMA (Direct Memory Access, közvetlen memória hozzáférés) csatorna segítségével periodikusan látszólagos olvasási műveletet hajtanak végre minden egyes DRAM cellán. Az olvasás úgy zajlik, mint feljebb már láttuk, a kiolvasás eredményét azonban itt figyelmen kívül hagyják. Mivel a DRAM cella minden kiolvasás után automatikusan feltöltődik, ezért a látszólagos kiolvasás e szerű módszer a cella frissítésére. Az újabb PC-k már más módszerekkel memória-alrendszerekkel oldják meg a frissítést. A mai memóriák már tartalmaznak egy frissítő áramkört mell el automatikusan külső vezérlőelem nélkül tudják felfrissíteni a tartalmukat. Ezt az üzemmódot azonban nem minden alaplap támogatja. A frissítés, függetlenül attól, hogy hogyan hajtódik végre, biztosítja, hogy a DRAM-ba írt adatok ott is maradjanak, amíg új adatok nem kerülnek a helyükre vagy amíg ki nem kapcsoljuk a számítógépet. A memóriáknak fontos tulajdonságuk a sebességük, melyet a ciklusidővel jellemzünk. A működésből adódóan időre van szükség, hogy előtöltsék a bitvonalakat, mielőtt a memóriába írnának, vagy onnan olvasnának. Ezt nevezzük előtöltési időnek. Ugyancsak időre van szükség ahhoz, hogy az előtöltés és a szóvonal aktivizálódása után az információ megjelenjen a kimeneti vonalon. Ez a hozzáférési idő. A kettő összege ad a DRAM-ra jellemző ciklusidőt. Egy tipikus RAM jellemző ciklusideje 60-70 ns. Ez azt jelenti, hogy 60-70 ns-onként lehet a memóriába írni vagy onnan adatot kiolvasni. A ciklusidőből következik, hogy a DRAM maximum 18 MHz-ig működőképes. Egy bites memóriacellának egyedül nincs sok haszna. Egy tipikus DRAM áramkör memóriacellák millióit tartalmazza és legalább 1 Mbit (l Mbit = 1 048 576 bit) tárolására a1kalmasak. Ha ezek a ce1lák egyesével helyezkednének el az áramkörön belül, akkor rengeteg kivezetésre lenne szükség , ez tehát nem jó módszer. A kivezetések csökkentése érdekében a memóriacellákat mátrix alakba szervezik. Ezáltal a hozzáférés jelentősen egyszerűbbé válik. Ahhoz, hogy egy memóriacellába írjunk vagy onnan olvassunk a memóriavezérlőnek kell szolgáltatnia az oszlop - és a sorcímet. Az egy sorban levő cellák közös szóvonalat használnak, míg az egy oszlopban levők azonos bitvonalra csatlakoznak. Minden egyes cellát egy sor- és egy oszlopcímmel lehet kiválasztani. Ahhoz, hogy egy bitet ki lehessen olvasni, a PC elküld a memóriavezérlőre e címet, mely azt felbontja e sor- és e osz1opcímmé. A memóriavezérlő egymás után adja át ezt a két címet a memória elemnek. Először a sor-, majd az oszlopcímek következnek. Ezután sor- és oszlop dekóder aktivizálja a megfelelő sor- és oszlopvonalakat. A szóvonal aktivizálása elindít egy olvasási folyamatot az aktuális szó mentén, amely arra késztet minden egyes memóriacellát, hogy feltöltse azokat a bitvonalakat, melyre csatlakozik. Az oszlopvonalak aktivizálása fizikai kapcsolatot létesít a memóriacellák és az adat puffer között. A folyamat eredményeként megjelenik az információ a kimeneten. Ejtsünk néhány szót a memóriák jelöléséről. Az „1 Mbx1” azt jelenti, hogy a memória 128 Kbájt (1 bájt = 8bit) adatot képes tárolni. Fontos, hogy ilyen szervezés mellett minden bithez külön-külön hozzá lehet férni. A „256Kbx4” szintén elterjedt szervezési mód. Ez a típusú memória szintén 128 Kbájt adatot tartalmazhat. Ebben az esetben azonban minden szó 4 bites, tehát a memóriacellákhoz csak négyes csoportokban lehet hozzáférni. Az ilyen RAM-nak négy adatpuffere és négy kivezetése van. Ilyen memóriát használnak a videokártyákban. A DRAM-ok 8 9 32 36 bit adatsín szélességgel készülnek. A 9 bites RAM esetében a 8 bit melle egy kilencedik bit, az úgynevezett paritásbit kerül. A paritásbit megmutatja, hogy a 8 adatbit közül páros vagy páratlan számú bit tartalmazott-e 1-est. Ha az adatbitek páratlanul tartalmaztak 1-est és a paritásbit szinten 1 értékű, akkor páros paritásról beszélünk, ha azonban a paritásbit 0, akkor páratlan paritással van dolgunk. A 36 bites memóriamodul szintén paritásos, de itt minden bájtra jut 1 paritásbit. Ha a memóriavezérlő nem tudja kezelni a paritásos RAM-ot, akkor a memóriaműveleteknél megvizsgálja a 9 vagy a 36 bitet és ha az 1-esek száma nem páros (páros paritás) vagy páratlan (páratlan paritás), akkor hibajel keletkezik mely megakadályozza a számítógép elindulását vagy a további működését. Ez a módszer természetesen csak akkor használható igazán, ha maximum egy bitnyi eltérést fedezünk fel. Ha több bit változott meg, akkor azzal már nem tudunk mit kezdeni. A paritásbit ellenőrzése csak hibadetektálásra nyújt lehetőséget. A paritásbit generálására egy önálló áramkör szolgál, mely jól felismerhető a memóriamodulon. A paritásgenerátornak természetesen ára van, me1yet nekünk kell megfizetnünk. Az olcsóbb tétel érdekében a generátor áramkört szoftveres úton próbálták meg emulálni.
47
Ez nem mindig sikerült teljes mertekig, ezek a memóriamodulok sok hibát produkáltak ezért nem is terjedtek el túlságosan. Ha a hibát szeretnénk ki is javítani akkor egy hibajavító áramkört (ECC - Error Correction Circuit) kell alkalmaznunk. Ez két bankra osztja a memóriát, így két bitnyi hiba kijavítására van lehetőség . A hiba helyét bonyolult matematikai algoritmusokkal keresi meg , majd megtörténik a hibajavítás. Az ECC működése megfelelően hatékony, de az ilyen memóriák meglehetősen drágák. A 9 és 36 bites memóriamodulok, melyek valódi paritás generátort tartalmaznak általában már tartalmazzák az ECC áramkört is. Fejlődés a dinamikus memória területén A számítógépek alkatrészeinek rohamos fejlődése során ma már a memória vált a számítógépek teljesítményét korlátozó szűk keresztmetszetté. Ezért nagyon fontos, hogy a memóriagyártók folyamatosan foglalkozzanak a fejlesztéssel. Nézzünk meg néhány fejlettebb technológiát, melyek ma már megfelelően elterjedtek. Itt nem ejtünk szót azokról a memória típusokról, melyeket nem alkalmaznak operatív memóriaként. FPRAM (Fast Page RAM, gyors lapozású memória) A DRAM működésére nem mondhatjuk, hogy gyors lenne. A sor- és oszlopcímeket csak párosával adhatjuk ki, ezért a címzés hosszadalmas. Ezen kívül még folyamatosan frissíteni is kell. Ennek ismeretében kidolgoztak egy módszert, mely jelentős sebességnövekedést tett lehetővé. A mátrixszervezés egy egyszerű sebességnövelő módszert nyújt, csak ki kell használni. A lapszervezés hatékony kihasználásával a RAM sebessége fel gyorsítható. Egy lapon levő cellák sorcíme azonos, csak az oszlopcímek változnak. Ha tehát azonos lapon levő cellákat szeretnénk elérni akkor célszerű a sorcímet megtartani és csak az oszlopcímeket változtatni. Az oszlopcímek kiadása között azonban egy kis időnek el kell telnie amely alatt a frissítés elvégezhető. Ezzel a módszerrel mintegy 40 %-os sebességnövekedés érhető el, tehát az FPRAM ciklusideje jellemzően 35 ns ami 28,5 MHz-es maximális működési sebességnek felel meg . Az FPRAM modulok 32 vagy 36 bites adatsínnel rendelkeznek. EDORAM (Extended Data Out RAM, kiterjesztett adat kimenetű RAM) Ez a memóriatípus a Pentiumos gépekben elterjedt, bár már kezdi leváltani a később tárgyalt SDRAM. Az EDORAM az FPRAM-hoz képest mintegy 20%-ka1, a hagyományos DRAM-hoz képest pedig kb. 60%-kal a gyorsítja a memóriaműveleteket. A DRAM-nak két blokk kiolvasása között egy várakozási állapotot kell beiktatni a memória frissítése céljából. Ezzel szemben az EDORAM esetében ez a várakozási állapot kimarad, tehát a két blokk közvetlenül egymás után kiolvasható. Felmerülhet a kérdés, hogyan történhet mindez . A DRAM-bo1 történő kiolvasás előtt az elektromos vona1at fel kell tölteni. A vonalak stabilizálódása időbe telik. Ha a processzor túlságosan gyors akkor nincs ide e megvárni a válaszokat és azokat nem tudja megbízhatóan kiolvasni. J Az EDORAM-ban reteszeket vagy másodlagos memóriákat adnak a meglévő memóriacellákhoz, amelyek addig tarják stabilan a DRAM-ból kiolvasott információt, amíg azok megbízhatóan elérhetik a processzort. Ezek a memóriák 50 MHz-es rendszersín sebességig jól kell, hogy működjenek. Az EDORAM-ok nem csak a sebesség tekintetében jobbak, mint a DRAM-ok. Az áramköri kiépítés miatt a fogyasztása is jelentősen kevesebb. Ez a tulajdonság vonzóvá teszi ezt a memóriafajtát a noteszgépekben történő alkalmazásokra. Csökkenti a másodszintű cache (gyors de kisméretű tároló) iránti igényt az egyszerűbb és olcsóbb Pentium gépekben. Az EDORAM nem kompatíbilis a régebbi 386-os és 486-os gépekkel. Az EDORAM-ok 32 és 36 bites adatsínnel rendelkező modulokban kaphatók.
SDRAM (Synchronous DRAM , szinkron DRAM) A processzorok gyors fejlődése során a rendszersín maximum 50 MHz-es órajele már túl kevésnek bizonyult, így a számítógépben a teljesítmény legszűkebb keresztmetszetét a memória jelentette. Ahhoz, hogy át tudjuk lépni a bűvös 50 MHz-es határt, új memóriát kellett kifejleszteni. Az alapgondolat az, hogy a processzor órajelével működjön a memória, így kiküszöbölhetőek a szinkronizálás hiányából
48
adódó várakozási ciklusok. Ennek az elgondolásnak a végeredménye a szinkron dinamikus RAM (SDRAM - Synchronous Dinamic Random Access Memory . Ma ez a memóriatípus folyamatosan szorítja ki a piacról az EDORAM-ot. Az SDRAM kis túlzással felfogható úgy, mint két EDORAM párhuzamos kapcsolása. A működése röviden a következő: a memóriát két területre (bankra) osztják. A memóriavezérlő miközben az egyik bankból olvas vagy ír, addig a másiknak már átadja a rá vonatkozó memóriacímet. (Természetesen mindkét memóriabank lap szervezésű.) Így mikor az első bank adatai feldolgozásra kerültek, azonnal rendelkezésre áll a második bankban a kiolvasásra szánt adat, vagy készen áll az adatok beírására. Amíg a második bank adataival foglalkozunk, a memóriavezérlő már az első bankra vonatkozó memóriacímet küldi a RAM szamara, így annak van ideje felkészülni az adatátvitelre. Ezzel a módszerrel az SDRAM ciklusideje az EDORAM ciklusidejének mintegy felére csökkenthető, tehát a maximális működési frekvencia akar 100 MHz is lehet. A működésből következően azonban ez a memóriatípus mar jelentősen bonyolultabb memóriavezérlőt igényel, mint amilyet a régebbi VX és az új TX-től kezdődő chipkészletű alaplapok tartalmaznak. Az SDRAM-ok 64 és 72 (paritásos) bites adatsínnel rendelkeznek.
Statikus RAM A statikus RAM-ok (SRAM) szinten adatok átmeneti tárolására szolgálnak, ezt azonban alapvetően más elven teszik, mint a DRAM-ok. A DRAM, mit láttuk a apró kondenzátorokban tárolja az információt. Minden kondenzátor egy bit tárolására képes. Ennek a megoldásnak az igen nagy hátránya, hogy a kondenzátorokról a töltések elszivárognak, ezért frissíteni kell a cellák tartalmát. Ez viszont időbe telik, ami a rendszer sebességét lelassítja és a memória elérési sebességét jelentősen megnöveli. Igen nagy előnyük viszont előállításuk egyszerűsége, ami lehetővé teszi, hogy az áruk is alacsony legyen. A DRAM-mal szemben az SRAM-ban két á1lapotú kapcso1óelemek tárolják az információt. Ezek a kapcsolóelemek áramköri kialakításuk szerint flip-flopok, o1yan áramkörök, melyeknek két stabi1 á1lapotuk van. A flip-flop egy bistabil (két stabil állapota van) billenőkör. A tranzisztorok mindegyike fázisfordító kapcsolásban üzemel. A kettő között közvetlen, egyenáramú csatolás található. Vizsgáljuk meg a működését. Ha a S (Set, beírás) bemenetre pozitív feszültséget kapcsolunk, akkor a tranzisztor elkezd lezárni tehát a kollektorának feszültsége nő. Ez az R1 ellenállason visszahat a T1 tranzisztorra, a bázisáram megnövekszik. Ennek eredményeként a T1 egyre jobban kinyit, a T2 pedig egyre jobban lezár. Az állandósult állapot akkor lép fel, ha a T1 teljesen kinyitott és a T2 teljesen lezárt állapotba kerül. Most már mindegy, hogy az S bemeneten milyen feszültség van, hiszen a T2 lezárt állapota az R1-en keresztül nyitva tartja T1-et. Az áramkör visszabillentése akkor következik be, ha az R (Reset, törlés) bemenetre pozitív feszültséget kapcsolunk. A bemenetek alapján nevezik ezt a tárolót RS flip-flop-nak. Ha mindkét bemenetre pozitív feszültséget kapcsolunk egyszerre, akkor mindkét tranzisztor kinyit. Ebben az esetben nem lehet megállapítani, hogy melyik állapotba billen a tároló. Annak érdekében hogy ezt a lehetőséget kizárjuk, ki kell egészíteni az áramkörünket még egy tranzisztorral. Jól felismerhető az RS flip-flop, a két bemenetet azonban egy tranzisztorral vezéreljük. A D (Data, adat) bemenetre kapcsolt pozitív feszültség kinyitja a T3 tranzisztort, aminek eredményeként az R bemenet 0 V-ra kerül. Mivel a D bemenet közvetlenül rá van kapcsolva az S bemenetre, ezért ez az állapot beírja a tárolót. Ha a T3 bázisára 0 V feszültséget kapcsolunk, akkor az R bemenet tápfeszültségre kerül, míg az S bemenet föld potenciájú lesz. Ez a tároló törlését jelzi. Megfigyelhető hogy ezzel a megoldással az R és az S bemenetek állapota mindig ellentétes lesz Azt is észrevehetjük, hogy ha s D bemenetről levesszük a feszültséget, akkor az automatikusan törli is a tárolót. Ezt úgy lehet kivédeni ha a beírást és a törlést is e bemeneten keresztül engedélyezzük illetve tiltjuk. Ezt a bemenetet nevezzük órajel bemenetnek (Clock, CLK). Az adat és órajel bemenetet egy ÉS kapura vezetjük, így a beírás és törlés csak az órajel magas szintje esetén lehetséges. A bemenetre adott információt a WE (Write Enable, írás engedélyezés) jel magas szintjével lehet engedélyezni. Ez azonban kevés, mivel csak akkor írhatunk a cellába, ha az kiválasztásra került. Ez a feltétel akkor teljesül ha a sor- és az oszlop vezeték is 1 értékű. Ennek felmérését végzi a G1 ÉS kapu áramkör. Ennek kimenete csak akkor lesz magas, ha mindkét bemenete magas szinten van. Ez a kiválasztó jel a G2 kapun keresztül tudja a beírást elvégezni. Mivel ez szintén egy ES kapu, szükséges, hogy a WE jel és a G1 kapu kimenete is magas szintű legyen. A G3 kapu valósítja meg azt a funkciót, hogy a tárolóban levő adat csak akkor kerüljön rá a kimeneti vonalra ha a G1 kapu kimenete magas szintű azaz a tároló cella ki van választva.
49
Aszinkron SRAM Az aszinkron memória arról kapta a nevét hogy a processzorral nem szinkronban működik. Ez azt jelenti, hogy a processzornak az olvasás és az írás esetén néha várakoznia kell. Ezek a memóriák 12-20 ns hozzáféréssel rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy a maximális működési frekvencia 83 MHz-50 MHz. Az adatokból latható, hogy a mai SDRAM-ok is képesek teljesíteni ezt a működési sebességet. A modern PC-kben aszinkron SRAM-ot ma már nem használnak. Szinkron SRAM Mint a neve is mutatja, ez a típus a processzorral már szinkron üzemben működik együtt. Ez azt jelenti hogy a processzor és a memória működési sebessége azonos, mindkettő ugyanarról a rendszer órajelről működik. A szinkron SRAM hozzáférési ideje 8,5-12 ns között van, ami 117 MHz-83 MHz működési sebességnek felel meg. Video RAM A VRAM egy speciális memória, amelyet a monitorcsatoló kártyákon használnak a megjelenítendő kép tárolására. A VRAM minden egyes bitje a képernyő egy-egy pontjának a képét tartalmazza. A VRAM felépítését és működését a grafikus megjelenítésre optimalizálták. A tárolt képet a videovezérlő másodpercenként 30-70-szer kiolvassa a kép megjelenítése érdekében. A memória írását a processzor végzi el. Ebből adódhat az az eset, hogy egyszerre olvasná a memóriát a videovezérlő és írná a processzor. Egy általános memória esetében ez nem megoldható mert a felépítés nem teszi lehetővé. Ha ilyen memóriát használunk akkor az írás folyamata alatt nem lehet olvasni azt, ezért a képernyőn villódzás jöhet, létre. A VRAM felépítése olyan, hogy két adatportot tartalmaz egyet az íráshoz és egyet az olvasáshoz. Ezzel a megoldással a memória tartalom módosítása közben a videovezérlő folyamatosan képes frissíteni a képet. A felépítése kihasználja azt a felismerést, hogy a memóriában tárolt kép információkra sorban van szükség. Ezért a VRAM is ilyen soros hozzáféréssel rendelkezik, amit SAM betűszóval jelölnek Serial Access Memory, soros elérésű memória). Ez egy 8 bit szélességű soros port, mely különálló órajellel rendelkezik. Az adatok a tárolást megvalósító DRAM és a soros interfész között két irányban automatikusan cserélődnek. A DRAM frissítését a frissítő számláló áramkör ütemezi. 4.2. Szempontok memória választásához A memória választásánál az alábbiakra kell figyelemmel lenni: - Memória típusa: minden eszköz csak olyan memóriát képes fogadni amilyenre felkészítették, mivel mindegyik memóriatípus más-más memóriavezérlőt igényel. - Memóriaszervezés: Mint láttuk, a memóriaszervezésnek nagy szerepe van, mert nem mindegy, hogy a memóriacellákat bitenként vagy bitcsoportonként tudjuk elérni. Általánosságban elmondható hogy a számítógép rendszermemóriájához bájtszervezésű memóriamodulokat alkalmazunk. Ez azt jelenti, hogy az adatokat bájtonként, vagy kétbájtonként (szó) vagy négybájtonként (duplaszó) tudjuk elérni. - Ciklusidő: A ciklusidő fontos szem ont memória vásárlása esetén. Az alaplapok gyártói minden esetben megadják, hogy milyen ciklusidejű, tehát milyen sebességű RAM-ot lehet beépíteni az eszközbe. Ha nagyobb ciklusidejű memóriát teszünk bele, mint az előírt akkor valószínűleg nem fog működni, mivel a memóriavezérlő gyorsabban szeretne írni vagy olvasni, mint amit a RAM teljesíteni képes. Ha azonban a memória gyorsabb, akkor a rendszer minden további nélkül működni fog, csak a sebességet nem a RAM, hanem a memóriavezérlő szabja meg. Ha több modulból állítjuk össze a számítógép memóriáját, akkor ügyelni kell, hogy a modulok lehetőleg azonos típusúak legyenek, mert csak így lehetünk biztosak, hogy a paramétereik jó közelítéssel megegyeznek. Különösen fontos ez a ciklusidő esetében, mert ha az egyik memória gyorsabb akkor előfordulhat, hogy annak adatai már a kimeneten vannak miközben a lassabbé még nincsenek. Ha ekkor olvassuk be az adatokat akkor bizonytalan, hogy a lassabb memória adatsínjéről milyen adatot olvasott be. Ez pedig a rendszer leállásához, lefagyásához vezethet. - Adatsín szélessége: Az adott memóriát kezelő egységtől függ. Az SRAM-ok és a VRAM-ok esetében mindig a leírás adhat információt erre a kérdésre. A DRAM esetében a processzorok adatsínjének
50
szélessége 32 vagy 64 bit (a ma elterjedt processzoroknál) nyújthat támpontot. Az adatsín szélességét 8, 32, 64 bit szélességű memóriákból kell összeállítanunk. Például ha a processzorunk 8 darab 8 bites adatokkal dolgozik, akkor a memóriát vagy 2 darab 32 bitesből vagy 1 darab 64 bitesből tudjuk összeállítani. A processzorok adatsínszé1ességét a következő táblázatban láthatjuk: Processzor típusa 286 386 486 5x86 Pentium Pentium II Pentium Pro
Adatín szélesség 16 32 32 32 64 64 64
Az alaplapokon található csatlakozók azonban egyértelműen behatárolják a memória bitszélességét (lásd a Tokozás pontot). Tehát vagy az alaplap leírásából tájékozódunk, vagy bizonyos esetekben szemrevételezéssel megállapítjuk, hogy milyen memóriát kell választanunk. A szemrevételezés nem jó megoldás akkor, ha az alaplapunk megköveteli a paritásos RAM használatát, mert ebben az esetben a paritás nélküli memóriával nem fog elindulni a számítógép. - Tokozás: A DRAM modulok esetében többféle tokozás alakult ki. A 8 bites memóriamodulok (hagyományos DRAM) 30 lábú SIMM (Single Memory Modul, egysoros memóriamodul) tokozású, vagy 32 bitesek, függetlenül a típusuktól, 72 lábú SIMM modulok, míg az SDRAM-ok melyek 64 bites adatsínnel rendelkeznek, 168 lábú DIMM (Dual Inline Memory Module, kétsoros memóriamodul) szerelésben kaphatók. Az alaplapra pillantva általában megállapítható, hogy milyen tokozású memóriát kell vásárolnunk. Ez azonban nem minden, hiszen mind a ne szempontot figyelembe kell venni! Az SRAM és a VRAM áramkörök általában DIP (Dual in Package, kétsoros tokozás) vagy SOJ (Sall Outline J-Lead) tokozásban kerülnek kivitelezésre. Ezeknek igen fontos a lábszámuk és a kivezetések elosztása. Fogalmak, jelentések Automatikus frissítés
Cache
CE
CAS Ciklusidő
DIP
DIMM
Auto Refresh. Ebben az esetben a memória frissítését modulon található áramkör. Ez akkor aktivizálódik mikor az sorcím engedélyező jel (RAS) előtt már megjelenik az oszlopcím engedélyező jel (CAS). Így a memóriafrissítés a háttérben automatikusan minden olvasási és írási művelet esetén megtörténik. Az automatikus frissítést nevezik rejtett, vagy RAS előtti CAS (angolul CAS before RAS) frissítésnek is. A cache kis méretű, de igen gyors statikus memória melyet átmeneti tárolásra használunk. Minden memóriaírás és -olvasás eredménye megtalálható a cache-ben, így ha ugyanarra az adatra van szükség, az sokkal gyorsabban elérhető mintha a RAM-hoz fordulnánk. Kü1önböző a1goritmusokkal, melyek meghatározzák, hogy milyen adatok kerülnek a cache-be a találati arány meglehetősen megnövelhető. Chi Enabled, áramkör elrendezés. Minden memória-áramkörnek található ilyen bemenete. Arra szolgál, hogy sok memória közül ki tudjuk választani azt az egyet, amelyet szeretnénk. Amikor a CE jel megjelenik, a címeknek mar stabilan rendelkezésre kell állni. A jel alacsony szinten aktív (0 szintje a hatásos szint), erre utal a felette látható vízszintes vonal. Column Adress Select, oszlopcím kiválasztás. A CAS jel jelzi a memória számára, hogy a címbemeneteken az oszlopcím van jelen. A CAS szintén alacsony szinten aktív. Az a minimális idő, melynek két egymást követő írás vagy olvasás között el kell telnie. DRAM-oknál az előtöltési és a hozzáférési idő összegeként számítható. Dual in Line, kétsoros tokozás. Az integrált áramkörök tokozásának legelterjedtebb módja. A lábak két sorban, a tok két oldalán találhatók. 4-68 lábig gyártják. Dual Inline Memory Module, kétsoros memóriamodul. SDRAM-oknál használatos kifejezés azt jelenti, hogy a modulcsatlakozó a kétoldalas. Ezzel
51
DRAM
EDO
Ellenőrző bit Flip-flop
FPM
Hi-Z
Lap
OE
Paritás
Puffer
RAS Frissítés
SDRAM
a megoldással a memória méretét csökkenteni lehetett úgy, hogy közben a kapacitása is megnövekedjék. Dinamic Random Access Memory, dinamikus véletlen hozzáférésű memória. A RAM-ok közül a legkönnyebben gyártható, viszonylag olcsó és nagy kapacitású, de meglehetősen lassú. Ez utóbbi tulajdonsága miatt ma már nem használják. Extended Data Out, kiterjesztett adatkimenet. Az elmúlt év legelterjedtebb RAM technikája. A memóriavezérlő olvasás vagy írás közben már a következő memóriacímet ad át a modulnak. Lapozásos technikát használva az egy lapon belüli címek esetében csak az oszlopcímeket kell elküldeni a memória számára. Ezen két technika kihasználásával a RAM ciklusideje jelentősen lerövidíthető. Check Bit. Az adatokat kiegészítő bit, melynek segítségével a fogadó oldalon el lehet dönteni, hogy az átvitel során történtek-e hibák. Olyan áramkör, melynek két ál1apota van. Azt, hogy melyik állapotba kerüljön, azt az erre a célra szolgáló bemenetek segítségével határozhatjuk meg. Fast Page Mode, gyorslapozási mód. A memóriaterületet lapokra osztják. Mivel minden lapnak azonos a sorcíme, felesleges minden műveletnél kiadni ezt a címet. Így lapon belüli írás vagy olvasás esetén csak az oszlopcím változik. Az ilyen címzéssel jelentős sebességnövekedést érhetünk el. High impedance, nagyimpedanciás állapot. Ha a memória-áramköröket letiltjuk, akkor azok kimenetüket nagy impedanciás állapotba viszik. Ennek akkor van jelentősége, ha ugyanarra a vonalra több áramkör kapcsolódik. Ilyenkor a nem aktívak nagy impedanciás állapotban vannak, amit az aktív áramkör úgy érzékel, mintha csak ő volna egyedül a vonalon. Egy sorban levő cellák összességét nevezzük lapnak. A lapszervezés alkalmazásával az információ egy lapon belül sokkal gyorsabban elérhető. Ha olyan adatokat szeretnénk elérni, amik egy lapon vannak, akkor elég a sorcímet csak egyszer kiadni és csak az oszlopcímet változtatni. Output Enabled, kimenet engedélyezés. Több áramkör párhuzamos kapcsolását teszi lehetővé. A memóriaelemeknek a kimenetét engedélyezni kell, hogy az áramkör-kiválasztó jel aktív, valamint a kimenetekre kapcsolódó áramkör alkalmas az információ feldolgozására. Megjegyezzük, hogy áramköri szempontból a bemenetek és a kimenetek közös vonalat használnak. A helyes ütemezésről természetesen gondoskodni kell. A paritás egy memóriablokkon belül egy bitnyi hiba felismerésére szolgál. Minden 8 bites ( 1 bájtos) adat mellé képeznek egy paritásbitet, amelyek értékét az adat és a paritás módja határozza meg. Ha páros paritást alkalmazunk, akkor a paritásbit úgy egészíti ki az adatbájtot, hogy a 9 bitben páros számú 1-es legyen. Páratlan paritás esetében a paritásbit úgy áll be, hogy az egyesek száma páratlan legyen. Ez a módszer hibajavítást nem tesz lehetővé. A processzor és a memóriák sebessége rendszerint eltérő. Így előállhat olyan helyzet, hogy a memória kimeneten mar ott az adat, de a processzor még nem tudja fogadni. Természetesen ugyanez fordítva is lehet. Ha eközben a memória új címet kap, bizonytalan, hogy a processzor milyen adatot fog beolvasni. Ezt ki lehet küszöbölni ha az adatokat egy átmeneti tárolóba (puffer) vezetjük, ahol mindaddig eltárolódik amíg feldolgozásra nem kerül. Row Address Select, sorcím kiválasztás. A memóriavezérlő állítja elő. Aktív állapotba kerül, ha a memóriamodul címbemenetein a sorcím van jelen. Minden DRAM a felépítéséből következően csak kis ideig képes az információt tárolni. Ha a tartalmát nem frissítjük fel, akkor a tárolt 1-es értékek átalakulnak 0-vá. A frissítést vagy a memóriavezérlő vagy a memóriamodul vagy egy külső áramkör végezheti el. Synchronous Dynamic Random Access Memory, szinkron dinamikus memória. Napjaink legelterjedtebb memóriájává nőtte ki magát. Jelenleg a leggyorsabb és a legnagyobb kapacitású memória melyet a rendszermemóriaként alkalmaznak. Az EDORAM tulajdonságait kiegészítették azzal, hogy két egymástól független bankot használnak
52
SIMM
SRAM
SOJ RAM
adattárolásra. Így a memóriavezérlő azalatt, hogy az adatokat írja vagy olvassa az egyik bankba illetve bankból, a másik számára már elküldi a memóriacímet. Így ez fel tud készülni az adatátvitelre, mely azonnal meg is történik, mihelyt az első bank adatátvitele befejeződött. Így elvileg az EDORAM sebességének a duplájára képes az SDRAM. Maximális működési frekvenciája 100 MHz fölötti. Single Inline Memory Module, egysoros memóriamodul. Az SDRAM kivételével minden memóriamodul ilyen kialakítású. A viszonylag kisszámú kivezetés lehetővé tette, hogy a memóriamodulnak csak az egyik oldalán legyenek csatlakozópontok. Így az ilyen modulok tartása nagyon egyszerű és olcsó. Ne zavarjon meg azonban bennünket hogyha ránézünk egy memóriamodulra, akkor a panel mindkét oldalán találunk csatlakozósávot. Ezek mindegyike össze van kötve a szemközti oldalon találhatókkal. Ez a csatlakozás biztonságát is növeli. Static RAM, statikus RAM. Az információkat billenő körök tárolják. Ezek működéséből adódik, hogy az SRAM-okat nem kell frissíteni, tartalmukat a tápfeszültség megszüntetéséig megtartják. Small Outlin J-LEAD. Egy tokozási forma, elsősorban a DRAM és VRAM áramkörök tokozásánál alkalmazzák. Video RAM. Egy olyan speciális tároló áramkör, hogy egyszerre írjuk és olvassuk a tartalmát.
Ellenőrző kérdések 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33.
Mit használnak a számító ezekben az adatok tárolására? Milyen elven tárol a dinamikus RAM? Mekkora a jellemző elérési ideje a DRAM-nak?: Miért kell frissíteni a DRAM-ot? Milyen frissítési lehetőségek ismertek? A memóriacellákat miért szervezik mátrix alakba? Egy 1 Mbites RAM-nak mennyi kivezetése van? Milyen bitszélességben készülnek a DRAM-ok? Hogyan lehet a DRAM sebességét megnövelni? Mi az a memórialap? Mi a lapszervezés lényege? Miért gyorsabb az EDORAM a FPRAM-nál? Milyen alaplapokban használhatók az EDORAM-ok? Minek a rövidítése a SIMM? Milyen jellemzői vannak az SDRAM modulnak? Milyen alaplapok kezelik az SDRAM-ot? Mit jelent, hogy egy memória 9 vagy 36 bites? Mi a páros és a páratlan paritás közötti különbség? Mi az álparitás lényege? Mi a statikus memória? Milyen típusai vannak a statikus memóriának? Mik a szinkron statikus memória tulajdonságai? Miben tér el a szinkron és az aszinkron statikus memória egymástól? Milyen szempontokat kell figyelembe venni a RAM vásárlása esetén? Hogyan szereljük ki a 8- és 32 bites modulokat? Hogyan szereljük ki az SDRAM modulokat? Hogyan szereljük ki az SRAM és VRAM áramköröket? Hogyan szereljük be a 8- és 32 bites modulokat? Hogyan szereljük be az SDRAM modulokat? Hogyan szereljük be az SRAM és VRAM áramköröket? Miért tesztel kevesebb memóriát a gép induláskor? Mi lehet az oka annak, ha nem indul a gép? Mivel jelzi nekünk a számítógép, hogy valami nincs rendben?
53
II. rész Adattároló eszközök – bővítő kártyák – megjelenítő eszközök – adatbeviteli eszközök Készítette: Vendégh Richárd TI-41 Tartalomjegyzék Merevlemezes tároló Lemezkezelés Merevlemezes csatolók Hajlékonylemez meghajtó A hajlékonylemezes meghajtó csatolója CD-ROM A Compact Disc története A CD technika alapjai A lemez felépítése CD írása Szabványok CD lemezek nagyüzemi gyártása A tárolókapacitás növelése CD-ROM-ok vezérlői Néhány CD fajta A DVD A multi IO kártya Merevlemez vezérlő Floppy meghajtó Soros vonali illesztő Párhuzamos illesztő fokozat Botkormány illesztő A hangkártya Az analóg-digitális átalakítás A digitális-analóg átalakítás A hangkártyák felépítése Ismert hangkártya típusok Hardveres beállítások A modem Amplitúdó moduláció Frekvencia moduláció Fázis moduláció A modemek felépítése Hibajavító protokollok A grafikus kártya A grafikus kártyák fejlődése A grafikus kártyákon használt RAM típusok A gyorsítókártyák Megjelenítő eszközök CRT monitorok LCD monitorok, LCD panelek Projektorok Adatbeviteli eszközök A billentyűzet Az egér Trackball Digitalizáló táblák Az eszközök számítógéphez csatlakoztatása
109 109 117 122 124 127 127 127 128 130 131 135 135 136 136 137 141 141 142 142 147 152 155 155 158 159 160 163 166 166 167 168 168 171 174 174 182 187 201 201 206 208 211 211 212 214 215 215
54
1. Merevlemezes tároló A merevlemezes tároló nagy sebességű és nagy tárolókapacitású háttértároló. Fizikailag egy, vagy több közös tengelyen elhelyezett lemezből áll, melyeknek bevonata mágneses mezőre érzékeny. Minden lemez mindkét oldala írható-olvasható, ez alól csak a két szélső lemez burkolat felöli oldala kivétel. Minden lemezoldalhoz tartozik egy író- és egy olvasófej. Ezeket már kivétel nélkül egybeintegrálva készítik. Az összes fej egyszerre mozdul el, a fejmeghajtó elektronika biztosítja, hogy az összes lemezoldalra egyszerre történjen meg az írás, vagy olvasás. A lemez felülete speciális anyag, melynek elemi részecskéi a mágneses mezőtől függő irányba állnak be. A fej típusa nyitott lágyvas, melyen egy tekercset helyeznek el. Ha a tekercsre váltakozó feszültséget kapcsolunk, akkor a vasmag két vége közötti nyílásban mágneses mező indukálódik. A mágneses mező erővonalai érintkeznek tulajdonképpen a lemezzel. Az erővonalak iránya a lemezbevonat részecskéit a megfelelő irányba állítják. Mivel a számítógép, így az adattárolás is digitális működésű és bináris kódolást használ, ezért a jeleknek csak két állapota, 0 és 1 lehet. Ennek megfelelően a részecskeirány is kétféle lehet. 1.1. Lemezkezelés Fizikai lemezkezelés A lemez fizikai kezelése megegyezik mind a merev-, mind a hajlékonylemezes meghajtónál, ezért az itt leírtak értelemszerűen a hajlékonylemezes meghajtókra is vonatkoznak. Amikor írunk a lemezre, mindig csak egy fej dolgozik egy időben. Szembekerülünk azonban két problémával, amely ugyanazt az eseményt okozza. Ha a lemez forgási sebessége állandó, akkor a külső és a belső széle nem egyforma kerületi sebességgel forog. Ezen lehet segíteni, hogy ha az elektronika a forgási sebességet úgy változtatja, hogy a fej alatti sáv kerületi sebessége állandó maradjon. A másik probléma, hogy a lemezeket forgató motor fordulatszáma nem állandó, bizonyos tűrési tartományon belül mozog, ennek az eredménye, hogy a lemez forgási sebessége is ingadozni fog. Ez a beolvasásnál és az írásnál is komoly probléma, mert így a szektorhatárokat nehéz megtalálni. Ennek kiküszöbölésére az információt kódoljuk és a kódolásban beépítünk olyan információt, mely megoldja a szinkronizációt. FM (Frequency Modulation – frekvencia moduláció) kódolás: Ennél a kódolásnál az alacsony és a magas szinteket eltérő frekvenciájú jelek jelzik. Általában a 0 szinthez egy nagyságrenddel alacsonyabb jel tartozik, mint az 1 szinthez. MFM (Modify Frequency Modulation – módosított frekvencia moduláció) kódolás: Az FM kódolás hiányosságait hivatott kiküszöbölni az MFM eljárás. Az első winchestereknél ezt használták, a hajlékonylemezek még ma is ezt a kódolást használják. A jeleket itt felfutó élek jelölik. A két szintet a felfutó él elhelyezkedése határozza meg. 0 szintet a bithatár elején lévő, míg az 1 állapotot a bitközépen elhelyezkedő felfutó él jelöli. Ha az 1-est 0 követi, akkor ott nincs impulzus a kódolt jelben. Erre azért van szükség, mert akkor túl közel kerülne a két impulzus, és zavar esetén ezek egybefolyhatnak. Ha ez bekövetkezne, nem érzékelnénk a bitváltozást.
