Архитектура ЭВМ. Учебное пособие (лабораторный практикум)

чем полное описание нового кадра. Вместо описания нового кадра передается т. н. «дифферент» – различие между текущим и преды- дущим кадром.

Проблема: резкая смена кадров, при которой изменение размы- вается на несколько соседних кадров, в результате нарушается ди- намика и появляются т. н. «хвосты» – следы предыдущих кадров.

D («объем дифференциала») – объем информации, выделяемой для передачи различия между кадрами. Чем больше D, тем меньше сжатие и искажение. Изменением D регулируется степень сжатия.

Разрушающее групповое кодирование

Анализируется кадр. Если в кадре присутствуют одинаковые фрагменты, то вместо индивидуальной передачи каждого фрагмен- та передается образец и ссылки на него.

Проблема: совершенно одинаковых фрагментов практически не бывает, поэтому как одинаковые передаются не только полностью идентичные, но и похожие фрагменты.

В результате исчезают мелкие детали, изображение принимает характер рисунка.

GD («групповой дифференциал») – максимальное различие меж- ду фрагментами, при котором кодеру ещё разрешено применять групповую передачу. Чем больше GD, тем больше сжатие и меньше качество. При GD = 0 нет потерь информации, но сжатие, как пра- вило, очень незначительно.

Сжатие палитры

1.Анализируется кадр или фрагмент сюжета (для случая видео- данных). Отбирается определенное количество цветов, наиболее важных для восприятия цвета в кадре. Данные цвета относят к так называемым «базовым», передаются без искажений.

2.Остальные цвета заменяются на ближайшие из отобранных. Результат: меньше количество используемых цветов, более

компактный код цвета, искажение цвета (особенно, если число ото- бранных, т. н. базовых, цветов) мало.

Психофизиологические методы

Это методы, основанные на учете особенностей зрения и слуха человека.

1. «Эффект временной усталости» – после громкого звука чело- век некоторое время не слышит тихий.

21

2.«Эффект маскирования» – мощный низкочастотный звук де- лает неслышимыми звуки, близкие по частоте, но более высокие.

3.Учет спектральной чувствительности слуха. Звуки, находящиеся на краях спектра, человек слышит хуже, чем в середине диапазона, в частности плохо отличает низкие и высокие звуки по частоте. Приме- няют прием сужения диапазона, когда очень низкие и очень высокие звуки заменяются на звуки, лежащие ближе к середине спектра. Кроме того, края диапазона в целом подвергаются более сильному, чем сере- дина диапазона, сжатию с использованием различных методов.

4.Учет спектральной чувствительности зрения. Искажение цве- тов на краях цветового диапазона (красный, синий) воспринимается не так заметно, как искажение цветов середины диапазона (оранже- вый, желтый, зеленый).

Популярные форматы разрушающего сжатия

Сжатие статичной графики

Распространение приобрел алгоритм сжатия фотографических изображений JPEG.

Коэффициент сжатия – от 1 до 100, искажение зависит от степе- ни сжатия.

Другие стандарты (например, PNG, TIFF) более ориентированы на сжатие схем, чертежей, рисунков и используют в зависимости от содержащейся в файле информации как методы разрушающего, так и неразрушающего сжатия.

Сжатие динамической графики

DCM – алгоритм, применяемый при передаче телевизионного сигнала, а также для хранения архивных видеоматериалов. В основ- ном используется дифференциальное кодирование, передачу с ис- пользованием DCM иногда называют «телемодемной передачей».

Сжатие аудио

1. ATRAC (1.0 – 5.ХХ) разработан Sony для системы звукозаписи «мини-диск». Коэффициент сжатия около 3. Позволяет звуковую информацию, размещающуюся на CD (650 Mb) разместить на ком- пактном минидиске (240 Mb). Уровень искажений такой, что при передаче популярной музыки искажения, как правило, не заметны.

22

2. МР3 – коэффициент сжатия больше, чем у ATRAC, и регули- руемый. Выделим три стандартных алгоритма с уровнем сжатия:

1)64 Кб/сек – пригоден для передачи речи;

2)128 Кб/сек – передача музыки без претензий на качество;

3)256 Кб/сек – качество звука приближается к ATRAC.

