Ieee-488

IP

IPX

Myrinet

TCP

Token Ring

UDP

SPX

FDDI

QsNet

USB

Ieee 1394 (Firewire, iLink)

X.25

Frame relay

Bluetooth

Ieee 802.11

Systems Network Architecture

RapidIO

[править]

Уровни

Коммутация пакетов

Frame relay

PDH

Ethernet

RS-232

Передача по оптоволоконному кабелю

Synchronous optical networking

Fiber distributed data interface

Беспроводная связь

Ближнего радиуса действия

Bluetooth

Human Area Network

Среднего радиуса действия

IEEE 802.11

Netsukuku

IEEE 802.16e WiMAX

Дальнего радиуса действия

Спутниковая связь

MMDS

SMDS

Передача данных при помощи мобильных телефонов

CSD

GPRS

HSCSD

EDGE

UMTS

HSDPA

HSUPA

CDMA

IEE 802.16e WiMAX

CDPD

Paging networks

DataTAC

Mobitex

Motient

Локальная сеть представляет собой систему распределенной обработки информации, составляющую как минимум из двух компьютеров, взаимодействующих между собой с помощью специальных средств связи. Компьютеры, входящие в состав сети, выполняют достаточно широкий круг функций, основными из которых являются:

организация доступа к сети;

управление передачей информации;

предоставление вычислительных ресурсов и услуг абонентам сети.

Конечно, компьютерная сеть может состоять и из двух компьютеров, но, как правило, их число в сети существенно больше. При этом компьютерная сеть не является простым объединением компьютеров, а представляет собой достаточно сложную систему. Любая компьютерная сеть характеризуется (рис. 1) топологией, протоколами, интерфейсами, сетевыми техническими и программными средствами.

Топология компьютерной сети отражает структуру связей между её основными функциональными элементами. В зависимости от рассматриваемых компонентов, принято различать физическую и логическую структуры локальных сетей. Физическая структура определяет топологию физических соединений между компьютерами. Логическая структура определяет логическую организацию взаимодействия компьютеров между собой

Под сетевыми техническими средствами подразумеваются различные физические устройства, обеспечивающие объединение компьютеров в единую компьютерную сеть.

Протоколы представляют собой правила взаимодействия функциональных элементов сети. Интерфейсы - средства сопряжения функциональных элементов сети. Следует обратить внимание, что в качестве функциональных элементов могут выступать как отдельные устройства, так и программные интерфейсы.

Сетевые программные средства осуществляют управление работой компьютерной сети и обеспечивают соответствующий интерфейс с пользователями. К сетевым программным средствам относятся сетевые операционные системы и вспомогательные (сервисные) программы.

Каждая из составляющих локальных сетей характеризует её отдельные свойства, и только их совокупность определяет всю сеть в целом. Таким образом, выбор локальной сети заключается в выборе её топологии, протоколов, аппаратных средств и сетевого обеспечения. Каждый из этих компонентов является относительно независимым.

Локальные компьютерные сети

Ethernet

В настоящее время из относительно небольших компьютерных сетей со скоростью передачи до 10 Мбит/с. наиболее широкое распространение получила сеть Ethernet. Эта сеть предназначена для объединения различных учрежденческих (в том числе банковским и офисных) рабочих станций в локальную сеть. Сеть характеризуется низкой стоимостью, простотой наладки и эксплуатации. Для данного типа сетей существует достаточно большой набор программных и аппаратных средств. Успешный опыт эксплуатации сети Ethernet позволил взять её за основу при разработке стандарта IEEE 802.3 для магистральных сетей с множественным доступом, контролем передачи и обнаружением столкновений.

В качестве физической среды стандартом IEEE 802.3 определены два типа коаксиального кабеля, витая пара проводников и оптоволоконный кабель. Соответственно, различают четыре типа спецификации передающей среды: 10BASE5, 10BASE2, 10BASE-T и 10BASE-F. Одной из первых появилась спецификация 10BASE5, определяющая использование толстого коаксиального кабеля с диаметром центрального медного провода 2,17 мм. Спецификация 10BASE2 определяет использование тонкого коаксиального кабеля с диаметром центрального провода 0,89 мм.