Kódolási eljárások
55
Manchaster kódolás: Ez a kódolás nullára szimmetrikus feszültségszinteket használ. Itt a biteket jelátmenet jelképezi, az ugrás irányának is szerepe van. Például 01 átmenet 1-est, az 10 átmenet 0-t jelöl. Akkor, ha több azonos bit követi egymást, akkor a jelnek a két bit között vissza kell térnie az eredeti szintre azért, hogy a következő bitidőben ugyanolyan átmenet következhessen. RLL kódolás: Kifejlesztésénél a cél az volt, hogy a fluxusváltozást tovább csökkentsék. Ezt az adatok átkódolásával sikerült megoldani. A kódolás elve viszonylag egyszerű, két 1 állapot között meghatározott számú 0 állapotnak kell lennie. Ez a módszer kapta az RLL (Run Lenght Limited – futási hossz korlátozás) nevet. Az évek során mind újabb és újabb változatai láttak napvilágot. Bitsorozat RLL 2.7 kód 010 100100 011 0010000 0010 001000 0011 00100100 000 000010000 10 0100 11 1000 Az RLL kódolás bithelyettesítései
Az IDE az EIDE és az SCSI csatolós merevlemezek többnyire az RLL 2.7 kódolást használják. Felhasználásával az MFM kódoláshoz képest mintegy 50%-os tárolókapacitás növekedés érhető el. Ezt úgy sikerült elérni, hogy a sávokban lévő szektorok számát felemelték 26-ra. Az ábrán összefoglaltuk a különböző kódolási módokat. Az idődiagrammból jól láthatóak a működési különbségek. Minden impulzus egy fluxusváltozást jelent a lemez felületén. A lemez kezelésében különböző részeket különböztetünk meg. A lemezeket koncentrikus körökre osztjuk, ezeket nevezzük sávoknak. A sávok a fejek sugárirányú elmozdulásával érhetők el. Minden sávot megadott számú, egyenlő hosszúságú részre osztunk, ennek az elnevezése szektor. Az egymás fölött elhelyezkedő szektorokat nevezzük cilindereknek. A szektor a kezelhető legkisebb adategység. A szektorokat felépítésük alapján két részre oszthatjuk, a szektorfejre és az adatblokkra. Ez utóbbi a lemezre írt adatokat tartalmazza. A szektorfej adminisztratív célokat szolgál. Tartalmazza a sáv számát, a fej sorszámát, a szektor számát és a hosszának kódját. Mindkét részt egy speciális jel előzi meg, hogy a különválasztás megbízható legyen. Az adatblokkot az adatjel (Data Mark – DM), míg a szektorfejet az azonosító jel (Identifier Mark – IM) vezeti be. A DM két értéket, normál és törölt állapotot tartalmazhat. Ha írunk a lemezre, a vezérlő ezt a jelzést felülírja. A merevlemezes tárolóba beépítettek egy hibafelismerő és egy hibajavító áramkört. Ezek használatával felderíthetők az adatátvitel során bekövetkező hibák, valamint ki is javíthatók azok. Ahhoz, hogy a lemezen létrejöjjenek a sávok és a szektorok, egy speciális műveletet kell végrehajtanunk, amit formázásnak nevezünk. A formázásnak két része van az alacsony szintű (Low Level Format) és logikai formázás. Az előbbit a mai merevlemezeknél már a gyárban elvégzik, így ezt nem kell, sőt általában nem is szabad nekünk elvégeznünk. A mai merevlemezek már elviselik az alacsonyszintű formázást, de nem ajánlott, a régebbi IDE merevlemezeknél egyenesen tilos ezt a műveletet elvégezni. Az alacsonyszintű formázásnál a merevlemez vezérlő a szektorokat megszámozza 1-től kezdve folyamatosan egyesével növelve. Az ideális az lenne, hogy a vezérlő a szektorokat folyamatosan növekvő sorszám szerint olvasná be. Az információ olvasásához és feldolgozásához azonban idő kell, ami alatt a lemez tovább fordul. Ha a következő szektor eleje már elhaladt eközben a fej előtt, az nem tudja kiolvasni a benne található adatot, ezért kell várni egy teljes körülfordulást. Ez jelentős időveszteséget jelent. A megoldást a logikai formázás jelenti, melyet az operációs rendszer végez el. Erről a következő, "A merevlemez logikai kezelése" című alfejezetben lesz szó. A merevlemez fizikai kezelése tulajdonképpen sáv- és szektor szintű műveletek. A szektorszintű műveletek a következők: Szektorok olvasása és írása Törölt jelzésű szektorok Azonosító olvasása Minden fizikai műveletet elő kell készíteni a fej beállításával. Ez azt jelenti, hogy a fejet a kívánt sáv fölé kell helyezni. A merevlemezeknél az adatátvitel olyan gyors, hogy megfelelő sebességgel csak közvetlen memória hozzáféréssel lehet kezelni.
56
A sávszintű műveleteket adatátvitelre nem használják, elsősorban a lemez formázására és vizsgálatára alkalmasak. Mint a nevében is benne van a sávszintű művelet végrehajtás az indexjelnél kezdődik és a sáv végéig tart. A végrehajtáshoz meg kell adni a sáv, a fej és a szektor számát. A művelet után a vezérlő sorban elkezdi olvasni a lemez szektorfejeit és megvizsgálja a sorszámot. Ha egy körbefordulás alatt nem talál olyan számút, mint amit mi előírtunk, akkor a Sector not found (Szektor nem található) hibaüzenetet kapjuk. A szektorokat 1-től, míg a fejeket és a sávokat 0-tól kezdik el számozni. Lehetőségünk van azonban ettől eltérő formátum létrehozására is. Ennek tipikus területe a másolásvédelem biztosítása a lemezek számára. A merevlemez logikai kezelése A logikai lemezkezelés alapja a több szektorból álló szektorcsoport, vagy idegen szóval a cluster. Ebben a blokkcsoportban tartja nyílván az operációs rendszer a lemezterületek foglaltságát és a fájlok elhelyezkedését. Annak érdekében, hogy kezelni tudjuk a clustereket, azok számozására van szükség. Ez a számozás azonban független a lemezegység fizikai paramétereitől. Az átvitel gyorsaságának növeléséhez a szektorokat nem folyamatosan számozzuk, hanem két egymást követő sáv között annyi távolságot hagyunk, amennyi idő alatt a vezérlő fel tudja dolgozni az adatokat. Így az olvasás és az írás folyamatosan történik. A fizikai és a logikai sorszámok közötti kapcsolatot az átlapolási tényező (Interleave Faktor) adja meg. Az 1:1 átlapolási tényező azt jelenti, hogy a fizikai és a logikai szektorszámozás megegyezik. Az átlapolási tényezőt az alacsonyszintű formázáskor lehet beállítani. Ha a tényező túl nagy, vagy túl kicsi, akkor az a rendszert lelassíthatja. Az IDE és a SCSI lemezeknek az adatfeldolgozási sebessége elég nagy ahhoz, hogy gyárilag az 1:1 átlapolódási tényezőt állítsák be. A merevlemez vezérlő elektronikája írni és olvasni a merevlemezt csak clusterenként tudja. Ez azt jelenti, hogy a legkisebb írható vagy olvasható méret a clustermérettel egyenlő. Minél nagyobb a lemez mérete, annál nagyobb a cluster mérete is. A táblázat az MSDOS és a Windows 95 (VFAT) clusterméreteit mutatja a lemez (partíció) méretének a függvényében. Partíció mérete Clusterméret
< 31.99 Mbájt 512 bájt
< 63.98 Mbájt 1 Kbájt
< 127.96 Mbájt 2 Kbájt
< 255.93 Mbájt 4 Kbájt
< 511.86 Mbájt 8 Kbájt
<1023.72 Mbájt 16 Kbájt
> 1024 Mbájt 32 Kbájt
A clusterméret alakulása a partíció méretének függvényében Nézzük meg, mit is jelent ez a gyakorlatban. Legyen egy 1300 Mbájt méretű merevlemezünk. Erre másoljunk fel egy 1 Kbájtos fájlt. A táblázatból kikeresve megállapíthatjuk, hogy a clusterméret 32 Kbájt lesz. Ez a legkisebb egység, amit a lemezre írhatunk, illetve onnan kiolvashatunk. A másolandó fájlunk azonban 1 Kbájt méretű. Ezt felírva 31 Kbájtnyi tárterület elveszik, mivel azt az operációs rendszer kitölti. Ha 1000 darab 1 Kbájtos fájlt szeretnénk felmásolni, akkor 31 Mbájt hely fog veszendőbe menni. Ha ugyanezt egy 16 Kbájtos clustermérettel rendelkező lemezre másolnánk, akkor a veszteség "csak" 15 Mbájt lenne. A fenti példából nagyon jól látható, hogy a helyveszteség csökkentése szempontjából annál jobb, minél kisebb a merevlemez mérete. Ez a valóságban nem így van, hiszen egyre nagyobb és nagyobb merevlemezek kerülnek ki a piacra. Hogy ne legyen problémánk, a lemezt logikai részekre, partíciókra kell felosztani. Minden merevlemez egy fizikai partícióból áll, ennek mérete a lemez teljes területével egyenlő. A fizikai partíciót osztjuk fel logikai partíciókra. Kétféle logikai partíciót különböztethetünk meg, az elsődleges és a másodlagos partíciót. A DOS és a Windows95 (VFAT) csak az elsődleges partícióról képes elindulni, valamint összesen négy elsődleges partíciót képesek kezelni. A logikai partíciókat úgy látjuk, mintha külön merevlemez volna, külön-külön tudjuk írni és olvasni őket. A partíciók felhasználásával több operációs rendszer futtatására is lehetőségünk nyílik. A partíciók információit a merevlemezen el kell tárolni, hogy azokat az operációs rendszer képes legyen felismerni és kezelni. Erre a célra szolgál a merevlemez partíciós táblája. Partíciós tábla A partíciós tábla mindig a 0. számú logikai szektor, a 0. sávon a 0. fejjel elérhető 1. fizikai sorszámú szektor. Ez a terület a DOS alól nem látható. A partíciós tábla a szektor végén található. Vizsgáljuk meg ennek a területnek a felépítését.
57
A szektor első részében egy programot találunk, ami az igazi partíciós táblát értelmezi és a betöltésre kijelölt partíció betöltő szektorát beolvassa. A program neve mester betöltő rekord (Master Boot Record – MBR). Ezt a szektort ellenőrzi és ha hibátlan, el is indítja. A szektornak körülbelül a fele üres terület. Ide kerülnek azok a programok, melyek az MBR-rel kapcsolatosan végeznek műveleteket. Itt akkor is találunk programot, ha partíciós vírusunk van. Ezek általában az összes rendelkezésükre álló szabad területet elfoglalják. A ROM BIOS program az önteszt és a kezdeti paraméterek beállítása után az első fizikai szektort (MBR és a partíciós tábla) betölti a 07C00h RAM címre, majd a vezérlést átadja erre a címre. Ezután elindul az MBR-ben található program futása, mely a következőket végzi el:
Átmásolja önmagát a 00600h címre, majd a végrehajtást innen folytatja. Elemzi a partíciós tábla első bejegyzését. Ha nem aktív, akkor átugrik a következő bejegyzésre. Amennyiben nem talál aktív bejegyzésű partíciót, akkor az operációs rendszert az A: meghajtóról próbálja meg elindítani. Amennyiben van a meghajtóban lemez, de nem tartalmaz operációs rendszert, vagy nincs benn lemez, akkor az üzenettel kér minket, hogy helyezzünk be rendszerlemezt. Abban az esetben, ha egy partíció bejegyzés nem 00h vagy 80h, akkor az "Invalid partition table" üzenetet kapjuk. Ennek eredménye, hogy itt végtelen ciklusba lép. Ebből csak a számítógép újraindításával lehet kibillenteni. Ha egy bejegyzés aktív, tárolja a betöltő szektor tartalmát. Amennyiben a többi bejegyzések között ismét talál aktív partíciót, akkor ismét az "Invalid partition table" üzenetet kapjuk, majd ismét végtelen ciklusba lép. Betölti az aktív partícióhoz tartozó mester betöltő szektort a 07C00h címre. Abban az esetben, ha az előbbi művelet többszöri kísérletezés után is eredménytelen, akkor az "Error loading operating system" üzenet íródik ki a képernyőre. Az üzenetet kiírása után az MBR program végtelen ciklusba kerül. Ha a betöltő szektor utolsó szava (2 bájt) nem 55Aah, akkor a "Missing operating system" üzenetet írja ki a program és végtelen ciklusba lép. Sikeres betöltés esetén a művelet vége szektor végrehajtásához a 07C00h címre.
A szektor és sávcím 16 bitjéből az alsó hat bit határozza meg a szektort, a 7. és a 8. bit a felső bájt elé kerülve a 10 bites sávcím 8. és 9. bitje lesz. Mindezekből az következik, hogy 63 szektort és 1024 sávot tudunk megcímezni. A szektorok relatív számozása a fizikai számozásnak felel meg, tehát a 0. sávban a 0. fejjel elérhető 1. szektor a 0. számú relatív szektor. A DOS operációs rendszer abszolút szektorszáma ezzel szemben a betöltő szektortól kezdve osztja ki a lineárisan növekedő szektorszámot. A különböző szektorszámozás és a fizikai szektorazonosítók között egy egyszerű átszámítás tart kapcsolatot. DOS betöltő szektor Az operációs rendszer elindításához szükség van a lemezen (partíción) egy olyan területre, mely elvégzi ezt a műveletet. Ezt nevezzük betöltő (Boot) szektornak. A betöltő szektor feladata a logikai periféria vezérlő és az operációs rendszert tartalmazó fájlok megkeresése és betöltése. A rendszerfájlokat a későbbiekben ismertetett főkatalógus első két bejegyzése azonosítja. A szektort teljes mértékig kitölti a betöltő program, kiegészítve hibaüzenetekkel és a szektor elején található BIOS paraméterblokkal. Ezután a program betölti a RAM-ba a szektorban található IO.SYS és MSDOS.SYS nevű állományokat. Abban az esetben, ha ez nem sikerül, akkor az alábbi hibaüzenetet kapjuk: "Non system disk or disk error... Replace and press any key when ready". Az üzenet magyar fordításban: "Nem rendszerlemez vagy lemezhiba… Cserélje ki a lemezt és nyomjon meg egy gombot, ha kész". A betöltést követően a vezérlés átadódik az IO.SYS állománynak. A lemezek sorozatszáma egyedi, az a formázáskor jön létre a dátum és az idő aktuális értékéből. Ez többek között lemezcsere automatikus detektálására is használható. Állományelhelyezési tábla Az állományelhelyezési tábla (FAT – File Allocation Table) az állományok rekordjainak lemezen történő elhelyezkedését tárolja. A lemez legkisebb egysége a szektor, azonban a DOS nem képes ezek kezelésére, szektorcsoportokkal dolgozik, melyek idegen neve cluster. Az ebben található szektoroknak a száma mindig 2-nek valamelyik hatványa, valamint összefüggésben van a lemez (partíció)
58
méretével. A FAT ezen clustereknek a foglaltságát tárolja, vagyis innen tudjuk meg, hogy hol van szabad hely a lemezen. A FAT a rendszer működésének elengedhetetlen feltétele. Annak érdekében, hogy véletlenszerű sérülés esetén se legyen probléma, az állományelhelyezési táblát két példányban tároljuk. A két tábla egymás mögött helyezkedik el, a második az első pontos másolata. Így az egyik meghibásodása esetén a másik még használható. Ebben az esetben a rendszer figyelmeztet a hibára és van időnk kijavítani valamilyen segédprogrammal. Ha mindkettő megsérül, akkor sajnos nagy az esélye, hogy le kell mondanunk a lemezen tárolt adatainkról. Még ilyenkor is lehet némi remény arra, hogy a két FAT táblából a segédprogrammal vissza tudjuk állítani a rendszert, ennek azonban meglehetősen kicsi az esélye. Az állományelhelyezési tábla, mint ahogy a neve is utal rá, egy táblázat, melynek bejegyzései vannak. Minden bejegyzésnek van száma, amivel azonosítjuk és természetesen van tartalma is. A bejegyzések száma függ a bejegyzések méretétől. Abban az esetben, ha 12 biten tárolunk egy bejegyzést, összesen 212, azaz 4096 bejegyzés lehet. Ha 16 bites tárolást alkalmazunk, akkor ebben az esetben 65536 darab bejegyzés tudunk megkülönböztetni. A bejegyzések száma tulajdonképpen egy clusterszám, vagyis a bejegyzések száma és a hozzá tartozó lemezterület között közvetlen a kapcsolat. Megegyezés szerint az első adattárolásra használható lemezfelülethez a 2. clustert rendeljük. A FAT nulladik és az első bejegyzéséhez nem tartozik lemezfelület. Az első bejegyzés az adathordozó típusát jelenti, mégpedig annak kódszámát.
A kód felépítése: 0 Kétoldalas lemezt jelent 1 Egy sávban 8 szektor található 2 Cserélhető adathordozót azonosít 3-7 Kötelezően 1 értékű
A bejegyzések tartalma a következő lehet: 0000h Üres bejegyzés, tehát szabad az adott cluster FFF7h Hibás lemezfelülethez tartozó cluster FFFFh Az állomány tárolásának utolsó clustere xxxx A clusterlánc következő eleme az xxxx számú
A hajlékonylemezek 12 bites bejegyzésének értelmezése bonyolultabb, mint a 16 biteseké. Ez abból adódik, hogy a 12 bit az 1.5 bájt. Fél bájtot azonban nem tudunk kezelni, ezért két 12 bites bejegyzésből készítünk egy 3 bájtos egységet és ezt értelmezzük. Képzésnél a középső bájt felső négy bitje kerül az első bájt elé, az alsó négy bitje pedig a harmadik bájt után. Katalógus Az állományokat a lemezen katalógusokban tároljuk. A katalógusrendszert mi hozzuk létre, és fa struktúrájú a felépítése. Ez azt jelenti, hogy a fájlok katalógusokban vannak, melyek még egymásba is ágyazhatók. Egy állomány, vagy katalógus helyét megkapjuk, ha azokat a könyvtárakat, melyeken át kell haladni, hogy elérjünk oda, ahova szeretnénk, leírjuk egymás mögé a "\" (backslash) jellel elválasztva. A főkatalógus a két FAT után következik a lemezen, és még a FAT szerkezetnek a része. A katalógus-bejegyzések mind a fő, mind az alkönyvtárakban 32 bájt hosszúságúak. A katalógusbejegyzések kötetcímkét, alkatalógust, vagy fájlnevet határozhatnak meg. A maximális fájlméret 32 Mbájt. A főkatalógus mérete korlátozott, 512 bejegyzésnél több nem lehet benne. A név és a kiterjesztés közti pontot a bejegyzés nem tárolja. Ha a név, legyen az akár katalógus, vagy állománynév, 0E5h karakterrel kezdődik, akkor ez azt jelenti, hogy ez a bejegyzés törölt. A bejegyzés többi része nem változik. A kezdő cluster száma is megmarad, így ennek alapján a törölt állomány még visszaállítható. Ha a lemezre írunk, akkor az új fájl vagy katalógus az első szabad helyet foglalja el. A törlésre megjelölt bejegyzés is szabadnak számít. Ha az állomány nevében az első karakter a 0E5h kódú, akkor a katalógusban a név első karaktereként 05h kód tárolódik el. Ha a név első bájtjában 00h kód található, az azt jelenti, hogy nincs több bejegyzés a katalógusban. Az ezután következő bejegyzéseket a DOS nem vizsgálja, feltételezi, hogy nincs több hasznos bejegyzés. Már említettük, hogy a főkatalógus mérete 512 bejegyzésben van maximalizálva. Ilyen megkötés az alkatalógusok bejegyzéseire nincsen függetlenül attól, hogy az fájlt, vagy újabb alkatalógus jelöl-e. A katalógus és az abból nyíló alkatalógusok között a katalógus két első, valamint az alkatalógusok első két bejegyzése tart kapcsolatot.
59
Nézzük meg, hogy a DOS hogyan tölt be egy állományt. Az operációs rendszer az állományt a keresési útvonal alapján próbálja megkeresni. Ennek a folyamata, hogy megnézi az aktuális alkatalógust, ha itt nem találja, akkor a főkatalógusban megismétli a műveletet. Ha itt sem találja, akkor a PATH paraméterben megadott keresési útvonalban lévő alkönyvtárakat nézi végig. Ha egyikben sem talál a megadott névvel állományt, akkor a következő hibaüzenetet kapjuk: "Bad command or file name" (Hibás parancs vagy fájlnév). Ha a fent említett helyek közül talál a keresettel megegyező nevű bejegyzést, akkor kiveszi ebből az állomány hosszúság és a kezdő clusterszám adatot. A kezdő cluster számából kiszámítja az abszolút szektorszámot és beolvassa a fizikai szektorokat. A kezdő clusterszámnak megfelelő FAT bejegyzést értelmezve egyértelmű, hogy van-e további beolvasandó cluster. Ha elértük az utolsó clustert, akkor ebből csak annyi bájtot olvas be, amennyi az állomány hosszából még hátra van. 1.2. Merevlemezes csatolók Minden merevlemezhez szükség van egy áramkörre, ami képes a meghajtót vezérelni. A számítógépek történelmében többféle csatolótípus volt forgalomban, ezek egyre gyorsabb és gyorsabb adatátvitelt tettek lehetővé. Ebben a fejezetben a két legelterjedtebb csatolótípussal, az IDE és a SCSI csatolóval foglalkozunk. Kitérünk a ma már egyre inkább elterjedt Ultra DMA átviteli módra is. IDE merevlemez csatoló Kifejlesztésének előzménye az ESDI csatolótípus volt, melyet az IBM PS/2 számítógépében alkalmaztak. A meghajtók egyre nagyobb számban láttak napvilágot, egyre gyorsabbak és nagyobb kapacitásúak lettek. Nem kellett sok idő, hogy a BIOS 46 lehetősége már ne legyen elég. A meghajtók bővítésénél egyre körülményesebb volt a meghajtók paramétereinek beállítása. Az ESDI rendszerben a merevlemez paraméterei már lekérdezhetők voltak és már megoldható volt az automatikus beállítás is. Az adatátviteli sebesség növelésének egyik módja, hogy a lemez és a meghajtó elektronika közötti távolságot lecsökkentjük. Ennek megfelelően akkor a legjobb a helyzet, ha magán a meghajtón van a vezérlő elektronika. Ebből az elgondolásból született meg az IDE (Integrated Device Equipment – integrált eszköz-elektronika) rendszer, amelyet AT busznak is neveznek. Az ilyen meghajtóban az elektronika is megtalálható, így a nagysebességű jelvezetékek hossza minimális. Így csak a bővítő sín jeleit kell a meghajtóig elvinni. Ezen a 16 bites párhuzamos interfészen a jelek már jóval kisebb sebességgel áramlanak. Az IDE meghajtók 1-4 Mbájt/s adatátviteli sebességre képesek. Minden vezérlő rendelkezik egy önálló processzorral, mely a vezérlési műveleteket hivatott ellátni. Ez processzor képes arra is, hogy a meghajtó paramétereit figyelemmel kísérje, és hiba esetén megpróbálja korrigálni azokat. Az IDE csatoló két IDE interfészes egység kezelését teszi lehetővé. Az egyik meghajtót MASTER-nek, míg a másikat SLAVE-nek kell beállítani. Erre minden merevlemezen van lehetőség. Van még egy harmadik lehetőség is, amit CS (Cable Select – kábel kijelölés) jelöléssel láttak el. Ebben az esetben nem kell nekünk meghatározni, hogy melyik meghajtó lesz a MASTER, az automatikusan megtörténik. Ahhoz, hogy kihasználhassuk ezt a lehetőséget, a vezérlőnek, a meghajtónak és a kábelnek is támogatnia kell. Az IDE merevlemezek lefelé kompatibilisek a régebbi MFM és RLL kódolást alkalmazó winchesterekkel. A parancsok alapvetően négy regisztert módosítanak: DRIVE/HEAD (meghajtó/fej) regisztert, CYLINDER (CY – cilinder) regisztert, a SECTOR NUMBER (SN – szektorszám) regisztert és a SECTOR COUNT (SC – szektorszámláló) regisztert. EIDE csatoló A BIOS által kezelhető lemezméretet az IBM által kifejlesztett lemezvezérlő 504 Mbájtra csökkentette, mivel maximálisan 16 fejjel rendelkező egységeket lehetett kezelni. Az 504 Mbájtos határt úgy kapjuk; hogy a maximális cilinderszám 1024, a fejek száma 16, a szektorok száma 63 és a szektorok mérete 512 bájt. Ha ezeket összeszorozzuk, pontosan 504 Mbájtot kapunk. Ez sokáig nem volt probléma, de az utóbbi években a technika rohamos fejlődésének eredményeként már 1994-ben is kevésnek bizonyult. 1993-ig a nagyobb méretű merevlemezeket SCSI interfésszel tudták kezelni. Ez azonban meglehetősen drága még ma is. 1993-ban a Western Digital cég bemutatott egy olyan IDE kompatibilis illesztőt, mellyel az 504 Mbájtos korlát kiterjeszthető volt 8.4 Gbájtra. Az új csatolónak az EIDE (Enhanced IDE – továbbfejlesztett IDE) nevet adták. A kezelhető méret növelését úgy oldották meg, hogy a kezelhető fejek számát 255-re növelték. A tárolókapacitás növekedésének kezelése egy új eljárással az ún. LBA (Logical Addressing Block – logikai blokkcímzés) módszerrel történik. Azoknak a merevlemezeknek, melyek IDE interfésszel
60
rendelkeznek és támogatják az LBA módot, a BIOS kérdezi le a méretüket. Miután ez megvan, a BIOS a kapott értéket alakítja át logikai blokkok számára, melyet az operációs rendszernek cilinder-fej-szektor (CHS – Cylinder-Head-Sector) formában ad át. Ezzel a móddal az 504 Mbájt feletti merevlemez területet külön partícióként fogja kezelni. Összefoglalva: ha 504 Mbájt feletti merevlemezt szeretnénk kezelni, akkor a következőkre van szükség. A merevlemeznek támogatnia kell az LBA módot, kell egy EIDE vezérlőkártya és a BIOS-nak is támogatnia kell az EIDE módot. Ha a BIOS esetleg nem kezeli az EIDE rendszert, akkor bizonyos segédprogramokkal még áthidalhatjuk ezt a problémát. SCSI csatoló Smart Computer System Interface angol kifejezésből képzett betűszó. Magyar jelentése: gyors számítógép interfész. A mai leggyorsabb merevlemezek ezt a csatolót használják, sőt ma már elterjedt a klasszikus SCSI interfész gyorsabb, az UltraSCSI és a SCSI2 névvel jelölt változata is. A csatolót nemcsak merevlemezes meghajtók használhatják, hanem minden olyan eszköz (pl. scanner, nyomtató, CD-ROM), melyet ilyen működésre készítettek fel. Az eszközök egy közös 50-pólusú szalagkábelre vannak felfűzve, és összesen 7 ilyen eszközt kapcsolhatunk egymáshoz. Mivel a SCSI eszközöket sorba kell kapcsolni, ezért mindegyiken megtalálható egy bemenet és egy kimenet. Az 1. meghajtó kimenete kapcsolódik a 2. bemenetére. A legutolsó eszköz kimenetére ún. lezáró ellenállást kell tenni. Ennek a jelentősége nagyon nagy, mivel a lezáratlan kimenetről a jel visszapattan és a hasznos jeláramlásra csillapítólag hat. Az eszközök általában tartalmazzák ezt a lezáró ellenállást és ilyenkor egy kapcsolóval vagy egy jumperrel beállítható a működése. Az egyes eszközöknek címük van, melynek alapján el tudják dönteni, hogy kinek szól a sínen lévő adat. A címeket nekünk kell beállítani az eszközökön lévő 3 darab jumper segítségével. Ahhoz, hogy használni tudjunk egy vagy több SCSI eszközt, szükségünk van egy kártyára, mely az ISA vagy a PCI sínbe illesztve képes az eszközök kommunikációját ellátni. Fogalmak, jelentések Busz: Cilinder: Cím: Címsín: Cluster: Drive: Fej: Hardver: Háttértár: IDE: Interfész: Írássűrűség: Író/olvasó fej:
Jumper:
Kontroller:
Lásd: Sín A merevlemezeknél egymás alatt elhelyezkedő, fejmozgás nélkül elérhető sávok neve. Egységek megkülönböztetésére használt fogalom. Címvezetékek összessége. Lásd: Szektor Jelentése: meghajtó, így hívják a merev- és hajlékonylemezes meghajtókat. A tároló eszközöknél az írást és az olvasást végző eszköz. (Angolul: hardware) A számítógépek áramköreinek és alkatrészeinek összefoglaló neve. A számítógép működéséhez szükséges, alapvető feladata, hogy a tárolt adatokat, információkat és programokat a gép kikapcsolt állapotában is megőrizzék. Integrated Device Equipment – integrált eszközelektronika. A lemezekre integrált meghajtó-elektronikával jelentős sebességnövekedést lehet elérni. A vezérlőkártya csak alapvető feladatokat lát el. Nagyon elterjedt szbvány. (Andolul: interface) Hardvereszközök közötti csatlakozást valósítja meg. Megadja a csatlakozási pontokat a jelek fizikai és logikai jellemzőit és időbeli lefolyásukat. Számos interfész szabvány létezik. Megadja, hogy az adatok elhelyezkedése a lemez felületén milyen sűrűségű. mértékegysége a bit/inch. Általában mágneses elven működő tároló eszközökre történő írást/olvasást valósítja meg. Klasszikus formájában egy légréssel ellátott tekercs, mely a mágneslemez felett és/vagy alatt helyezkedik el. A lemez mágnesességének megfelelő irányú áram indukálódik a tekercsben (olvasás), illetve a tekercsen átvezetett áram által indukált mágneses tér átmágnesezi a lemez felületét (írás). A perifériák beállítására szolgáló "kapcsoló". Két állapota van a rövidzár és a szakadás. A két állapot változtatása a jumper felhelyezésével (rövidzár), illetve eltávolításával (szakadás) történik. Olyan eszköz, mely egy periféria működését határozza meg.
61
Mágneses adattárolás: Az ilyen elven működő adathordozók felületét vékony mágneses réteggel vonják be. Ez képes kétállapotú jelek tárolására. Az írást és az olvasást az író/olvasó fej végzi. Merevlemezes tároló: (Angolul: winchester) A legelterjedtebb adattárolási eszköz. Mágneses elven működik. Tartalmaz egy, vagy több lemezt. Puffer: Adatok átmeneti tárolására szolgál. Akkor van jelentősége, ha a két kommunikáló eszköz adatátviteli sebessége nem azonos. Sáv: Az adattároláshoz kapcsolódó fogalom. Az egy lemezen azonos sugáron elhelyezkedő szektorok összessége. Formázáskor jönnek létre. SCSI: Smart Computer System Interface – gyors számítógép interfész. Univerzális, intelligens adattovábbítási szabvány. Az egyes egységek felfűzve helyezkednek el, azonosításuk egy egyedi címmel történik. Az SCSI kártya egy számítógép, így a kommunikáció vezérlésének terhét átveszi a processzortól. Sín: Olyan szerkezeti egység, mely a számítógép egyes szerkezeti részegységeit köti egymással össze. Ezek az eszközök általában párhuzamosan működnek, ami azt jelenti, hogy a kommunikáció egymással párhuzamosan futó vezetékeken zajlik egyidőben. A számítógépek esetében háromféle sínről beszélhetünk. A címsínen történik meg az egyes eszközök kiválasztása, az adatsínen történik meg az adatok átvitele, és mindez a vezérlősín egyes jelei által meghatározott módon történik. Sínrendszerek: A három rendszersín összefoglaló gyűjtőneve. A három sín a következő: címsín, adatsín, vezérlősín, bővebben lásd: Sín. Szektor: (Angolul: cluster) DOS (, vagy kompatíbilis) operációs rendszerek alatt a formázott lemez legkisebb elérhető egysége. Az írás és olvasás is szektoronként történik. Vezérlőkártya: Az egyes hardvereszközök processzorhoz kapcsolását valósítják meg. Ellenőrző kérdések 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.
Mire szolgálnak a merevlemezes tárolók? Mi a mágneses rögzítés elve? Mi a partíciós tábla? Mi a BOOT szektor? Mi a FAT? Mi a katalógus? Mi az interfész? Milyen interfész típusokat ismer? Mi az IDE interfész? Mik az IDE interfész tulajdonságai? Mi az SCSI? Hasonlítsa össze az IDE, az EIDE és az SCSI csatolókat! Mit jelent a MASTER és a SLAVE üzemmód?
62
2. Hajlékonylemez meghajtó A PC-k megjelenéséig a mikroszámítógépek legfontosabb háttértára a magnetofon volt. A PCben megjelentek az 5.25" átmérőjű mágneslemezzel dolgozó floppy diszk meghajtók. (Először az amerikai TANDON cég gyártmányait használták.) A lemezek kapacitása a kezdetekben 160 Kbájt volt, ami a következőképpen adódott: egy oldalon 40 sáv, sávonként 8 szektor és szektoronként 512 bájt (1x40x8x512=163 840 bájt). Ezt a lemezfajtát 1S DD-nek, vagy SS DD-nek hívják. (Az 1S, vagy SS a Single Sided – egy oldal, illetve a DD a Double Density – dupla sűrűség rövidítése.) A szimpla sűrűségű lemezeken egy sáv 256 bájt tárolására alkalmas. A következő generáció már kétoldalas, így annak kapacitása is kétszeres, 320 Kbájt (327680 bájt). Újabb változást a sávonkénti 8 helyett 9 szektor felírása jelentett, amit leginkább a kétoldalas egységeknél használtak. Ezzel a lemezkapacitás 2 oldalx40 sávx9 szektorx512 bájt=368 640 bájt, azaz 360 Kbájt. Ezt a lemezt DS DD-nek nevezi a szakirodalom, vagyis Double Sided Double Density – kétoldalas duplasűrűségű. Az AT-hez egy új floppyegységet fejlesztettek ki. Ez a floppyegység a már megismert 5.25", DS DD lemezre már nem 40 hanem 80 sávot képes felírni. Így az elérhető lemezkapacitás: 2 oldalx80 sávx9 szektorx512 bájt=737 280 bájt, azaz 720 Kbájt. Megfelelő floppy lemezzel ez az egység képes sávonként 15 szektort felírni a lemezre. Ekkor a kapacitás: 2 oldalx80 sávx15 szektorx512 bájt=1 228 800 bájt, azaz 1.2 Mbájt. Az erre alkalmas lemezt hívják 2S HD-nek vagy DS HD-nek (Double Sided High Density – kétoldalas nagysűrűségűnek). Egy számítógépcsalád egy újabb tagjának természetesen kompatibilisnek kell lenni az előző gépekkel szoftver- hardver szinten. Tehát az új, nagykapacitású floppy meghajtó képes olvasni az XT, PC által létrehozott lemezeket. Arra is képes, hogy létrehozzon az XT által elolvasható lemezt. (Az már más kérdés, hogy egy XT-n felírt lemezre AT-vel ráírunk valamit, akkor újra az XT-be visszatérve nem biztos, hogy az el is tudja olvasni az így előállt koktélt. Hiába, a kompatibilitást csak lefelé kötelező biztosítani.) Ezek mellett megjelent egy új floppyegység is. Ez 3.5" lemezzel dolgozik. Kisebb méretük ellenére ezek a lemezegységek rendelkeznek a legnagyobb kapacitással. Sávonként 18 szektort írnak a lemezre. Ezeknél is létezik DD azaz duplasűrűségű lemez, aminek kapacitása: 2 oldalx80 sávx9 szektorx512 bájt=737 280 bájt=720 Kbájt. És létezik HD-s, aminek kapacitása: 2 oldalx80sávx18 szektorx512 bájt=1 474 560 bájt=1.44MB.
A 3.5" lemez felépítése Mindkét típusú lemez MFM kódolást használ az adatok lemezre írása során. Az ábrán látható egy 3.5"-os floppy lemez ún. robbantott rajza. Ezen jól megfigyelhető, hogyan épül fel egy ilyen lemez. Alul és felül egy-egy kemény műanyag borítólemez védi. A borítólemezek és a mágneses bevonatú lemez között mindkét oldalon egy-egy textil korong helyezkedik el. Ennek rendeltetése az, hogy a használat közben a lemez felületére kerülő port megkösse, így a porban lévő apró, kemény szemcsék se a lemezt, se a mágneses író-olvasó fejet ne karcolják össze. Az lemezen található zárólemeznek is ez a feladata. Használat közben a floppy meghajtó ezt a kis lemezt félrehúzza és így az íróolvasó fejek az alsó és felső borítólemezen lévő réseken át érik el a mágneses lemezt. Használaton kívül a zárólemezt egy kis rugó visszatolja alaphelyzetébe, és így elzárja a borítólemezeken lévő kivágásokat. Így nem kerül annyi por a mágneses lemez felületére, mint az 5.25"-os lemez esetén. Műveletvégzéskor a floppyegység a mágneses lemezt a tengelyen keresztül forgatja meg.
63
Kapacitás 160 Kbájt 320 Kbájt 180 Kbájt 360 Kbájt 720 Kbájt 1.2 Mbájt 720 Kbájt 1.44 Mbájt 820 Kbájt 1.6 Mbájt
Lemez oldal Sávok száma Szektor/sáv Lemez típus 1 40 8 SS, DD 2 40 8 DS, DD 1 40 9 SS, DD 2 40 9 DS, DD 2 80 9 DS, DD 2 80 15 DS, HD 2 80 9 DS, DD 2 80 18 DS, HD 2 80 10 DS, DD 2 80 20 DS, HD A PC-knél használatos hajlékonylemezek adatai
Lemez méret 5.25" 5.25" 5.25" 5.25" 5.25" 5.25" 3.5" 3.5" 5.25" 3.5"
A táblázatban összefoglaltuk az IBM PC világban előforduló szabványos és nem szabványos, de használható lemezformátumokat. Az első nyolc szabványos, a DOS által is kezelhető formátum, az utolsó kettő csak speciálisan erre a célra készült programmal használható. (Ezeket a formátumokat a lemez tudja, csak a DOS nem.) Ezek a speciális programok természetesen módot adnak más formátum
A lemez logikai felépítése, valamint a fej és a lemez kapcsolata
létrehozására is. 2.1. A hajlékonylemezes meghajtó csatolója Az illesztő feladata a megfelelő időzítések jele, melynek során a processzor és a lemezegység közötti kommunikáció megvalósítható. Az eredeti kártya az i8272 floppy vezérlőre épült. Ehhez viszonylag sok kiegészítő alkatrész kellett. A mai vezérlők már az összes funkciót megvalósító nagy integráltságú áramkörrel készülnek, így a kártya felépítése nagyon egyszerű. A kártyákkal 120, 300 és 500 kbit/s adatátvitel valósítható meg, a szimpla sűrűségűeken (Single Density – SD) FM, míg a dupla sűrűségűn (Double Density – DD) MFM kódolást használnak. A nagysűrűségű (High Density – HD) lemezeknél érhető el az 500 Kbájt/s átvitel, a kódoláshoz MFM eljárás használnak. Egy kártya négy meghajtó csatlakoztatását teszi lehetővé. Ezeket első, második, harmadik illetve negyedik meghajtóként definiálhatjuk. Általában a PC-kben két meghajtó bőven elég. Az első lesz az A: jelű, míg a második a B: jelű meghajtó az operációs rendszerek alatt. A meghajtó sorszámát a vezeték határozza meg. Az általános floppy kábelen négy csatlakozó van, kettő a kisfloppynak, kettő a nagynak. Ezek párban találhatók meg a kábelen, a két pár között a kábel néhány ere meg van csavarva. Ezzel biztosítják a kiválasztó jelek megfelelő csatlakozását. A kábel végén van az első számú meghajtó, a kábel csavarás előtti, kártya felőli részén pedig a második. Ezzel a módszerrel könnyen meghatározhatjuk a meghajtónk betűjelét. Előfordulhat, hogy a házban messze vannak a meghajtók és nem tudjuk a nekünk megfelelő meghajtó sorszámokat beállítani. Ekkor segíthet a kártyák többségének azon tulajdonsága, hogy egy átkötés segítségével felcseréli a kábelen lévő meghajtók számát és ezzel együtt a sorrendjét is. A csatoló általában nem önálló kártyaként kerül forgalomba, hanem egybeintegrálják egyéb perifériákkal, mint például a merevlemez vezérlővel, a soros vonali illesztővel, stb. Ezeket a kártyákat IDE kártyáknak is nevezik.