История МР3: МР3 – это вырезанный из стандарта MPEG3 фрагмент, занимающийся кодированием аудио. MPEG3 разрабаты- вался как стандарт видеотелефонной связи. МР3 был выделен из MPEG3 хакерами, которых привлекла возможность сильного сжа- тия и отсутствие каких-либо средств защиты авторских прав. До сих пор распространение МР3 – предмет конфликтов между держате- лями авторских прав на аудиопродукцию и некоторыми распро- странителями продукции в формате МР3.

Совместное сжатие аудио и видео

1.AVI – стандартный метод сжатия для ОС Windows, программы сжатия / декомпрессии входят в Windows. В последнее время из-за создания и распространения более совершенных форматов приме- няется реже. Можно встретить в игровых программах.

Характеристики:

- степень сжатия – 1 час / 1 Гбайт; - разрешение – 200 × 320;

- качество картинки – посредственное, заметно искажение цве- тов, динамики.

- требования к аппаратуре низкие (применим на любой конфигу- рации, совместимой с Windows).

2.MPEG1 (MP1) – более поздняя разработка, чем AVI, выше ка- чество изображения, лучше звук. Требования к компьютеру выше, чем у AVI, но по современным понятиям очень скромные.

Характеристики:

- степень сжатия – 1 час / 1 Гбайт; - разрешение – 240 × 320;

- качество картинки удовлетворительное, иногда заметно нару- шение динамики, умеренное искажение цвета.

3.MPEG4 (MP4) – последняя разработка для замены MPEG1. Характеристики:

- степень сжатия – 2 часа / 1 Гбайт; - разрешение – до 420 × 560;

- качество аудио соответствует качеству МР3, видео – качество хорошее, но при условии проигрывания на высокопроизводитель-

23

ном компьютере, иначе заметно нарушение динамики и «мульти- пликативность» изображения;

-требования к аппаратуре по современным понятиям довольно высокие.

4. МР2 (Mpeg2) – формат с низким коэффициентом сжатия. Спо- собен обеспечить качество, сравнимое с качеством обычного теле- визионного приема.

Характеристики:

-степень сжатия – 15 минут / 1 Гб;

-разрешение – до 578 × 720;

-аудио – шестиканальное аудио по системе 5.1 (5 колонок и 1 сабвуфер).

Применение: Конкретизация MPEG2 применяется как стандарт- ный формат для DVD проигрывателей.

Универсальные методы сжатия

Сюда относятся методы, которые инвариантны к сжимаемым данным, т. е. сожмут любую информацию, поступившую на вход кодера.

Как правило, универсальность достигается за счет снижения ка- чества сжатия и увеличения потерь полезной информации.

АО РСМ (АДИКМ) – импульсно-кодовая модуляция. Применя- ется на телефонных каналах для подключения удаленных пользова- телей. Один из главных «врагов» модема, поскольку скорость рабо- ты модема на каналах с использованием АДИКМ, как правило, не превышает 9600 бит/с.

Оборудование и материалы

Для выполнения лабораторной работы необходим персональный компьютер со следующими характеристиками:

-процессор Intel Celeron G1850 OEMс,

-оперативная память не менее 512 Мбайт,

-свободное дисковое пространство не менее 320 Гбайт,

-устройство для чтения компакт-дисков,

-монитор типа Super VGA (число цветов 256) с диагональю не

менее 17².

Программное обеспечение – операционная система WINDOWS XP, пакет MathCAD, MicroSoft Office.

24

Указания по технике безопасности

См. Лабораторная работа 1.

Задания к лабораторной работе

Задание 1. Проанализируйте особенности основных разновидно- стей информации, из тех разновидностей информации, данные по которым могут храниться и передаваться с применением разруша- ющего сжатия.

Задание 2. Предложить методы, которые могли бы быть исполь- зованы для каждого из этих случаев.

Содержание отчета и его форма

Отчет по лабораторной работе должен включать:

1)название лабораторной работы;

2)ответы на контрольные задания;

3)формулировки индивидуального задания и порядка его вы- полнения.

Отчет о выполнении лабораторной работы в письменном виде сдается преподавателю.

Контрольные вопросы

1.Назначение методов разрушающего сжатия.

2.Перечислите приемы разрушающего сжатия.

3.В чем заключается механизм дифференциального кодирования?

4.Разрушающее групповое кодирование. Общая характеристика.

5.Сжатие палитры. Назначение.

6.Охарактеризуйте методы психофизического сжатия.