Характеристики кабеля оказывают влияние на такие параметры сети, как дальность передачи по кабелю без повторителей, максимальное число станций, подключаемых к одному сегменту и др. Чтобы различить сети на базе кабелей этих типов. В первом случае говорят о сети толстая Ethernet, а во втором - тонкая Ethernet.

Так, максимальная длина сегмента, то есть участка сети без дополнительных усилителей (повторителей), для системы 10BASE5 составляет 500 метров. К сегменту допускается подключение до 100 станций. На концах сегмента размещаются терминаторы, предотвращающие возникновение эффекта отраженной волны на конце коаксиального кабеля. Терминатор имеет такое же волновое сопротивление, как и коаксиальный кабель - 50 Ом. Для подключения станций к передающей среде используется специальный приемопередатчик (трансивер) и адаптер. Трансивер выполняет функции модуля связи со средой, обеспечивая прием и усиление электрических сигналов, поступающих из кабеля, и передачу их обратно в коаксиальный кабель и сетевой адаптер. Для повышения надежности сети в трансивере осуществляется гальваническая развязка из четырех пар проводников, и разъема DB-15 трансивер связан с сетевым адаптером, который размещается внутри рабочей станции. Первая пара проводников используется для передачи сигналов в адаптер, вторая - для приема. Третья пара проводников используется для индикации столкновений кадров, а последняя - для подачи питания на трансивер.

Длина интерфейсного кабеля между адаптером и трансивером может достигать 50 метров. Это позволят в достаточно больших пределах менять месторасположение станций, не затрагивая основной кабель, который прокладывается от одного помещения к другому, как правило, в специальных монтажных коробах. Внутри помещения преимущественно используются трансиверный кабель.

Максимальное число станций, подключаемых к сегменту, должно быть не больше 30. Подключение станций осуществляется с помощью T- и BNC-коннектора с волновым сопротивлением 50 Ом. T-коннектор представляет собой небольшой тройник, который одной стороной подключается к сетевому адаптеру, а двумя другими через BNC-коннекторы - к коаксиальному кабелю. BNC-коннекторы подсоединяются к коаксиальному кабелю путем распайки, обжима или закрутки. В двух последних случаях используется специальный монтажный инструмент. На свободном конце оконечных рабочих станций должен располагаться специальный терминатор, представляющий собой небольшую заглушку с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля.

Терминатор используется для поглощения сигналов на концах коаксиального кабеля и предотвращения эффекта отраженной волны. Один из терминаторов (но не оба) должен быть заземлен. Иначе сеть будет работать неустойчиво.

Используя специальные повторители (репитеры), можно объединять между собой до пяти сегментов сети. Репитеры могут располагаться в произвольном участке сегмента, образуя сети различной конфигурации - линейной или разветвленной.

Более того, повторители позволяют объединять сети с толстым и тонким кабелем. В настоящее время появились многопортовые повторители, позволяющие объединять несколько сегментов в виде звездообразной структуры. Таким образом, с помощью повторителей может быть реализована топология локальной компьютерной сети, близкая к оптимальной. При этом необходимо соблюдать так называемое правило "5-4-3". В соответствии с этим правилом можно объединять между собой не более пяти сегментов сети, используя для этого четыре повторителя. Цифра три указывает на то, что к трем сегментам могут быть подключены узлы сети.

Совершенствование сетевых средств, и в первую очередь адаптеров, позволило широко использовать витые пары проводников в качестве передающей среды локальных компьютерных сетей. Так, в рамках сети Ethernet и, соответственно, стандарта IEEE 802.3 разработана спецификация 10BASE-T, определяющая использование в качестве передающей среды витой пары проводников категории 3 и длиной кабеля до 100 метров. Основным структурным элементом сети является концентратор (Hub), к которому радикальным образом (рис.2) подключаются рабочие станции.