64
Fogalmak, jelentések Busz: Lásd: Sín Cím: Egységek megkülönböztetésére használt fogalom. Címsín: Címvezetékek összessége. Cluster: Lásd: Szektor Drive: Jelentése: meghajtó, így hívják a merev- és hajlékonylemezes meghajtókat. Fej: A tároló eszközöknél az írást és az olvasást végző eszköz. Hajlékony lemezes meghajtó: (Angolul: floppy) Mágneses elven működő háttértároló. Kétféle méretben készül, a kisebb 3.5", a nagyobb 5.25" méretű. A kisebbik kapacitása 1.2MB, a nagyobbiké 1.44MB. Hardver: (Angolul: hardware) A számítógépek áramköreinek és alkatrészeinek összefoglaló neve. Háttértár: A számítógép működéséhez szükséges, alapvető feladata, hogy a tárolt adatokat, információkat és programokat a gép kikapcsolt állapotában is megőrizzék. Interfész: (Andolul: interface) Hardvereszközök közötti csatlakozást valósítja meg. Megadja a csatlakozási pontokat a jelek fizikai és logikai jellemzőit és időbeli lefolyásukat. Számos interfész szabvány létezik. Írássűrűség: Megadja, hogy az adatok elhelyezkedése a lemez felületén milyen sűrűségű. mértékegysége a bit/inch. Író/olvasó fej: Általában mágneses elven működő tároló eszközökre történő írást/olvasást valósítja meg. Klasszikus formájában egy légréssel ellátott tekercs, mely a mágneslemez felett és/vagy alatt helyezkedik el. A lemez mágnesességének megfelelő irányú áram indukálódik a tekercsben (olvasás), illetve a tekercsen átvezetett áram által indukált mágneses tér átmágnesezi a lemez felületét (írás). Jumper: A perifériák beállítására szolgáló "kapcsoló". Két állapota van a rövidzár és a szakadás. A két állapot változtatása a jumper felhelyezésével (rövidzár), illetve eltávolításával (szakadás) történik. Kontroller: Olyan eszköz, mely egy periféria működését határozza meg. Mágneses adattárolás: Az ilyen elven működő adathordozók felületét vékony mágneses réteggel vonják be. Ez képes kétállapotú jelek tárolására. Az írást és az olvasást az író/olvasó fej végzi. Puffer: Adatok átmeneti tárolására szolgál. Akkor van jelentősége, ha a két kommunikáló eszköz adatátviteli sebessége nem azonos. Sáv: Az adattároláshoz kapcsolódó fogalom. Az egy lemezen azonos sugáron elhelyezkedő szektorok összessége. Formázáskor jönnek létre. Sín: Olyan szerkezeti egység, mely a számítógép egyes szerkezeti részegységeit köti egymással össze. Ezek az eszközök általában párhuzamosan működnek, ami azt jelenti, hogy a kommunikáció egymással párhuzamosan futó vezetékeken zajlik egyidőben. A számítógépek esetében háromféle sínről beszélhetünk. A címsínen történik meg az egyes eszközök kiválasztása, az adatsínen történik meg az adatok átvitele, és mindez a vezérlősín egyes jelei által meghatározott módon történik. Sínrendszerek: A három rendszersín összefoglaló gyűjtőneve. A három sín a következő: címsín, adatsín, vezérlősín, bővebben lásd: Sín. Szektor: (Angolul: cluster) DOS (, vagy kompatíbilis) operációs rendszerek alatt a formázott lemez legkisebb elérhető egysége. Az írás és olvasás is szektoronként történik. Vezérlőkártya: Az egyes hardvereszközök processzorhoz kapcsolását valósítják meg. Ellenőrző kérdések 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Mire szolgál a hajlékonylemez? Miben tér el hajlékonylemez a merevlemeztől? Milyen fajtái vannak a hajlékonylemezeknek? Milyen paraméteri vannak a hajlékonylemezeknek? Hogyan történik az adatok rögzítése a lemezre? Hány egység kezelését teszi lehetővé a BIOS és mennyit a csatoló?
65
3. A CD-ROM A CDROM (Compact Disc Read Only Memory – kompakt lemezes csak olvasható memória) manapság már nagyon elterjedt és igencsak népszerű adattárolási eszköz. A ma vásárolt gépekben kivétel nélkül megtalálhatjuk már. A CD népszerűségét sokoldalúságának köszönhette: nagyon sok területen felhasználható, a gyártási költsége kedvező, a tárolható információmennyiség relatíve nagy. 3.1. A Compact Disc története A nagyközönség a szórakoztató elektronikában figyelhetett fel először a CD technológiára. A nyolcvanas évek elején a CD (pontosabban CD-DA – Compact Disc-Digital Audio) megjelenése a Hi-Fi technikában hatalmas áttörést hozott. Nem volt többé kattogás a karcos lemeztől, nem volt többé sistergés, recsegés, barázdaáthallás, csak tiszta, plasztikus hangzás. A hang CD diadalútja közben a mérnökök lázasan dolgoztak azon, miképpen lehetne a CD-t számítógépes adatok tárolására is alkalmassá tenni. Egyetlen darab CD-re 74 perc kiváló minőségű zenei anyag vehető fel, és a zenerajongókat elbűvölte a tökéletes minőség. A mérnökök azonban azt is tudták, hogy a binárisan kódolt, 16 bites információ a lemezen 650 MB helyet foglal. Ez a kapacitás a számítógépek világában hatalmasnak számított, mivel akkoriban egy 40 MB-os merevlemez is a legtitkoltabb álmok beteljesülését jelentette. CD-ROM volt az első CD technológiából kifejlesztett adathordozó, ami megjelent a számítógépes piacon, és azonnal kitűnő alternatívát nyújtott a floppy meghajtókkal szemben. Programok és információs állományok (pl. enciklopédiák, szótárak) egyetlen CD-n történő terjesztése sokkal gazdaságosabb és kényelmesebb, mint tucatnyi floppy lemezen. Annál is inkább, mert a CD-ROM meghajtók rohamosan kezdtek terjedni. A CD technológiát eredetileg a két jól ismert elektronikai óriás a Sony és a Philips fejlesztette ki. A technológiát természetesen szabadalmaztatták, így a CD és CD lejátszó gyártásához mindenkor a Sony és Philips licence szükséges. A licencnek mindig meg kell felelni a Philips és a Sony által meghatározott ajánlásoknak, az úgynevezett színes könyvnek (Color Book). Először a hang CD szabványt rögzítették a vörös könyvben (Red Book). 1985-ben jelent meg a sárga könyv (Yellow Book), ami a számítógépes adatok rögzítési és lejátszási szabványát adta meg. 3.2. CD technika alapjai Lézertechnológia A LASER rövidítés a Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation kifejezésből származik. Nézzük meg a fény fizikai alapjait nagyon röviden. A fehér fény a szivárvány minden színét tartalmazza. Minden szín különböző frekvenciájú fény. Az alacsonyabb frekvenciás jelek a sötétvörösbe, míg a magasabb frekvenciájúak a viola színbe mennek át. A közönséges fénysugarak szétszóródnak a tér minden irányában, szakszóval nem koherensek. Ez azt eredményezi, hogy nem tudjuk semmilyen eszközzel egy megadott pontba fókuszálni. A lézerfény alapjában különböző a látható fehér fénytől. Ennek a fénynek egyetlen színe van, ami koherens. Így lehet fókuszálni és erősíteni is, tehát nagyon jól irányítható. A lézersugár többféle gázzal és anyaggal előállítható. A CD-ROM-ok többsége olyan fényt használ, ami a színspektrum kisebb frekvenciájához tartozik. Ilyen például a piros és a sárga. Már kísérletek folynak a Samsung laboratóriumában a kék és a zöld lézerrel kapcsolatban. Az előzetes hírek szerint ötször akkora adatsűrűség érhető el a felhasználásával, mint a piros lézer esetén. 3.3. A lemez felépítése A szabványos CD-ROM lemez 4.75" (120 mm) átmérőjű és 1.2 mm vastag. Egy átlátszó polikarbonát műanyag hordozóra alumínium (vagy arany) réteget, majd egy lakkréteget visznek fel. A polikarbonát hordozót öntési eljárással készítik, melynek során az egyik oldalán apró bemélyedéseket hoznak létre. Erre az oldalra viszik fel a jól tükröző alumíniumréteget, majd a lakkréteget, ami véd az oxidációtól és a mechanikus sérülésektől. A tükröző réteg felületét land-nek a bemélyedéseket pedig pit-nek hívják. A pitek spirál alakban sorakoznak a lemezen, belülről kifelé. A lemez olvasásakor a CD játszó vagy meghajtó lézersugarat bocsát a polikarbonát hordozón keresztül az alumínium felületre. A sugár a pitekről és landekről különböző módon verődik vissza, ami gyakorlatilag megfelel az 1-eseknek és a 0-áknak.
66
A lézernyaláb a lemezről visszaverődik, melyet érzékelni kell. Problémát jelent az, hogy a lemezek nem teljesen kör alakúak, tehát a sávok nem mindig ugyanazon a sugáron találhatók. A másik probléma, hogy a lemezek síkja nem teljesen tökéletes. Ez azt eredményezi, hogy a fej hol távolabb, hol közelebb lesz a lemezhez. Ezeket a hibákat fel kell ismerni és még az olvasás előtt megfelelően korrigálni kell. Ez az érzékelő speciális kialakításával lehetséges. Nem egy, hanem négy érzékelőt integrálnak egy közös tokba. Ezek elhelyezkedése négyzetes. Ha a lézernyaláb megfelelően verődik vissza, akkor ez mind a négy érzékelőre pontosan azonos mértékben vetődik. Ha valamely érzékelő nagyobb fénymennyiséget érzékel, akkor az elektronika abból meg tudja állapítani, hogy mi a hiba oka és el tudja végezni a korrekciót. A fejeket apró motorok mozgatják, a pozicionálásuk nagyon gyors, és pontos a beállás. Nagyon jól bevált ez a módszer, a nagysebességű meghajtók esetén is képesek a hibát detektálni és kijavítani. A továbbiakban bemutatunk néhány lehetőséget a lézersugár visszaverődésére és ennek hibalehetőségét, valamint a javítás módját. A lézer fókuszál a sávra Amikor a lézernyaláb megfelelően fókuszálva a sáv közepére esik, akkor a tükröződő nyaláb egy homályos foltot eredményez a detektorban. Ilyenkor a detektor minden negyede ugyanannyi mennyiségű fényt fogad be, ezért nem küld jelet a fejmozgató motornak. A lézerfény fókuszpontja közel a lemezhez Ha a fej a lemez felé mozog, akkor a fény éles lesz, ovális és megdől. A detektor jobb felső és bal alsó negyede több fényt kap. Ekkor a detektor jelet küld a motorokhoz, hogy távolítsák el a fejet. A lézerfény fókuszpontja távol a lemeztől Ha a fej távolodik a lemeztől, akkor balra dőlő ovális lesz a képe, ilyen esetben ellentétes jelet küld, mint az előzőben, tehát a motorok közelítsék a fejet a lemezhez. A fókuszpont a sávon belülre esik (a lemez közepéhez viszonyítva) Ha a sáv a fejtől (tárgylencsétől) jobbra található, akkor a nyaláb a sávon belül van, és ekkor a detektor felső negyedeibe több fény jut, mert a nyaláb egy része nem e mélyedésbe (sávra), hanem a felületre esik. A mozgatómotorok a fejet jobbra viszik, ráállítják a sávra. A fókuszpont a sávon kívülre esik (a lemez közepéhez viszonyítva) Hasonlóan, ha a sáv balra található a fejtől, akkor a fény képe a detektoron erősebb az alsó két negyedben. Ilyenkor a motorok a fejet balra, a sávra mozgatják. Sokak elképzelésével ellentétben a pit nem 1-est és a land nem 0-t jelent. Valójában a pit és a land is 0-tjelent, míg a pit és a land közötti átmenet jelent 1-est. Amikor a letapogató lézersugár pit és land közötti átmenetre ér, a visszaverődött sugár állapotában bekövetkezett változás jelenti az 1-est. A különböző hosszúságú pit-ek és land-ek különböző számú 0-át jelentenek. Műszaki okok miatt a pit-ek és a land-ek nem hordozhatnak 3 bitnél rövidebb és 11 bitnél hosszabb információt, beleértve a pit és land közötti átmenetet is. Például a 100 a legrövidebb lehetséges bitsorozat a CD-n. Ennek értelmében a 00000100 szám megengedett, de a 00000110 már nem. Ez egyszerűen azt jelenti, hogy a 8 bites bináris számábrázolást a CD technika nem teszi lehetővé. Emiatt itt egy 14 bites kódolást alkalmaznak, és a kiolvasáskor a 14 bites szavakat visszakódolják a megszokott 8 bitesekké. A mágneslemezek állandó szögsebességgel (Constant Angular Velocity – CAV) forognak. Azaz a lemez fordulatszáma állandó, aminek következtében a belső sávok sebessége kisebb, mint a külsőké. Következésképp a belső sávokban nagyobb az adatsűrűség, mint a külső sávokban. Ennek kiküszöbölésére szolgál a Zone Bit Recording eljárás. A CD-knél ilyen gond nincs, mert minden szektor azonos hosszúságú. Ha a forgás állandó lineáris sebességgel (Constant Linear Velocity – CLV) történne, az azt jelentené, hogy amikor a lézersugár a belső sávokat olvassa le, a szögsebesség nagyobb, mint amikor a külsőket. A CD-ROM olyan technikát használ amely képes változtatni a forgási sebességet attól függően, hogy éppen a lemez mely részét olvassa. Így biztosítani lehet, hogy a lemez és a lézerfej egymáshoz viszonyított sebessége állandó maradjon. Mivel az adatsűrűség állandó, a tárolható információ mennyisége sokkal nagyobb, mint a mágneslemezeknél. Ugyanakkor a hozzáférési idő valamelyest
67
növekszik, mivel a lemez szögsebességét a lézersugár helyzetének függvényében állandóan változtatni kell. Míg a tömegben gyártott CD-ken a pit-eket a gyártás során hozzák létre, a CD-R (CDRecordable – írható CD) lemezek üresek. A CD-R lemezek polikarbonát hordozója hasonló a CD-kéhez, de a gyártás során felvisznek a lemezre egy spirális sávot, ami az íráskor a lézersugár pozícionálását segíti. Az alumíniumréteg helyett egy szerves festékréteget használnak, majd erre egy vékony aranyréteg kerül. Az aranyréteg jó visszaverő képességű és nem korrodál a festékréteggel érintkezve. Ezután védő lakkréteget visznek fel. A CD-ROM-ok fejlődésével egyre gyorsabb és gyorsabb meghajtókat hoztak forgalomba. Alapsebességnek az audio CD sebességét tekintjük, a CD-ROM-ok sebességét az ehhez viszonyított szorzószámmal fejezzük ki. Az audio CD sebessége 150 Kbájt/s, ez az 1x-es sebesség. A 2x–es sebességű meghajtók 300 Kbájt átvitelére képesek másodpercenként. Nagyon sokáig ez volt a csúcs. Ezután megjelentek a 4x-es sebességűek, melyek már akár a 600 Kbájt/s átvitelt is képesek voltak elérni. A fejlődés itt nem állt meg, ma már a 24x-es sebességűek a nagyon elterjedtek, de már viszonylag olcsón juthatunk hozzá a 32x–es sebességűekhez is. A 8x-osnál nagyobb sebességű CD-ROM-ok egy speciális tulajdonsággal rendelkeznek. Ahhoz, hogy ezt a sebességet nyújtani tudják, a fordulatszámot nagyon meg kellett növelni. Sok energiapazarlással járna, ha a lemez mindig forogna. Azért, hogy ez ne legyen így, ha nincs lemezművelet, a forgást leállítják a meghajtók. A forgást csak akkor kezdik el újra, ha műveletvégzésre van szükség. Elég nagy viszont a lemeznek a tehetetlensége, ezért a felpörgetés időbe telik, akár másodpercekbe is. Ez látszólagos sebességcsökkenést eredményez akkor, ha sok kis fájlt másolunk a CDről. Ilyen gyors meghajtok igazán nagy állományok és videofilmek esetén tudják megmutatni, hogy mire képesek. A másik sajátosság, hogy a meghajtóra ráírt sebesség a maximálisan elérhető adatátvitelt jelzi. Senki se várja tehát, hogy a 24x-es CD-ROM-ja 3.5 Mbájt/s adatátvitelre legyen képes. Ez csupán az elméleti maximum. 3.4. CD írása A CD író a lézersugarat a festékrétegre fókuszálja és az írás során beégeti azt. Ilyen módon a pithez hasonló elváltozás lép fel a rétegen. Ennek megfelelően gyakorlatilag az összes szabványos CD meghajtó képes az ilyen módon elkészített lemezeket olvasni. A pit-ek sűrűen sorakoznak a sávokon, amelyek 1.6 mikron távolságra vannak egymástól. A CD-n mintegy tízszer annyi adatsáv van, mint a mágneslemezeken, ezért az adatsűrűség is sokkal nagyobb. 3.5. Szabványok A CD-ROM állomány felépítését (fájl formátum) a Nemzetközi Szabványügyi Szervezet (ISO – International Standards Organization) határozta meg 1987-ben. Az ISO 9660 szabvány olyan általános ipari szabvány, ami lehetővé teszi, hogy a CD-ROM lemezek gyakorlatilag minden CD meghajtón olvashatók, a számítógép típustól és operációs rendszertől függetlenül. A Red Book kiegészítéseként van Yellow, Green, Orange és White Book is. Többek között a szabványok azt is meghatározzák, hogy fizikailag hogyan helyezkedjen el az információ a lemezen. A "fizikai formátum" megadja a lemez méreteit, de azt a módszert is, miként legyen szervezve az információ a lemezen. Ez utóbbi hasonlít egy térképre, ami meghatározza a sávokat és szektorokat, ahová adatokat lehet írni. A digitálisan kódolt adatokat bitek és bájtok formájában tárolják, amik állományokat alkotnak. Nyilvánvalóan ezeket az adatokat előre meghatározott helyre kell tenni az adathordozón, hogy a számítógép a későbbiekben könnyen megtalálhassa őket. Ha egy meghatározott állományra van szükség, a számítógép operációs rendszere az állomány neve alapján tudja az adathordozón megtalálni. Az állományok elhelyezkedését a lemezen a logikai fájlformátum határozza meg. Ez írja le, hogyan szerveződnek az állományok a lemezen, hasonlóan ahhoz, ahogy a könyvek elrendezését határozzák meg a könyvtári polcokon. A logikai fájlformátumok különböznek a különböző operációs rendszerekben. Ezért kell például különbözőképpen formázni a lemezeket PC-s és MAC rendszereken. Szabványkönyv Piros könyv (Red Book) Sárga könyv (Yellow Book) Zöld könyv (Green Book) Narancssárga könyv (Orange Book)
A szabvány tárgya A zenei CD-k leírását tartalmazza A DOS, Apple és az Amiga állományok tárolását szabályozza. Az interaktív és a kiterjesztett architektúrájú CD-k definícióját foglalja magában. Az egyszer írható és magnetooptikai meghajtókra vonatkozó előírásokat tartalmazza.
68
A CD-ROM szabványkönyveinek tartalma A Color Book szabványok nem határozzák meg a CD-ROM lemez logikai fájl formátumát. Ezt rábízza gyártókra. Mivel minden operációs rendszer különböző logikai állományformátumot használ, a platformfüggetlenség nem adódik közvetlenül. Emiatt a számítógépes mérnökök egy csoportja (High Sierra Group) megalkotott egy szabványt a Yellow Book alapján. A High Sierra szabvány CD-k olvasásának követelményeit adja meg különböző platformokon: Macintosh, MS-DOS, UNIX, VMS. Rögtön azután, hogy a gyártók elfogadták a High Sierra szabványt, a Nemzetközi Szabványügyi Szervezet az ISO is elfogadta azt némi módosítással. A Color Book szabványokkal ellentétben az ISO 9660 szabvány nem határozza meg az adat fizikai formátumát a CD-n. Az ISO 9660 csak azt adja meg, miként helyezkedjen el az adat a CD sávjain és szektorain. Mivel az ISO 9660 nemzetközi szabvány, a szabvány szerinti CD-ROM és CD-R lemezek használhatók a legtöbb számítógépen és operációs rendszeren. Ne felejtsük el azonban, hogy az operációs rendszerek eredetileg mágneses lemezek kezelésére lettek felkészítve. Ahhoz, hogy különböző operációs rendszerek olvasni tudják az ISO 9660 szabvány szerinti CD-ket, ezeket el kell látni a megfelelő meghajtó programokkal. így a Microsoft kifejlesztette az MSCDEX programot az MS-DOS-hoz, az Apple kibocsátotta az Apple Extensions programot a MAC felhasználóknak. Ennek megfelelően mindegyik gépen használhatók a szabványos lemezek. Piros könyv A Red Book a hang CD szabványa. A hangállományok egy vagy több track (sáv) formájában helyezkednek el a lemezen. Egy track általában egy szám. A track-ek 1-75 sec hosszúságú szektorokból állnak és mindegyik szektor 2353 bájt mennyiségű hanginformációt tartalmaz. Ebből egyszerűen adódik, hogy másodpercenként 176 400 bájt információt kell kiolvasni. 24 szinkronizáló bit (100000000001000000000010), ez a sorozat a sebesség szinkronizálásához kell. Ezt követi egy 8 bites alkód 14 bitre átkódolva. Ez az átkódolás azért szükséges, mert a fent említett minimális pithosszúságokat (azaz 2 db 0 az egyesek között) be lehessen tartani. Ezután következik 336 információs bit, 2x6 db 16 bites hangminta (vagy 24 adatbájt), szintén 14 bit hosszúságúra átkódolva. Ezek az adatbájtok nem sorfolytonosan vannak letárolva, hanem megkeverve, a későbbi esetleges hibakorrekciót megkönnyítendő. A blokk végén helyezkednek el az ellenőrző paritásbitek szintén átkódolva (112 bit). Ezután a minimális illetve a maximális pithosszúságot biztosítandó a szinkronizáló bitsorozat végére, minden 14 bites egység közé, és a blokk végére beiktatnak 3-3 úgynevezett margin bitet (összesen 102 bit). Ezeket a blokkokat ezután 98-asával úgynevezett frame-ekre osztják. Itt kap jelentőséget az alkód, amelyből frame-enként összeáll egy vezérlőjel blokk. Egészen pontosan az egyes alkód bájtok 1-1 bitje ad ki 98 bites vezérlőjel blokkot. (pl.: a második bitekből összeálló kód tartalmazza a frame időkódját). A frame-eket ezután trackekre (sáv) osztják (hang CD esetén számok), és a track-ek listáját az ún. TOC-ban (Table Of Content – tartalomjegyzék) rögzítik. A TOC foglalja el a CD-lemezek első két másodpercét (150 frame). Egy lemezen maximum 99 track lehet. Mikor a lemezolvasásra kerül, a lejátszó kiszűri a felesleges biteket. Tehát egy frame-ből az ott található 7203 bájtból csak 2352 bájtnyi (hang CD: 1-75 mp) információ jut el a felhasználóhoz. Természetesen maga a lejátszó felhasználja a többi információt. Olvasásnál ellenőrzi a paritás biteket, és ha ezek nem stimmelnek, megpróbálja helyreállítani az elveszett adatokat. Hang CD-knél ez a helyreállítás megoldható úgy, hogy a hibás előtti és utáni adatból kiszámolt körülbelüli információ kerül lejátszásra (ezért is vannak megkeverve a bájtok, hogy lehetőleg ne egymás utáni sérüljenek – és ez az oka annak is, hogy középről kifelé célszerű tisztítani a lemezeket). Ez az eljárás a CD-ROM-ok esetén nem követhető, mert ott az egymás utáni bájtok semmiféle kapcsolatban nem állnak egymással. Ilyenkor a meghajtó megpróbálja még egyszer elolvasni az adott blokkot, és ha nem sikerül, hibajelzést küld a kezelő programnak. Sárga könyv A hang CD-n a néhány bites hiba nem tud olyan nagymértékű torzítást okozni a hangon, hogy azt bárki észrevegye. Ugyanakkor egyetlen bit hiba is teljes működésképtelenséget eredményezhet egy számítógép programnál. Az ilyen rendszereknél alapkövetelmény a hibamentes adatrögzítés és visszaolvasás. A Red Book után a Philips és a Sony kibocsátotta a CD-ROM szabványt, ami Yellow Book néven ismert. Ez a szabvány azt adja meg, hogyan kell a számítógépes adatokat tárolni CD-n. A Yellow Book két rögzítési módot ír le. A Mode 1 ajánlás sokkal hatékonyabb hibajavítást ír le, mint a
69
Red Book a hanginformációkhoz. A CD-ROM Mode 1 ajánlás a számítógépes adatok rögzítését definiálja, a CD-ROM Mode 2 pedig tömörített hang- és videoinformációkét. Mode 1 A Yellow Book ugyanolyan hibakódokat definiál, mint a Red Book, de szektoronként elhelyez egy 276 bájt hosszúságú hibakorrekciós kódot. A maradék 2048 bájt szolgál az adatok fogadására szektoronként. Bár ez lecsökkenti a felírható adatok mennyiségét, igen komoly adatbiztonságot jelent. A frame-eket 2048 adatbájtra, 12 szinkronizáló bájtra, 4 header bájtra, egy EDC-nek nevezett 4 és egy ECCnek nevezett 276 bájtos ellenőrző blokkra, és egy 8 bájtos üres blokkra osztja. A szinkronizáló bájtok célja a szektorok beazonosítása, az ellenőrző blokkok célja pedig még nagyobb biztonság elérése az esetleges hibák kiszűrésében. Az üres blokkot valószínűleg a szabvány "gépközelivé" tételére alakították ki, hiszen a 2048 bájtos szektort egyszerűbben kezeli a legtöbb operációs rendszer, mint a 2352 bájtost. (ha a CD-ROM audio CD sebességgel olvas, akkor 75x2048 bájt/s=150 Kbájt/s az adatátvitel). Mode 2 A Mode 2 ajánlás a Red Book-nál kevésbé szigorúbb hibakorrekciót kínál és hang, valamint kép tárolására szolgál a CD-I és a CD-ROM-XA (CD-ROM-eXtended Architecture) szabványoknál. Yellow Book AX A Yellow Book-ra épül a Yellow Book XA (eXtended Architecture) szabvány. Ez a szabvány lehetővé teszi a kevert módú tárolást, azaz egy track-en belül lehet hang-, kép-, és adatinformáció is. Ezek megkülönböztetését az üres blokk helyére beillesztett al-headerrel oldották meg. Ezenkívül az ellenőrző kódok előállításának módját is megváltoztatták. Az XA formátum is specifikál egy másik kiosztást (Form 2), de itt csak a 276 bájtos ECC kód marad el, az EDC nem. Ilyenkor 2324 bájtnyi hasznos információ tárolható egy frame-ben. A Yellow Book formátum olvasására alkalmas CD-ROM-ok képesek az XA formátumot is olvasni, mindössze másik meghajtó programra van szükség. Zöld könyv A CD-I (Compact Disc-Interactive) szabvány Green Book néven ismert. A CD-I szabványt multimédia alkalmazások létrehozására alkották. Segítségével a különböző hang és adatsávok szinkronizálhatók. A CD-I olyan multimédia-alkalmazásokat tesz lehetővé, amelyek egyszerre kezelnek hangot, grafikát, animációt és mozgó videot. Új szektorformátumot nem is specifikál, csak egy operációs rendszert ezek kiolvasásához. A szabvány előírja, hogyan kell kezelni a trackekben található adatokat, mi a hang, mi a képinformáció, és hol a kezelőprogram. Az igazi CD-I lemez olvasására a legtöbb CD-ROM meghajtó nem alkalmas, mert ezeken nem található meg a TOC (vagy ha van, CD-I track akkor sem szerepel benne). a CD-I lemezek lejátszására tehát speciális, erre a célra kifejlesztett készülék szükséges. A CD-I-n található program Motorola processzor köré épített speciális hardverre íródott. Narancssárga könyv Az Orange Book a CD-MO (Compact Disc MagnetoOptical) és a CDWO (Compact Disc Write Once) ajánlást írja le. Az Orange Book két részre tagolódik. Az első rész a CD-MO technológiával foglalkozik, olyan magneto-optikai adattárolási lehetőséggel, ami többször írható lemezt használ, de teljesen különbözik a CD-R-től. A második rész a CD-WO ajánlást adja meg. A lemezek itt teljesen különböznek a megszokott CD-ktől, mivel speciális műanyag kazettában vannak és hagyományos CDROM meghajtókkal nem használhatók. A legfontosabb azonban, hogy az Orange Book megadja a multisession írás mikéntjét. A multisession írás lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy egy lemezt elkezdjen írni, majd később tetszés szerint folytassa az írást egészen addig, amíg a lemez meg nem telik. Ez nagyon sok alkalmazásnál fontos lehet. Sajnos két session között elég sok hasznos terület vész el. A többszöri írás lehetőségét úgy oldották meg, hogy minden új session felírásakor, annak kezdetén új TOC-ot írnak fel, amely magába foglalja a régieket is. A multisession-ös meghajtók a lemez behelyezésekor megkeresik az utolsó TOC-ot, és annak alapján kezelik a lemezt.
70
Fehér könyv A Sony, a Philips, a JVC és a Matsushita közösen dolgozta ki a White Book-ot, ami a CD video szabványt adja meg. Az ajánlás az ISO MPEG-1 szabványt használja a hang és video jelek mintegy 50:1 arányú tömörítésére. A White Book a mozgó video és hang rögzítését CD-ROM-XA formátumban javasolja. A Yellow Book határozza meg az írható CD (CD-R) szabványt is. Nagyon fontos látnunk azt, hogy az egységes szabvány léte biztosítja, hogy a CD lemezek minden rendszeren ugyanúgy olvashatók. Ugyanakkor ezzel a Sony és a Philips hatalmas potenciális végfelhasználói piacot is meghatározott. 3.6. CD lemezek nagyüzemi gyártása Első lépés, hogy a lemezre rögzítendő adatokat összeállítják és rendszerezik. Ezeket felmásolják egy megfelelő méretű és nagyon gyors merevlemezre. Az adatokhoz tartoznia kell egy tartalomjegyzék listának, egy index-, egy hibafelismerő- és javító, valamint egy információ-visszakereső szoftvernek. Az adatokról elkészítik az első, ún. one-off lemezt. Ez nem más, mint egy tesztváltozat. Ha ez minden elvárásnak megfelel, akkor erről készítenek egy üvegből készült mesterlemezt. Ebbe lézerrel vágják bele az adatoknak megfelelő pit-eket. Ezek után minden további változat erről a lemezről készül. A CD lemezeket hasonlóan préselik, mint a régi bakelit hanglemezeket. Ennek oka, hogy amit a mesterlemezről készítenek, az eredetinek pontos tükörképe lesz. Ahhoz, hogy eredetinek megfelelő lemezt kapjunk, ismét egy másolatot kell készíteni. A mesterlemez első másolatát nevezik anya lemeznek. Ezek után az anya lemezről elkészítik az első működőképes változatot, melyet apa lemeznek neveznek. Erről készítik el a szűz lemezekre immár azokat a másolatokat, melyekből a kereskedelmi változatok lesznek. Az üres lemezek műanyagból készülnek, az átmérőjük 120 mm. Préselés után egy visszatükröződő alumínium réteggel vonják be. Erre egy védőlakk réteg kerül, hogy ne oxidálódjon az alumínium réteg. Ez az eljárás használatos mind az audio, mind az adat CD-k esetében. 3.7. A tárolókapacitás növelése Az optikai tárolókapacitás növekedését eredményezhetik az alábbi módszerek:
Rövidebb hullámhosszúságú lézerforrás alkalmazása. A mai meghajtók vörös lézerekkel dolgoznak (670-690nm). A közeljövőben várható a kék lézerforrások alkalmazása (430nm). A lencserendszer numerikus apertúrájának növelésével még tovább növelhető az adatsűrűség. Ezzel a két eljárással mintegy 4-szeresére növelhető az adatsűrűség. Többrétegű lemez alkalmazásával akár tízszeres adatsűrűség is elérhető. Több egyéb finomítást alkalmazva (jobb felület-kihasználás, a lézer modulációjának finomítása, stb.) további, akár 4-szeres sűrűségnövekedés is elérhető.
3.8. CD-ROM-ok vezérlői Ahhoz, hogy a CD meghajtót a számítógép kezelni tudja, valamilyen módon kapcsolatot kell létesítenie a processzorral. Alapvetően 4 módon csatlakoztatható az egység a géphez: 1. Saját vezérlőkártyával rendelkezik. A vezérlőkártya általában nagyon egyszerű felépítésű. A címdekóderen és az illesztő-leválasztó fokozaton kívül nem is tartalmaz mást. A csatlakoztatást egy 40 pólusú csatlakozó teszi lehetővé. A kártyát és a kábelt a meghajtóval kell kapnunk vásárláskor. Ilyen kártyás CD-ROM-ok 1x-es vagy 2x-es sebességűek, tehát ma már elavultnak számítanak. 2. EIDE interfészre csatlakozik. Az EIDE interfészről már írtunk a merevlemezes tárolóval foglalkozó fejezetben. Erre négy egység köthető rá, melyek lehetnek CD-ROM-ok is. A CDROM tartalmazza a meghajtó elektronikát, a kábel csak a rendszerjelek meghosszabbítását végzi el. Az EIDE-s CD-k teljesítménye nagyon jó, megközelítik az SCSI meghajtók sebességét. 3. Hangkártya megfelelő interfésze végzi az illesztést. A hangkártyák is tartalmazhatnak olyan meghajtó fokozatokat, melyek a CD-ROM meghajtását teszik lehetővé. Alapvetően négyféle csatolófelület terjedt el: IDE, Sony, Mitsumi és Panasonic. Bővebben a hangkártyáknál foglalkozunk ezekkel az interfészekkel. 4. SCSI interfészre kapcsolható egység. Léteznek ilyen csatolóval ellátott meghajtók, azonban nem nagyon terjedtek el. Ennek elsődleges oka a kialakítás ára, mely teljesítményben nem nyújt akkora javulást. A CD írók esetében viszont szinte kizárólagosnak mondható ez a csatlakoztatási
71
mód, mert ott fontos a biztonságos és nagy sebességű adatátvitel. Ma már azonban kaphatók EIDE csatolós CD írók is. 3.9. Néhány CD fajta
(I)CVD – (Integrated, vagy Interactive) Compact Video Disc: a CDV versenytársa analóg video és digitális audio vagy adat tárolására képes ('88 SOCS) CD-3: 20 perc jó minőségű sztereó zene tárolására, 3.5"-es ('87 Philips) CD-DA és CD-A – CD-(Digital) Audio: 60-80 perc jóminőségű sztereó zene tárolására ('83/'84 Philips & Sony) CD-Electronic PROM: Elektronikus úton programozható (írható) CD CD-I – CD-Interactive: nagy teljesítményű audio, video tároló ('86 Philips & Sony) CD-PAC – CD-Public Acces Catalogues of library: könyvtári katalógusokra CD-R – CD Recordable, egyszer írható CD-ROM. CD-ROM XA – CD-ROM eXtended Architecture: egy új szabvány által elkészült lemez amely híd a CD-ROM és a CD-I között ('88' Microsoft & Philips & Sony) CD-V – CD-Video: 4.72"/l2cm 5-6 perc videokép + hang és maximum 20 perc digitalizált zene tárolására képes CD-V/EP: 8"/20cm 20 perc videokép + hang tárolására képes oldalanként CD-V/LP: 12"/30cm 1 óra videokép + hang tárolására képes oldalanként CD-Write Once/CD-Programable ROM: írható lemez DVD – Digital Versitale Disc: a legmodernebb adathordozó eszköz, akár 17 Gbájt információ tárolását is lehetővé teszi. DVI – Digital Video Interactive: mindenféle audiovizuális anyag tárolására és lejátszásra képes eszköz, amely a CD-ROM meghajtó és a PC/AT közti átmenet (az általa használt lemez neve is DVI) ('87 General Electric) Hybrid videodiscs: analóg és digitális adatok együttes tárolására képes lemez IV – Interactive Video: video lemezen alapuló rendszer LV – Laser Vision: reflektív optikai videolemez (Philips '78) LV-ROM – Laser Vision-ROM: 54,000 kép/oldal vagy 324Mbájt digitális adat (szöveg, statisztika, és videolemez vezérlő program) tárolására alkalmas (Philips) OROM(3M) & DataROM(Sony) – Optical ROM: 5.25" (13 cm), CAV-ot használ, gyorsabb a CD-ROM-nál (CAV miatt is), és kompatibilis a WORM-mal és a törölhető lemezekkel WORM – Write Once Read Many: egyszer írható, többször olvasható lemez
3.10. A DVD A lemez 120 mm átmérőjű. A 2x0,6mm vastag hordozón két információs réteget helyeznek el. Az olvasási oldalról nézve első információtároló rétegen 4.7 Gbájt, a másodikon 3.7 Gbájt fér el, azaz maximum 8.4 Gbájt tárolókapacitású a DVD, amely csak egy oldalról olvasható. Ez a tárolókapacitás 2x135 perc film tárolására elegendő MPEG-2 kódolást alkalmazva. Ma már azonban kifejlesztették a kétoldalas DVD lemezt. Ennek a másik oldala is két rétegű lehet, ami azt jelenti, hogy a maximális kapacitás körülbelül 17 Gbájt. Nézzük, milyen előnyt jelent számunkra a CD-k új generációjának megjelenése: Teljes kompatibilitás a meglévő CD rendszerekkel. Rendkívül jó minőségű hang, kép, mozgókép rögzítése és lejátszása. Hatékonyabb hibajavító kód alkalmazásával kevésbé érzékeny a tárolás és kezelés "zordabb" körülményeire. 17 Gbájt maximális tárolókapacitás. Az egységnyi tárolókapacitás költsége jelentősen lecsökken. Ma már készültek olyan DVD meghajtók is, melyek dobozolási formájukat tekintve egy meglévő Hi-Fi rendszerbe illeszthetők. Egy megfelelő erősítővel és egy 16:9 arányú kép megjelenítésére alkalmas TV-vel kiegészítve igazi házimozit készíthetünk magunknak. A lehetőségeknek maximum a pénztárcánk szab határt. A DVD részletes specifikációját a táblázatban foglaltuk össze, összevetve a Red Book alapú CDvel.
72
Paraméter Olvasó hullámhossz Numerikus appertúra Lemez átmérő Lemez vastagság Hordozó/olvasás Információs réteg Program kezdete (r) Program vége (r) Belső lyuk átmérője Információ elhelyezkedése Minimális pit hossz Pit szélessége Pit mélysége Pit osztás Bitolvasási sebesség Adatszektor hossza Maximális kapacitás Maximális játékidő Moduláció Hibajavítás
Red Book CD 780nm 0.45 120/80mm 1.2mm egyhordozós/egy oldalról egy 25.0mm 58/37.5mm 15mm spirális 0.83m 0.50m 0.11m 1.60m 4.3218Mbit/s 2048, 2336, 2352 bájt 688Mbájt 74/27 perc EFM CIRC
DVD 650/635nm 0.6 120mm 4x0.6mm négyhordozós/két oldalról egy 25.0mm 58mm 15mm spirális 0.40m 0.35m 0.09m 0.74m 26Mbit/s 2048 bájt 17Gbájt 4x135 perc EFM+ RSPC (Read Solomon Product Code) A CD-ROM és a DVD-ROM összehasonlítása
Fogalmak, jelentések Adatátviteli sebesség: Megadja, hogy egységnyi idő alatt mennyi adat kerül átvitelre. Mértékegysége a bit/s. CD-ROM: Compact Disk Read Only Memory – kompaktlemez csak olvasható memória. Kifejlesztésekor olyan tárolót szerettek volna alkotni, amely hanganyagok nagyon jó minőségű (Hi-Fi) tárolását teszi lehetővé. Azóta az adattárolás területén is tért hódított. 74 perc zene, vagy 650 MB adat fér el egy lemezen. Color Book: A CD-ROM szabványokat könyvekbe foglalták. Annak érdekében, hogy azonosításuk egyszerű legyen, borítóikat különböző színűre festették. DVD: Az adattárolás egy új, nagy jövő előtt álló technikája. A lemez felépítésének megváltoztatásával lehetőség nyílik akár két oldalon két-két rétegben rögzíteni az adatokat. Az ilyen kétoldalas, négyrétegű lemez 17 GB adat, vagy 4x135 percnyi videoanyag tárolását teszi lehetővé. EIDE csatoló: Az IDE csatoló kiterjesztése, mely nagyobb kapacitású eszközöket kezelhet jóval nagyobb sebességgel. Elérési idő: Az olvasási parancs kiadásától az adat rendelkezésre állásáig eltelt idő. Minél nagyobb ez az érték, a meghajtó annál lassabban működik. IDE csatoló: Integrated Device Equipment – integrált eszközelektronika. A lemezekre integrált meghajtó-elektronikával jelentős sebességnövekedést lehet elérni. A vezérlőkártya csak alapvető feladatokat lát el. Nagyon elterjedt szbvány. Interfész: (Andolul: interface) Hardvereszközök közötti csatlakozást valósítja meg. Megadja a csatlakozási pontokat a jelek fizikai és logikai jellemzőit és időbeli lefolyásukat. Számos interfész szabvány létezik. Kódolás: Az adatokat alkalmassá kell tenni arra, hogy tároló eszközön eltároljuk. Azt a folyamatot, mely ezt lehetővé teszi, kódolásnak nevezzük. Land: A CD lemez tükröző felülete a land. A pitek és landek átmeneteinél vannak az információkban az 1-esek. Master: Az adatátvitel folyamán a rendszer vezérlését megvalósító áramkör. Két IDE interfésszel rendelkező egység közül az egyiknek kell beállítani ezt az üzemmódot, a másik slave lesz. Pit: Az információ hordozását valósítja meg a CD lemezen. A lemez felületén lévő lyukakat nevezzük piteknek.