7.Приведите классификацию форматов разрушающего сжатия.

8.В чем заключается механизм сжатия статичной графики?

9.Охарактеризуйте механизм сжатия динамической графики.

10.Алгоритм сжатия аудио. Общая характеристика.

11.Дайте характеристику алгоритмам совместного сжатия аудио

ивидео.

12.Охарактеризуйте универсальные методы сжатия.

Литература по данной теме

Основная: 1, 2, 3, Дополнительная: 2, 4, 3.

25

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВ ПОСТРОЕНИЯ ОЗУ. КЛАССИФИКАЦИИ И ЦИКЛ ДОСТУПА К ПАМЯТИ

Цель работы – освоить необходимые сведения об устройстве, характеристиках оперативных запоминающих устройств.

Формируемые компетенции

проектно-технологическая деятельность – ПК-12; производственно-технологическая деятельность – ПК-18; организационно-управленческая деятельность – ПК-19.

Теоретическая часть

Классификация по типу запоминающих ячеек

Различают 2 типа микросхем:

а) статические – 1 бит информации хранится на электронном устройстве, называемом триггером и состоящим из 4 или 6 транзи- сторов. Информация, занесенная в триггер, хранится в нем до вы- ключения питания;

б) динамические – 1 бит информации хранится в виде заряда на 1 транзисторе (есть заряд – 1, нет заряда – 0). Записанная информация постепенно стирается, поскольку заряд с транзистора постепенно рассасывается.

Особенности ОЗУ на динамических ячейках памяти

Рассмотрим процесс записи и хранения бита данных для дина- мического ОЗУ:

Рис. 5.1. Бит данных для динамического ОЗУ:

tз – момент записи 1 в ячейку памяти ОЗУ; tc – момент стирания из-за падения напряжения; u < u1 и 1 превратилась в 0; u – напряжение

на транзисторе; u1 – пороговое напряжение единицы.

26

Если u > u1, то ячейка памяти хранит 1, если u < u1 – 0.

1 – с течением времени заряд уменьшается и напряжение падает; tх – время хранения (в течение которого 1 остается), для разных микросхем tр от 100 мкс до 1 с.

Заметим, что время хранения данных в ячейках динамического ОЗУ ограничено, и ограничено сильно. Кроме того, неприятная особенностью ячеек памяти, построенных динамически, состоит ещё и в том, что при считывании данных из ячейки динамической памяти заряд, хранимый на транзисторе, рассасывается, и соответ- ственно информация разрушается, т. е. значение, хранимое ячейкой (независимо от предыдущего состояния), при считывании сбрасы- вается в нулевое значение.

Возникает законный вопрос: каким же образом микросхемы ди- намической памяти работоспособны, каким образом могут сохра- нять долго записанные в микросхему данные?

Выход найден. Работу микросхем динамической памяти обеспе- чивает специальный способ построения памяти на микросхемах ди- намической памяти, а именно способ, включающий поддержку как контроллером памяти, так и самими микросхемами динамической памяти двух специфических механизмов (приемов) работы, а именно:

а) механизма восстановления; б) механизма регенерации.

Механизмы восстановления и регенерации динамической памяти

Механизм восстановления

Механизм регенерации обеспечивает сохранение правильности (точнее, на профессиональном языке говорят «целостности») дан- ных в микросхеме ОЗУ, по завершении процесса считывания за- прошенного из ОЗУ слова данных.

При считывании данные не сразу поступают в приёмник инфор- мации (например, процессор), а сначала записываются в так называ- емый «статический буфер» – специальные ячейки статической памя- ти, включённые в состав либо самих микросхем динамической памя- ти, либо в состав контроллера памяти (микросхем, управляющих ра- ботой памяти). Далее из «статического буфера» данные не только

27

передаются приёмнику, но и вновь записываются в те динамические ячейки, из которых они только что были выбраны. Процесс возврата

данных в динамические ячейки после осуществления считывания этих ячеек (разумеется, с целью восстановить только что разрушен- ную при считывании информацию) называется «восстановлением ячеек». Более того, заметим, механизм восстановления реализуется таким образом, что при считывании слова данных из памяти в стати- ческий буфер считывается не только запрошенное слово данных, но и множество других соседних ячеек динамической памяти (считыва- ется, как говорят, «строка данных», содержащая в том числе – как часть считываемых данных – данные запрошенного слова), далее возвращается (восстанавливается) в ячейки динамической памяти не только запрошенное слово, но и все содержимое статического буфе- ра, вся «строка данных» из статического буфера. Таким образом, при считывании слова данных, восстанавливаются не только данные за- прошенного слова, но и данные всей строки, содержащей запрошен- ное слово. Такое «массовое», избыточное восстановление позволяет упростить реализацию следующего рассматриваемого нами меха- низма – механизма регенерации.