Используя несколько концентраторов, можно построить сеть достаточно сложной конфигурации. Например, объединив два концентратора с помощью коаксиального кабеля, можно получить локальную сеть, представленную на рис.3.

Для соединения витых пар проводников с концентратором и сетевым адаптером используются стандартные телефонные разъемы RJ-45. По своей структуре и функциональным характеристикам адаптер станции совместим с адаптерами для коаксиального кабеля.

Дальнейшее повышение эффективности сетей Ethernet связывается с использованием коммутирующих концентраторов (switching hub), которые в отличие от обычных (ретранслирующих) концентраторов позволяют рассматривать сегменты сети в качестве отдельных сетей, связанных вместе через интерфейс коммутации пакетов. Коммутирующий концентратор снабжен двумя буферами на каждый подключаемый порт: для принимаемых и передаваемых пакетов. Благодаря этому коммутируемый концентратор работает аналогично узлу коммутации пакетов, принимая и передавая пакеты одновременно между различными парами абонентов. Это, наряду с увеличением производительности, позволяет избежать столкновений пакетов. Компьютерные сети, использующие подобную технологию, получили Switch Ethernet.

Также новым технологическим направлением развития сетей Ethernet является оптоволоконная сеть Ethernet 10BASE-F со скоростью передачи 10 Мбит/с. В качестве передающей среды используется 50- или 100-микронный оптоволоконный кабель. Сеть характеризуется звездообразной топологией, которая поддерживается с помощью оптоволоконных концентраторов. Максимальная длина одного луча (сегмента) составляет 2100 метров.

FAST ETHERNET

Сеть Fast Ethernet представляет собой дальнейшее различие сети Ethernet за счет увеличения в 10 раз тактовой частоты. При этом основные аспекты построения сети Ethernet остались неизменными. В первую очередь это касается метода доступа, формата кадра и др. Основные отличия касаются физического уровня и связаны используемой передающей средой.

В соответствии со стандартом IEEE 802.3u для технологии Fast Ethernet в зависимости от применяемого кабеля определены следующие три наименования: 100Base-TX и 100Base-T4 - для витой пары проводников и 100 Base-FX - для оптоволоконного кабеля.

Система 100Base-FT использует две пары проводов: одну для передачи, другую - для приема данных. Наиболее распространенной средой является неэкранированная витая пара. В этом кабеле пары проводников должны быть завиты по всей длине, за исключением его концов, где кабель подключается к разъемам. Длина невитого участка не должна превышать 1-1,5 см. протяженность сегментов в сети 100Base-TX на кабеле UTP категории 5 с волновым сопротивлением 100 Ом не должна превышать 100 м. Это ограничение диктуется допустимым временем задержки распространения сигнала в передающей среде и является достаточно жестким. С целью снижения влияния помех используется биполярная передача: по одному из проводов передается положительный, а другому - отрицательный потенциал.

льзование кабелей UTP категорий 3, 4 и 5, однако рекомендуется использование кабеля категории 5. Из четырех используемых пар две предназначены для однонаправленной передачи, а две другие - для двунаправленной передачи. Пары обозначаются следующим образом: TX - для однонаправленной передачи данных; RX - для однонаправленного приема; BI - две остальные пары для обмена данными в обоих направлениях. С целью снабжения уровня помех при подключении кабеля 100Base-T4 необходимо придерживаться правила перекрестного соединения пар проводников.

Обе спецификации ограничивают диаметр сети (максимальное расстояние между любыми двумя абонентами) величиной в 200 м.

Спецификация не оптоволоконный интерфейс 100Base-FX определяет длину сегмента до 100 м, однако, допустимый диаметр сети равен 412 м. По спецификации 100Base-FX для каждого соединения требуется двухжильный многомодовый волоконно-оптический кабель, в котором по одному волокну передается, а по - другому принимается сигнал. Эти волокна имеют перекрестное соединение и поэтому обозначаются как RX и TX. Существует много видов волоконно-оптических кабелей, от простых двух волоконных до специальных многоволоконных кабелей. Наиболее часто в сегментах 100Base-FX используется многомодовый кабель MMF с оптоволокном толщиной 62,5 микрона и внешней изоляцией толщиной 125 микрон (обозначается как 62,5/125).