73
Sáv: Slave:
Szektor: Track:
(Angolul: track)A lemez felületén koncentrikusan elhelyezkedő közök a sávok. Ezeken történik az adatok tárolása. Az adatátvitel során nem játszik vezérlő szerepet. Az IDE interfész esetén két eszköz csatlakoztatásakor az egyik meghajtó slave, a másik master. Ez utóbbi a magasabb rendű meghajtó. A lemezen a sávokat megadott méretű részekre osztjuk, ezek neve a szektor. Az adatok a szektorokban tárolódnak, egyszerre egy szektor olvasása történik meg. Lásd: sáv.
Ellenőrző kérdések 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Mi a CD-ROM? Mik a CD-ROM fizikai paraméterei? Hogyan történik az adatok tárolása a CD-ROM lemezen? Milyen szabványokat ismer? Mi a Color Book? Hogyan tudunk adatokat írni a CD lemezre? Soroljon fel CD-ROM típusokat! Mi a DVD-ROM? Hasonlítsa össze a CD-ROM és a DVD-ROM jellemzőit! Milyen interfésztípusok vannak?
74
4. A multi IO kártya A multi IO kártyát nevezik a szakzsargonban IDE kártyának. A kártya feladata a rendszer IO eszközeinek összekapcsolása a rendszersínnel és ezzel együtt a processzorral. Az IDE kártya az alábbi részegységeket tartalmazhatja: Merevlemez vezérlő Hajlékonylemez vezérlő Soros port Párhuzamos port Játékport Nézzük meg az egyes funkcionális részek működése. 4.1. Merevlemez vezérlő Ezzel már foglalkoztunk a merevlemezes tároló fejezetben. Itt megismételjük a már egyszer leírtakat, hogy az információk egy helyen legyenek. A kifejlesztésének előzménye az ESDI csatolótípus volt, melyet az IBM PS/2 számítógépében alkalmaztak. A meghajtók egyre nagyobb számban láttak napvilágot, egyre gyorsabbak és nagyobb kapacitásúak lettek. Nem kellett sok idő, hogy a BIOS 46 meghajtó típusa már ne legyen elég. A meghajtók bővítésénél egyre körülményesebb volt a paramétereinek beállítása. Az adatátviteli sebesség növelésének egyik módja, hogy a lemez és a meghajtó elektronika közötti távolságot lecsökkentjük. Ennek megfelelően akkor a legjobb a helyzet, ha magán a meghajtón van a vezérlő elektronika. Ebből az elgondolásból született meg az IDE (Integrated Device Equipment – integrált eszköz-elektronika) rendszer. Az ilyen meghajtóban az elektronika is megtalálható, ezzel a megoldással a nagysebességű jelvezetékek hossza minimális. Így csak a bővítő sín jeleit kell a meghajtóig elvinni. Ezen a 16 bites párhuzamos interfészen a jelek már jóval kisebb sebességgel áramlanak. Az IDE meghajtók 1-4 Mbájt/s adatátviteli sebességre képesek. Minden vezérlő rendelkezik egy önálló processzorral, mely a vezérlési műveleteket hivatott ellátni. Ez a processzor képes arra is, hogy a meghajtó paramétereit figyelemmel kísérje, és hiba esetén megpróbálja korrigálni azt. Az IDE csatoló két IDE interfészes egység kezelését teszi lehetővé. Az egyik meghajtót MASTER-nek, míg a másikat SLAVE-nek kell beállítani. Erre minden merevlemezen van lehetőség. Az illesztőkártya egy 40 eres szalagkábellel van összekötve a merevlemezes meghajtóval. A kábelen a bővítő sín egyes jeleit találjuk meg. Az egyetlen kiegészítő jel a meghajtók foglaltságát jelző LED vezérlővezetéke. Az interfész áramkörének a felépítése meglehetősen egyszerű, a címdekóderen és leválasztó áramkörökön kívül nem is tartalmaz mást. Egyes illesztőkön lehetőség van egy gyorsítótár (cache) kialakítására. 4.2. Floppy meghajtó Erről az interfészről a hajlékonylemezes meghajtókkal foglalkozó fejezetben már olvashattunk. A floppy illesztő a hajlékonylemezes meghajtók illesztésére szolgál. A legelterjedtebb, sőt szinte egyeduralkodó a 3.5", 1.44 Mbájt tárolókapacitású "kislemez meghajtó". Elvétve még találkozhatunk a nagyobb "testvérével", ennek mérete 5.25" és 1.2 Mbájt tárolására képes. Voltak még más típusok is a piacon az évek folyamán, azonban ezek már "kihaltak", tehát nem foglalkozunk velük. Az eredeti kártya az i8272 floppy vezérlőre épült. Ehhez viszonylag sok kiegészítő alkatrész kellett. A mai vezérlők már az összes funkciót megvalósító nagy integráltságú áramkörrel készülnek, így a kártya felépítése nagyon egyszerű. A kártyákkal 120, 300 és 500 kbit/s adatátvitel valósítható meg, a szimpla sűrűségűeken (Single Density – SD) FM, míg a dupla sűrűségűn (Double Density – DD) MFM kódolást használnak. A nagysűrűségű (High Density – HD) lemezeknél érhető el az 500 Kbájt/s átvitel, a kódoláshoz MFM eljárás használnak. Egy kártya négy meghajtó csatlakoztatását teszi lehetővé. Ezeket első, második, harmadik illetve negyedik meghajtóként definiálhatjuk. Általában a PC-kben két meghajtó bőven elég. Az első lesz az A: jelű, míg a második a B: jelű meghajtó az operációs rendszerek alatt. A meghajtó sorszámát a vezeték határozza meg. Az általános floppy kábelen négy csatlakozó van, kettő a kisfloppynak, kettő a nagynak. Ezek párban találhatók meg a kábelen, a két pár között a kábel néhány ere meg van csavarva. Ezzel biztosítják a kiválasztó jelek megfelelő csatlakozását. A kábel végén van az első számú meghajtó, a kábel csavarás előtti, kártya felőli részén pedig a második. Ezzel a módszerrel könnyen meghatározhatjuk a
75
meghajtónk betűjelét. Előfordulhat, hogy a házban messze vannak a meghajtók és nem tudjuk a nekünk megfelelő meghajtó sorszámokat beállítani. Ekkor segíthet a kártyák többségének azon tulajdonsága, hogy egy átkötés segítségével felcseréli a kábelen lévő meghajtók számát és ezzel együtt a sorrendjét is. 4.3. Soros vonali illesztő Ez az egység minden PC-ben szerepel annak ellenére, hogy nem elengedhetetlen feltétele a működésnek. Az interfészt Amerikában az RS232C, míg Európában a CCITT V24/V28 szabvány jelöli. A soros interfész, mint ahogy a neve is mutatja, soros működésű. Ez azt jelenti, hogy az adatbitek egy vezetéken egymás után magadott ütemben kerülnek átvitelre. Egy vezetékén egyirányú átvitel valósítható meg. Az adatátvitelnek szigorú szabályai, ún. protokollja van. Az interfész nem TTL szintű jeleket használ. Az RS-232-ben a 0 logikai szintnek +3 és +15V, a logikai 1 szintnek -3 és -15 V közötti értékek felelnek meg. A nagy tűrési tartomány a zavarérzéketlenséget növeli, így 30 m-nél nagyobb távolságok áthidalása is lehetséges. A PC-k esetében a feszültségszintek nem érik el a -15 és +15V-ot. Az RS-232 interfész táplálása +5V-ról történik, a -12 és +12V-ot használja fel segédfeszültségnek. Minden interfész rendelkezik egy szintillesztő fokozattal, mely az említett segédfeszültségekből állítja elő a vonali feszültségeket. Így a gyakorlatban a kimeneteken 9 és 12V közötti értékeket tudunk mérni. Ennek azonban nincs jelentősége, mivel bőven benne van a feszültségtűrésben. A V24-es interfészen az adatátvitel szinkron vagy aszinkron módon történik. A szinkron adatcsere esetében az adó és a vevő különböző sebességgel működhet, mert külön vezetékkel (szinkron jellel) jelzik egymásnak az érvényes adat megjelenését az adatvezetéken. Aszinkron üzemmód esetében nincs ilyen szinkronjel, az adatvonalon lévő adatjelek maguk végzik el a szinkronizációt. Az átvitelnél az adó és a vevő közel azonos frekvenciájú órajelet használ. Az egyszerre átvitt adatmennyiség 5, 6, 7 vagy 8 bit lehet. Az adatfolyamot egy START bit előzi meg, mely egy 1 bitnyi ideig tartó alacsony szintű jel. Ezt követik az adatok, először a legalsó helyiértékű bit, azután a többi, végül a legfelső helyiértékű bit kerül átvitelre. Az adatokat követi a paritásbit, mely el is hagyható. A paritásbit után egy vagy két STOP bit következik. Ezek tartoznak egy adatkeretbe (frame). A szinkronizálás az átvitel elején, a START bittel kezdődik, az adó és a vevő órájának annyira együtt kell futnia, hogy a szinkronból ne essenek ki egy keret átvitele alatt. A paritásbit az adatátvitel biztonságát növeli. A STOP bit vagy bitek feladata a keret lezárása. Ezzel az egymás után küldött kereteket is szétválasztja. Mikor adatokat viszünk át egyik helyről a másikra, nem mindegy az átvitel sebessége. Az adatátvitel sebessége a bit/s vagy ennek logaritmikus formája a baud. Az átviteli sebesség a soros átvitelnél csak meghatározott (diszkrét) értékeket vehet fel. Tipikus értékek: 56 75 110 300 600 1200 2400 4800 9600 19200 38400 bit/s. Az adatátvitel biztonságát sok tényező befolyásolja. Minél hosszabb a kábel, annál több zavarjelet képes összeszedni, ezért hosszabb kábel kisebb biztonságban képes az adatokat átvinni. Nem mindegy a jelszinteket jelentő feszültségek értéke sem. A túl nagy, vagy a túl kis érték lecsökkenti a biztonságot az átvitel során. Ha a kábel olyan környezetben fut, ahol sok a zavartényező, akkor ez is az átvitel rovására mehet. Minél nagyobb sebességű az adatátvitel, annál érzékenyebb lesz az átvitel a környezeti zavarokra. Az átvitel kezdetekor az adatátviteli paramétereket egyeztetni kell, pontosabban ugyanazokat kell beállítani mind az adónál, mind a vevőnél. A START bittel nem kell foglalkozni, mert az mindig egy bit hosszúságú. A STOP bitek száma 1, 1.5 és 2 lehet. Mint már fentebb említettük, az adatbitek száma 5, 6, 7, vagy 8 lehet. A PC-k esetében szinte kivétel nélkül az adatok 1 bájt hosszúságúak, azaz 8 bitesek. A paritásbit esete már nem ilyen egyszerű. Öt lehetséges kombinációja van a paritásbit használatának: 1. Nincs paritásbit 2. A paritásbit mindig alacsony szintű (0) 3. A paritásbit mindig magas szintű (1) 4. Páros paritás. Akkor beszélhetünk páros paritásról, ha a paritásbit úgy egészíti ki az adatblokkban lévő 1-eseket, hogy páros számút tartalmazzon. 5. Páratlan paritás. Ebben az esetben a paritásbit olyan értéket vesz fel, hogy az adatblokkok 1eseivel együtt páratlan számú 1-es legyen. A vevő újra kiszámítja a paritásbitet, és ha nem egyezik a vett és a számított érték, az azt jelenti, hogy hiba történt az adatátvitel során. Egy paritásbittel páratlan számú bithibát lehet felismerni. Ha például két bit változik meg, akkor a paritásbit értéke még mindig helyes lesz, tehát a hiba rejtve marad.
76
Az interfész jelei A soros interfész az eredeti PC-ben vagy XT-ben 25 pólusú SUB-D apa csatlakozóval rendelkezett. Az AT megjelenésével a párhuzamos interfész is rákerült a kártyára. Ez azt eredményezte, hogy két 25 pólusú csatlakozó nem fér el egymás mellett. Ezért a soros port csatlakozóját 9 pólusú SUBD csatlakozóra cserélték ki. Ennek a megoldásnak előnyei éppúgy adódnak, mint hátrányai. Előny, hogy nem cserélhető össze a nyomtató és az egér csatlakozója. Hátrány viszont, hogy a 9 pólusú csatlakozón az interfész néhány jele nem található meg. A csatlakozók kiosztását a táblázat mutatja. A soros kommunikációra képes eszközöket többféleképpen összeköthetjük. Ezekre mutat példát az ábra. Minden lábszámozás a 9 pólusú csatlakozóra vonatkozik és a bal oldali csatlakozók a PC csatlakozói, míg a jobb oldaliak a csatlakoztatott eszközé. Az a) esetben a legegyszerűbb kétirányú átvitelre alkalmas összekapcsolást láthatjuk. Ebben az esetben a két irányhoz összesen két adatvezeték kell. Még egyszerűbb ennél, ha csak egyirányú átvitelt szeretnénk. Ebben az esetben csak egy adatvezetékre van szükség. Az egyenrangú kapcsolat
RS-232-C összeköttetések PC és egy soros eszköz között megvalósításához az összetartozó jelpárokat keresztbe kell kötni. A PC az adatokat a TxD vonalon adja ki, a soros eszköz pedig az RxD bemeneten érzékeli azt. Az a) ábrán látható összekapcsolási módot nevezzük nullmodem kapcsolatnak. Ebben az esetben nincs hardveres visszajelzés a hibátlan vételre vonatkozólag. Persze szoftverrel ezt lehet pótolni. Nagyobb adatátviteli sebességet tudunk elérni, ha az ún. kézfogásos (handshake) átvitelt alkalmazzuk. Ebben az esetben a karakterek között eltelt időt a lassabb eszköz határozza meg, ezért a sebesség maximális lehet. A kézfogásos üzemmódhoz fel kell használnunk néhány vezérlőjelet is. Elsősorban az RTS-CTS jelpárost kell a vezérlésbe bevonni. A jeleket természetesen ebben az esetben is keresztbe kell kötni b) ábra. Ha az adó képes az információt elküldeni, ezt a CTS vezetéken jelzi. Ha a vevő képes ezt venni, az RTS vonalon jelzi azt. A biztonságot tovább növelhetjük, ha bevonjuk még a DTR-DSR jelpárt is c) ábra. Ezek a jelek mindegyike üzemkész állapotot jelez, az aktív szintje magas. Ha alacsony szintre kerül valamelyik, akkor az jelzi, hogy átmenetileg nincs mit adnia, illetve nem tud több adatot venni. Gyakran előfordulhat az az állapot, amikor a program igényli az RTS- CTS és a DTR-DSR vonalak használatát, viszont a vezérlő nem képes annak előállítására. Ebben az esetben jó megoldást nyújthat a d) ábrán látható összekapcsolási mód. Így a jelzés és a nyugta ugyanannak a vezérlőnek szól és így kielégíti a program igényeit. A PC BIOS-a négy soros interfész használatát támogatja. Ezek neve rendre COM1-…-COM4 (Communication – kommunikáció). A COM1 nevű egységre AUX névvel is hivatkozhatunk. Az interfészek meglétét a BIOS az induláskor detektálja és a képernyőre ki is írja címüket. A felismerés viszonylag egyszerű folyamat. A portok báziscímei a ROM-ban vannak tárolva. A program egy adatot ír ki az adott báziscímre. Ha a visszaolvasott adat megegyezik a kürt adattal, az a port létezését jelenti. A soros portok báziscímei a táblázatban láthatók. Port neve Címe COM1 3F8h COM2 2F8h COM3 3E8h COM4 2E8h
77
A soros interfészek címei Az interfész báziscíme a legkisebb elérhető cím. Összesen nyolc portcímet használ, azonban ennél több címezhető regisztere van. A báziscím a kártyán átkötésekkel beállítható. Mindegyik porthoz tartozik egy megszakításkérő vezeték. Pontosabban csak tartozna, ha az IBM szakemberei nem csak két megszakítást szántak volna a soros interfésznek. A COM1 az IRQ4-et, míg a COM2 az IRQ3-at használhatja. Ha szükségünk van a maradék két portra is, akkor a kártyákon általában a COM3-nak az IRQ4-et, míg a COM4-nek az IRQ3-at kell beállítani. A soros interfész kezdetben az INTEL gyártmányú 8250 típusjelzésű integrált áramkör. Nemsokára felváltotta a gyorsabb működésű 16450. Az ezzel készült kártyák legnagyobb adatátviteli sebessége 115200 bit/s. Ezzel szemben a DOS és a BIOS csak 9600 bit/s-os sebességet enged beállítani. Ha hardver szinten programozzuk a vezérlőt, elérhetjük a maximális átviteli sebességet is. A céláramkört nevezik UART-nak is (Universal Asynchron Receiver Transmitter – univerzális aszinkron vevő-adó).
Az UART belső felépítése Az ábrán szemügyre vehetjük az UART belső felépítésének blokkvázlatát. Az áramkör XTAL1 és XTAL2 bemeneteire kötött kristály frekvenciájától függ a maximális átviteli sebesség. Az adás és a vétel sebessége a kristály különböző mértékű leosztását igényli, mert az adó a leosztott frekvenciát használja az adáshoz. A vevő ennek az órajelnek a 16 vagy 64-szeresét használja. Azért kell a vevőnek magasabb órajellel működni, mert a biztonságos mintavétel megköveteli, hogy az pontosan bitközépen történjen. A bitközepet annál pontosabban lehet megközelíteni, minél magasabb az órajel. Az UART SIN (Serial In – soros bemenet) az RxD-nek, az SOUT (Serial Out – sosor kimenet) pedig a TxD jeleknek felel meg. Az áramkör csak a helyes időzítésekért felelős, de a kimenete TTL kompatibilis. Ezért a kimenetekre és a bemenetekre egy speciális, vonalmeghajtó áramkört kell kötni. Ez állítja elő a már említett -15...-3V és a +3...+15V közötti feszültségeket. Az adás és a vételi üzemmódot az LCR (Line Control Register – vonali vezérlő regiszter) programozásával állíthatjuk be. Az adás és a vétel során keletkező állapotinformáció az LSR-ben (Line Status Register – vonali állpot regiszter) tárolódnak. Ha a processzornak szüksége van rá, innen kiolvasható. Az adás előtt a processzor párhuzamosan egy bájtot ír a THR-be (Transmitter Holder Register – adó puffer regiszter). Ha a TSR (Transmitter Shifter Register – adó léptető regiszter) üres, az adat ide átkerül és a processzor már a következő adatbájtot írhatja a THR-be. A TSR tartalma az időzítéseknek megfelelő ütemben az SOUT kimenetre kerül. Vizsgáljuk meg, hogyan történik a soros vonalon érkező adatok vétele. Az adatok az SIN bemeneten keresztül az RSR (Receiver Shifter Register – vevő léptető regiszter) nevű tárolóba kerülnek. Ez végrehajt egy soros-párhuzamos átalakítást. Innen az immár párhuzamos adatbájt az RPR-be (Receiver Puffer Register – vevő puffer regiszter) íródik, ahonnan a processzor kiolvashatja. Amennyiben a processzor nem veszi el a vett adatot, mikorra a következő adat megérkezik, akkor túlcsordulás lép fel és a helyes működés felborul.
78
Modem vezérlő regiszterből is tartalmaz az áramkör néhányat. Az MCR (Modem Control Register – modem vezérlő regiszter) a kimenő vezérlőjelek előállítására szolgál. Az MSR-ben (Modem Status Register – modem státusz regiszter) találhatók meg a bejövő jelek, itt érhetők el. Az a megszakítások kezelésére két regisztert tartalmaz. Az IER (Interrupt Enable Register – megszakítás engedélyező regiszter) regiszter segítségével lehet engedélyezni, illetve tiltani a megszakításokat. Az IIR (Interrupt Identifier Register – megszakítás azonosító regiszter) tartalmazza a megszakítást kiváltó esemény kódját. Láthatjuk, hogy a két-két művelet ugyanazon a címen érhető el. Azért, hogy mégis megkülönböztethető legyen, az LCR 7. bitjét használjuk fel. Ezt a bitet DLAB-nek (Divisor Latch Access Bit – osztó tároló hozzáférés bit) nevezik. 4.4. Párhuzamos illesztő fokozat A párhuzamos interfész, csakúgy mint a soros port, minden PC-ben megtalálható. Általában a nyomtató csatlakoztatását oldja meg, de már sok helyen a scanner is ide csatlakozik. Az interfészt gyakran hallhatjuk Centronics interfésznek is nevezni, mert az azonos nevű cég fejlesztette ki. A fejlesztés ipari szabvánnyá nőtte ki magát, de szabványosítva még ma sincs. Ez az oka, hogy a csatlakozó szempontjából is kétféle típussal találkozhatunk. Az egyik az Amphenol, ami 36 csatlakozóval rendelkezik, a másik a 25 pólusú SUB-D. A másik eltérés, hogy nem minden gyártó használja az összes jelet. Azonban ez nem jelent nagy problémát, mert a régebbi interfészek csak egyirányú adatátvitelre alkalmasak. Az újabb párhuzamos csatolók már két irányban képesek kommunikációra. A párhuzamos interfész párhuzamosan küldi az adatokat a vevő felé, az adatszélesség 8 bit. Egyirányú interfész esetében is lehet adatokat venni, de ez csak 5 bit szélességben lehetséges. A PC ház hátlapján található párhuzamos csatlakozó 25 pólusú SUB-D anya csatlakozó. Könnyen összetéveszthető a soros port csatlakozójával bár az apa csatlakozó. A nyomtatók szinte kivétel nélkül 36 pólusú anya Amphenol csatlakozóval vannak felszerelve. A nyomtató és a gép közötti kábel nem lehet hosszabb 5 méternél. A mai kábelek csavart érpáros vezetékek, ez csökkenti a zavarérzékenységet. A Centronics interfész minden jele TTL kompatibilis. Az adatok nyolc párhuzamos vezetéken érkeznek a vevőhöz. A vevő a STROBE jel alacsony szintre húzásával tudja jelezni az adatok vételét. A STROBE impulzus minimális hossza 1 s kell, hogy legyen. Az adatátvitel nyugtázása elvileg két módszer szerint történhet. Ennek megfelelően két- és háromvezetékes átviteli protokollt alkalmazhatunk. A háromvezetékes átvitel esetén a vevő az adat vételét az ACK jellel nyugtázza egy kb. 5-10 s-os alacsony szintű impulzussal. Ebből tudja a számítógép, hogy mikor küldheti a következő adatbájtot. Amíg a nyomtató nem végzett az adat vételével, addig a BUSY jel magas szintű. Ha a vevő (nyomtató) rendelkezik egy átmeneti tárral, addig az átvitel nagyon gyors, ha azonban ez megtelik, meg kell várni míg kiürül. A nyomtatás alatt a BUSY jel mindvégig magas szinten marad. A kétvezetékes rendszerek nem használják ki a BUSY jel lehetőségeit. A jel funkcióját a STROBE jel helyettesíti. Ezt a számítógép addig tartja alacsony szinten, amíg az ACK vezetéken egy lefutó élet észlel. Ekkor a STROBE jelen megjelenik egy felfutó él és a bájt küldéséig az is marad. Vizsgáljuk meg, hogy az egyes vezérlőjelek milyen célt szolgálnak: PE (Paper Error – papír hiba) jelzi, ha a nyomtatóból kifogyott a papír. SELECT (kiválasztás) jel jelzi a számítógépnek, hogy a nyomtató képes az adatok vételére. Ha a nyomtató ON LINE állapotban van, akkor a SELECT jel magas szintű. Ez jelzi a nyomtató üzemkész állapotát. SEL IN: a jel aktív szintre állításával lehet a nyomtatót kiválasztani. Sok nyomtatónál állandóan alacsony szintre van kötve ez a vezeték, ezért a nyomtató mindig ki van választva. INIT: Ezen a bemeneten keresztül tudjuk a nyomtatót alapállapotba állítani. AUTOFEED: A számítógép ezen a lábon közli a nyomtatóval, hogy a soremelés és kocsi vissza műveletet a kocsi vissza (Carriage Return – CR) vagy a CR és LF (Line Feed) kódok után történjen-e meg. ERROR : Aktív szintje hibát jelent. A párhuzamos interfész regiszterei A BIOS négy párhuzamos port használatát támogatja. Ezek elnevezése rendre LPT1-…-LPT4 (Line Printer). Az LPTI portra PRN (Printer) néven is hivatkozhatunk.
79
Induláskor csakúgy, mint a soros port esetében a BIOS felismeri a párhuzamos interfészeket. A detektálás módszere megegyezik a soros port esetében bemutatottal. A képernyőre kiírja a portok nevét, valamint a címét. A kártyák neve és a címek közötti összefüggést a táblázat mutatja. Port neve Címe LPT1 3BCh LPT2 378h LPT3 278h LPT4 2BCh A párhuzamos interfészek címei A párhuzamos interfész három regiszterrel rendelkezik, ezért a báziscímen kívül két címre is szükség van. Az adatregiszter a báziscímen található. Ide kerülnek a nyomtatásra váró karakterek kódjai, valamint a vezérlőkarakterek is. A regiszterben tárolt értékek vissza is olvashatók. Ennek ellenőrzéskor van elsősorban szerepe. Ha a párhuzamos port kétirányú, akkor az adatregiszterbe kívülről is vehetünk be adatokat. Állapotregiszter csak olvasható és a báziscím+1 címen található. Mivel az állapotinformáció nincs tárolva, nem nevezhetjük regiszternek. Az áramköri kialakítás miatt a BUSY jelet invertálva kapjuk meg. A regiszter bitjeinek jelentése: D0 Nem használt, általában magas szintű bit D1 Nem használt, általában magas szintű bit D2 Nem használt, általában magas szintű bit D3 ERROR (0, ha hiba történt a nyomtatóban) D4 SELECT (0, ha a nyomtató ON LINE állapotban van D5 PE (1, ha kifogyott a papír) D6 ACK (0, ha a nyomtató nyugtázza a vételt) D7 BUSY (0, ha a nyomtató foglalt) Vezérlőregiszter a báziscím+2 címen érhető el. A számítógép által küldött vezérlő és az adatátvitelt kísérő jeleket tárolja. Nemcsak írható, hanem olvasható is. Kétirányú párhuzamos interfész Az interfészt az IEEE 1284-1944 szabvány írja le. Ez az átviteli mód a hagyományos átvitelhez képest 50-100 szoros sebességnövekedést biztosít. Természetesen a kompatibilitás miatt lefelé kompatibilis marad az egyirányú párhuzamos interfésszel. Az adatátvitel három féle lehet. Ezek az üzemmódok a következők: 1. Csak előre egyirányú (Centronics kompatibilis mód) 2. Csak vissza egyirányú (Nibble és Byte mód) 3. Kétirányú (EPP és ECP mód) A Centronics móddal az előbbiekben foglalkoztunk. A következőkben a négy új móddal ismerkedhetünk meg. Nibble mód A Nibble 4 bitet jelent, tehát egy bájt két Nibble-ből áll. Ez a legegyszerűbb mód az adatok számítógépbe irányuló átvitelének megvalósítására. A teljes, kétirányú adatátvitel létrehozása érdekében a kompatibilis móddal használják együtt. A befelé irányuló adatátvitelre az öt állapotból 4-et használ fel. Így egy bájtot két részletben tudunk a PC felé küldeni. Két Nibble-ből nem tudjuk a teljes bájtot egyszerűen összeállítani, mivel az ACK jelet nem használhatjuk az adatátvitelben, ha a megszakításos nyomtatási módot használjuk. A szoftvernek kell az összeillesztést megoldania. Beolvassa az állapotbájtot, átrendezi ennek a bitjeit és csak az átvitel után állítja össze az adatbájtot. Az adatátvitel a következő lépésekből áll: 1. A vevő jelzi a vételre kész állapotát a HotBusy jel alacsony szintre állításával. 2. Az adó válaszul az első 4 bitet az állapotvonalakra helyezi. 3. Az adó az adatok érvényességét a PtrClk alacsony szintre állításával jelzi. 4. A vevő a HotBusy magas szintre állításával jelzi a vételt és ezzel együtt a foglaltságát. 5. Az adó a PtrClk jel szintjét magasra állítja, melynek során nyugtázza az átvitelt. 6. Az előző 5 lépés megismétlődik a második 4 bit átvitelének idejére.
80
A mód igényli a vezérlőjelek beállítását, amely sok processzorutasítás végrehajtását jelenti. Ennek következtében a maximális átviteli sebesség maximum 50 Kbájt/s lehet. A kis adatátviteli sebesség ellenére van egy nagyon jó tulajdonsága, hogy a régi kártyák esetében is megoldható a kétirányú adatátvitel. Byte mód Az újabb párhuzamos interfészek lehetővé teszik az adatpuffer kikapcsolását. Ezáltal ha visszaolvassuk, akkor nem az adatregiszter tartalmát, hanem, a kimeneteken lévő adatot kapjuk meg. Az egy bájt beolvasása tehát egy ciklus alatt történik meg. Ebben a módban a beolvasás olyan sebességgel történhet, mint a Centronics mód előre irányuló átvitele. Ezt a típust sokszor emlegetik EBP (Enhanced Bi-directional Port – bővített kétirányú port) néven. Ez az elnevezés könnyen összekeverhető az EPP móddal. A Byte módú átvitel lépésekben: 1. A host jelzi a vételre való képességét a HostBusy jel alacsonyra állításával. 2. A küldő erre válaszul az első bájtot az adatvonalakra helyezi. 3. A küldő az adatok érvényességét a PtrClk alacsony szintre állításával jelzi. 4. A host a vételt és a foglaltságot jelezve a HostBusy jelet magas szintre állítja. 5. A PtrClk jelet magas szintre állítja a küldő, a fogadó pedig a HostClkjellel nyugtázza ezt a küldőnek. 6. A további bájtok beolvasásához az 1-5 lépés ismétlődik. EPP mód Az EPP (Enhanced Parallel Port – bővített párhuzamos port) kifejlesztői az Intel, a Xircom és a Zenit Data Systems cégek voltak. A cél egyértelmű volt: olyan igen nagy sebességű kétirányú port kifejlesztése, mely kompatibilis a hagyományos párhuzamos interfésszel. Az EPP interfészben négy adatátviteli ciklust tudunk megkülönböztetni. 1. Adat írása 2. Adat olvasásása 3. Cím írása 4. Cím olvasása Az adatciklusok a host és a periféria közötti adatátvitelt valósítják meg. A címciklusok folyamatában a cím-, a csatorna-, parancs- és vezérlőinformáció átvitele történik meg. A kommunikáció lépései: 1. A program egy periféria írást hajt végre az EPP portra (Báziscím+4). 2. Ha az adat a porton van, a WRITE jel aktívvá válik. 3. A DATASTB aktív állapotba kerül, ha a WAIT is aktív 4. A számítógép várakozik a periféria nyugtázására. 5. A DATASTB magas szintre kerül, ez jelzi az EPP ciklus végét. 6. Befejeződik az IO ciklus 7. A WAIT ismét aktív lesz, ezzel jelezve a következő ciklus kezdetének lehetőségét. A címolvasás ciklusának időbeli folyamata csak abban tér el az adatírástól, hogy a periféria olvasás utasítás alatt a WRITE jel végig magas szintű és a DATASTB helyett a ADDRSTB jelet használjuk. Mivel az EPP ciklus egy ISA ciklus alatt hajtódik végre, az átviteli sebesség akár 2 Mbájt/s is lehet. Hasznos a kézfogásos kommunikáció használata abban az esetben, ha a periféria és a számítógép sebessége nem azonos. Ebben az esetben a várakozások beiktatásával lehet szabályozni az adatátvitel sebességét. Az 1284 szabvány előtti EPP interfészek adatátvitelének folyamata kissé eltér a szabványostól. Az eltérés abból adódik, hogy a ciklus kezdetén a DATASTB és az ADDRSTB és aktív szintű lesz, a WAIT jel állapotától függetlenül. Ez azt eredményezi, hogy a periféria nem tudja a várakozást jelző jel felhasználásával a ciklus elindítását késleltetni. Ezt az interfészt nevezi a szakirodalom EPP 1.7 interfésznek.
81
ECP mód Az ECP (eXtended Capability Port – kiterjesztett képességű port) kifejlesztői a Hewlet Packard és a Microsoft cégek voltak. Az ECP hasonlóan az EPP-hez, kétirányú kapcsolatot valósít meg. Az ECP üzemmód esetében két adatátviteli ciklus különböztethető meg: 1. Adatciklus 2. Parancsciklus
1. 2.
A parancsciklust két típusra oszthatjuk: Futáshossz számláló (Run Lenght Count) Csatorna cím (Channel Address)
A protokoll a Microsoft Corp. által kiadott "The IEEE 1284 Extended Capabilities Port Protocol and ISA Interface Standard" című dokumentációban részletesen megtalálható. A csatorna címzési mód kis mértékben eltér az EPP címzéstől. Ez arra szolgál, hogy egy fizikai berendezésen belül több logikai eszköz megkülönböztetését lehetővé tegye. Ilyen eszköz például az egy dobozba integrált fax, nyomtató és modem. Az ECP csatorna megengedi az eszközök párhuzamos használatát. Az ECP adat és parancsciklus előre irányban az alábbi lépésekből áll: 1. A gazda az adatvonalakra teszi az adatot és jelzi az adatciklust a HostAck aktív magas szintre állításával. ' 2. Ha a HostClk alacsony szintre vált, az jelzi az érvényes adatot. 3. A periféria a PeriphAck jel aktív szintre állításával nyugtázza az érvényes adatot. 4. A perifériába írjuk az adatot a HostClk jel magas szintre állításával. 5. Ha a periféria kész a következő adat átvitelére, azt a PeriphAck alacsony szintjével jelzi. 6. Az 1-5 lépések megismétlődnek a parancsciklusra is. Az adatátvitel a 4. lépésben történik meg. Az átvitel megszakításához az eseménynek a 3. és 4. lépésben kell bekövetkeznie, mert itt még nem történt meg az átvitel. A visszairányú átvitel esetén az ECP mód lényegesen eltér az EPP átviteltől. Itt az irányváltást előzetesen egyeztetni kell. A gazda közli a visszairányú átvitel igényét, amit a perifériának nyugtáznia kell. Az átvitel csak ezután kezdődhet meg. A szabványos ECP port az alábbi üzemmódok valamelyikében működhet: 1. Hagyományos párhuzamos interfész 2. Byte módú kétirányú átvitel 3. Gyors Centronics interfész mód 3. ECP 4. EPP 5. Fenntartott 6. Tesztelés 7. Konfigurációs mód 4.5. A botkormány illesztő Az illesztőt nevezik játék portnak, vagy angolul game portnak is. A PC-khez illesztett botkormányok eltérő elven működnek, mint az olcsóbb számítógépekhez kapható típusok. Azok mikrokapcsolót használnak az irányérzékelésre. A PC botkormányok (joystick) csak olyanok lehetnek, melyek elmozdulását potenciométer érzékeli. A kártya négy kitérés és négy kapcsoló bemenettel rendelkezik. Ezzel a módszerrel két kétdimenziós, vagy egy négydimenziós egység kezelését oldja meg. A kétdimenziós botkormány két kapcsolóval rendelkezik és egy-egy érzékelő bemenetet használ fel az X és az Y irányba történő elmozdulás érzékeléséhez. A kapcsoló bemenetekre érkező logikai szint közvetlenül kiolvasható. A potenciométerek pillanatnyi értékét egy multivibrátorral impulzussorozattá alakítja a kártya. A, kiadott impulzus ideje arányos az ellenállas értékével. Az időzítők a 201h című regiszteren keresztül érhető el. T [s] = 24.2 + 11R [k] A kapcsoló bemenetek 1 k-os ellenállásokkal vannak a tápfeszültségre kötve. Ha a kapcsolókat zárjuk, a bemenetek alacsony szintre kerülnek. A potenciométerek 100 k értékű, középmegcsapolásos kialakításúak. A tápfeszültség és az egyik érzékelő bemenet közé kell kötni. Külön kártyán ritkán kerül kialakításra, általában a soros és a párhuzamos porttal található összeintegrálva.
82
Fogalmak, jelentések Aszinkron átvitel: A soros átvitelnek olyan módja, ahol az adatátvitel ütemezése nem külön jelek felhasználásával történik, hanem az információ hordozza a szinkronizáló jeleket. Az adategység egy START bittel kezdődik és egy STOP bittel fejeződik be. A két jel között 5-8 bitnyi adat és 0-2 paritásbit lehet. Byte mód: Modernebb eszközök támogatják ezt a párhuzamos kétirányú adatátviteli módot. Az elv az, hogy az adatvonalak meghajtóit ki lehet kapcsolni, így az adatregiszter tartalmát visszaolvasva nem az adatregiszter, hanem a külső eszköz által küldött adatot kapjuk meg. Centronics mód: A párhuzamos adatátvitel alapszabványa. Egyirányú adatátvitelt tesz lehetővé. ECP mód: Párhuzamos, kétirányú adatátviteli mód, mely hasonló az EPP módhoz. EPP mód: Kétirányú, párhuzamos adatátviteli mód, ahol az átvitel egy ISA ciklus alatt zajlik le. Hajlékonylemez illesztő: Hajlékonylemezes meghajtó PC-hez csatlakoztatását valósítja meg. IDE interfész: Elsősorban merevlemezek és CD-ROM meghajtók illesztését teszi lehetővé. Az IDE rendszer felépítése olyan, hogy a meghajtók tartalmazzák a vezérlő elektronikájukat. Az interfész feladata gyakorlatilag a rendszerjelek meghosszabbítása a meghajtó elektronikájáig. IDE kártya: A multi IO kártya általánosságban elterjedt neve. Játék port: Botkormányok PC-hez csatlakoztatását teszi lehetővé. Ezek az eszközök analóg jelekkel működnek, az elmozdulást ellenállás változással érzékelik. Nibble: Fél bájt, azaz 4 bites csoport elnevezése. Nibble mód: A párhuzamos adatátvitel esetében a legegyszerűbb módszer az adatok porton keresztüli beolvasására. Az öt vezérlő vezeték közül négyet használunk az adatok beolvasására. Így két ciklus alatt történik meg egy bájt átvitele. Soros átvitel: Az adatátvitelnek egy olyan módja, ahol az adatcsomagot tartalmazó biteket sorban egymás után küldjük át a címzett egységnek. Két módja van a szinkron és az aszinkron átvitel. Soros port: Az adatok soros átvitelét lehetővé tevő áramkör. Általában más perifériákkal egybeintegrálva találjuk meg. Szinkron átvitel: Az átvitelt külön vezetéken továbbított, ún. szinkron jelek ütemezik. Ez az átviteli mód jóval nagyobb sebességű átvitelt tesz lehetővé, mint az aszinkron átvitel. Ellenőrző kérdések 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.
Mire szolgál a multi IO kártya? Milyen perifériái lehetnek az IDE kártyának? Mi a soros adatátvitel, milyen jellemzői vannak? Mi a szinkron adatátvitel? Mi az aszinkron adatátvitel? Hasonlítsa össze a szinkron és az aszinkron átvitelt! Mi a baud? Mi a párhuzamos adatátvitel? Milyen párhuzamos adatátviteli módokat ismer? Mi a nibble, mi a Nibble mód? Mi a Byte mód? Mi az EPP mód lényege? Mi az ECP mód? Hasonlítsa össze a Nibble, a Byte, az EPP és az ECP adatátviteli módokat!