Механизм регенерации

Механизм регенерации обеспечивает длительное хранение запи- санных в ОЗУ данных, хранении в течение времени большем чем tх – время хранения данных, вплоть до «бесконечно» длительного хранения (настолько длительного, насколько длительно работает ЭВМ).

Если ОЗУ построена на динамических микросхемах, то ЭВМ устроена так, что осуществляется периодическая т. н. «регенера- ция», состоящая в следующем:

1)через промежутки времени tр («время регенерации»), такие что выполняется условие tр < tх, нормальная работа ОЗУ приостанавли- вается;

2)контроллер памяти осуществляет цикл чтения части ячеек па- мяти, считываются ячейки так, чтобы оказалось считанным слово данных из каждой из строк. Считываемые данные никуда далее не передаются, но в процессе их считывания происходит не только собственно считывание, но, как мы установили раньше, ещё и про- цесс восстановления данных: данные из считанных строк возвра-

28

щаются в ячейки динамической памяти и соответственно как бы «обновляются» (уже частично утраченный в процессе хранения за- ряд восстанавливается), начинается новый цикл хранения – до сле- дующей регенерации;

3) по окончании цикла регенерации нормальная работа ОЗУ воз- обновляется.

Достоинства, недостатки, применение статических и динамических ОЗУ

Достоинства статических микросхем:

-высокая скорость – время выборки может составлять менее 1 нс;

-нет необходимости регенерации;

-после окончания выборки данных, микросхема практически сразу готова к новому циклу чтения или записи. В отличие от дина- мической памяти нет периода «восстановления», в течение которого микросхема не готова к работе.

Достоинства динамических микросхем

–низкое энергопотребление (в 10–100 раз меньше, чем у стати- ческой памяти);

–низкая стоимость (раз в 4–6 ниже, чем у статической памяти).

Применение

Статическая память применяется для построения ОЗУ некото- рых, наиболее быстрых ЭВМ старших классов, а также для постро- ения КЭШ-памяти.

Динамическая память – применяется для построения ОЗУ боль- шинства ЭВМ.

Цикл доступа к памяти

Оперативная память, особенно динамическая, – медленное устройство и цикл доступа к ней осуществляется в течение не- скольких тактов:

29

А – такт адреса. Контроллер памяти в такте передает микросхе- мам памяти адрес запрашиваемых данных;

D – такт данных. В этом такте микросхемы памяти передают контроллеру памяти запрошенные данные;

W1 – Wn – такты ожидания. В эти такты осуществляется поиск данных, и все устройства ждут (Wait), пока микросхемы выдадут данные. Чем микросхема медленнее, тем больше число тактов ожи- дания потребуется;

R1 – Rk – такты восстановления. В течение этих тактов микро-

схема памяти восстанавливает свое состояние и не готово к началу следующего цикла. Контроллеру следует подождать, прежде чем начинать следующий цикл.

tд – время доступа;

tв – время восстановления. (особенно велико время восстановле- ния для микросхем динамической памяти, т. к. в течение этого вре-

мени осуществляется описанный ранее процесс возврата считанных данных – процесс восстановления);

tц – время цикла, при этом для динамических микросхем tд ≈ tв, tц ≈ 2tд.

Выводы

1.На выборку одного элемента данных потребуется множество тактов.

2.Считав данные, прежде чем начинать – следующую выборку, придется ждать восстановления микросхемы.

Оборудование и материалы

Для выполнения лабораторной работы необходим персональный компьютер со следующими характеристиками:

-процессор Intel Celeron G1850 OEMс,

-оперативная память не менее 512 Мбайт,

-свободное дисковое пространство не менее 320 Гбайт,

-устройство для чтения компакт-дисков,

-монитор типа Super VGA (число цветов 256) с диагональю не

менее 17².

Программное обеспечение – операционная система WINDOWS XP, пакет MathCAD, MicroSoft Office.

30