83
5. A hangkártya A számítógép használatával, elsősorban a játékok területén felmerül az igény, hogy legyen hangja a számítógépnek. Erre találták ki a speciális kártyákat, melyet hangkártyáknak nevezünk a felépítésüktől függetlenül. Nagyon sok gyártó készít ilyen eszközöket, azonban van néhány, mely szabvánnyá nőtte ki magát, a névtelenebb gyártóknak is ezzel kompatibilis eszközöket kell készíteniük, hogy el tudják adni a terméküket. Előfordul olyan eset is, mikor egy neves gyártótól származó hangkártya emulálni tudja egy más gyártó kártyáját szoftveresen vagy hardveresen. Mielőtt a konkrét hangkártyák ismertetésébe kezdenénk, nézzük meg egy kicsit a hangtechnika alapjait a valóság és a számítógép szemszögéből. A számítógép digitális működéséből következik, hogy a hangot is digitális formában kell tárolni. Ehhez szükség van egy analóg-digitális átalakítóra (ADC – Analog Digital Converter). Ha a viszont számítógépen tárolt vagy előállított hangot szeretnénk megszólaltatni, akkor egy digitális-analóg átalakítót kell használnunk. 5.1. Az analóg-digitális átalakítás Az analóg jelek digitális feldolgozása megköveteli az időben és amplitúdóban folytonos jelértékek rögzítését, és kódolt, diszkrét értékű és idejű adatokká való átalakítását. Erre szolgál az analógdigitális átalakító. Az AD átalakító feladata a bemeneti analóg feszültséget ezzel arányos számmá alakítani. Az átalakító blokkvázlatát az ábrán láthatjuk. A mintavevő meghatározott időpontokban a bemenetre kapcsolt analóg jellel arányos
Analóg-digitális átalakító blokkvázlata amplitúdójú feszültségértékeket határoz meg. Ezeket a diszkrét amplitúdó értékeket a tartó elem tárolja el a további fokozatok számára. Az időben diszkretizált analóg jelet amplitúdóban is diszkrét értékekké kell alakítani. Erre szolgál a kvantáló elem. Ez a bemenetére adott feszültségértéket megadott szélességű bináris adatokká alakítja. Ezt a bináris értéket a kódoló segítségével olyan formára alakítjuk, amilyenre szeretnénk. A kódoló kimenetén rendelkezésre áll a digitalizált jel. Az átalakítás folyamata megfordítható, ha néhány peremfeltételt betartunk. A mintavételi törvényt Shannon fogalmazta meg. Ez kimondja, hogy a jel teljes mértékben visszaállítható, ha a mintavételi frekvencia a jelben előforduló legnagyobb frekvenciájú összetevőnek legalább kétszerese. Az analóg-digitális átalakítás során keletkező hibák és kivédésük A jel mintavételezési folyamata a mintavételezett jeleket torzítja. Ez a megfelelő konstrukciókkal kivédhető, vagy legalábbis minimális értéken tartható. Aliasing zaj Ez a zavar a mintavételi tétel megsértése miatt alakul ki. Ha egy jel mintavételezésekor a szükségesnél kevesebb mintát vesznek, akkor a jelben olyan spektrális komponensek jelenhetnek meg, melyeket adott esetben a jel nem is tartalmazott. Ennek okai a periodikusan ismétlődő spektrum időbeni mintavételezése során fellépő átlapolódások. Általában a mintavételi frekvencia előre meghatározott és nem tetszőleges érték. Mégis valamilyen megoldás szükséges az aliasing zaj kivédésére. Jó megoldás, ha a bemeneti jelet egy olyan aluláteresztő szűrőn bocsátjuk át, melynek törésponti frekvenciája a mintavételi frekvenciának maximum a fele. Ezeket a szűrőket antialiasing-szűrőknek nevezzük. Kvantálási zaj
84
A mintavételezett jelek időben diszkrét értékei műszaki szempontból csak véges adatszavakká képezhetők le. Ez azt jelenti, hogy minden amplitúdó-értéket csak közvetlenül az adatszavak hosszúságával összefüggő, véges pontossággal lehet kódolni. Így a megengedett amplitúdó-tartomány véges számú, diszkrét amplitúdó-intervallumra oszlik. Ezt a folyamatot nevezzük amplitúdókvantálásnak. Fizikailag ez azt jelenti, hogy a mintavételezett értékek egy része eltér a mintavételi időpontokban ténylegesen fennálló amplitúdó-értéktől. Ezek az eltérések szabályos működés esetén maximum fél kvantumlépések lehetnek. Ezek az eltérések a jelértékekben mint a valódi amplitúdó-értékre szuperponált zavarjelek keletkeznek. Ezt nevezik kvantálási zajnak. Ennek a zavarnak a teljes kivédése sajnos megoldhatatlan. Csökkenteni a felbontás növelésével lehet. Néhány analóg-digitális átalakító működési elv Közvetlen módszer A közvetlen elven működő ADC megvalósítása komparátorokkal lehetséges. Ha az átalakító bitszáma n, akkor 2n-1 darab komparátorra van szükség. Látható, hogy nagy bitszám esetén ez hatalmas számot eredményez. Ezért ilyen típusú átalakítókat csak alacsony bitszámmal gyártanak. Viszont ezek a leggyorsabb típusok. A komparátorok megadott feszültségeken billennek át. A szükséges egyenlő időközű referenciafeszültség-fokozatot feszültségosztó segítségével állítjuk elő. Ahhoz, hogy a helyes eredmény álljon rendelkezésre, a komparátorok kimenetén olyan logikai áramkörre van szükség, amely a komparátorok állapota alapján a megfelelő számértéket adja. Fokozatos közelítés elvén működő átalakító Más néven nevezik szukcesszív approximációnak is. A működést az első ábra szemlélteti, míg a vázlatos felépítés a második ábrán látható.
Fokozatos közelítés az AD átalakítónál
A szukcesszív approximációs átalakító működési elve A működése a következő. A bementi analóg feszültséget egy mintavevő és tartó áramkörre vezetjük, melynek kimenetén rendelkezésre áll az időben diszkretizált analóg jel. Ez egy komparátor egyik bemenetére kerül. A komparátor kimenetén megjelenő logikai szint egy soros bemenetű regiszterbe kerül, melynek a neve szukcesszív approximációs regiszter. Az ebben tárolt digitális értéket egy digitálisanalóg átalakítóval (DAC) visszaalakítjuk analóg jellé és ezt vezetjük rá a komparátor másik bemenetére. Tehát a komparátor összehasonlítja a bemeneti feszültséget a regiszter által tárolt értékkel. Az átalakítás kezdetén a legmagasabb helyiértékű bit 1 lesz, a többi pedig 0. Ha a bemeneti feszültség nagyobb, mint a DA átalakító kimenetén lévő feszültség, akkor a bit továbbra is 1 marad, egyébként visszaáll 0-ra. Ez az összehasonlítás minden bitre megtörténik, még a legkisebb helyiértékű bit is meghatározásra kerül. Ekkor
85
a regiszterben már olyan érték van jelen, mely bizonyos hibaarányon belül megfelel a bemeneti analóg feszültségnek. Számlálót tartalmazó megoldások A számlálós eljárással működő AD átalakítók nagyon olcsó áramkörök. Átalakítási idejük sokkal nagyobb, mint más átalakítóké, rendszerint 1ms...ls közé esik. Digitális voltmérők számára elég ez a sebesség, mert úgysem olvasható le gyorsabban az eredmény, azonban hangkártyák számára nem megfelelőek. 5.2. A digitális-analóg átalakítás Általában az analóg-digitális folyamatok során sor kerül a jel visszaállítására is, amit digitálisanalóg átalakításnak nevezünk. Az átalakítás két lépesben zajlik le. Az első lépésben a diszkrét értékű és diszkrét idejű adatok idősorából diszkrét értékű, de folyamatos jelet állítunk elő, melyet ezután egy második lépésként egy utána kapcsolt helyreállító szűrőben (rekonstruáló szűrőben) folytonos értékű és folytonos idejű jelfüggvénnyé simítunk. Az analóg-digitális átalakító kimenetén lépcsőfeszültség jelenik meg. E jelfüggvény ugrásszerű megváltozásai a jelspektrumban olyan összetevőket keltenek, amelyek az eredeti jelben már nincsenek meg. Ezen ok miatt ezeket az összetevőket el kell távolítani. Erre szolgál a rekonstruáló szűrő, melynek törésponti frekvenciája az analóg-digitális átalakító bemeneti szűrőjének a határfrekvenciájával egyezik meg. Ez az egyenlőség csak abban az esetben áll fenn, ha a kiolvasást ugyanazzal a sebességgel végezzük el, mint amilyennel az analóg-digitális átalakítást. A digitális-analóg átalakítók fajtái és működési elvük A DA átalakítók egy számot vele arányos feszültséggé alakítják. Három elvileg eltérő megoldást különböztetünk meg: 1. Párhuzamos (direkt) eljárást 2. Súlyozásos eljárást 3. Számláncot alkalmazó eljárást.
DA átalakítók működési elvei: a) párhuzamos eljárás; b) súlyozásos közelítés; c) számláncot alkalmazó megoldás A három megoldás elvét az ábrán láthatjuk. Az a) ábrán a párhuzamos eljárásnál a feszültségosztóval minden lehetséges kimeneti feszültséget előállítunk. N-ből 1 dekódoló azt a kapcsolót zárja, amihez a megfelelő kimeneti feszültség tartozik. A súlyozásos eljárásnál az ábrán minden helyértékhez egy kapcsoló tartozik és a súlyozó ellenállásokon át a szükséges kimeneti feszültség összegződéssel jön létre. A ábrán vázlatosan ábrázolt számláncos eljárás csak egy kapcsolót igényel. A kapcsolót periodikusan nyitjuk és zárjuk. A kitöltési tényezőt egy párhuzamos beírású számlálóval úgy állítjuk be, hogy a kimeneti feszültség számtani középértéke az előírt értékre álljon be. A párhuzamos megoldást a nagyszámú kapcsoló miatt ritkán használjuk. Ugyancsak ritka a számláncos eljárás alkalmazása is, melynek hátránya, hogy a feltétlenül szükséges aluláteresztő szűrő miatt a kimeneti feszültség csak lassan változhat. Ezért ezt a módszert leginkább csak frekvenciaszámlálókban használják. A továbbiakban a súlyozással működő átalakítókkal foglalkozunk részletesebben.
86
5.3. A hangkártyák felépítése Ebben a részben megpróbáljuk vázlatosan bemutatni azokat a részeket, melyeket minden hangkártya tartalmaz, mert a működéshez okvetlenül szükség van rá. A Wavetable (hullámtábla) elnevezésű egység végzi el a hangmintákkal kapcsolatos műveleteket és átadja a feldolgozott mintákat a CODEC-nek. Természetesen a hullámtábla processzor nem tartozik minden kártyához, de általában magát a processzort tartalmazzák.
A hangkártya vázlatos felépítése A ROM tartalmazza a hangkártyával adott hangmintákat gyárilag programozva. Mivel ezt csak olvasni tudjuk, ezért itt nincs lehetőségünk saját mintákat eltárolni. Ha szeretnénk saját hangmintákat készíteni és azokat később a hangalkotásnál felhasználni, akkor el kell tárolnunk a hangkártya saját hullámtábla RAM-jában. Ennek mérete alapvetően meghatározza az eltárolható hangminták számát. Az FM jelzésű blokk, mint a neve is mutatja az FM szintézis megvalósításáért felelős. Mint már leírtuk a fejezet elején, az FM szintézis sokkal gyengébb hanghűséget képes produkálni, azonban az esetek többségében még az a minőség és hanghűség is megfelelő. Az analóg-digitális és a digitális-analóg átalakítást a CODEC végzi el, mely a kódoló-dekódoló (Coder-Decoder) szavak elejének összetételéből származik. Ez integrálva tartalmazza a mintavevő és tartó áramkört, az analóg-digitális és a digitális-analóg áramköröket egyaránt. A szűrők rendszerint külső elemekkel vannak megoldva azért, hogy a felhasználhatóság univerzális legyen. A MIXER elnevezésű egység feladata kettős. Egyrészt a különböző forrásból származó jeleket a CODEC-re kapcsolja, másrészt a CODEC kimeneti jelét a meghatározott kimenetre kapcsolja. Ez tulajdonképpen egy analóg, fokozat nélküli kapcsoló, melyet programból vezérelhetünk. A fokozatmentes azt jelenti, hogy a kimenetek vagy a bemenetek kapcsolása úgy is lehetséges, hogy egymásba úsztatjuk őket. Ez úgy jelentkezik, hogy az egyik fokozatosan elhalkul, míg a másik fokozatosan felerősödik. Gyakori az olyan megoldás is, mikor a MIXER önállóan működik, sorban a CODEC-re kapcsolja az összes kimenetet és bementet. Az ábra nem tartalmazza, de rendszerint a hangkártyák tartalmaznak egy kis teljesítményű erősítőt, melyre közvetlenül hangszóró kapcsolható. Az erősítő jellemző teljesítménye 4Watt. A kimenetek és bemenetek a valósítják meg a kapcsolatot a hangkártya és a külvilág között. Ezek a következők lehetnek: Line Out: Vonali, tehát kis szintű kimenet. A kimeneti feszültség általában maximum 0.745V, mely alkalmas erősítő eszközre csatlakoztatáshoz. Speaker Out: Egy erősített kimenet, mely lehetővé teszi a hangszórók közvetlen meghajtását. Aux In: Nagyjelű bemenet, mely külső észközről származó analóg jelek feldolgozását teszi lehetővé. Mic In: Mikrofon bemenet. Mivel a mikrofonoknak a kimeneti jele meglehetősen alacsony, ezért a bemenet tartalmaz egy erősítőt. Joystick/Midi: Botkormány vagy elektronikus hangszer csatlakoztatását teszi lehetővé. 5.4. Ismert hangkártya típusok Adlib A hangkártyák korszaka az Adlib kártyával kezdődött. A hang előállítására FM szintézist használ. Ennek a jellemzője, hogy a normál "A" hang frekvenciájának a fel- és alharmonikusaival képzi a
87
hangot. Erre szolgált a kártyán egy céláramkör, melynek típusszáma 3812 volt. Ennek az áramkörnek az alkalmazásával 9 hangot vagy 6 hangot és 5 ritmushangot tudunk előállítani. A számítógép digitális működéséből következik, hogy a hangot is digitális formában kell tárolni. Ehhez szükség van egy analógdigitális átalakítóra (ADC – Analog Digital Converter). Sound Blaster A Creative Technology cég hozta forgalomba ezt a hangkártya családot. Azóta nagyon elterjedt, már-már szabvánnyá nőtte ki magát. A család jelenleg 6 tagból áll: Sound Blaster, Sound Blaster 2.0, Sound Blaster Pro, Sound Blaster 16, Sound Blaster AWE 32 és Sound Blaster AWE 64. Az első két típus csak mono rendszerű, az első három pedig 8 bites átalakítást használ. Az utolsó két kártya már képes a hullámtáblás hangkialakításra. Minden kártyán egy 4 Wattos erősítő található. Az elektronikus hangszereket a MIDI interfészen keresztül tudjuk a kártyához csatlakoztatni. Az interfész azonban nem tartalmaz leválasztó fokozatot, így ha valamilyen hiba keletkezik a számítógépben vagy a hangszerben, veszélybe kerülhet a másik is. Annak érdekében, hogy a programozás egyszerű legyen, minden kártya közös programfelületet használ. Ez biztosítja programok hordozhatóságát. Sound Blaster Ez a legelső és így a legegyszerűbb hangkártyája a cégnek. ADLIB kompatibilis FM szintézert, 8 bites AD és DA átalakítót, valamint egy digitális jelfeldolgozó processzort (Digital Signal Processzing – DSP) tartalmaz. A DSP egy speciálisan analóg jelek feldolgozására készített processzor. Minden olyan számításigényes műveletet, melyet gyakran használunk, hardverből támogat. Ezzel képes arra, hogy egy 100 műveletes utasítást végrehajtson néhány órajel alatt. A hangkártyákon található DSP-k más felépítésűek, mint az általános célra szánt processzorok. Ennek oka, hogy itt jól körülhatárolt paraméterek mellett kell néhány funkciót megvalósítani. Ezért ezek a DSP-k erre vannak optimalizálva, melynek során költségcsökkentést tudtak elérni. A digitalizált hangok lejátszását 4-23 KHz közötti mintavételezéssel 2:1, 3:1, 4:1 ADPCM tömörítéssel, illetve tömörítés nélkül végezhetjük el. Az adatátvitel kétféle módon történhet: programozott módon és DMA csatorna felhasználásával. A mikrofon bemenetről érkező hangok digitalizálását 4-11 KHz közötti mintavételezési frekvenciával vagy programozottan vagy DMA átvitelt használva lehet elvégezni. A MIDI interfész mellett egy botkormány illesztő áramkör is a kártyára került. Egy gépen csupán egy kártyát használhatunk. A megszakítást az IRQ2-IRQ7 vonalakra állíthatjuk. DMA átvitelre a vezérlő 1. csatornáját használhatjuk. Sound Blaster Pro Az eredeti Sound Blaster továbbfejlesztése. Két csatornával rendelkezik, és nagyobb mintavételezési frekvenciával működik. A sztereo hangzás érdekében egy újabb FM szintézert és kétcsatornás AD-DA átalakítót építettek be. Az öt helyről (FM szintézer, sztereo DA, vonalbemenet, CD bemenet, valamint mono mikrofon bemenet) érkező jelek egy keverő fokozaton keresztül jutnak a végerősítőbe. Kiegészítették a kártyát egy CD-ROM interfésszel is, mely Panasonic kompatibilis. Egy gépben két kártyát lehet használni. A megszakítások az IRQ2, IRQ5, IRQ7 és az IRQ10 valamelyikére állíthatjuk be. DMA csatornák közül a 0., 1. és a 3. csatornát választhatjuk. A MIDI csatlakozó bekötése megegyezik a Sound Blaster-éval. A CD interfész csatlakozó kiosztását az interfészeknél találjuk meg. Sound Blaster 16 Mint a neve is utal rá, már 16 bites adatfeldolgozásra képes. Tehát 16 bites az AD és DA átalakító, mely CD minőségű hangzást tesz lehetővé. A DSP is képes már a 16 bites adatok feldolgozására. A keverőt kiegészítették egy kétutas hangszín- és egy három fokozatú hangerő szabályozással. A MIDI interfész a kétféle üzemmódra képes: a régebbi kártyákkal kompatibilisen és MPU-401 UART (Universal Asynchron Receiver Transmitter – univerzális aszinkron adó vevő) módban. A CD interfészek is kibővültek, immár a Sony és a Mitsumi felületű illesztők is helyet kaptak a Panasonic mellett. Egy gépben maximum négy kártyát használhatunk egy időben. A megszakítások az IRQ2, IRQ5, IRQ7 és IRQ10 vonalak valamelyikére tudjuk beállítani. A DMA csatornák közül a 0., 1., és a 3. 8 bites, valamint az 5., 6., és a 7. 16 bites csatornákat használhatja.
88
Sound Blaster AWE 32 és 64 Ez a két SB kártya már hullámtáblás szintézisre is képes. A minőségűk már jóval komolyabb és jobb, mint az SBl6 kártyáké. Az FM szintézis szempontjából teljes egészében megfelelnek az SB 16-nak azzal a különbséggel, hogy már 32 illetve 64 bites feldolgozásra is képesek. Az AWE 32 kártyát ma már nem nagyon lehet elérni az üzletekben, pedig nagyon jó konstrukció. A memória bővítését hagyományos SIMM modulokkal lehet megoldani. Ezzel szemben az AWE 64 kártyába csak speciális és természetesen drága RAM-okat lehet behelyezni. Hangminőségüket tekintve még mindig a játékok és az általános alkalmazások céljaira valók, azonban már szerényebb minőségű zenekészítéshez is használhatók. Gravis UltraSound Ezek a hangkártyák nagyon népszerűek még ma is. Sikerüket elsősorban nagyon szép hangjuknak köszönhetik. Természetesen hullámtábla szintézist használnak a hangok előállításához. Kimeneteit tekintve megtalálhatók rajta mindazok a csatlakozások, melyeket a kártyák általános felépítésénél már leírtunk. Mivel a hullámtábla hangmintáit a legtöbb esetben mi is szeretnénk bővíteni saját hangmintákkal, ezért rendelkezik RAM-mal is. Ezt egyes típusoknál már az alapkiépítés tartalmazza, míg más kártyáknál nekünk kell ezt megoldani. A memóriák SIM modulokból állnak, így a bővítés nem okozhat gondot. Minél több memória van a kártyán, természetesen annál több hangmintát tudunk eltárolni. Mindegyik típus képes a teljesen kétirányú átvitelre. Ez azt jelenti, hogy például lejátszás közben képes egy másik forrásból felvételt készíteni. Ezen a kívül sztereo 44.1 kHz-es feldolgozásra képes, ami a Hi-Fi szabványnak is megfelel. A számítógéppel való kommunikációhoz mindegyik kártya az ISA sín csatlakozóját használja. Mindegyik hangkártya képes SB kompatibilis üzemmódban is működni. Vannak olyan típusok is, melyek beépített SB áramkört tartalmaznak, aminek a segítségével hardveresen is kompatibilis azzal. Ez a kártya, játék és zene készítés céljára egyaránt megfelel. A beépítésnél lehetnek gondjaink, különösen azoknak, akik mini torony házzal rendelkeznek. Ez abból adódik, hogy a kártya nagyon hosszú, ezért nem tehető be mindegyik csatlakozóhelyre. 5.5. Hardveres beállítások Mielőtt a szereléshez kezdenénk, be kell állítanunk a kártya néhány tulajdonságát. Ezeket általában apró átkötésekkel, jumperekkel tudjuk megtenni. Vegyük elő a leírást, mert abból kell kinéznünk a jumperek jelentését. Ha nincs ilyen, előfordulhat, hogy magára a kártyára is rá vannak írva a szükséges információk. Ha ez sem található, akkor szinte reménytelen a beállítás. A jumperekkel ne is kísérletezzünk, próbáljunk meg szerezni egy leírást. Első lépésként állítsuk be a kártya IO címét. Ez nem lehet tetszőleges, jumper kombinációk határozzák meg ennek értékét. A Sound Blaster kártyák lehetséges értékeit az előző oldalakon megtalálhatjuk. Természetesen szükségünk van a gépben lévő kártyák címeinek az ismeretére. A számítógép feltérképezéséhez vannak megfelelő programok. Ha véletlenül hibás címet állítunk be, a számítógép nem fog elindulni. Az általánosan beállított érték a 240h cím. Minden kártyának szüksége van megszakításkérő vonalra. Itt is több meghatározott érték közül választhatunk. Általánosságként elmondható, hogy az IRQ5 megszakítást szokás beállítani. Figyelem! Általában a hálózati kártyák is ezt az IRQ vonalat használják, ezért ha ilyen van a gépünkben, ellenőrizzük le. Ha olyan megszakításkérő vonalat állítunk be, mely már foglalt, akkor a gép elindulhat, azonban a működése nem lesz stabil, gyakran lefagy. A hangkártyák többsége képes a programozott átvitelen kívül DMA csatorna segítségével átvitelt végrehajtani. Ez, mint már láttuk, sokkal gyorsabb adatmozgatást tesz lehetővé. A PC-kben lévő közvetlen memória hozzáférést vezérlő áramkörnek több csatornája van. Ezek nem mindegyike használható, vannak a rendszer erőforrások számára lefoglaltak. A szabadok közül kell kiválasztanunk egyet jumperek segítségével. Természetes itt is olyant kell választani, mely még szabad. Ellenkező esetben a gép nem indul el vagy gyakran lefagy, működése bizonytalanná válik. Ha a hangkártyán van CD-ROM interfész és azt nem használjuk, akkor előfordulhat, hogy le kell tiltanunk, mert csak így működőképes a kártya. Erre pontos utalást a leírás tud nyújtani. Általában egy jumper szolgál erre a funkcióra. Ezzel el is készültünk a kártya hardveres beállításával. Természetesen a szoftveres még hátra van, annak módját a fejezetben találhatjuk meg.
89
Fogalmak, jelentések ADC: Analog Digital Converter – analóg-digitális átalakító. Analóg-digitális átalakító: Egy olyan speciális áramkör, mely lehetővé tesz analóg jelek digitális bitsorozattá alakítását. Többféle elven működhetnek, ezek sebességbeli és árbeli különbségeket okozhatnak. Fontos jellemzője az átalakítónak a kimeneti bitszélesség, a bemeneti maximális feszültség és az átalakítási idő. A külvilággal való kommunikáció szerint megkülönböztetünk soros és párhuzamos átalakítókat. Aux/Line in: Vonali bemenet. CD-ROM interfész: A CD-ROM meghajtók csatlakoztatását teszi lehetővé. Alapvetően négy interfésztípust különböztethetünk meg: Sony, Panasonic, Mitsumi és a merevlemezek illesztését is lehetővé tevő IDE interfészt. CODEC: (Coder-decoder) Analóg-digitális és digitális-analóg átalakítót egybeintegrálva tartalmazó áramkör. DAC: Digital Analog Converter – digitális-analóg átalakító. Digitális-analóg átalakító: A digitális bitsorozat analóg jelekké alakítását végzi el. Fontos jellemzője a bemeneti bitszélesség, a kimeneti feszültségtartomány és az átalakítási sebesség. Az adatokat soros, vagy párhuzamos módon képes fogadni. DMA: Direct Memory Access – közvetlen memória hozzáférés. Ezzel a módszerrel közvetlenül és nagyon gyorsan tudunk egy adatblokkot átvinni a memória-memória, vagy a memória-periféria között. FM szintézis: A hang előállításának egy speciális módja, amikor egy szinuszos hullám frekvenciájának módosításával állítjuk elő a hangot. Ez a módszer nem teszi lehetővé szép és élethű hangok előállítását. Hullámtábla: (Angolul: wavetable) Ez a tároló különböző hangszerek digitalizált hangmintáit tartalmazza. Hullámtábla szint hangszerek digitalizált hangmintáit tartalmazza. Hullámtábla szintézis: A hullámtábla hangmintáit felhasználva állítjuk elő a szükséges hangot. Ez a módszer nagyon jó hangminőség elérését teszi lehetővé. IRQ: Interrupt Request – megszakítás kérés. Ezeken a vonalakon kérhet egy eszköz megszakítást a processzortól. Ha ez elfogadásra kerül, akkor a processzor felfüggeszti addigi tevékenységét és végrehajtja a megszakításhoz tartozó programrészt, majd visszatér eredeti feladatához. Komparátor: A két bemenetére adott feszültségektől függő kimenetet hoz létre. Line out: Vonali kimenet. Mic in: Mikrofon bemenet. Mintavevő áramkör: Az analóg jelekből megadott időközönként mintát vevő áramkör. Mixer: Keverő egység, lehetővé teszi egy, vagy több bemenet egy, vagy több kimenetre csatlakoztatását bármilyen variációban. Speaker out: Hangszóró kimenet. Szukcesszív approximáció: Az analóg-digitális átalakítók egy nagyon gyakran alkalmazott eljárása. Az átalakítás során a digitális információt visszaalakítják analóggá és ezt összehasonlítják a bemeneti feszültséggel. Wavetable: Lásd: Hullámtábla. Ellenőrző kérdések 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Mire szolgálnak a hangkártyák? Milyen módszerek vannak a hangok előállítására? Mi az FM szintézis? Mi a hullámtábla szintézis? Hasonlítsa össze az FM és a hullámtábla szintézist! Mit jelent az analóg-digitális átalakítás? Mi a digitális-analóg átalakítás? Milyen egységekből épülnek fel a hangkártyák? Mi a CODEC és mi a szerepe? Mi a CD-ROM interfész?
90
6. A modem A számítógépek számának gyors növekedése egy új igény kialakulását eredményezte. A különálló számítógépek egy ember szükségleteit kielégíthetik, de a gépek közötti információcsere meglehetősen körülményes. Nem is beszélve arról, hogy pl. lemezekkel történő "adatátvitel" során a valós idejű adatcsere megoldhatatlan, nem is beszélve a nagy időigényről. A számítástechnikában már a kezdeti időben megjelent az igény a különálló számítógépek összekötésére. Helyi hálózatok esetén megfelelő és rendkívül gyors adatátvitelt tesz lehetővé egy helyi hálózat (LAN – Local Area Network) kialakítása. Távoli, a világ más-más földrészén elhelyezkedő gépek azonban nem köthetők így össze. Ahhoz, hogy a kapcsolat mégis megvalósuljon, egy nagyszerű találmányt, pontosabban annak egyes szerelvényeit kell segítségül hívnunk. Ez nem más, mint a telefon. A telefon már olyan régi találmány, hogy gyakorlatilag az egész világot behálózzák a telefonvezetékek. Ez tehát adja a megoldás lehetőségét, felesleges ugyanis új vezetékeket kihúzni a gépek közé, mikor szinte minden családban már megtalálható a telefon. Az előfizetők a helyi telefonközponthoz egy fémes vezető érpárral csatlakoznak. Ezeken az elméleti információtovábbítási határ 12Mbit/s. Azonban a telefonközpontokban a vonalak szűrőkön mennek keresztül, amelyek a váltakozó áramú jelek nem használt részeit levágják. Ennek a műveletnek az eredménye egy tiszta jel, mely feldolgozható. Egy átlagember a mindennapi beszéd során nem ad ki magából 300Hz-nél alacsonyabb és 3.3kHz-nél magasabb hangokat. Így a szűrők csak azokat a jeleket engedik át, melyek ebbe a tartományba esnek, az ezeken kívülieket egyszerűen levágják. Az információt célszerű ebbe a tartományba eső szinuszos jel valamely jellemzőjéhez rendelni. Ezt a szinusz hullám modulálásával tudjuk megvalósítani. Azt az eszközt, mely a bemenetére adott digitális jel vezérlésével a modulációt elvégzi, illetve a modulált, analóg jelet visszaalakítja (demoduláció) digitális bitsorozattá, modemnek (modulátor-demodulátor) nevezzük. Vizsgáljuk meg, hogy milyen jellemzőit tudjuk módosítani a szinuszos jelnek. Minden szinuszos jelnek három olyan jellemzője van melyet a moduláció során felhasználhatunk: 6.1. Amplitúdó moduláció Egy adott amplitúdójú jel (hang) megléte vagy a hiánya hordozza az információt. Elméletileg köztes állapotok is létezhetnek, de minél közelebb vannak egymáshoz az amplitúdó szintek, annál inkább zavarérzékenyebb lesz a moduláció. Ez azt jelenti, hogy a vevő oldalon nem tudjuk megbízhatóan visszaállítani a kódolt információt. Az amplitúdó modulációt használnak a morze jelek küldésekor. A megvalósítás jól működik, de csak lassú átvitel oldható meg. A jelek visszaállítására komparátorokat használnak. Ezek olyan eszközök, melyek két bemenettel és egy kimenettel rendelkeznek. A bemenetekre kapcsolt feszültségek szintjétől függ a kimenet állapota. Az egyik bemenet a nem invertáló (+), a másik az invertáló (-). A bemenetek kapcsolása szerint a komparátor lehet invertáló és nem invertáló, típus. A két bemenet négy különböző állapotot vehet fel. Az egyik bemenetre minden esetben egy referencia feszültség kerül. A bemenetre adott jel amplitúdóját hasonlítja össze ezzel a referencia feszültséggel. Nézzük meg az egyes eseteket. A referencia feszültség a nem invertáló bemeneten van. A vizsgálandó jelet az invertáló bemenetre kapcsoljuk. Ha a jel amplitúdója nagyobb, mint Uref, akkor a kimenet alacsony szintű lesz. A referencia feszültség a nem invertáló bemeneten van. A vizsgálandó jelet az invertáló bemenetre kapcsoljuk. Ha a jel amplitúdója, kisebb, akkor a kimenet magas állapotot vesz fel. A referencia feszültség az invertáló bemeneten van. A vizsgálandó jelet a nem invertáló bemenetre vezetjük. Ha a jel amplitúdója nagyobb, mint U ref, akkor a kimenet magas szintű lesz. A referencia feszültség az invertáló bemeneten van. A vizsgálandó jelet a nem invertáló bemenetre kapcsoljuk. Ha a jel amplitúdója kisebb, mint U ref, akkor a kimenet alacsony szintre kapcsolódik.
91
Ha több feszültségszintet kell érzékelni, akkor annyi komparátort kell párhuzamosan kapcsolni, amennyi szint felismerése szükséges.
A modulációs módok 6.2. Frekvencia moduláció Ezt a modulációt használták először a modemeknél. Nagyon jó a zajtűrése és a biteket hordozó frekvenciákat egyszerű szűrőkkel nagyon könnyű szétválasztani. A digitális információban lévő 1 és 0 állapotokat eltérő frekvenciájú szinuszos jelek valósítják meg. A frekvenciakülönbségnek elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy biztonságosan szét lehessen választani. Az oszcillátor jelét egy 10-es osztóval leosztjuk. A nagyobb frekvencia felel meg az 1eseknek, míg ennek egytizede lesz a 0 állapot. Mind a két kimenet egy kapun halad keresztül, melynek állapotát a vezérlő bemenetére adott logikai jelekkel lehet meghatározni. A digitális információ kapcsolgatja ezeket a kapukat. Ha a továbbítandó információ 1-es, akkor az I. jelű kaput kell kinyitni, míg a II. jelűt pedig lezárni. Ha az információ 0, akkor a II. kapu lesz nyitva, míg az I. jelű zárva. A két kapu kimenetét már csak egy vonalra kell kapcsolni. Ezt egy analóg VAGY kapu segítségével tudjuk megoldani. Ennél egyszerűbb megoldás, ha a két áteresztő kaput és az analóg VAGY kaput egy tokban helyezzük el. Az egység neve multiplexer, vagy más néven adatválasztó. Egy kapcsoló választ a két bemenet közül. A kapcsoló állapotát pedig a vezérlőbemenetre adott digitális jel határozza meg. Ha ez 0, akkor az 1., ha 1, akkor pedig a 2. bemenetre kapcsolt jel jut a kimenetre. A két bemenetre kapcsoljuk az oszcillátor leosztatlan és a leosztott kimenetét. Ezzel a megoldással ugyanazt az eredmény értük le, de egyszerűbb módon. 6.3. Fázis moduláció A módszer lényege az elnevezésből adódik. A modulációs módok közül ez a legbonyolultabb. A fázismódosítás nem a biteket valósítják meg, hanem az átmeneteket. Ha a 360°-os fázistartományt felosztjuk négy részre, akkor a sík négy irányába mutató, egymással 90°-os szöget bezáró fázisvektorral lesz leírható. Mivel itt négy különböző állapot van, ezért négy fázisvektorral összesen két bitet lehet kódolni. A négy állapot a következő: 1. 00: Ennek az átmenetnek a 0°-os fáziseltolás felel meg, tehát nem történik fáziseltolódás. 2. 0l: A 01 átmenetet 90° fázistolás jelenti. 3. 10: Az ilyen átmenethez a szinuszos jelet 180°-kal kell eltolni a kezdőfázishoz képest. 4. 11: Az átmenetet 270°-os fáziseltolás fogja jelölni. Ha két bitnyi információt szeretnénk átküldeni a vevőnek, akkor az adónak 0-90-180-270°-os fázisszög-kezdettel kell a szinusz hullámot elküldeni. Nézzünk meg egy példát. Legyen a szinusz hullám frekvenciája 2400 Hz. Tehát ez 2400 szinusz hullámot jelent másodpercenként. Ezeknek négy fázishelyzete lehet, melyhez kétbites információt rendelünk hozzá. Így a maximális adatátviteli sebesség 4800 bit/s lesz.
92
Ha szeretnénk az adatátviteli sebességet növelni, az két módon lehetséges. Vagy a fázishelyzetek, vagy az amplitúdó értékek számát megnöveljük. 8 fázisszög és 2 amplitúdó 4 bites információ átvitelét teszi lehetővé azáltal, hogy 16 különböző fázisszögamplitúdó kombináció lehetséges. 6.4. A modemek felépítése A modemek önállóan működni képes számítógép perifériák. Mielőtt működni kezdenének, a számítógépnek fel kell programozni, különböző szabványos és csak az adott modemre érvényes parancsokkal vezérelni és az állapotát folyamatosan ellenőrizni. A kapcsolatban két egységet kell megkülönböztetni, ezek elnevezései: DTE (Data Terminal Equipment): Adatvég-berendezés, a számítógép, vagy a terminál neve. DCE (Data Circuit-Terminating Equipment): végberendezés, a modem hivatalos elnevezése. A két modem a telefonhálózaton keresztül kerül összeköttetésbe. A számítógép és a modem összekapcsolása kétféle módon történhet meg. A klasszikus mód a soros porton történő összeköttetés. Azonban ma már olyan modemek is elterjedtek, melyek a számítógép alaplapjába vannak dugaszolva, tehát a szabványos ISA vagy PCI sínbe illeszkednek. Az előbbieket nevezzük külső, míg az utóbbiakat belső modemeknek. A belső felépítés néhány különbségtől eltekintve azonos, az eltérés csupán a csatolófelület kialakításában van. Továbbá a külső modem rendelkezik a kapcsolat ellenőrzését megvalósító LED-ekkel. A modemek működése egy céláramkörön alapul, minden fontos feladatot ez végez el. Ezek a következők: Elvégzi a soros-párhuzamos, párhuzamos-soros átalakítást. Kezeli a megszakításokat. A programtól kapott adatok alapján előállítja a tárcsakódot, vagy a tárcsaimpulzusokat. Detektálja a csengető feszültséget. Kétirányú összeköttetést képes teremteni a szabványos távbeszélő vonallal. Vezérli a zümmert. Előállítja működéséhez szükséges órajelet. Az integrált áramkör programját egy EEPROM (Electronic Erasable Programmable Read Only Memory – elektromosan törölhető és programozható csak olvasható memória) tartalmazza. A címdekóder nagyon egyszerű kialakítású, logikai áramkörökkel van kialakítva. A kártya a COM1 vagy a COM2 port címén tud kommunikálni a számítógéppel, jumperekkel lehet a két cím közül választani. A címnek megfelelően a megszakítást is be kell állítanunk, melyre ugyancsak jumper szolgál. A kapcsolási rajzon a szaggatott vonaltól jobbra látható az illesztő fokozat. A processzor által előállított, modulált analóg feszültséget egy transzformátoron keresztül küldjük a telefonvonalra. A telefonvonal a LINE csatlakozóhoz kapcsolódik, a PHONE csatlakozóba kell a telefont csatlakoztatni. A két, RJ11C típusú csatlakozó párhuzamosan van kapcsolva. Az RV1 a rendszer védelmét látja el, mégpedig a nagy lökésű, rövid lefolyású zavarjeleket vágja le. E nélkül az ilyen lökések könnyen tönkretehetnék a céláramkört. A transzformátor kimenetén található ferritcsövek zavarszűrést végeznek. A zümmer meghajtását egy műveleti erősítővel oldották meg, a vezérlést a célprocesszor végzi el. A külső modemek felépítése is nagyon hasonló ehhez. Nincs szükség címdekóderre, mivel a soros port meghajtó áramkör már a megadott címen elérhető. Szükség van viszont egy külső hálózati tápegységre és egy soros vevőre. Általában ez utóbbit szintén a célprocesszor oldja meg, külső áramkörökkel csupán a szintillesztést kell elvégezni. Ahhoz, hogy a modem üzemmódjait vizuálisan is nyomon tudjuk követni, az előlapon elhelyeztek LED-eket, melyek az eszköz állapotát jelzik vissza. Mielőtt a modemet használni tudnánk, fel kell programozni. Ezt általában a használt program végzi el helyettünk. A számítógép a szöveges formájú parancsokat a soros vonalon keresztül küldi el a modemnek. Az parancs üzemmódban értelmezi azokat és általában OK üzenettel válaszol rá. Minden parancs az AT karaktersorozattal kezdődik és ezt követi, betűköz nélkül a parancs többi része. A kapcsolat meglétét az AT után ütött soremeléssel lehet ellenőrizni, erre a modem egy OK üzenettel válaszol.
93
Modem parancsok
AT A/ Bn D P T , ; R W Hn
In F4 Ln Mn O Qn Sn? Sn=X Vn Xn Y +++
Parancs előtag. Utolsó parancs ismétlése. Protokoll kiválasztása, n=0, vagy 1. Tárcsázás. Pulse mód. Tone mód. Szünet a tárcsázás közben. Tárcsázási parancs végén a modemet üzemben tartja. A kapcsolat megfordítása, a küldő fogadó lesz. Várakozás a tárcsahangra. H0 esetén a modem lekapcsolódik a vonalról, H1 esetén pedig felkapcsolódik a vonalra. Gyártási kód és memória ellenőrzés. FAX üzemmódra váltás. Hangerő szabályozása. Hangszóró kapcsolása. Vonali üzemmód. Eredménykód küldés engedélyezése és tiltása. Regiszterek tartalmának lekérdezése. X érték regiszterbe írása. Eredménykód formátum. Eredménykód részletes kiírásának engedélyezése. Kapcsolat megszakítása. Vonali üzemmód parancs üzemmódba lép.
6.5. Hibajavító protokollok A legelterjedtebben használt hibajavító és tömörítő protokoll az MNP (Microcom Networking protocoll – Microcom hálózati protokoll). Lehet szoftveres vagy hardveres kialakítású. Több fokozata alakult ki a fejlődés során. MNP1: Aszinkron, bájt orientált kapcsolatot létesítő eljárás, mely félduplex adatátvitelre képes. Ma már nem alkalmazzák. MNP2: Aszinkron, duplex adatátvitelt valósít meg. Nem lassítja az adatátvitelt, zavart vonalakon is eléri a névleges 2400 bit/s-os sebességet. MNP3: Szinkron, teljes duplex átvitelt valósít meg némi tömörítéssel. Így látszólagosan gyorsabb, mint a névleges sebessége. MNP4: Ennél a típusnál megjelent két új optimalizálási eljárás. Az információt csomagokra bontják, ezeket keretekbe illesztve viszik át a két pont között. Kerettel történik a szinkronizáció és a nyugtázás is. MNP5: Tovább tökéletesítették az adattömörítést. MNP6: Félduplex kommunikációt valósít meg, azonban duplex szolgáltatásokat is képes nyújtani. MNP7: Ennél az eljárásnál az EDC (Enhanced Dtata Compression – kiterjesztett adattömörítés) módszert használják és ötvözik az MNP4 kódolási eljárásával. MNP8: Nem született ilyen néven fejlesztés. MNP9: Az EDC eljárást kombinálták a V.32 szerinti kommunikációval. MNP10 Célja az eddigi eredmények felhasználásával a tömörítési eljárás intelligensebbé tétele. A modemek iránti kereslet megnőtt és ezzel együtt a modemek fejlődése meglehetősen felgyorsult az utóbbi időben, Ennek oka elsősorban az Internet, mint világméretű hálózat elterjedése. Ez igaz természetesen fordítva is: az Internet elterjedése magával vonta a modemek nagyszámú növekedését. A fejlődés leginkább a sebességre hatott, hiszen nem mindegy, hogy a kívánt információ megszerzése mennyi pénzünkbe kerül. Márpedig a lassabb modemmel sokkal tovább tart az információ átvitele. Ma már elterjedtek az 56 kbit/s sebességű modemek is. Ezekkel azonban az a probléma, hogy sok szolgáltató
94
a fogadó oldalon nem rendelkezik ilyen gyors modemmel, tehát nem is tudjuk kihasználni őket. Ez azonban folyamatos átalakuláson megy át, mivel egy szolgáltató csak akkor tud talpon maradni, ha a felhasználói elégedettek. A gyorsabb modemek legnagyobb előnye a nagyobb sebesség elérhetősége mellett, hogy a kisebb sebességű átvitelt sokkal nagyobb biztonsággal képesek teljesíteni. A hagyományos modemek a számítógép digitális jelét átalakítják analóggá, továbbítják a központon keresztül és a vevő oldalon a modem újra digitális jelet készít ebből. Viszont a központok ma már többségében digitális működésűek, ezért el kell végezni egy analóg-digitális átalakítást az adó oldalon és egy digitális-analóg átalakítást a vevő oldalon. Ez dupla átalakítást jelent mindkét oldalon. Az 56 kbit/sos modemek a vevő oldalon elhagyják a digitális-analóg átalakítást. Ezáltal elérhető nagyobb és biztonságosabb sebesség. Ha egy modemmel adatokat viszünk át a telefonvonalon, akkor lefoglaljuk a hang átvitelére használt csatornát. Ebből következik, hogy vagy adatokat, vagy hangot viszünk át. Előfordulhat igény arra, hogy a modem felismerje a hangokat és lehetővé tegye az azokkal történő munkát. Erre találták ki az ún. voice-modemeket, vagy magyarul hangmodemeket. Ezek képesek a hangot felismerni és egy analógdigitális átalakítóval digitálissá, illetve a digitális jelet analóggá alakítani és a számítógépen tárolni. A ma kapható modemek szinte kivétel nélkül képesek FAX készülékként is működni. Ez a speciális üzemmód lehetővé teszi képanyagok gyors továbbítását két pont között. Azonban nem szükséges mindkét oldalon számítógépnek lenni, elegendő egy FAX készülék is. Ezek egy modem, egy lapolvasó és egy nyomtató összeintegrálásából születtek. Áruk meglehetősen magas, a funkciójukat el tudja látni egy FAX modem és egy szoftver is. Fogalmak, jelentések Adat üzemmód:
(Angolul: data mode) A két modem üzemmód közül az egyik, másképpen online állapotnak is nevezik. A modem bármely megkapott információt adatként értelmez és továbbít. Kivétel ezalól az ESC karakter és egy speciális karaktersorozat, amely a saját modemet visszaállítja parancs üzemmódba anélkül, hogy a kapcsolat megszakadna. Állomány átviteli protokoll: Szabványban rögzített modem-modem közti jelátvitel kölcsönösen alkalmazandó módjáról, alapvető szabályairól rendelkező megállapodások. Baud: A jelsebesség mértékegysége a jeltovábbítás során, a jelváltozás gyakorisága másodpercenként. Kisebb egységeknél a baud és a bit/s értékek megegyeznek. Busy: Foglaltságot jelző jel. Érzékelésekor a modemek nagy része bontja a vonalat. Command mode: Lásd: Parancs mód. CTS: Clear To Send – adásra kész. Párban az RTS jellel az adatforgalom szabályozására szolgál az RS-232-C vonalon. Data mode: Lásd: Adat üzemmód. DSR: Data Set Ready – adat kész. Az RS-232-C vonali parancsjel, amely a telefonvonalra kapcsolódás létrejöttét jelzi. Duplex: Az adattovábbítás egyik jellemzője, amely lehet fél-, vagy teljes duplex. Ez utóbbi folyamatos, kétirányú kommunikációt jelent, míg a félduplex egyidőben csak az egyik átviteli irányt teszi lehetővé. Handshaking: Lásd: Kézfogás. Kézfogás: (Angolul: handshaking) Az összekapcsolódás folyamata a modemkapcsolat során. Az átvitel kezdete előtt a két modem megállapodik a használható, illetve a használandó protokollról, ekkor halljuk a váltakozó hangmagasságú hangsorozatot. Offline: Az az állapot, amikor nincs kapcsolat két berendezés között. Online: Ez az üzemmód neve, amikor a kapcsolat létrejön. Parancs mód: (Angolul: command mode) A két modem-üzemmód közül az egyik. Ebben az üzemmódban a modem a számítógéptől kapott minden információt parancsként értelmez. Bekapcsoláskor ez az alaphelyzet. RS-232-C: Soros interfész szabvány. RTS: Párban a CTS jellel az adatforgalom szabályozására szolgál az RS-232-C vonalon. UART: Universal Asyncronous Receiver Transmitter – univerzális aszinkron vevő-adó. Olyan eszköz, amely a számítógéptől párhuzamosan kapott adatokat alakítja át soros adatfolyammá. Ez a folyamat kétirányú és rendszerint egy eszközben összeintegrálva megtalálható. Xmodem: A legkorábbi hibajavító protokoll, amely képes hibajavításra, az adatok formátumának megőrzésére és átvitelére. Ymodem: Az Xmodem továbbfejlesztése. Nagyobb sebességű csoportos átvitelre is van mód.
95
Zmodem:
A legújabb, egyetemesen használt állomány átviteli protokoll. Gyors, kifogástalan hibajavítása van. Vonalszakadás és újrahívás után ott folytatja, ahol az adattovábbítás félbeszakadt.
Ellenőrző kérdések 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.
Mire szolgálnak a modemek? Hogyan hordozhatnak információt az analóg jelek? Mi az amplitúdó moduláció? Mi a frekvencia moduláció? Mi a fázis moduláció? Hasonlítsa össze a modulációs eljárásokat? Hogyan kapcsolódnak össze a számítógépek telefonvonalon keresztül? Hogyan épül fel egy modem? Mi a különbség a belső és a külső modem között? Mik az AT parancsok? Mi a parancs üzemmód?
96
7. A grafikus kártya Minden monitorhoz, vagy bármilyen megjelenítőhöz, szükség van grafikus kártyára, amely a számítógép által küldött adatokat, parancsokat a monitor számára értelmezhető digitális, vagy analóg jelekre bontja. Ezen kívül a grafikus kártyán található a képernyő-memória, amely azt a célt szolgálja, hogy a kép álljon. Ha nem is vesszük észre, a képet a monitor innen legalább másodpercenként ötvenszer kiolvassa és újrarajzolja. A képernyő-memória tehát mindig az aktuális monitorkép leképezése. Minden grafikus kártyán található még legalább egy speciális chip is, a grafikus vezérlő, amely a monitor vezérlését látja el. A grafikus kártyák működését talán akkor érthetjük meg legjobban, ha először végignézzük fejlődésüket és megvizsgáljuk jellemzőiket. 7.1. A grafikus kártyák fejlődése Az MDA kártya Az 1981-ben megjelent eredeti IBM PC videokártyája az MDA (Monochrome Display Adapter) kártya, csak szöveges megjelenítésre képes. A képernyő-memória mérete 4 Kbájt (B0000H címtől kezdve helyezkedik el), így a lehetséges felbontás 80x25, azaz 25 sor, egyenként 80 karakterrel. A karakterek egyenként 9x14 képpontból állnak. Grafikus üzemmód nem áll rendelkezésre. Érintkező száma Jelentés 1 Földelés 2 Földelés 3 Nem használt 4 Nem használt 5 Nem használt 6 Fényerő 7 TTL videojel Az MDA 8 Vízszintes szinkronizáció (18.432 kHz) csatlakozó 9 Függőleges szinkronizáció (50 Hz) Az MDA csatlakozó érintkezői Az MDA csatlakozó jelei digitális TTL jelek. A katódsugarat két frekvenciával vezérlik, az egyik a képfrekvencia (függőleges szinkronizáció) a másodpercenkénti képváltás számát adja meg (minél nagyobb ez az érték, annál stabilabb lesz a kép). A második vezérlőfrekvencia a sorfrekvencia (vízszintes szinkronizáció), ami egy képpontsor kiíratásának idejét határozza meg. A CGA kártya A CGA (Color Graphics Adapter) kártya tulajdonképpen az MDA kártya továbbfejlesztése volt, már grafikus üzemmódban is használható. Ehhez a memória méretét 16Kbájtra kellett növelni (B8000H a kezdőcím). Szöveges módban ugyanúgy 80x25-ös felbontásra képes, valamint ezen túl létezik 40x25 karakteres üzemmódja is. A CGA kártya karakterei 8x8 képpontból állnak össze. A képernyő-memória első bájtjában (B8000H címen) a képernyő bal felső sarkába kerülő karakter ASCII kódja van tárolva. A következő címen a karakter megjelenítési módja, attribútuma található. A harmadik bájt tartalmazza az első sor második oszlopába kerülő karakter kódját, a negyedik pedig ennek az attribútumát, és ez így folytatódik az utolsó sor utolsó oszlopáig. 80x25-ös karakterfelbontás esetén tehát 4000 bájt memória kell a képernyőtartalom tárolásához. A páros címeken mindig karakterkód, a páratlanokon attribútum van. Az attribútum bájt értelmezése: 7. bit: 6. 4. bit:
karaktervillogás engedélyezése háttér színe kódolva (RGB): 000 fekete (sötétszürke) 001 sötétkék (világoskék) 010 sötétzöld (világoszöld) 011 ciánkék (világoscián) 100 vörös (világospiros) 101 bíbor (világoslila) 110 barna (sárga)
97
111 világosszürke (fehér) 3. bit: növelt fényerő engedélyezés (lásd zárójeles színek) előtér (tinta) színe kódolva (lásd háttérszínek) 2. 0. bit: A szöveges üzemmódon kívül a CGA kártyának két különböző grafikus üzemmódja létezik. A nagyobb felbontást nyújtó 640x200-as módban 2 szín (fekete és fehér) használható, míg a 320x200-as módnál 4 különböző szín áll rendelkezésre. Az első esetben minden képponthoz 1 bit tartozik, azaz összesen 128000 bitre van szükség, ami éppen 16 Kbájt. A második esetben egy képpontot 2 biten kell tárolni (így négy kombináció lehetséges: 00, 01, 10, 11), ilyenkor csak feleakkora felbontásra képes a kártya.
A CGA csatlakozó
Érintkező száma Jelentés 1 földelés 2 földelés 3 vörös (R) 4 zöld (G) 5 kék (B) 6 fényerő 7 nem használt 8 vízszintes szinkronizáció (15.75 kHz) 9 függőleges szinkronizáció (60 Hz) A CGA csatlakozó érintkezői
A CGA kártya jelei is digitális jelek. Minden egyes elektronsugár (vörös, zöld kék) számára van egy vezérlő jel. Az egyes képpontok intenzitását a 6. számú csatlakozón vezérlik. A 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. A szöveges mód 80x25-ös felbontású, a karaktereket 9x14 képpontos mátrixok alkotják ez jobb, mint a CGA kártyánál). A Hercules kártya monokróm, de az IBM BIOS nem támogatja, mivel a kártyát nem az IBM cég gyártotta (ezért szükség van egy kiegészítő programra). A képernyő-memória 64 Kbájt méretű 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 B1000H-ig, ahogy az MDA kártyánál. A memória két grafikus képet képes tárolni, ezét a memória két részre van osztva (B0000H, B8000H). Egy grafikus lap ezen túlmenően még 4 memóriablokkra van felosztva (pl. B0000H, B2000H, B4000H, B6000H), hogy a memória elérés még gyorsabb legyen. Ha a képernyő-memória adatait olvasni kell, akkor az első jel az első bankban, a második jel a második bankban van és így tovább. Így az adatmutatót csak négy elem kiolvasása után kell növelni, amivel a vezérlő elég sok időt megtakarít. A csatlakozó érintkezőinek kiosztása teljesen megegyezik az MDA kártya csatlakozójával. Az AGA kártya Az AGA (Advanced Graphics Adapter) kártyát a Commodore cég készítette saját PC-i számára. Az AGA a CGA és a Hercules kártya kombinációja. CGA üzemmódban azonban mindkét felbontásnál (320x200, 640x200) 16 szín használható. A monokróm Hercules üzemmódban (720x348, 80x25 karakter) pedig további két üzemmódot lehet alkalmazni: 132x25 karakter és 132x44 karakter. Ezeket az üzemmódokat azonban csak kevés program támogatja, maga a kártya sem terjedt el. Az EGA kártya Az EGA (Enhanced Graphics Adapter) a CGA kártya továbbfejlesztéséből született. Maximális felbontóképessége 640x350 képpont. Ezt 16 különböző színnel tudja megjeleníteni, melyeket egy 64 színű palettáról lehet választani. Mindezen információk tárolásához 256 Kbájt memóriára van szükség, legfeljebb ennyi található a kártyán. Karakteres módban a karakterek felbontása 8x14 képpont lett és a sorok száma 43-ra növelhető. Az EGA kártya képes a CGA és az MDA kártyák működését emulálni. Ha a CGA módot használja a kártya, akkor a B8000H-tól kezdődő tárterület az érvényes, MDA felbontás esetén a B0000H-
98
val kezdődő terület. Az A0000H-val kezdődő területet pedig csak az EGA üzemmódban használja a kártya. A képernyő-memória négy 64 Kbájtos memóriasíkra van felosztva. Az EGA kártya szöveges módban a négy memóriasíkot a következőképpen használja: 0. sík: magjelenítendő karakterek ASCII kódja több oldal számára 1. sík: megjelenítendő karakterek attribútuma (szín, villogás, fényerő) több oldal számára 2. sík: letölthető karakterfontok (pl. ékezetes magyar betűk) számára (maximum 4 font) 3. sík: nem használt A letölthető fontok minden karakterének 32 bájt bittérkép áll rendelkezésre. Grafikus megjelenítésnél a memóriasíkok feladata megváltozik: 0. sík: kék szín, képpontonként 1 bit 1. sík: zöld szín, képpontonként 1 bit 2. sík: vörös szín, képpontonként 1 bit 3. sík: fényerő, képpontonként 1 bit A képernyő egy pontjához tehát minden síkról 1 bit tartozik. Ez a 4 bit a 16 palettaregiszter egyikét választja ki a képpont megjelenítéséhez. A palettaregiszterek 6 bitesek, minden színhez 2-2 bit tartozik. A palettaregiszterek tartalma programmal módosítható, azaz a képpont színe megváltoztatható. Tekintve, hogy minden szín 4 fényerővel vehet részt a színkeverésben (2 bit 4 kombinációja sötéttől a teljes fényerőig), a három alapszín összes árnyalata 4x4x4=64 különböző színt ad. Ezek közül azonban csak 16 használható, mert 16 palettaregiszter címezhető. 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 megjelenítéshez volt megfelelő, a 640x480-as felbontással 1/1 aránnyal lehet rajzolni. Ennek előnye, hogy pl. kör rajzolásánál nem kell előtorzítani az ábrát, a grafikus memóriában tárolt kör képpontok a képernyőn is szabályos körként jelennek meg. Ahhoz, hogy bármely képpont 16 színű lehessen, 4 memóriasík szükséges. A videomemória 0. síkjában lévő összes bit egy-egy képpont kék színét határozza meg. Az összes bit (képpont) száma 640x480=307 200, vagyis 38400 bájt, így felkerekítve 64Kbájt memória kell a kék színhez. Amikor most kék színről beszélünk, annak csak elméleti jelentősége van, hiszen a kéknek nevezett bit valójában a palettaregiszter címzésében vesz részt, és a palettaregiszter tartalma határozza meg ténylegesen a képpont színét. A 4 memóriasík összesen 256Kbájt memóriát jelent. Ugyanezt a gondolatmenetet követve láthatjuk, hogy 640x350-es felbontásnál 128Kbájt is elég az ilyen felbontású grafikus megjelenítéshez, a probléma csak az, hogy ekkora címtér nem áll rendelkezésre az A0000H BFFFFH tartományban. A probléma megoldását az jelenti, hogy az EGA kártya, üzemmódtól függően, képes a 4 memóriasík egyszerre történő olvasására, azaz egyetlen fizikai címre kiadott olvasásutasítás a videomemóriából 8x4=32 bites tartalmat emel ki, minden bitsíkról az azonos címen lévő bájtot. A kiolvasott 4 bájt a videokártyán tárolódik, és különböző módon érhető el. A címzéssel kapcsolatos másik probléma a kártya alacsony szintű (pl. assembly) programozásával kapcsolatos, hiszen két teljes memóriaszegmens fogja csak át a memóriatartományt. A kezelőprogramnak figyelnie kell, hogy a memóriacím átlépi-e az AFFFFH B0000H határt, mert ebben az esetben a szegmensregiszter tartalmát módosítani kell. A 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 monitor közötti analóg jelátvitelt (ehhez új csatlakozóra volt szükség). Ezzel az eljárással 640x480 képpontos felbontásnál 256 színt lehetett választani a 4096 színű palettáról. Ehhez akkoriban a kártyának saját processzorra volt szüksége, ami eléggé megdrágította. A VGA kártya megjelenésével le is áldozott a PGA kártyák napja. Az MCGA kártya A PS/2 25 és 30-as modellekhez készítette el az IBM az MCGA (Multi Color Graphics Adapter) kártyát, amely szintén analóg jelekkel vezérli a monitort, ámbár teljesítménye csak valahol a CGA és az EGA kártya között van. Grafikus módban 320200-as felbontás mellett 256 színt lehet használni, melyeket egy 262144 színű palettáról választhatunk. Szöveges módban 25 sor és 80 oszlop van, a karakterek 8x16 képpontból állnak. Szintén a VGA kártya szorította ki a piacról.
99
A VGA kártya Az EGA kártyák korlátozott színválasztéka igazán szép képek megjelenítéséhez kevésnek bizonyult. Kézenfekvő volt tehát egy új kártyatípus kifejlesztése. Több színt az egyes színek több fényerő kombinációjával lehet elérni. Az EGA minden szín fényerejét 2 biten, 4 fokozatban határozza meg. Hárombites kombinációkkal 8 fényerő, összesen 8x8x8=512 színárnyalat közül választhatnánk, de ennek 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 TTL színjelek növelését a csatlakozó mérete korlátozza, ezért az új kártyatípus analóg vonalakon adja ki a csatlakozóra a színjeleket. A csatlakozón 3 színjel (és a hozzá tartozó 3 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 nincs 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 262144 (18 bit) színárnyalatot tartalmazó palettáról választható. Az EGA kártyához képest fejlesztés, hogy a VGA a palettaregiszter tartalmát egy digitális/analóg átalakítóra (Digital Analog Converter, DAC) viszi. A DAC 256 db 18 bites regisztert tartalmaz (minden szín számára 6 bit), melyek közül a palettaregiszter választ. A DAC regiszterek tartalmát alakítja a DAC analóg feszültséggé. A 16 db palettaregiszter mindegyike 6 bites (mint az EGA estén), és a DAC címzéséhez szükséges további 2 bitet a VGA elektronika színkiválasztó regisztere adja. Láthatjuk tehát, hogy minden színt 6 bites analóg jel hordoz, azaz két fényerő közötti különbség kb. 11 mV-os feszültségugrásnak felel meg. A VGA kártyákon is található saját BIOS, ennek bejelentkező üzenete látható a képernyőn minden bekapcsolást követően. A C0000H címen kezdődő BIOS-nak köszönhetően a VGA kártya minden más kártya működési módjába beállítható. A vezérlő elektronika több regisztere megegyezik az EGA kártya regisztereivel. A képernyő memória a teljes video címtartományt lefedi, tehát A0000H-tól BFFFFH-ig terjed. Ebből a beállított üzemmódtól és a kiépített memória méretétől függően különböző területet használ a VGA. A szöveges megjelenítés (alfanumerikus mód) az EGA kártyával megegyező módon történik, a színek azonban a DAC regiszterek segítségével átkódolhatók. Az átkódolás kétféle módon történhet. Az első esetben a palettaregiszter 6 bitje és a színválasztó regiszter 2 bitje címzi a DAC regisztereket, így 4 színkészlet egyidejűleg tárolható és gyorsan változtatható. A másik esetben a palettaregiszter csak 4 bitet ad a címzéshez és a színkiválasztó regiszter adja a további 4 bitet. Ekkor 16 színkészlet gyors váltására nyílik lehetőség. Az attribútum bájt 3. bitjével két karakterkészlet közül választhatunk, így egyszerre 512 különböző karakter látható a képernyőn. A 3. memóriasík a letölthető karakterkészlet bittérképes tárolására használható, azaz tetszőleges nemzet karaktereit jeleníthetjük meg. Grafikus üzemmódban minden pont címezhető (All Point Addressable, APA), ez is az EGA kártyánál megismert módon működik. Az alapüzemmódokat a táblázat mutatja. Az aktuális üzemmód a BIOS 10H megszakításának 0. funkciójával állítható be. Az utángyártók a funkciókódok tekintetében eltérhetnek egymástól az új üzemmódok vonatkozásában, ezért fontos minden kártyához a megfelelő meghajtóprogram használata. A VGA kártya csatlakozója eltér az előző videotípusok csatlakozójától. A 15 pólusú "D" csatlakozó lábkiosztása a táblázatban látható. A lábkiosztás egyik érdekessége, hogy minden színjelhez saját földvezeték tartozik. A csatlakozó másik tulajdonsága, hogy a monitor 3 bites kóddal azonosítani tudja magát, így a videokártya a monitornak megfelelő üzemmódba állítható be. A színkódokat bármely mód esetén átalakíthatjuk monokróm árnyalatokká, az így kapott kép 16, vagy 256 szürkeségi fokozatban hordozza a szín információt. Mód 0,1 2,3 01,11 21,31 02,12 22,32 4,5 6
Formátum szöveg szöveg szöveg szöveg szöveg szöveg grafikus grafikus
Szövegfelbontás 40x25 80x25 40x25 80x25 40x25 80x25 40x25 80x25
Képfelbontás 320x200 640x200 320x350 640x350 360x400 720x400 320x200 640x200
100
Szín 16 16 16 16 16 16 4 2
Üzemmód CGA CGA EGA EGA VGA VGA CGA CGA
Mód
Formátum
71 72 D E F 10 11 12 13
szöveg szöveg grafikus grafikus grafikus grafikus grafikus grafikus grafikus
Szövegfelbontás
Képfelbontás
Szín
Üzemmód
80x25 720x350 mono 80x25 720x400 mono 40x25 320x200 80x25 640x200 80x25 640x350 mono 80x25 640x350 80x30 640x480 80x30 640x480 40x25 320x200 A VGA kártya üzemmódjai
2 2 16 16 2 16 2 16 256
MDA VGA EGA EGA EGA EGA MCGA VGA MCGA
Láb Jel 1 vörös 2 zöld (mono) 3 kék 4 monitorazonosító 2. bit 5 nem használt 6 vörös föld 7 zöld föld 8 kék föld A VGA csatlakozó érintkezői
Láb 9 10 11 12 13 14 15
Jel nem használt szinkron föld monitorazonosító 0. bit monitorazonosító 1. bit (0=mono) vízszintes szinkronizáció (31.5 kHz) függőleges szinkronizáció (70 Hz) nem használt
A VGA csatlakozó Az SVGA kártya Az utángyártó cégek a VGA esetén is felülmúlták az IBM előírásokat. A továbbfejlesztett kártyák SVGA (Super VGA) nevet viselnek és igen széles körben elterjedtek. Ma ezt használják szinte mindenütt. A felbontás és a színek számának növelésével az SVGA kártyák memóriaigénye is jelentősen megnőtt. Ha 1024x768-as felbontást 256 színnel veszünk alapul, ahol a képpontok száma 786 432, azaz a memóriaméret egy síkon 786 432 bit. 256 színhez 8 memóriasík szükséges, tehát a kártya teljes memóriaigénye 768 Kbájt, felkerekítve 1 Mbájt. A szabványos VGA 640x480x16-os felbontás ugyanakkor megelégszik 256 Kbájt memóriával is (307 200 képpont, 4 bitsík, 153 600 bájt). Az SVGA kártyák egymással általában nem kompatibilisek, csak az eredeti VGA szabvánnyal. Hogy az ebből adódó kényelmetlenségeket elkerüljék, később kidolgozták a VESA (Video Electronics Standard Association – a grafikus megjelenítők szabványait kidolgozó nemzetközi szervezet) video szabványt, amely egy egységes programozási felületet biztosít az SVGA kártyák lehetőségeinek kihasználására. Az újabb SVGA kártyák ezt a programozási felületet ROM-ba égetett program formájában tartalmazzák (VESA kompatibilis kártyák). A legújabb kártyák ennek a VESA szabványnak már a 2.0-ás verzióját is támogatják, ez a verzió lehetőséget ad a védett módú alkalmazásoknak arra, hogy akár a nagyfelbontású, truecolor üzemmódokban is 32 biten, lineárisan címezhessék a video memóriát (ami hatalmas fejlődés az SVGA kártyák eredeti nehézkes, lapozgatásos technikájához képest). Ha az SVGA kártya nem kezeli a VESA szabványt, akkor ezen szoftveres úton lehet segíteni (pl. az UNIVBE névre hallgató programmal, vagy a videokártyához adott lemezen általában megtalálható VESA driver-rel).
101
A 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. A kártyához speciális monitorra van szükség, 1024x768 képpontos felbontással és 256 színnel. A 8514/A jelzés az IBM nagyfelbontású analóg monitorához tartozik. Az 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 jelentősen gyorsabb elődeinél. Ezt a gyorsaságot egy speciális chip segítségével éri el. A grafikus kártya és a PC hardvere közötti kommunikáció általában az I/O porton keresztül történik. Nem így az XGA kártyánál, itt ugyanis a portok memóriacímekké vannak leképezve, ezért úgy kezeli őket a hardver, mintha valójában azok lennének és így sokkal gyorsabb a hozzáférés. Tovább növeli a gyorsaságot az intelligens chip, amely képes önállóan (hardveresen) 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, ezen kívül megjeleníthető egy hardver-kurzor, amely 64x64 képpontból állhat. A TIGA szabvány A Texas Instruments cég egy speciális grafikus processzor (TMS340XX) bázisán fejlesztette ki a TIGA (Texas 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 köszönheti, aminek saját RAM memóriája és utasításkészlete van, mely szabadon bővíthető. A TIGA kártyán önállóan futnak az alkalmazások, függetlenül a PC processzorától. Ezzel vált lehetségessé a rövid képfelépítési idő, amiből persze következik, hogy ugyanannyi idő alatt több képet képes ábrázolni. Más cégek is gyártottak TIGA szabványon alapuló kártyákat, de ennek ellenére sem terjedtek el széles körben, ennek oka meglehetősen magas áruk. 7.2. A grafikus kártyákon használt RAM típusok A számítógépek az adatok és programok átmeneti tárolására memóriát használnak, mely a programok által egyaránt írható és olvasható. Az írható és olvasható memória céljára általában RAM-ot (Random Access Memory – véletlen hozzáférésű memória) használnak. A RAM olyan téma, amellyel minden PC felhasználó legalább egyszer találkozik. Ennek oka, hogy a RAM-ból szinte soha nincs elég. A grafikus kártyákon használt RAM-oknál sincs ez másként. A RAM-oknak sokféle típusa van, ezek közül a következőket használják videokártyákon: DRAM A legegyszerűbb RAM fajta a dinamikus RAM, azaz a DRAM (Dynamic Random Access Memory). Egy tipikus DRAM áramkör egy bitet olyan memóriacellában tárol, amely két elemből, egy speciális tranzisztorból, más néven FET-ből (Field Effect Transistor – távvezérlésű tranzisztor) és egy kondenzátorból áll. A FET tranzisztor olyan félvezető elem, amely a bemenetére adott feszültségtől függően kinyit, vagy lezár. Ezáltal felfogható úgy, mint egy miniatűr kapcsoló. Alapanyagként általában szilícium kristályt, szigetelőként szilícium-oxidot, vezetőként pedig rendszerint alumíniumot használnak. Amennyiben a vezérlő elektródára (Gate – kapu) pozitív töltéseket viszünk (pozitív feszültségre kapcsoljuk), akkor a tranzisztor zár, tehát az elektronok el tudnak jutni a forrásból (Source) a nyelőbe (Drain). Ha a G elektródára negatív töltéseket viszünk (negatív, vagy nulla feszültséget kapcsolunk rá), akkor a tranzisztor kinyit, tehát a töltések nem tudnak a forrás és a nyelő elektróda között áramolni. Azáltal, hogy változtatjuk a vezérlőelektróda feszültségét, vezérelni tudjuk az elektronok áramlását a forrás és a nyelő között. Az ilyen típusú FET-ek az n-csatornás FET-ek. Bizonyos tranzisztorok ezzel ellentétesen működnek, tehát negatív bemeneti feszültség hatására kerülnek vezető állapotba. Ezeket pcsatornás FET-eknek nevezzük. Az elnevezés attól függ, hogy milyen szennyezőanyagot adnak a szilícium kristályhoz.
102
A bal oldali ábrán egy tranzisztorból és egy kondenzátorból álló egycellás dinamikus memóriának a vázlatos felépítését láthatjuk. Kezdetben a szóvonalat alacsony feszültségszinten tartják. Mivel a kapcsoló-tranzisztor a szóvonalra van kötve, az lezárt állapotban van. Ha a szóvonal feszültségét megemeljük, az aktivizálja (lezárja) a tranzisztort, amely összeköti a kondenzátort a bitvonalak egyikével. A bitvonalak egy erősítő és egy puffer áramkörön keresztül egy kimeneti vonalra csatlakoznak, melynek feszültsége jellegzetesen 0, vagy 5V. A digitális számítógépekben ez a két feszültség felel meg a "0", illetve az "1" értéknek.
DRAM cellák Az egycellás DRAM egy bitet képes tárolni. A bit értéke 1, ha van és 0, ha nincs töltés a kondenzátorban. Egy bit kiolvasása kétlépcsős folyamat. Először egy előtöltő áramkör feltölti a bitvonalakat egy vonatkozási feszültségre, rendszerint 2.5V-ra. Ezután a szóvonal aktivizálódik, lezárja a tranzisztort, melynek során a kondenzátor rákapcsolódik az egyik bitvonalra. Ha a kondenzátor töltve volt, akkor annak a bitvonalnak, melyre a kondenzátor kapcsolódik, a feszültsége enyhén nő, a másiké viszont változatlan marad. Ez a pozitív feszültségkülönbség a kimeneti oldalon 1-est eredményez. Ha viszont a kondenzátor nincs feltöltve, akkor a bitvonal feszültsége csökken, mert a kondenzátor felé folyik a töltések egy része. Ez negatív feszültségkülönbséget hoz létre a két bitvonal között és 0-t eredményez a kimeneti vonalon. A memória beírása az olvasással ellentétes folyamat. Ahhoz, hogy a memóriacellába 1-est írjunk, a számítógép feszültséget ad a bemeneti vonalra, hogy feltöltse azt a bitvonalat, melyhez a tranzisztor van kötve és aktivizálja a szóvonalat. Ezáltal a kondenzátor rákapcsolódik a bitvonalra és mivel ez a kivezetése nagyobb feszültségre került, mint a föld felöli, ezért töltődni kezd. A 0 beírásának folyamata is hasonló, ebben az esetben azonban megszűnik a feszültség a bemeneti oldalon, miközben a szóvonal még aktív. Ennek eredményeként a kondenzátor töltése elfolyik a föld felé. A kondenzátorban való információtárolás felvet egy problémát. Nevezetesen azt, hogy az adatok kiolvasása egyúttal meg is semmisíti az adatokat a kondenzátorban, márpedig általában nem csak egy kiolvasás erejéig kell megőrizni az adatokat. A megsemmisülés oka, hogy a számítógép csak úgy tudja kiolvasni a kondenzátorban tárolt adatot, hogy kisüti azt egy bitvonalra. Ezért a DRAM áramköröket úgy tervezik, hogy amikor a gép a kondenzátorból 1-est olvasott ki, azonnal újra fel is tölti. Mondani sem kell, ez természetesen időt vesz igénybe. A DRAM-oknak van még egy ezzel összefüggő hátrányos tulajdonságuk. Mint tudjuk ideális alkatrészek nincsenek, így van ez a kondenzátorral is. Egy kondenzátor sem tudja a végtelenségig megőrizni a benne tárolt töltéseket. Minél kisebb a kondenzátor kapacitása, annál hamarabb veszti el a töltését. A DRAM celláiban olyan kisméretű a kondenzátor, hogy ez a másodperc töredéke alatt megtörténik. Ennek kivédése érdekében a DRAM cellát néhány ezred másodpercenként fel kell frissíteni, különben az eltárolt 1-esek 0-ákká változnak. Erre a frissítésre többféle módszer létezik. Az egyik általánosan használt még az első PC idejéből származik. Egy rendszeridőzítő és egy DMA (Direct Memory Access – közvetlen memória hozzáférés) csatorna segítségével periodikusan látszólagos olvasási műveletet hajtanak végre minden egyes DRAM cellán, mivel ezután a cellák automatikusan feltöltődnek. Léteznek ennél bonyolultabb módszerek is, amiket az újabb PC-kben használnak. Például memória alrendszerekkel oldják meg a frissítést, de a mai memóriák már tartalmaznak egy frissítő áramkört, mellyel automatikusan, külső vezérlő elem nélkül tudják frissíteni tartalmukat. A frissítés, függetlenül attól, hogy hogyan megy végbe biztosítja, hogy a DRAM-ba írt adatok ott is maradjanak, amíg új adatok nem kerülnek a helyükre, vagy amíg ki nem kapcsoljuk a számítógépet. A memóriáknak fontos tulajdonságuk a sebességük, melyet a ciklusidővel lehet jellemezni. A működésből adódóan időre van szükség, hogy előtöltsék a bitvonalat, mielőtt a memóriába írnának, vagy onnan olvasnának. Ezt nevezzük előtöltési időnek. Ugyancsak időre van szükség ahhoz, hogy az előtöltés és a szóvonal aktivizálódása után az információ megjelenjen a kimeneti vonalon. Ez a hozzáférési idő. A
103
kettő összege adja a DRAM-ra jellemző ciklusidőt. Egy átlagos RAM jellemző ciklusideje 60-70ns. Ez azt jelenti, hogy 60-70ns-onként lehet a memóriába írni, vagy onnan adatot kiolvasni. A ciklusidőből következik, hogy a DRAM maximum 18MHz-en tud működni. Egy 1 bites memóriacellának egyedül nincs sok haszna. Egy tipikus DRAM áramkör memóriacellák millióit tartalmazza és legalább 1Mbit (=1048576 bit) tárolására alkalmas. Ha ezek a cellák egyesével helyezkednének el az áramkörön belül, akkor rengeteg kivezetésre lenne szükség. A kivezetések csökkentése érdekében a memóriacellákat mátrix alakzatba szervezik. Ezáltal a hozzáférés jelentősen egyszerűbbé válik. Ahhoz, hogy egy memóriacellába írjunk, vagy onnan olvassunk, a memóriavezérlőnek kell szolgáltatnia az oszlop- és a sorcímet. Az egy sorban lévő cellák közös szóvonalat használnak, míg az egy oszlopban lévők azonos bitvonal-párra csatlakoznak. Minden egyes cellát egy sor- és egy oszlopcímmel lehet kiválasztani. A mátrixelrendezésre mutat példát az ábra. A mátrixba rendezés során törekedni kell a négyzetes elrendezésre, mert így lesz a kivezetések (címvonalak) száma minimális.
DRAM-ot az egyszerűbb, olcsóbb videokártyákon használnak. A DRAM saját adatporttal rendelkezik, melyen keresztül a processzorral és a digitális-analóg átalakítóval kommunikál. A grafikus áramkör vezérli a DRAM írását úgy, hogy az adatot a PC processzora küldi, a DRAM pedig továbbküldi azt a D/A átalakítónak. Az eljárás így meglehetősen lassú, legalábbis a grafikus rendszerek számára. A gyorsítás érdekében kifejlesztettek egy új RAM típust a VRAM-ot. VRAM A VRAM egy speciális memória, melyet csak monitorcsatoló kártyákon használnak, a megjelenítendő kép tárolására. A VRAM minden egyes bitje a képernyő egy-egy pontjának képét tartalmazza. A VRAM felépítését és működését a grafikus megjelenítésre optimalizálták. A tárolt képet a videovezérlő másodpercenként 30-120-szor kiolvassa a kép megjelenítése érdekében. A memória írását viszont a processzor végzi. Ebből adódhat az az eset, hogy egyszerre olvasná a memóriát a videovezérlő és írná a processzor. A VRAM felépítése viszont olyan, hogy két adatportot tartalmaz (dual-ported), egyet az íráshoz és egyet az olvasáshoz. Ezzel a megoldással a memória tartalom módosítása közben a videovezérlő folyamatosan képes frissíteni a képet. A VRAM felépítése kihasználja azt a felismerést, hogy a memóriában tárolt adatokra sorban van szükség. Ezért a VRAM is ilyen soros hozzáféréssel rendelkezik, amit a SAM (Serial Access Memory – soros elérésű memória) betűszóval jelölnek. WRAM A Samsung által a VRAM-ból továbbfejlesztett WRAM (Windows RAM) szintén két adatporttal rendelkezik, de körülbelül 20%-kal olcsóbb és 50%-kal gyorsabb, mint a VRAM. 50MHz-en képes
104
működni. A gyorsítókártyákhoz optimalizálták és képes blokk átvitelre (block transfer) és támogatja a szöveg és mintázat kitöltést (text and pattern fill). EDO RAM Az EDO RAM (Extended Data Out RAM – kiterjesztett adat kimenetű RAM) mintegy 60%-kal gyorsítja a memóriaműveleteket a DRAM-hoz képest. A DRAM-nak az A és B blokkok kiolvasása között egy várakozási állapotot kell beiktatni a memória frissítése céljából (ábra). Ezzel szemben az EDO RAM esetében ez a várakozási állapot kimarad, tehát a két blokk közvetlenül egymás után kiolvasható. A DRAM-ból történő kiolvasás előtt az elektromos vonalakat fel kell tölteni. A vonalak stabilizálódása időbe telik. Ha a processzor "túlságosan gyors", akkor nincs ideje megvárni a válaszokat és azokat nem tudja megbízhatóan kiolvasni.
A DRAM és az EDO RAM működésének összehasonlítása
A DRAM és az EDO RAM működésének összehasonlítása Az EDO RAM-ban reteszeket, vagy másodlagos memóriákat adnak a meglévő memóriacellákhoz, amelyek addig tartják stabilan a DRAM-ból kiolvasott adatot, amíg azok megbízhatóan elérhetik a processzort, vagy a grafikus áramkört. Ezek a memóriák 50MHz órajelig működnek. Az EDO RAM-ok nem csak sebesség tekintetében jobbak, mint a DRAM-ok, áramköri kiépítésük miatt fogyasztásuk is kevesebb.
105
MDRAM Az MDRAM-ot (Multibank DRAM) a MoSys Incorporated cég fejlesztette ki. Kis (32 Kbájt) DRAM bankokat használ egy tömbben, ahol minden banknak saját I/O port-ja van. Ebből a szerkezetből adódóan az adatok egyidejűleg írhatók/olvashatók a párhuzamosan kapcsolt bankokba. Ezáltal sokkal gyorsabb a hagyományos DRAM-nál. Másik előnye, hogy a szokásos memóriaméretektől (1MB, 2MB, 4MB) eltérően is konfigurálható. Például kialakítható 2.5 Mbájtos memória, ami pont az 1024x768/24 bit-es felbontáshoz szükséges memóriaméret. SDRAM Az SDRAM-nál (Syncronous DRAM – szinkron DRAM) az alapgondolat az, hogy a sínrendszer órajelével működjön a memória, így kiküszöbölhetőek a szinkronizálás hiányából adódó várakozási ciklusok. Az SDRAM kis túlzással felfogható úgy, mint két EDO RAM párhuzamos kapcsolása. A működése röviden a következő: a memóriát két területre (bankra) osztják. A memóriavezérlő miközben az egyik bankból/ba olvas/ír, addig a másiknak már átadja a rá vonatkozó memóriacímet. Természetesen mindkét memóriabank lapszervezésű. Így mikor az első bank adatai feldolgozásra kerülnek, azonnal rendelkezésre áll a második bankban a kiolvasásra szánt adat, vagy készen áll az adatok beírására. Amíg a második bank adataival foglalkozunk, a memóriavezérlő már az első bankra vonatkozó memóriacímet küldi a RAM számára, így annak van ideje "felkészülni" az adatátvitelre. Ezzel az SDRAM ciklusideje az EDO RAM ciklusidejének mintegy felére csökkenthető, tehát a maximális működési frekvencia akár 100MHz is lehet. A működésből következően ez a memóriatípus már jelentősen bonyolultabb memóriavezérlőt igényel. SGRAM Az SGRAM (Synchronous Graphic RAM – szinkron grafikus RAM) az SDRAM egy főleg videokártyákon és grafikus gyorsítókártyákon használt fajtája. Ugyanúgy, mint az SDRAM képes szinkronizálni órajelét a sínrendszer órajelével, ugyancsak 100MHz-ig. Ezen felül az SGRAM még számos egyéb technikát használ, mint például a maszkolt írás (masked write) és a blokk írás (block write), hogy növelje a grafikus műveletek sebességét. Eltérően a VRAM-tól és a WRAM-tól, az SGRAM csak egy adatporttal rendelkezik (singleported). Mégis képes egyszerre két memória lapot megnyitni, ami egyéb video RAM technológiák két adatportos jellegét szimulálja. 7.3. A gyorsítókártyák A grafikus rendszerek elterjedésével a videokártyák sebessége már nem volt megfelelő. Először megjelentek a 2D, majd a 3D műveleteket hardveresen gyorsító grafikus kártyák. Ezekről később különkülön lesz szó, ebben a fejezetben inkább a gyorsítókártyák felépítését és működését ismerhetjük meg. Minden gyorsítókártya kimenete és a csatlakozó kiosztása a VGA kártyáéval teljes mértékig azonos. A kártya központi eleme a grafikus gyorsító áramkör. Ez egy speciálisan erre a célra optimalizált processzor. A monitorok analóg jelekkel működnek, viszont a számítógépek digitálisak, ezt hidalják át a digitális-analóg átalakítók RAM-DAC-ok, amelyeknek tehát az a feladata, hogy a videokártya memóriájában digitális formában eltárolt képernyőképet olyan analóg jellé alakítsák, amelyet a monitor meg tud jeleníteni. Minél gyorsabb a RAM-DAC, annál gyorsabban történik a képernyő frissítése és ennek legjótékonyabb hatása a szemre van. Persze csupán a MHz értéke alapján nem ítélhetjük meg egy kártya képminőségét. Ahhoz, hogy a kártyát képes legyen a CPU elérni, szükség van egy áramkörre, amely a címdekódolást végzi. Mivel a rajzolt képek igen nagy mennyiségű adathalmazok, szükség van egy átmeneti tárolóra. Ez az egyszerű VGA kártyákon DRAM. A video RAM típusa és a video chipset együtt felelősek a videokártya és a monitor együttesének minden teljesítményi szempontjáért. Mindazonáltal azt sem szabad elfelejteni, hogy a rendszerbusz és ezért az alaplap és az alaplap chipset-e is számít abban, hogy a videokártya milyen gyorsan éri el az adatot. Nézzük meg, hogy az adat milyen 4 lépésen megy keresztül, míg a CPU-t elhagyva a monitorig eljut: A buszból a video chipset-be, ahol feldolgozásra kerül (digitális adat)
106
A video chipset-ből a videomemóriába, hogy itt elraktározza a képernyő képének tükörképét (digitális adat) A videomemóriából a Digital Analog Converter-be (RAM-DAC), hogy kiolvassa a képernyő tükörképét és átalakítsa a monitor részére (digitális adat) A digitális-analóg átalakítótól a monitorhoz (analóg adat).
Adattovábbítás CPU és video chipset között: Ez a lépés főként a busz típusától és sebességétől függ, az alaplaptól és a chipset-től. Az adat átküldése a video chipset-ből a video RAM-ba és a video RAM-ból a RAM-DAC-ba:
A DRAM-mal működő Windows gyorsítókártya
A VRAM-mal működő Windows gyorsítókártya Ezt a két lépést érdemes egyszerre tárgyalni, mivel kulcsfontosságú szerepet játszanak a videokártya teljesítményében (most nem vesszük figyelembe a speciális gyorsítóchipeket). A videokártya nagy problémája, hogy a videomemória két nagyon elfoglalt eszköz között fekszik és mindvégig mindkettőt szolgálnia kell. Minden alkalommal, mikor a képernyőnek változnia kell, a chipset-nek módosítania kell a videomemóriát (és folyamatosan változik, például egérmutató, kurzorvillogás, stb.), azonban a RAM-DAC-nak is folyamatosan kell kiolvasnia a videomemóriát, hogy "karban tartsa" a képernyő képét. A DRAM esetén azonban a két lépés nem történhet párhuzamosan, azaz a két eszköznek várnia kell egymásra, míg a másik "végez". A videokártya gyártók három megoldást találtak a probléma leküzdésére: A videomemória legyen dual ported (kétnyílású), ami azt jelenti, hogy a video chipset olvas/ír a videomemóriából/ba az egyik porton keresztül, míg a RAM-DAC kiolvassa a videomemóriát egy független második porton keresztül. A video chipset-nek tehát nem kell többet várnia a RAM-DAC-ra és viszont. Ez a memóriatípus a VRAM, ami nyilvánvalóan bonyolultabb a portok megduplázása miatt és
107
ezért sokkal drágább is az előállítása. A WRAM szintén kétnyílású, de "okosabban" szervezett, így gyorsabb a VRAM-nál, ugyanakkor olcsóbb az előállítása. A probléma másik leküzdési módja a videomemória buszméretének növelése. néhány éve a grafikus kártyáknak 32 bites adatútjuk volt a video chipset, videomemória és RAM-DAC között. 32 bites adatúttal egyszerre 4 bájt adat küldhető. Később jelentek meg a 64 bites kártyák, amelyek egyszerre 8 bájtot küldenek, amely jelenleg a standard és csak a közelmúltban született néhány új chipset, melynek 128 bites adatútja egy menetben 16 bájtot tud küldeni. Könnyen látható, hogy azok a videokártyák biztosítják a legjobb teljesítményt, ahol mindkét eljárás a dual-ported memória és széles adatút is megtalálható. A harmadik megoldás a video RAM gyorsabb elérésére a video chipset, video RAM, RAM-DAC órajelének növelése. Ezért van, hogy a video chipset-ek magasabb órajelen működtek, mint az alaplapi memóriabusz, amihez azonban nyilvánvalóan speciális RAM-ra van szükség. Ezek az MDRAM és az SGRAM. 2D gyorsítók Karakteres üzemmódban legtöbbször elég a VGA kártya felbontása és sebessége, de ez nem így van a grafikus felületet használó operációs rendszereknél. Ezek már nagyobb igényeket támasztanak a grafikus kártyákkal szemben. Ennek az a magyarázata, hogy a grafikus felületen minden ablak megnyitásakor, vagy minden menüpont kiválasztásakor az egész képet újra meg kell rajzolni. Vegyünk egy 100x100 képpont méretű ablakot, ha ezt át akarjuk helyezni, akkor legalább 20000 pixelt kell megváltoztatni (törölni az előző, felrajzolni az új helyen). Hogy ezek a műveletek ne legyenek idegölően lassúak, gyorsabb képfelépítésre van szükség, melynek egyetlen hatékony módja a hardveres gyorsítás. Ugyanez volt a koncepciója a TIGA kártyáknak is. Ott egy speciális grafikus processzor segítségével gyorsították a funkciókat, de ez drágává tette a kártyákat. 1992-ben jelent meg az első gyorsító kártya, tulajdonképpen ugyanazzal az elképzeléssel, hogy egy intelligens processzor átveszi a PC CPU műveleteinek azon részét, amely a képalkotással foglalkozik. A kártyát az S3 Incorporated cég fejlesztette ki. Ez a kártya speciálisan a grafikus operációs rendszerek (ekkor még leginkább a Windows) által gyakran használt grafikus eljárásokat definiálta a kártya hardverében. Ilyen tipikus eljárások: Bit-Blit (Bit Block Transfer): Ablak eltolása, segítségével a képernyő egyes területeinek, például egy ablak másolásához és így mozgatásához is a programnak, operációs rendszernek nem kell az összes képpontot mozgatnia, hanem elég megadni a befoglaló téglalap csúcspontjait, és a grafikus chip elvégzi a másolást. A másolás során döntő a chip belső memóriakezelésének sebessége. Hardware Cursor: Kurzorkezelés, kurzormegjelenítő eljárás grafikus rendszerekben. A PC processzora csupán az egérkoordinátákat adja meg a kártyának, az önállóan kezeli az egérkurzort. Használatával nem kell a képmemóriába beírni a kurzor képpontjait, mozgatásakor mentenivisszatölteni az alatta levő képdarabot, hanem a hardver rákeveri a kurzor képét (sprite) az aktuális képre, ezáltal gyorsítja a grafikus felületet. 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 tölti fel. Minden gyorsító kártya VGA kompatíbilis, ezért a számítógép bekapcsolásakor úgy tűnnek, mintha standard VGA kártyák lennének. A gyorsító funkció DOS alatt szinte jelentéktelen, de nem is erre fejlesztették ki. Azonban egyes CAD és egyéb grafikus jellegű alkalmazásokban is kihasználhatjuk a kártya nyújtotta előnyöket. Ehhez azonban speciális, az adott programhoz készített meghajtó szoftverre van szükség. 3D gyorsítók A PC-k körében sokáig csak speciális háromdimenziós tervezőprogramok használtak olyan hardvereszközöket, amelyek egy háromdimenziós alakzat kétdimenziós megjelenítését segítették, azaz gyorsították fel az alkalmazást. Néhány éve azonban a nagy sebességű interaktív multimédia alkalmazások is használnak ilyen eszközöket, napjainkra számuk is jelentősen megszaporodott és nagyon népszerűekké váltak a látványos programokat használók és kedvelők körében. Ezek az eszközök a háromdimenziós, vagyis a térhatású grafikát gyorsítják. Ennek kiindulási alapja az, hogy le kell képezni a térbeli testeket egyszerűbb formákkal (síkidomokkal), majd megjeleníteni minél élethűbben két dimenzióban. A leképezés viszonylag egyszerű, könnyen belátható ugyanis, hogy egy tetszőleges test határoló felületei lefedhetők különböző alakú és számú sokszögekkel
108
(általában három-, vagy négyszögeket alkalmaznak. Ennek eredményeként megkapjuk a testet úgy, mintha egy drótvázból lenne (drótvázábra). Minél kisebb területűek a sokszögek, annál pontosabban képesek felvenni az eredeti felület alakját, de így természetesen nő a sokszögek és velük együtt azok koordinátáinak száma. Ezekkel együtt nő az objektumot leíró memóriaterület, valamint az új pozícióhoz tartozó koordinátaértékek kiszámításához szükséges idő. Ennél bonyolultabb dolog a megjelenítés, mivel valamilyen megoldással el kell tüntetni az objektumok sarkított éleit (pl. egy görbe felület esetén), illetve a drótvázábrákat úgy kell kiszínezni, hogy a megjelenítendő objektumot minél tökéletesebben utánozzák. Ráadásul, ha mindezt mozgatni akarjuk, akkor a számítás és a mozgatás sebességét drasztikusan meg kell növelni (élvezhető mozgóképhez minimum 30frame/sec-os képfrissítési sebesség szükséges). Ebben rejlik a 3D-s grafika alapvető ellentmondása: élethűség kontra sebesség. 3D-s látványt többféleképpen is létre lehet hozni. Ezek minőség függő számítási és memóriaigénye erősen leterhelheti a processzort és a videomemóriát, így vagy a kép minősége romlik, vagy a létrehozás sebessége csökken. E probléma leküzdésére fejlesztették ki a grafikus gyorsítókártyákat, melyeknek speciálisan háromdimenziós megjelenítésre optimalizált célprocesszorai végzik a számításokat, felmentve ezzel a főprocesszort minden egyes képpont kiszámítása alól, memóriájuk pedig tárolja a megjelenítendő adatokat. Mindenek előtt talán az a legszerencsésebb, ha tisztázunk néhány alapvető 3D-s alapfogalmat, műveletet. Alpha blending: Ezzel az effekttel átlátszó, vagy részlegesen átlátszó objektumokat lehet megjeleníteni. A kártya a takarásban lévő (hátul elhelyezkedő) tárgy már megrajzolt színéből és az előtte álló, átlátszó tárgy színéből egy középértéket számol, majd rajzol ki. Roppant számításigényes algoritmus, máshogyan viszont nem lehet ilyen hatást elérni. Anti-aliasing: Az átlós vonalak mindenképpen lépcsősnek látszanak a képernyőn, de az antialiasing a vonal melletti pontok színét közelíti a vonal pontjainak színéhez, miáltal a vonal simának fog tűnni. Textúrákra is hasonlóképpen alkalmazható. Fogging: Ködöt, felhőt rajzolni egy objektumra meglehetősen számításigényes, ezért célszerű a 3D gyorsítóchipre bízni. Mivel néha még így is túl bonyolult a számítás, ezért különböző trükkökkel helyettesítik. Egy ilyen a depth cueing: ha egy tárgy egyre messzebb van a nézőtől, színei fokozatosan megváltoznak, ha ez az átmenet a fehér szín irányába tart, akkor az a benyomásunk támad, hogy a megjelenített térben köd van. Texture mapping: A texture map egy kép, amit egy sokszögre illesztve élethűbb képet kapunk. Tipikus példa, amikor egy üres téglalapot kicsempézünk néhány téglát ábrázoló képpel, akkor egy téglafal illúzióját kapjuk. Sokkal kevesebb számolás kell ehhez, mint ahhoz, ha sok-sok téglát rajzolunk ki egymás mellett. Nemcsak sík felületekre, hanem bonyolult alakzatokra is feszíthető textúra. Flat shading: Ennek lényege, hogy a sokszögek egy-egy szín különböző árnyalatait, vagy egyedi színeket kapnak. Ez tipikus "számítógépes" ábrát eredményez: a szögletes, elnagyolt formák mögött felismerhető a drótváz. Gouraud shading: A gouraud shading esetén már a szomszédos síkidomok színeit interpolációval közelítik egymáshoz, vagyis egy sokszög színét a környező színek figyelembevételével (pl. átlagolás) alakítják ki. Műanyag és fém felületek érzékeltetésére alkalmas, fa, kő, talaj, textil stb. esetén viszont nem igazán jó. MIP mapping: Ha közelről nézünk egy textúrázott objektumot, akkor a texelek (a textúra egy-egy pontja) több képpontnak fognak megfelelni, vagyis blokkos, felnagyított képet látunk magunk előtt. Ha azonban egy tárgy textúrájából több példányt (pl. távoli, normál, közeli) tárolunk, akkor az effektus megszűnik. Ahogy közelítünk az objektumhoz, úgy kerül rá egyre finomabb textúra. Bilinear MIP mapping: Ez a bilinear filtering a MIP mapping-gel keverve. Bilinear filtering: Általában egy texel egy képpontnak felel meg. A bilinear filtering ezzel szemben egy texel körüli négy texel átlagát veszi a sokszög megfelelő pontjának. Ez a lehetőség komoly hardvert igényel, mert megnégyszerezi a processzor munkáját, ugyanakkor e nélkül nem néz ki igazán jól a keletkezett kép. Trilinear filtering: A legszebb hatást akkor kapjuk, ha két egymás utáni MIP map-re alkalmazzuk a bilinear filter-t. Ennek trilinear filtering a neve, de talán pontosabb lenne trilinear MIP mapping-nek hívni. A számítási igényt azonban nagyon megnöveli. Ez már csak nagyon igényes képeknél és nagyon erős hardvernél szükséges. Z-buffering: A legnagyobb nehézség a 3D rajzolásban a rejtett felületek eltüntetése és csak a látható felületek kirajzolása. A Z-pufferelés az egyik erre használatos technika. Nagyon számítás és memóriaigényes.
109
3D-s csővezeték működése
A 3D-s objektumok elkészítése és mozgatása meglehetősen kötött sorrendben történik. Ezt a folyamatot 3D pipeline-nak (3D-s csővezeték) nevezik, ugyanis a csővezetékben szereplő elemek egymás után adják tovább egymásnak a feldolgozott adatokat. Az ábrán látható, hogy a rendszer két alapvető részre oszlik: a geometriai és a renderelő részre.
3D-s csővezeték a gyakorlatban Geometriai rész: Ez a terület alapvetően a 3D-s objektumokat alkotó sokszögek létrehozásáért, mozgatásáért felelős. A feladatokat szoftveresen oldják meg, ezért itt a számítási sebesség a kulcsszó. Ez a processzor lebegőpontos (floating point) számítási sebességétől függ. Mindenekelőtt a különböző objektumokat egy közös koordinátarendszerbe kell helyezni, amellyel időt és számítási kapacitást lehet megtakarítani a mozgatásnál. Ekkor derül ki az is, hogy mely objektumok esnek ki a képernyő területéről. Ezután az elmozdulásnak megfelelően meg kell változtatni a koordinátáikat (koordináta-transzformáció). A mozgatás után a lebegőpontos számokat át kell alakítani egész számokká, hiszen csak azokkal lehet képernyőpontokat megadni. A következő lépcsőben a megvilágítás körülményeit (szórt, vagy irányított fény) és az objektum felületének optikai tulajdonságait (elnyeli, visszaveri, átereszti a fényt, valamint ezek mértékét) kell beállítani. Az utolsó feladat a geometriai rész leginkább számításigényes munkája. Ki kell alakítani a képernyő látványt az objektumok drótvázábrájával. Itt bontják fel a különböző felületeket szabályos sokszögekre (tessellation mozaikozás). Napjainkban ezt a két feladatot már tipikusan a gyorsítókártyák végzik, mivel ha ezek a műveletek lassabbak, mint maga a kártya, akkor az nem képes növelni a sebességet.
110
Renderelő rész: Ez az egység hozza létre a 3D-s látványt. Lehet szoftveres, vagy hardveres is (tehát maga a gyorsítókártya). Mivel a szükséges számítási sebességet a kártyák többé-kevésbé elérik, ezért ezen a területen két tényező bír kiemelt jelentőséggel: Milyen renderelési feladatokat képes elvégezni a kártyán lévő grafikus chip? Erre különböző benchmark-ok (tesztprogramok) és saját tapasztalataink adnak választ. Mekkora a kártyán lévő memória, és azt milyen gyorsan lehet frissíteni? A legfontosabb a képmemória (frame memory, frame buffer – képpuffer), ebben tárolják a megjelenítendő kép (frame) képpontjainak színkoordinátáit. Ennek nagysága és sebessége a képmegjelenítésre van közvetlen hatással, így nem véletlen, hogy a kártyákon lévő memóriákat folyamatosan fejlesztik, illetve növelik. Bizonyos kártyákon kialakítanak memóriát a textúráknak is (texture memory). Ha a textúra nagysága kisebb, mint ez a memória, akkor valóban gyorsítja a kép felrajzolását. Napjainkban azonban hódítanak a több Mbájtos bitmapek, így a grafikus chipek a DMA vezérlőn keresztül a hagyományos memóriából kapják meg a textúrát. A renderelő rész tehát megkapja a testek drótvázábrájának koordinátáit és a többi kiegészítő információt. Ezekből kiindulva létrehozza a virtuális világot. Elsőként a drótvázat kell beborítani valamilyen módon. Erre kétféle lehetőség, módszer is kínálkozik, amiket nem ritkán egy képen belül egyszerre is alkalmaznak. Az egyik a shading, aminek több fajtája is létezik, a két legismertebb a flat shading és a gouraud shading. Ezekről már volt szó a 3D-s alapfogalmaknál. A másik módszer a texture mapping. Ez adja a legjobb, legélethűbb képet. Magát a képet többféleképpen létre lehet hozni, az eljárások lényege tulajdonképpen a koordinátageometria. Adott például egy háromszög. A memóriában van az a bitmap, amelynek bizonyos részeit rá akarjuk feszíteni a háromszögre. A bitmap pontjait texelnek (texture pixel) nevezzük. Elsőként az a oldalt rendereljük. A bitmapen kijelölünk egy tetszőleges vektort (t), és a vektor kezdő-, illetve végpontját megfeleltetjük az a szakasz hasonló pontjainak. Ezután képezzük a
du dv mu és a mv hányadosokat. Ezek dx dy
megadják, hogy az a szakasz egy pontjának mennyi texel felel meg a bitmapen kijelölt vektoron vízszintes és függőleges irányban. Renderelésnél amint x egy pixellel (képponttal) nő, u is növekszik muval. Ha az új u érték nem jelöl ki új texelt ( u mu 1 ) a bitmap vektoron, akkor az előző texel kerül az új képpontra is, ellenkező esetben a következő. Hasonló módon történik a leképezés y irányba is. Mivel a két hányados együttesen határozza meg egy képpont színét, ezért felléphetnek ellentmondások. Például az új u és v koordináta nem ugyanazt a texelt jelöli ki. Ilyenkor valamilyen súlyozófüggvénnyel (melyik érték a mérvadó) feloldható az ellentmondás. Az a oldal után a másik két oldal, majd a háromszög vízszintes szelői kerülnek renderelésre a fent említett módon.
A renderelés Egyszerűbb eljárás a point sampling, ahol mu és mv értéke is 1. Ezek szerint a renderelendő síkidommal megegyező méretű és helyzetű a bitmapen kijelölt kép, vagyis a textúra pontjait közvetlenül megfeleltethetjük a síkidom hasonló pontjainak. Ez azt is jelenti, hogy egy texel leképezéséhez elegendő a bitmap vektor és a rendelkező szakasz x, vagy y irányú aránya, mivel az így berajzolt pixel másik koordinátája is korrekt lesz. Mozgatásnál egyszerű arányszámítással meghatározható, melyik texel
111
kerüljön kijelzésre. Törtszám esetén a legközelebbi egésznek megfelelő texel lesz az eredmény. Ennek az eljárásnak óriási előnye a rendereléssel szemben a sebessége, mivel kevesebb számítás kell. Alkalmazzunk bármilyen eljárást, ha a bitmapen tárolt kép nagyobb, mint a renderelendő síkidom, akkor az alulmintavételezés miatt adatvesztés következik be. Hatására torzulások lépnek fel a renderelt felületen, ami szimmetrikus, vagy ismétlődő mintázatú bitmapek estében igen feltűnő. Ennek kiküszöbölését szolgálja a MIP mapping. Ebben az estben az adott bitmapet több felbontásban tároljuk. Adott felbontási szint bitmapjének egy texelje az előző szint e pontnak megfelelő négy szomszédos texeljének átlaga és így tovább. A bitmapek területe mindig az előző negyedére csökken, a felbontás pedig a felére. Renderelésnél ahogy nő a távolság a nézőpont és a renderelt síkidom között a virtuális térben (azaz csökken a síkidom felülete), úgy az egyre kisebb felbontású bitmapet feszítjük rá a felületre és fordítva. A megfelelő bitmapet kiválasztó matematikai eljárást LOD (Level Of Detail) számításnak nevezik.
Point sampling Miután a háromszög még csak két dimenzióban került leképezésre, ezért a mélység hatását is érzékeltetni kell. Ez gyakorlatilag az u és v texelkoordináták egy számmal történő elosztását jelenti. Ez a szám fordítottan arányos a mélységgel. A műveletnek az a hatása a mozgás során, hogy növeli, vagy csökkenti a texelek változási sebességét. Vagyis nagy távolságnál nagyobb léptékben változnak a texel koordinátái, hiszen kisebb számmal osztunk, ezért azt látjuk, mintha a textúra összezsugorodna. A nézőponthoz közeledve a fentivel ellentétes folyamat játszódik le. Végül minden pixelnek lesz egy z koordinátája, ezt a Z-pufferben tárolják. Az itt tárolt értékek döntik el, mely képpontok kerülnek takarásba. A teljes kép ilyenformán egy hatalmas, bonyolult vektormátrixként van eltárolva. A fent leírtak után már talán nyilvánvaló, hogy a képpontonként elvégzett LOD műveletek, illetve az ennek hatására végrehajtott trilinear filtering (ezeket összefoglalva per-pixel MIP mapping-nek hívják) hihetetlen mennyiségű erőforrást igényel. Nem véletlen, hogy más módszereket is kifejlesztettek a chipek tervezői. Az egyik lehetőség, ha nem a képpontokat tekintjük alapegységnek, hanem azokat az elemi háromszögeket, amelyek felépítik az objektumokat (ennélfogva a bitmapen is a háromszög az alapegység és nem a texel), és ezekre a háromszögekre hajtjuk végre a fenti műveleteket. Az eljárást pertriangle MIP mapping-nek nevezzük. Hátránya, hogy a háromszögek határán ismét megjelenik a felbontási szintek közötti hirtelen "ugrás". A másik ötlet anisotropic filtering néven ismert, egyelőre még csak a szakirodalomból. Az alapelv szinte kézenfekvő: a túlmintavételezés. A módszer lényege, hogy két adott szint közé interpolációval tetszőleges számú minta helyezhető el a felbontás adta korlátokon belül. Így hihetetlenül finom átmenet valósítható meg két felbontási szint között. Az eljárás szépséghibája szintén az elvégzendő számítás mennyiségében van, mert ha valami fogyasztja az erőforrást, akkor ez biztosan. Erre a legjobb bizonyíték, hogy jelenleg egyetlen real-time anisotropic filtering elven működő grafikus gyorsító chip sincs a piacon. 3D programozási felületek Legyen az olcsóbb játékprogram, akár drága gépészeti tervezőprogram, mind több helyen merül fel az igény térhatású grafika megjelenítésére. Aki már próbálkozott akár a legegyszerűbb SVGA kártya programozásával, az tudhatja, hogy még egyazon gyártótól származó grafikus kártyák között sem igen található két olyan, amelyet azonos módon kellene programozni. És arról még nem is beszéltünk amikor egy olyan 3D-s alkalmazást akarunk írni, amely különböző platformokon, például PC-n és SGI munkaállomáson is képes futni. Egy PC-re írt programnak egy egyszerű VGA kártyával ugyanúgy futnia kell, mint egy felső kategóriájú grafikus kártyával (a különbség természetesen látszik a sebességen), de ugyanennek a programnak forrásszinten átvihetőnek kell lennie más platformokra is.
112
A probléma megoldására több gyártó is megpróbált szabványokat létrehozni. Így születtek a GKS (Graphics Kernel System), a PHIGS (Programmer's Hierarchical Interactive Graphics System), és az OpenGL grafikus nyelvek. Bár a PHIGS ANSI szabvánnyá vált, mégsem tekinthető általánosan elfogadottnak. A versenyt a piaci részesedés döntötte el, méghozzá az OpenGL javára, amiben természetesen szerepet játszik, hogy a Microsoft e nyelv mellett döntött, amikor a Windows 95 és az NT számára professzionális grafikus leírónyelvet keresett. Az OpenGL Az OpenGL – eredetileg IrisGL – nyelvet a Silicon Graphics (SGI) hozta létre, saját grafikus munkaállomásainak programozására, ezért erősen kötődött az SGI hardveréhez. Az IrisGL-ben írt programok csak SGI gépeken voltak futtathatók. Amikor igény mutatkozott arra, hogy a programokat más rendszerekre is át lehessen vinni, az SGI átdefiniálta a nyelvet és az OpenGL nevet adta neki, ezzel is jelezve a nyelv nyitottságát más rendszerek felé. A nyelv fejlődésére jelenleg egy bizottság, az OpenGL Architecture Review Board (ARB) felügyel. Az OpenGL könyvtára mintegy 300 C nyelvű függvényt tartalmaz, amelyek lehetővé teszik például a megjelenítendő tárgyak, a nézőpont helyének és a látás irányának megadását és azon műveletek definiálását, amelyek kép létrehozásához szükségesek. Az OpenGL nyelv az ügyfél-kiszolgáló felépítést követi. Ez lehetővé teszi, hogy a grafikus alkalmazást futtató és a végeredményt (a 3D képet) létrehozó gép egyazon, vagy két különböző gép legyen. A grafikus alkalmazás – mint ügyfél – parancsokat ad az OpenGL kiszolgálónak, amely a kép létrehozásáért felelős. Az OpenGL parancsok átadására szabványos protokollt dolgoztak ki. Amennyiben az ügyfél és a kiszolgáló különböző gépeken fut, a parancsok átadása hálózaton keresztül történik. Mivel a protokoll platformfüggetlen, az ügyfél és a kiszolgáló gépek különböző típusúak lehetnek. Az ügyfél például lehet egy PC, míg a kiszolgáló egy nagy teljesítményű Unix-munkaállomás. Az OpenGL-t kimondottan a 2D és 3D képek létrehozására tervezték. Így csak az ezekhez a feladatokhoz közvetlenül kapcsolódó funkciókat látja el. Nem foglalja magában a térbeli testek modellezését, a felhasználói adatok beviteli rendszerét sem. Az OpenGL az eredményként létrejövő képet egy képpufferben (frame buffer) tárolja. Ennek megjelenítése mindig az adott operációs rendszer, vagy az ahhoz tartozó ablakozó rendszer feladata. A Unix alatt futó OpenGL rendszerek legtöbbször az X Window-t használják grafikus felületként, amely egyben az ablakozást is tartalmazza. A Windows 95 és Windows NT esetében maga az operációs rendszer szolgáltatja a grafikus felületet. Az adatátviteli és megjelenítési rendszertől való függetlenség biztosítja az OpenGL platformfüggetlenségét. Az OpenGL-nek kiadott parancsok egy az ábrán láthatóhoz hasonló feldolgozási csővonalon haladnak keresztül. A csővonal több fokozatot tartalmaz: megjelenítési listát, vertexfeldolgozót (vertex: olyan struktúra, amely tartalmazza egy sarokpont koordinátáit), pixelfeldolgozót, raszterizálót, fragmensfeldolgozót és a képpuffert. A fokozatok mindegyike egy adott művelet elvégzésére képes. Az OpenGL-nek kiadott parancsok első lépésben a megjelenítési listába kerülnek. Ez egy FIFO rendszerű tároló, amely a parancsokat a feldolgozásukig tárolja. Innen a parancsok két irányba mehetnek tovább. A geometriai primitívekre (alapelemekre) vonatkozó parancsok a vertexfeldolgozóba kerülnek. Itt történnek a geometriai transzformációk, amelyek meghatározzák, hogy adott irányból nézve hol van a vertex képe. Ebben az egységben történik az egyenes és a sokszög vágása is, melynek során az OpenGL levágja azokat a részeket, amelyek a szemlélő látóterén kívülre esnek. E fázis utolsó művelete a perspektív vetítés. A többi parancs, tehát azok, amelyek raszterképekre és bittérképekre vonatkoznak, a pixelfeldolgozóba kerülnek. Ezután az adatok mindkét egységből a raszterizáló egységbe jutnak, amely a primitíveket fragmensekre bontja. A fragmensek azok a pixelek és a hozzájuk tartozó adatok, amelyek a képpufferben egy primitív képét adják. Egy pont egyetlen fragmensből áll, amely tartalmazza a pont képének koordinátáit, színét távolságát. Egy szakasz annyi fragmensből áll, ahány pixel előállítja a szakasz képét a képpufferben. A sokszögek a szakaszokhoz hasonlóan több fragmensből állnak. A szakaszok és a sokszögek esetében a fragmensekhez tartozó adatok interpolációval állnak elő. Egy szakasz esetében, amelyet két vertex – a szakasz két végpontja – határoz meg, csak a végpontok távolsága, színe, fényessége, vagy egyéb adata ismert. A fragmensekre bontás során ezeket az adatokat minden fragmensre meg kell határozni. Ehhez az OpenGL lineáris interpolációt használ. A végső fázisban az elkészült fragmensekből a fragmensfeldolgozó hozza létre a képpufferben a képet. Mielőtt egy fragmens a képpufferbe kerülhetne, a fragmensfeldolgozó számos tesztnek veti alá. Itt dől el, hogy az adott fragmens közelebb, vagy távolabb van-e annál, ami már a képpufferben van. Ez a mélység-, vagy ismertebb nevén a Z-pufferelés. A kép frissítésére csak abban az esetben kerülhet sor, ha az új fragmens közelebb van a megfigyelőhőz, mint az adott helyre már kirajzolt fragmens, tehát elfedi a már ott lévőt.
113
Az OpenGL-ben a testek felületére egy raszterképet, azaz textúrát is rajzolhatunk és használhatjuk a köd effektust is. A DirectX A másik közismert és egyre népszerűbb felület, azaz API (Application Programming Interface) a DirectX, amely szintén a szoftvereket próbálja függetleníteni a hardvertől. Ezen keresztül a programozók a gép minden tudását kihasználhatják, úgy, hogy egyes részei lehetővé teszik a hardverek közvetlen elérését. A DirectX a következő elemeket tartalmazza: DirectDraw: közvetlen rajzolás a képernyőre DirectSound: hangkártyák közvetlen programozása DirectPlay: gépek közötti kommunikáció hálózaton és modemen Direct3D: térbeli tárgyak megjelenítése a képernyőn DirectInput: billentyűzet és egér közvetlen kezelése AutoPlay: audio CD-k és CD-ROM-ok automatikus indítása. Mivel grafikus kártyákról és 3D-ről van szó, ezért a Direct3D-vel szükséges részletesebben foglakozni. Ennek alapjául a Reality Lab 3D szolgált, amelynek tulajdonosa a Microsoft által 1995-ben felvásárolt RenderMorphics cég volt. A Direct3D-t kimondottan játék- és oktatóprogramok fejlesztésére szánták és csak PC-s platformon érhető el. A Direct3D tervezésénél messzemenően figyelembe vették, hogy a programok ne érzékeljék, hogy milyen hardver van "alattuk". A Direct3D-t használó programok minden olyan gépen működnek, amelyre Windows 95, vagy NT operációs rendszert telepítettek. A Direct3D három, egymástól jól elkülöníthető modult tartalmaz: a transzformációs, a megvilágítási és a raszterizációs modult. A transzformációs modul feladata a geometriai transzformációk kiszámítása. A 3D testeket definiáló sarokpontok térbeli koordinátái alapján ez a modul határozza meg a pontok képét a képernyőn. A megvilágítási modul a kirajzolandó pontok fényességét határozza meg, az előre megadott fényforrások alapján. A végleges képet a raszterizációs modul hozza létre. Ez rajzolja meg a testeket határoló felületek képét, helyezi rájuk a megadott textúrát. A Direct3D lehetővé teszi, hogy egyes elemeit, vagy akár teljes egészét hardverben valósítsák meg. Ha egyszerű VGA, vagy SVGA kártyánk van, akkor a 3D képalkotás teljes egészében a szoftverre hárul, amely persze a Direct3D rendszer része, nem a programozónak kell megírnia, és a raszterizációs modul a DirectDraw szolgáltatásokon keresztül rajzolja ki a végeredményt. Azt az operációs rendszerbe épített programot, amely a képgenerálást végzi HEL-nek (Hardware Emulation Layer – hardver emulációs réteg) nevezik. Ha olyan grafikus kártyánk van, amely valamely modul funkcióját hardver útján valósítja meg, akkor a "felette" lévő modul már közvetlenül a kártya hardverével kommunikál. Ehhez a kommunikációhoz kifejlesztettek egy szabványos felületet, amelynek minden 3D gyorsító kártya eleget kell, hogy tegyen. Ezt HAL-nak (Hardware Abstraction Layer – hardver absztrakciós réteg) hívják. A HAL minden kártyához más és más, mindig a kártyákhoz adott meghajtók (driver-ek) része. Fogalmak, jelentések AGP: Accelerated Graphics Port – gyorsított grafikus port. Egy új technológia, melynek segítségével lehetőség nyílik, hogy a nagy képek megjelenítéséhez a kártya processzora a rendszermemóriát is használhassa. Gyorsítókártya: Olyan speciális videokártya, melyet néhány feladatra hardveresen optimalizáltak. High color: A színek 16 biten való ábrázolása, amivel a 65 536 színt lehet megkülönböztetni. Színmélység: A maximálisan megjeleníthető színek számát adja meg. True color: A színek 24 biten való ábrázolása, amivel a 16 777 216 (2 24) színt lehet megkülönböztetni. Ellenőrző kérdések 1. Mire szolgálnak a grafikus kártyák? 2. Milyen kártyaszabványokat ismer? 3. Hasonlítsa össze a VGA és az SVGA kártyát! 4. Mekkora az SVGA kártya maximális felbontása? 5. Mitől függ a felbontás és a színmélység? 6. Milyen célt szolgálnak a gyorsítókártyák? 7. Mi az AGP? 8. Hogyan működik az adatcsere az AGP rendszerben?
114
8. Megjelenítő eszközök 8.1. CRT monitorok Egy monitor első ránézésre is szembetűnő és egyik legfontosabb tulajdonsága a mérete, amit a képernyőátmérővel adnak meg. A legelterjedtebb méretek a 14", 15", 17" és a 21", ezek a számok a képátló hosszát jelentik hüvelykben (1 hüvelyk=1 inch=2.54cm), tehát egy 14"-os monitor körülbelül 10" (25.4cm) széles. Ezen kívül jellemző még a képfrekvencia és a felbontás. A képfrekvencia az egy másodperc alatt történő kép-újrarajzolást jelenti, ami egy 85 Hz-es monitornál 85 teljes kép újrarajzolását jelenti másodpercenként. Fontos, hogy a kép-újrarajzolás teljes képre vonatkozzon, tehát "nem átlapolt" legyen, mert csak ekkor nevezhető valóban 85Hz-esnek egy monitor, de erről még ebben a fejezetben szó lesz. A képernyő felbontása azt jelenti, hogy az előttünk megjelenő kép hány sorból és hány oszlopból épül fel. Például a 640x480-as felbontás azt mutatja, hogy a kép 640 oszlopból és 480 sorból áll. A monitorok maximális felbontása is jellemző adatuk, persze minél nagyobb a képernyőméret ennek a számnak annál nagyobbnak kell lennie. Ezeken kívül, a megjelenített színek alapján két nagy csoportba sorolhatók a monitorok, lehetnek monokrómok, azaz fekete-fehérek, vagy színesek. Monokróm CRT monitorok A monitor fizikailag ugyanúgy működik, mint a televízió. A működés szempontjából leglényegesebb alkatrész a katódsugárcső, vagy röviden a képcső. A képcső működése emlékeztet az elektroncső működésére. Amikor még nem voltak tranzisztorok, az összes számítógép elektroncsövekkel működött. Ezek a szerkezetek ugyanazt a feladatot látták el, mint manapság a tranzisztorok, viszonylag kis feszültséggel lehet velük viszonylag nagy feszültséget vezérelni. Az elektroncső három részből áll: katód, rács, anód.
Az elektroncső: A katód fémes anyagból van, és elektronokat bocsát ki, ha melegítik, ez egy egyszerű fűtőszállal történik. Ha az anódra pozitív feszültséget kapcsolunk, akkor az a katód által kibocsátott negatív töltésű elektronokat vonzani fogja. A vezérlő rács a katód és az anód között helyezkedik el, és olyan szerepet tölt be, mint egy kapu, ha kis negatív feszöltséget kapcsolunk rá, akkor nem fogja átengedni az elektronokat, míg ha nulla feszültséget, vagy kis pozitív feszültséget kapcsolunk rá, akkor szabadon átengedi az elektronokat az anódra. A képcső az elektroncsőtől eltérően kiegészül négy eltérítő lemezzel és az anód kialakítása is egy kicsit más. Az anód foszforral borított, így ha az elektronsugár becsapódik rá, az adott ponton felvillan a foszfor, és egy rövid ideig világít. A mágneses térbe kerülő mozgó elektronok ugyanúgy viselkednek, mint bármely fémes tárgy mágneses mezőben, ezért az eltérítő lemezekkel, amelyek az elektronágyú után a katódsugárcső két oldalán, az alján és a tetején helyezkednek el, az elektronsugarat is el lehet téríteni. Mivel négy eltérítő lemez van, amelyekre feszültséget kapcsolhatunk, minden irányban eltéríthetjük az elektronsugarat. Végeredményben az elektronsugarat ki és be tudjuk kapcsolni, valamint az elektronokat a képernyő bármely pontjára tudjuk irányítani. Ténylegesen az történik, hogy az elektronsugár a bal felső sarokból kiindulva felrajzol egy vízszintes sort. Ekkor kioltódik és visszafut ismét a kép bal szélére, de közben függőleges irányban lefelé mozdul (horizontális visszafutás), majd megkezdődik a következő vízszintes sor kirajzolása és így tovább, amíg a képernyő jobb alsó sarkába nem ér, innen ismét visszafut a bal felső sarokba, az első sor elejére (vertikális visszafutás), ahonnan újra kezdi a műveletet. Eközben csak azokat a pontokat világítja meg, amelyeket látni akarunk. Ezekből a pontokból fog összeállni a kép. Átlapolt és nem átlapolt üzemmódok Itt kell szót ejteni az átlapolt (Interlaced) és a nem átlapolt (Non-Interlaced) üzemmódokról. A kép felfrissítésének módja alapján ezt a két működési módot különböztetjük meg. Nem átlapolt
115
üzemmódban a képpont-sorokat egymás után írja a monitor, vagyis az előbb említett módon történik a kép megrajzolása. Ezzel ellentétben átlapolt üzemmódban két lépcsőben áll össze a kép, az elsőben a páratlan számú sorokat írja az elektronsugár, a másodikban pedig a párosokat. Ezt persze, gyorsasága miatt, az emberi szem nem tudja konkrétan érzékelni, esetleg csak annyit veszünk észre, hogy kissé vibrál a kép. Kisebb felbontásban nem átlapolt (ma már elvárás, hogy ezt minden monitor tudja, jelölése: NI), míg nagy felbontásnál, ahol nagyobb frekvenciára van szükség, átlapolt üzemmódban dolgoznak a monitorok. Ezek a felbontások és frekvenciák a monitortól és a kártyától egyaránt függhetnek. Színes CRT monitorok A színes monitorok alapvető működési elve nem különbözik a feketefehér, vagy általában az egyszínű sárga, vagy zöld monitorok működésétől. A lényegesebb különbség az, hogy minden alapszínhez (vörös, zöld, kék) tartozik egy-egy elektronágyú és elektronsugár és így minden szín e három alapszín keverékéből áll össze. Az egyes pontok úgynevezett tripletteket, színhármasokat alkotnak. Ahhoz, hogy egy elektronsugár a megfelelő pontra jusson, az elektronsugarak különböző szögben esnek a képernyőre. Ezen kívül az elektronsugár útjában, a képcsövön egy fémből készült maszk, más néven színháló is található a szomszédos triplettek árnyékolására. A triplettek különböző módon helyezhetők el, az elhelyezés módja elsősorban a kép kontrasztjára van befolyással. Három elrendezési mód alakult ki: Delta elrendezés: Eszerint az elektronágyúk és a színhármasok is egyenlő szárú háromszögeket alkotnak (egymástól 120°-ra). A maszkon lévő lyukak mérete gyártóktól függ, de általában 0.31mm, vagy jobb esetben 0.26mm, de minél kisebb annál finomabb szemcséjű lesz a kép. Ez az elrendezés a lyukak méretétől függően rosszabb kontrasztot ad a többi elrendezéshez képest, mert a lyukak között mindig marad egy üres rész, ami sötét. In-line elrendezés: Itt az elektronágyúk és a színhármasok egy vonalban helyezkednek el, vagyis a maszkon nem lyukakat, hanem függőlegesen réseket alakítottak ki, így ezt résmaszknak hívják. Ezáltal élesebb és világosabb a kép. A konvergencia hiba elkerülése érdekében a rések közé különleges, fekete színű anyagot illesztenek, aminek az a szerepe, hogy a rosszul fókuszált, vagy a nyalábból elszökő elektronok ide ütközve ne keltsenek zavaró képpontokat. Trinitron elrendezés: Ezt a Sony cég alakította ki, az elektronágyúk és a képpontok itt is egymás emellett helyezkednek el. A maszkot itt nem fémlemez alkotja, hanem rácsot képező kifeszített drótok. Hogy a drótok tökéletesen párhuzamosak legyenek, nagyon nagy erő feszíti meg őket, amihez viszont megfelelően erős keretet kellett kialakítani, ami viszont a Trinitron képcsöveket kissé nehezebbé teszi. A képernyő formája is eltér az előző két típustól. Míg a Delta és az In-line képcsövek képernyőjének felhasználó által látott része egy gömbből származtatható, addig a Trinitron képcső ezen részét egy henger palástjából származtatták a Sony szakemberei. Ezzel a lépéssel nemcsak a képernyő alakjának függőleges irányú egyenességét és vele együtt a sarkok zavaró görbületének megszűnését érték el, de a monitorra vetülő fénysugarak sem irányulnak az előtte ülő szemébe. A technológia említett összetevői önmagában nem elegendőek a kiemelkedő képminőséghez. A Trinitron csúcsszintű követelményeket támasztott az elektronsugarakat irányító precíz és bonyolult vezérléssel szemben, mert lyukak, vagy rések helyett az elektronikának kell "tudnia", hogy mikor melyik képpontot kell működésbe hoznia. Ezzel párhuzamosan olyan frekvenciaértékeket sikerült elérni ezzel a képcsővel, amivel csak kevés vetélytárs rendelkezik. Hátrányuknak az tekinthető, hogy a függőlegesen futó szálakat fel lehet ismerni, ami főleg nagy monitoroknál és nagyobb felbontásnál lehet zavaró.
116
Színkeverés - színmódok A színes monitorok működésének megértéséhez szerkezeti felépítésük mellett ismernünk kell azt a módszert, ahogy a színeket a három alapszínből előállítják, ezt nevezik RGB színkeverési módszernek. A színes képcsövekben a színkeverés additív elven történik, ennek lényege, hogy a különböző színes fények egymással összeadva újabb színeket adnak. Három alapszíne a piros (Red), a zöld (Green) és a kék (Blue), innen származik az elnevezése is. Additív színkeverés esetén ebből a három alapszínből minden szín kikeverhető a feketétől a fehérig. Ez a módszer nem ugyanaz, mint a szubsztraktív elvű színkeveréssel, amelynek tipikus példája a különböző színű festékek keverése. Itt az alapszínek is mások, a bíbor, a sárga és a kék. Az additív színkeverést három izzólámpa (egy piros, egy zöld és egy kék) segítségével tudjuk kipróbálni, ha egyszerre világítunk velük egy adott helyre, de fontos, hogy a fényerősségük azonos legyen.
Nézzük meg, hányféle szín keverhető ki, ha mindhárom alapszínt csak kétállapotúnak, vagyis digitálisnak feltételezzük: R (piros)
G (zöld)
B (kék)
Eredő szín
○
○
○
fekete
1
○ ○ piros ● ○ zöld ○ ● kék ● ○ sárga ○ ● lila ● ● ciánkék ● ● fehér RGB színkeverés A CGA monitorok esetében ezt a módszert alkalmazták, kiegészítve egy intenzitásállapottal, amely szintén kétállapotú volt, így a megjelenő színek száma 16-ra növekedett (gyakorlatilag csak 15-re, mert a fekete nagy intenzitása is csak feketét adott). Ez volt az úgynevezett RGBI monitorok színkeverési módszere, ahol minden jel digitális formában jutott el a kártyától a monitorig. A további fejlesztés eredményeképpen létrejött EGA (Enhanced Graphics Adapter) monitoroknál minden színkomponenshez 2 bitet rendeltek, így az alapszínek négyállapotúak lettek. Ebben az esetben a kikeverhető színek száma: 4x4x4=64 volt. Általánosan elmondható, hogy egy RGB keverési módszerrel az előállítható színek száma az egyik alapszín lehetséges állapotainak köbe. Ma az 2 3 4 5 6 7 8
● ○ ○ ● ● ○ ●
117
úgynevezett truecolor monitorkártyákon mindhárom alapszín 8 bites, azaz 256 árnyalatú lehet, így az előállítható színek száma 16 777 216. A VGA monitorok esetében (Video Graphics Array) a színkomponensek analóg feszültségértékek. A VGA kártya 6 bites RGB regisztereket tartalmaz (64x64x64=262 144 szín), az ezekben található értékek egy D/A (Digital-Analog) átalakítóra kerülnek, onnan pedig a monitor analóg bemenetére. Alacsony sugárzású monitorok Szót kell még ejteni a monitorok által kibocsátott káros sugárzás mértékéről. Ez szintén nagyon fontos és ma már alapvető tulajdonsága a monitoroknak. Ezek a sugárzások az emberi szervezetre, elsősorban a szemre tartós veszélyeztetés esetén ártalmasak. Svédországban, ahol minden ötödik munkahely monitorral van felszerelve, kezdtek először ilyen irányú kísérleteket, amelyek alapján ajánlások születtek az alacsony sugárzású (Low Emission, vagy Low Radiation, röviden: LR) monitorokra vonatkozóan. Kettőt érdemes kiemelni ezek közül, az MPR-II és a TCO ajánlást. Az MPR-II csak a monitorokkal foglalkozik, a TCO viszont kiterjed a munkahelyi környezet egyéb ártalmaira is. A két ajánlás által támasztott fontosabb követelmények az alacsony sugárzású monitorokra a következőket tartalmazzák: a mérés távolsága a monitortól 50cm, illetve 30cm (TCO) az elektromágneses tér az 5Hz-2kHz frekvenciatartományban nem lépheti át a 250nT (nanoTesla) értéket, illetve 200nT (TCO) értéket, továbbá a 2kHz-400kHz tartományban a 25nT értéket az elektromos tér az 5Hz-2kHz frekvenciatartományban nem lehet nagyobb, mint 25V/m, illetve 10V/m (TCO), és a 2kHz-400kHz tartományban 2.5V/m, illetve 1 V/m (TCO) az elektrosztatikus tér kisebb legyen 500V/m-nél a röntgensugárzás mértéke nem lépheti át az 5000nG/óra (nanoGray/óra) értéket. Az alacsony sugárzású monitoroknál árnyékoló lemezzel védekeznek az elektromos és elektromágneses tér kijutása ellen, és kiváló minőségű transzformátorokat és eltérítő tekercseket alkalmaznak. Az elektronok a monitorban felgyorsulnak, hogy nagy energiával a képernyőbe csapódva felvillanást okozzanak. A közben keletkező sztatikus tér 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 monitoroknál már ez sem jelent problémát, csakúgy ahogy a többi káros sugárzás sem éri el a káros értéket. 8.2. LCD monitorok, LCD panelek Az átlagos felhasználási területeken tökéletesen megfelelőek a CRT monitorok, de alkalmazásuknak viszonylag nagy méretük szabja a legfőbb korlátot, például nem alkalmazhatók notebook-oknál, vagy ott, ahol szintén kevés a hely egy, főleg mélységében nagy, CRT monitornak. Ennek megoldására egy új technológiát, az először a karórákban és műszerekben megjelenő síküveges folyadékkristály képernyőt, LCD-t kezdtek el alkalmazni. Ezekben minden egyes képpont úgy keletkezik, hogy a kis fogyasztású, háttérvilágítást adó, jó hatásfokú fehér fénycső fényét polarizálják, majd a poláros fényt egy olyan cianobifenilből készülő folyadékrétegen vezetik át, amely 90 fokkal elfordítja a fény polarizálási síkját. Az ezután következő, a fénycső fényét polarizáló szűrő síkjára merőleges, polarizáló szűrő ezt átengedi, és ha nincs feszültség kapcsolva a rácspontra, akkor egy fehér képpontot kapunk. A cianobifenil, amely kis rudacska formájú molekula, feszültség hatására beáll az erőtér irányába, és nem forgatja el a fény polarizálási síkját, aminek következtében a második polárszűrőn nem megy át a fény, és fekete képpontot kapunk. Szürke pontokat a képpont gyakori ki- és bekapcsolásával kaphatunk (pl. 50%-os szürkeségi fokozatot akkor, ha 1/64-ed másodperc bekapcsolt állapotot 1/64-ed másodperc kikapcsolt állapot követ). Színes képet a képpontok megháromszorozásával és színszűrőkkel kombinált cellákkal kapunk. Ennek egyszerűbb technológiáját DSTN vagy STN (Double-scan Super Twisted Nematic) rövidítéssel illetik. Ebben a képpontok vezérlése egy függőleges és egy vízszintes rácspont elemeként kapcsolótranzisztorokkal történik. A Double-scan jelölést akkor alkalmazzák, ha a felülről lefelé haladó sor vezérlőjele kettős, és egyidőben indul a képernyő tetején és a közepén. Ezzel a "trükkel" duplájára
118
gyorsul a képváltás üteme. Ennek ellenére a DSTN képernyők legnagyobb hátránya, hogy lassan gyulladnak ki és alszanak el a képpontok (100-200ms). Erről magunk is meggyőződhetünk az egér kurzor gyors mozgatásával, amely DSTN képernyő esetén elmosódó csíkot húz maga után. Újabban jelentek meg javított DSTN képernyők, amelyek gyorsabbak, de mozgókép lejátszására még ezek sem alkalmasak. A DSTN képernyők másik hátránya, hogy csak szemből, mintegy 30-40%-os látószögön belülről nézve adnak szép színes képet. Ennek oka, hogy viszonylag vastag folyadékkristály rétegekből készülnek a DSTN képernyők, és a cellák egy-egy kis csövet alkotnak, amelybe csak szemből látunk bele. A felsorolt három hiba kiküszöbölésére találták ki a TFT (Thin Film Transistor vékonyréteg tranzisztor) képernyőt, amelyben a képpontok vezérlésére minden egyes képpontba színenként egy kapcsoló-tranzisztort telepítenek. Ez egyrészt vékonyabb rétegeket tesz lehetővé, amely miatt a látószög 140-150 fokosra növekszik; másrészt sokkal gyorsabbá válik a képpont meggyújtása és kioltása (2550ms). A TFT képernyőn csak a háttérvilágítás fényerejét lehet csökkenteni vagy növelni, kontraszt állítására nincs lehetőség, a kép mindig egyformán éles. A DSTN képernyők legjobb kontraszt viszonya (fehér/fekete ponton átengedett fénymennyiség hányadosa) 30-40-es, a TFT képernyőkön ez 100-150-re nő. Sajnos a bonyolultabb technológia (síküvegen tranzisztorok növesztése) miatt a TFT képernyők lényegesen drágábbak. Az LCD képernyők legnagyobb hátránya, hogy 15-25%-át is elnyelik a rajtuk áthaladó fénynek. Az akkumulátoros üzem miatt túl nagy teljesítményű fénycsövet a notebook-ba nem lehet behelyezni, és ebből a kevés fényből érzékeny veszteség az LCD által elnyelt mennyiség. Ezért foglalkoznak jobb hatásfokú, és a szakirodalomban egyre gyakrabban emlegetett síküveg plazma képernyő kifejlesztésével, de ezek teljesítménye egyelőre még elmarad a TFT technológiával készült társaikétól. Az LCD panelek a következő bekezdésben tárgyalt LCD kivetítőkkel megegyező elven működnek, csak itt a fényforrást egy külső egység biztosítja (pl. írásvetítő). 8.3. Projektorok A projektorokat, azaz a videokivetítőket, ahogy nevük is jelzi először csak video anyagok nagy méretű megjelenítésére használták, de az idő múlásával és a számítástechnika fejlődésével és látványosabbá válásával alkalmassá kellett tenni őket a számítógép monitorán látható kép kivetítésére is. Ehhez azonban magasabb technikai színvonal kellett. A mai kivetítőket már multimédia projektoroknak hívjuk és legtöbbször mind video, mind számítógépes kép kivetítésére is alkalmasak. Négy eltérő technikai megoldás létezik, mindegyik rendszernek vannak előnyei és hátrányai is a másik hárommal szemben. CRT kivetítők A klasszikusnak számító katódsugárcsővel működnek, működési elvük azon alapszik, hogy a videojelet a három alapszínre bontják és ezeket egy-egy katódsugárcsőre vezetve kivetítik, ebből adódóan szükség van a konvergenciahiba (színösszetartás) állítására. Az ilyen projektorokkal megjeleníthető kép felbontása elérheti a 2000x1600 pixelt, sávszélessége pedig a 160MHz-et. Fényteljesítményük közepes kb. 700-1000 lumen, ezt a CRT technológia határolja be. LCD kivetítők Ezek mérsékeltebb képességű kivetítők, jelenleg maximum 800x600 képpontos felbontást támogatnak, mivel az LCD panel pixeleinek száma kötött. Tehát átlagos PC-s alkalmazások kivetítéséhez elegendő, fényerejük is viszonylag szerény 400-500 lumen. Működési elvük annyiban megegyezik a CRT kivetítőkével, hogy a beérkező videojelet szintén a három alapszínre bontják, majd ezekkel a jelekkel három, egymás mögött elhelyezkedő TFT modult vezérelnek, tehát az izzó fénye ezeken a modulokon halad keresztül. Mivel a TFT-ken a kisugárzott fényenergiának csak egy része jut át, erős fényforrást és hűtést kell alkalmazni. ILA kivetítők Az ILA (Image Light Amplifier képfényerősítő) fejlesztésénél a cél egy kifejezetten grafikus megjelenítésre alkalmas kivetítő létrehozása volt. Működési elve a CRT és az LCD technológia ötvözéséből ered: a beérkező jelet egy CRT jeleníti meg, a képet, közvetítő lencsékkel az "ILAszendvicsre" fókuszálják. Az ILA-szendvics oldalára olvasott kép elektrosztatikusan kapcsolódik a folyadékkristály-réteghez. A besugárzástól a polarizált fénynyaláb szintén az LCD-rétegre kerül, így a
119
kiolvasott kép létrejön és egy újabb lencserendszerrel élesre fókuszálva már kivetíthető. Maga az ILA egy kártyalap méretű fotokonduktív elektrooptikai rétegből felépülő eszköz, amely a CRT alacsony intenzitású infravörös képét a folyadékkristály-rétegre viszi át. Ez a rendszer mozi minőségű kép előállítására képes, fényereje tekintélyes (2500-3500 lumen) és 1600x1200-as felbontásra képes. DLP/DMD kivetítők Ez a DLP (Digital Light Processing digitális fényfeldolgozás) rendszer számít ma a legmodernebbnek, amit a Texas Instruments fejlesztett ki. Ennek alapja a DMD (Digital Micromirror Device digitális mikrotükrös megoldás) chip. Ez egy speciálisan kialakított SRAM modul, amelynek a felületére kis tükröket építettek, amik a memóriaelem feltöltöttségének függvényében (logikai 0, vagy 1 hatására) elmozdulnak, így a rájuk eső fényt a kívánt irányba verik vissza, vagy eltérítik egy nem használt irányba. A memóriamodulon annyi tükröt helyeznek el, amekkora az adott felbontás megjelenítéséhez szükséges, azaz képpontokként egyet. Ezek a tükrök egy 1.5x2cm-es felületen helyezkednek el, egy-egy többrétegű mikroszkopikus mechanizmuson. A rendszer, megvalósításától függően, egy, két, illetve három DMD chippel készül. A legegyszerűbb az egychipes technológia esetén a fényt mechanikus úton színezik, vagyis a fehér fényt egy háromszínűre festett tárcsán vezetik keresztül, ez állítja elő a három színnyalábot. Az így létrejött színjeleket a DMD chipre fókuszálják. A DMD chip felületén, a szintén időosztásos elven végzett vezérlésnek köszönhetően, a megvilágítás hatására kialakul a megjelenítendő kép kisméretű mása. A DMD-ről visszavert fényt egy újabb lencserendszeren keresztülvezetve vetítik ki. Az ilyen kivetítők fényteljesítménye 300 lumentől indul. A háromchipes rendszerben tisztán optikai úton jönnek létre a fényforrásból az alapszínek. A fehér fényt olyan féligáteresztő prizmarendszerre vezetik, amely azt a három alapszínre bontja. Ennek segítségével időosztás nélkül jelenik meg a csak a három alapszínt tartalmazó kép kicsinyített mása. Ezeket a képeket egymásra vetítve az eredeti színes információhoz jutunk. Ilyenkor a fényteljesítmény 1000 lumen fölött van. A két DMD chipes változat az előbbi két elvet vegyíti. Fogalmak, jelentések Anód: Elektroncső:
A katódból kilépő elektronok elnyelésére szolgáló pozitív töltésű elektróda. Gázzal töltött üvegbúrában lévő elektródák. A katódból lépnek ki az elektronok, az anód pedig elnyeli ezeket. Ha ezek közé egy rácsot teszünk, akkor azzal szabályozható az anódba belépő elektronok száma. Eltérítő lemezek: A katódsugárcső katódjából kilépő elektronok eltérítésére szolgál. Megfelelő vezérléssel az egész képernyő letapogatható az elektronsugár segítségével. Függőleges (vertikális) visszafutás: Az a folyamat, amíg az elektronsugár az utolsó sorból ismét a legelső elejére kerül. Vízszintes (horizontális) visszafutás: Az a folyamat, amíg az elektronsugár a kép jobb széléről visszatér a bal szélére. Katód: Ha feszültséget kapcsolunk rá, akkor felületéből elektronok lépnek ki. Minél nagyobb ez a feszültség, annál nagyobb lesz az emisszió. Katódsugárcső: Lásd: Képcső. Képcső: A képcső egy elektroncső, ahol négy rács van, egymáshoz képest derékszögben elhelyezkedve. A képernyő homloklapján egy speciális bevonat van, melyet ha elektron becsapódás ér, akkor fényt bocsát ki. A kép kirajzolását a megfelelően vezérelt eltérítő lemezek végzik el. Képváltási frekvencia: Megadja az egy másodperc alatt felrajzolt képek számát. Rács: Ezzel lehet az anódba jutó elektronok számát megváltoztatni. Minél negatívabb feszültséget kapcsolunk rá, annál kevesebb töltés jut az anódba, tehát a feszültség polariátsa és nagysága határozza meg az anódba belépő elektronokat.
120
Ellenőrző kérdések 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
Milyen megjelenítő eszközöket ismer? Mire szolgálnak a megjelenítő eszközök egyes fajtái? Mi az elektroncső működésének lényege? Mi a katódsugárcső? Milyen részekből épül fel a képcső? Hogyan jelenik meg a kép az egyes megjelenítő eszközöknél? Mi a lyukmaszk feladata? Mi az additív színkeverés? Mi a delta, az in-line és a trinitron elrendezés lényege? Mi az interlaced és a non-interlaced kifejezések lényege? Mit mutat meg a vízszintes eltérítési frekvencia? Mi az MPRII szabvány lényege?
121
9. Adatbeviteli eszközök 9.1. A billentyűzet A billentyűzet használható a számítógépet üzemeltető parancsok és a feldolgozandó információk bevitelére. Alapvetően kétféle típussal találkozhatunk: XT és AT billentyűzettel. Az első típust, mint ahogy a neve is mutatja az XT, míg a másodikat az AT gépekhez fejlesztették ki. Eltérés közöttük több jellemzőjükben van, de a legszembetűnőbb a megnövelt billentyűszám. Az XT billentyűzet 84 gombot tartalmaz, az AT pedig 101-et, 102-t, vagy még ennél is többet. A másik lényeges különbség, hogy az AT billentyűzet esetében már van mód kétirányú adatátvitelre. Ezzel a megoldással lehetséges a billentyűzet működésének programból való megváltoztatására. A billentyűzet gombjai jól meghatározható csoportokra oszthatók, ezek a következők: Írógép funkciók: Betűk, számok, írásjelek, szóköz, visszatörlés és az ENTER. Ezek működése, sőt még az elhelyezkedése is megegyezik az írógépen használtakkal. Numerikus billentyűzet: Ezek a gombok a billentyűzet jobb oldalán találhatók. A gyors adatbevitel érdekében a számológépekhez hasonlóan négyzetes elrendezésűek a számok és a műveleti jelek, de itt is található egy ENTER billentyű. A numerikus billentyűzetnek van egy másik üzemmódja is, amikor kurzorvezérlő gombokként is lehet őket használni. Funkció billentyűk: Ezek kényelmi funkciókat szolgálnak. A programokban gyakran használt műveletek, vagy funkciók gyors elérésére használhatjuk őket. Vezérlő gombok: Bizonyos esetekben a billentyűzetnek egy más beépített funkcióját szeretnénk használni, mint amit alaphelyzetben tudunk. Ezek a gombok erre szolgálnak. Kurzorvezérlő billentyűk: A legtöbb programban a képernyőn történő mozgáshoz a kurzorvezérlő, nyilakat ábrázoló billentyűk használhatók. Az IBM a PC-hez tervezett billentyűzettel professzionális beviteli egységet alkotott. A billentyűzet egy önálló mikroprocesszoros egységet tartalmaz a nyomógombok kezelésére, így ez alól tehermentesíti a központi processzort. A beépített processzor a következő feladatokat látja el: A nyomógombok figyelése, annak megállapítására, hogy a felhasználó melyik gombot nyomja le. A lenyomott billentyűhöz tartozó kódot a memóriájában eltárolja. A tárolt kódot sorossá alakítva kiküldi a soros vonalra a PC felé. Ha egy billentyű huzamosan, adott időn túl lenyomott állapotban van, a kódot automatikusan ismétli. 9.2. Az egér A képernyő kezelése kétféle módon lehetséges: karakteresen és grafikusan. Az előbbire 80x25 karakter, míg az utóbbira 640x480, 800x600, 1024x768 stb. képpont a jellemzőfelbontás. Karakteres képernyőn a kurzor mozgatása nem okoz különösebb problémát, a kurzormozgató nyilakkal könnyen és gyorsan megoldható. Alapvetően más azonban a helyzet a grafikus képernyőt használó programok esetében, mivel itt a felbontás miatt ez a módszer nem használható. Az ilyen programok elterjedése megkívánta olyan eszközöknek a kifejlesztését, melyek képesek a kurzor gyors mozgatására, gyakorlatilag a felbontástól függetlenül. Ilyen eszköz az egér. Az egér volt az első olyan eszköz, amely igazán elterjedt, sőt legnagyobb számban ma is ezt használjuk a PC-khez. Nevét a formája után kapta. Többféle szempont szerint csoportosíthatók: Működésük szerint: Optomechanikus egerek Ezek a legelterjedtebbek, mivel az egyszerű működési mód miatt ezt a típust a legolcsóbb gyártani. Nézzük meg röviden a működési elvet. A fő alkatrész a viszonylag nagy méretű golyó, melynek paraméterei rendkívül fontosak. A felületének megfelelően érdesnek kell lennie és a súlya is nagyon fontos. A golyó érintkezik az egérpaddal, mozgatása két dimenzióban lehetséges, ami azt jeleni. hogy az egér pozíciója az x és az y koordinátákkal egyértelműen megadható. A golyó szerepe a mechanikai elmozdulás közvetítésében van a két görgő felé. A görgők végén egy-egy tárcsa van, kerületén megadott számú lyuk helyezkedik el. Mindez két darab fényadóból és vevőből álló optokapu előtt forog. A vevő kimenetén akkor jelenik meg a kimeneti jel, ha fény vetődik rá, így az optokapuk kimenetén megjelenő
122
impulzusok száma megegyezik az előttük elhaladó lyukak számával. Ebből már egy céláramkör meg tudja határozni az egér új koordinátáit. Az egész elektronika gyakorlatilag egy integrált áramkörből és néhány kiegészítő alkatrészből áll. Mivel az egereket a számítógéppel szabványos vonalon kötjük össze, ezért ennek a chipnek a feladata a helyes jelek és a megfelelő időzítések előállítása. Optoelektronikus egerek Annyiban hasonlítanak az előző típushoz, hogy itt is a fényt használjuk az elmozdulás elektronikus információvá alakítására. Azonban, mint ahogy a neve is mutatja, itt nincs mechanikusan elmozduló alkatrész. Az egérpad felülete speciális, fényes bevonatú fémlap, melyen megadott távolságokban függőleges és vízszintes csíkok vannak. Minél sűrűbben helyezkednek el ezek a csíkok, az egér felbontása annál nagyobb lesz. Az egér alján helyezkedik el egy fénykibocsátó dióda, mely az emberi szem számára láthatatlan fényt bocsát ki. Ez a fény visszaverődik ott, ahol a felület fényes és megtörik ott, ahol a csíkok vannak. Ha a visszaverődő fény útjába egy fényérzékeny vevőt helyezünk el, akkor így érzékelni tudjuk az egér fizikai elmozdulását. Azonban, mivel két koordináta mentén mozgathatjuk az egeret és ráadásul két irányba is, ezért összesen négy érzékelő szükséges. Alaphelyzetben a visszaverődő fényt mind a négy vevő egyenlő mértékben érzékeli, így mind a négynek van kimeneti jele. Ha elmozdítjuk az egeret, akkor előbb-utóbb valamelyik irányból egy csíkot fogunk keresztezni. Ha ez bekövetkezik, akkor a megfelelő vevő nem érzékel fényt és ennek alapján nem lesz kimeneti jele sem. Egy integrált céláramkör ezekből az adatokból meg tudja állapítani, hogy milyen sebességgel és milyen irányba mozdítottuk el az egeret. Piezo egerek Ez a típus szintén nem tartalmaz mozgó alkatrészt, az elmozdulás érzékelésére a piezo effektust használja fel. Ennek a lényege a következő: a piezokristály olyan speciális tulajdonsággal rendelkezik, hogy ha feszültséget kapcsolunk rá, akkor fizikai méretei megváltoznak. Ez a folyamat fordítva is igaz, tehát ha deformáljuk a kristályt, akkor a kivezetésein feszültség indukálódik. Az egér aljának közepe a piezokristályokon keresztül kapcsolódik a házhoz. Természetesen a kristályokból négyet kell alkalmazni, az irányok megállapításának érdekében. Az egérpadnak itt is kulcsszerepe van, mert az egérből kinyúló apró tű, mely az egér aljának közepéhez csatlakozik, ezen akadozik el. Az akadozás során az egér alja rezegni kezd, melynek során létrejön a piezokristályok fizikai deformációja. Itt is célvezérlőket alkalmaznak az elmozdulás elektromos jelekké alakítására. Ultrahangos egerek Ezek a típusok nagyon drágák, olyannyira, hogy kereskedelmi forgalomban nem is találkozunk ilyenekkel. Működésükhöz az ultrahangot használják fel, melyet az emberek többsége nem képes érzékelni. A adó által kibocsátott ultrahangot az egér visszaveri, melyet a vevő érzékel. Az egér olyan anyagból készült, ami a lehető legjobban visszaveri az ultrahangot. A kibocsátás és az érzékelés között eltelt időt kell mérni, melyből megállapítható az adó és az egér távolsága. Ha egy tér két sarkában elhelyezünk két adó-vevőt, akkor az ezektől való távolság megadja az egér koordinátáit. A két adóvevőtől érkező jeleket egy külön dobozban elhelyezkedő céláramkör dolgozza fel és alakítja át olyan formára, hogy azt a számítógép képes legyen feldolgozni. Mindezekből már látható, hogy az egérhez nem szükséges semmiféle elektromos kábel, mert nem az egeret kapcsoljuk a számítógéphez, hanem a két adóvevőt összekapcsoló áramkört. A PC-vel való kommunikáció szerint: RS232 interfésszel rendelkező egerek A klasszikus RS232C átviteli szabvány olyan soros átvitelt támogat, ahol az adatátviteli sebesség 0 és 20 000 bit/s között változik. Az átvitel maximális távolsága 25 méter. A szabványos csatlakozó a DB-25 típusú, 25 pólusú, de az AT-knél bevezették és azóta általános lett a DB-9 típusú 9 pólusú csatlakozót. A PC-k soros adapterén mindkettőt megtalálhatjuk.
123
Busz egerek Ezek az egerek külön ISA sínbe illeszkedő csatolókártyát igényelnek. A kártya intelligens módon képes érzékelni az egér elmozdulását és a gombok állapotát. A kártya 9 pólusú Hosiden csatlakozóval van szerelve. PS/2 csatlakozóval rendelkező egerek A PS/2-es egerek az alaplap PS/2 csatlakozójára köthetők, vagy a PS/2 billentyűzet 6 pólusú csatlakozóját használják. A kommunikációhoz PS/2 protokollt használnak, ami nagyon hasonlít a szinkron soros adatátvitelhez. A billentyűzet vezérlő képes kezelni az egérről érkező adatokat. A PS/2 port ma már minden új alaplapon integrálva megtalálható, ilyen egér alkalmazásával értelemszerűen felszabadul egy soros port. A gombok száma szerint: Ha az egérkurzort oda pozícionáltuk, ahova szerettük volna, akkor a program számára jeleznünk kell, hogy végezze el az ehhez tartozó műveletet. Erre szolgálnak az egereken található gombok, ezek száma szerint az egerek lehetnek: Egygombos egerek: IBM kompatíbilis PC-k esetében nem terjedtek el, mert az itt használatos grafikus operációs rendszerek támogatják a helyzetérzékeny előugró menüket, melyek előhívására még legalább egy gombra szükségünk van. Ezzel ellentétben a Macintosh-okhoz ilyen egereket találunk. Kétgombos egerek: A bal gomb szolgál a funkció kiválasztására, míg a jobb gomb a helyzetérzékeny menü előhívására. Háromgombos egerek: Itt a két előbb említett gomb között található egy harmadik. Ennek a szerepe a felhasználótól függ. Ez azt jelenti, hogy az egérhez kapott meghajtóprogram segítségével meghatározott funkciókat rendelhetünk ehhez a plusz gombhoz. Pl. helyettesíthetjük vele a dupla kattintást. 9.3. Trackball (hanyattegér) Az zárójeles kifejezés nagyon jól meghatározza ennek az eszköznek a működését. Nem az eszközt mozgatjuk, hanem a tetején lévő golyót forgatjuk. Működési elve megegyezik a közismertebb társával, azon belül is az optomechanikus egerek működésével. 9.4. Digitalizáló tábla Ez egy speciális beviteli eszköz, mely a CAD programoknál lehet hasznos. Egy megadott speciális műanyagból készült lap, mely alatt mátrixszerűen érzékelők haladnak. Minél több található ezekből annál nagyobb a tábla felbontása. Működésüket tekintve ezek induktív érzékelők. Többféle méretben kaphatók ezek a táblák és általában valamilyen ceruza formájú speciális eszköz tartozik hozzájuk, amivel a rajzolást végezhetjük. 9.5. Az eszközök csatlakoztatása a számítógéphez Az adatbeviteli eszközök csatlakoztatása egyszerűen történik, külső installálást általában nem igényel. A billentyűzetet egyszerűen a megfelelő csatlakozóba kell dugaszolni. Az egereket trackball-okat és a digitalizáló táblákat a COM portok közül valamelyikre kell csatlakoztatni. A COM1 porthoz 9, míg a COM2-höz 25 pólusú csatlakozó tartozik. A COM3 COM4 portokat általában nem használjuk, bár a lehetőség adott lenne. A biztos rögzítést segítik elő a dugókon lévő csavarok. A csatlakoztatás után a szoftveres beállításokat kell elvégeznünk. A billentyűzetet semmilyen operációs rendszer alá sem kell installálni, ez alól csak azok kivételek, amelyeknek valamilyen extra funkciójuk van. A mutató eszközökhöz legtöbbször tartozik saját meghajtóprogram, ezek telepítése után az eszközök használhatók. Fogalmak, jelentések Billentyűzet:
A legáltalánosabb adatbeviteli eszköz. Legfőbb jellemzője a gombok száma, illetve feliratozása.
124
Billentyűzetvezérlő: A billentyűk vezérlését elvégző céláramkör. Egér: Adatbeviteli eszköz, melyet leginkább grafikus rendszerekénél használnak. Nevét formájának hasonlatosságáról kapta. Piezo: Egy speciális kristály, amely elektromos áram hatására mechanikailag deformálódik. A folyamat mindkét irányban működik. PS/2: Egy csatlakozórendszer, legáltalánosabban az egerek használják, előnye, hogy nem foglal le egy soros interfészt. SUB-D csatlakozó: A soros vonalra kapcsolt eszközök használják ezt a csatlakozótípust. Két legáltalánosabban használt fajtája a 25 és a 9 pólusú SUB-D csatlakozó. Trackball: Olyan adatbeviteli, pozicionáló eszköz, melynek működési elve megegyezik az egérével, használatakor azonban nem az eszközt mozgatjuk, hanem a benne található golyót, ezért nevezik "hanyattegérnek" is. Ellenőrző kérdések 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.
Mire szolgálnak az adatbeviteli eszközök? Milyen fajtái vannak? Mi a billentyűzet vezérlő szerepe? Mire való az egér? Hogyan működik az optomechanikus egér? Mi a piezo? Hogyan kommunikálnak az egerek a számítógéppel? Mik az RS-232-C interfész jellemzői? Hogyan kapcsolódnak a számítógéphez a PS/2 egerek? Mi a trackball? Hogyan működnek a digitalizáló táblák?
125
Tapasztalatok, következtetések megfogalmazása Mivel a feldolgozott anyag szerkezete viszonylag bonyolult, tele kölcsönös utalásokkal, ezért a tananyag távoktatáshoz történő számítógépes feldolgozása során a hypertextes formátum elkészítése volt a legcélravezetőbb megoldás. A feldolgozás során használt szoftver eszközök lehetővé tették a modultankönyv olyan jellegű összeállítását, amely lehetővé teszi, hogy az oktatás (távoktatás) során a tanulási folyamat energiavezérelten haladjon a folytonos fejlődés irányába, azaz a tanuló a saját korlátaihoz, felmerülő igényeihez szabva szervezhesse meg a saját tanulásának irányát és tempóját. A feldolgozás során megmutatkozott a célokhoz vezető folyamat meghatározó szerepe. Igen fontos ugyanis, hogy a kitűzött oktatási célokat milyen tanulási folyamat által lehet a leghatékonyabban elérni. A távoktatás során előtérbe került önálló tanulást nagymértékben elősegíti az elkészült hypertextes modultankönyv, melynek segítségével a tanuló önállóan dolgozhatja fel az anyag teljes egészét. Igen fontos körülmény az a tény, hogy a távoktatás során a tanulást megszervező tanár és a diák távol állnak egymástól, a személyes kapcsolat csak alkalmanként jöhet létre, így a tanár nem tudja folyamatosan ellenőrizni a munkát. Ez az állapot szülte azokat az elképzeléseket, amelyek abban segítettek, hogy a tanulás szervezését előre megtervezzük. E tankönyv összeállítása a volt legfontosabb pontja a munkának, hiszen ennek szerkezete a legfőbb meghatározó a tanulás folyamatának megszervezése során, így igen körültekintően kellett feldolgozni a tananyagot az összeállításhoz, hogy a megfelelő célt érjük el vele. Felhasznált irodalom Oktatáselméleti kérdések a szakképzésben, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1995. Dr. Ágoston György: A pedagógia alapfogalmai és a nevelési célrendszer - Akadémiai Kiadó, Bp. 1976. Gagné Robert M. - Briggs Leslie J.: Az oktatástervezés alapelvei - OOK, Veszprém, 1987. PC-MŰHELY sorozat, Panem Kft., Budapest 1996. Abonyi Zsolt: PC hardver kézikönyv, LSI Oktatóközpont, Budapest, 1998. Cserny László: Mikroszámítógépek, LSI Oktatóközpont, Budapest, 1996. László József: hangkártya programozása, LSI Oktatóközpont, Budapest, 1997. László József: VGA kártya programozása, LSI Oktatóközpont, Budapest, 1997. Chip magazin 1997./7., 10., 11. Chip magazin 1998./6.,8.,12. Chip magazin 1999./1.,2.,3. Internet források www.intel.com www.intel.hu www.amd.com www.sony.com www.samsung.com Kiegészítette és javította Csatlós István 2010 januárjában.
126