Для подключения может использоваться один из трех типов коннекторов:

рекомендуемый стандартом дуплексный коннектор SC, достаточно простой в применении;

FDDI-коннектор, заимствованный из сетей FDDI;

штыковой ST-коннектор, используемый в сетях 10Base-FL.

Сети с маркерным методом доступа

Одной из первых локальных сетей с маркерным методом доступа является сеть ArcNet фирмы Datapoint. Скорость передачи информации по современным понятиям относительно невысокая - 2,5 Мбит/с, однако последняя разработка сети - ArcNet Plus работает на скорости 20 Мбит/с. Считается, что на основе ArcNet был разработан стандарт IEEE 802.3, однако между ними существует достаточно много отличий. В связи с этим остановимся на рассмотрении сетей стандарта IEEE 802.4. Эти сети, как и ArcNet, используют маркерный метод доступа в рамках шинной топологии. Доступ осуществляется с помощью непрерывно передаваемого кадра маркера определенного формата. Передача маркера происходит от одной станции к другой в порядке убывания их логических адресов. Станция с наибольшим адресом циклически передает кадр маркера станции с наибольшим адресом, тем самым, замыкая логическое кольцо передачи маркера. Станция, которая получает маркер от другой станции, относительно нее называется преемником. Соответственно, станция, о которой поступает маркер, называется предшественников. Так для станции Ст2 предшественником является станция Ст3, а преемников - станция Ст1.

Следует заметить, что последовательности расположения станций в логическом кольце не обязательно должна соответствовать последовательность их физического размещения на шине. Более того, некоторые станции могут быть вообще не включены в логическое кольцо. Так, представленные на рис.4 станции с номерами с первого по пятый принадлежат логическому кольцу, а шестая - нет. Основное различие между ними заключается в том, что станция, не входящая в логическое кольцо, не получает кадр маркера и, соответственно, она не может передавать кадры данных. Такая станция считается пассивной и может только принимать адресованные ей кадры данных. Протоколом функционирования сети предусмотрена возможность включения пассивных станций в логическое кольцо, после чего они получат право передавать кадры данных.

Управление сетью, в том числе и реконфигурация логического кольца, осуществляется децентрализованным способом. В каждым момент времени функция управления берет на себя станция, владеющая маркером. В том числе она осуществляет:

генерацию (реконфигурацию) логического кольца;

контроль за передачей маркера;

изменение параметров управляющих алгоритмов;

прием и обработку запросов на подключение пассивных станций к логическому кольцу.

Для передачи данных и управления сетью определены кадры: данных, управления и прерывания. Кадры данных управления имеют одинаковую структуру и различают между собой только содержимым поля управления кадром, а также полем данных.

Каждому кадру предшествует преамбула, включающая от одного до нескольких символов заполнителей - в зависимости от скорости передачи и применяемого метода модуляции сигналов. За преамбулой следует начальный ограничитель кадра длиной в один байт. Следующий за ним байт содержит управляющую информацию, с помощью которой определяется тип кадра. За полем управления кадром следует двух - или шестибайтовые поля адресов получателя и отправителя информации. Последующее за ним поле данных содержит информацию, поступающую с подуровня управления логическим каналом либо формируемую диспетчером. Под значение контрольной последовательности кадра отведены следующие шесть байтов. Кадр завершается однобайтовым полем конечного ограничителя. Два младших разряда поля управления кадром указывают на тип кадра. Кроме того, существуют семь типов управляющих кадров, которые кодируются с помощью четырех старших разрядов поля управления кадром.

В процессе работы компьютерной сети может динамически меняться ее логическое кольцо, то есть станции могут, как отключаться, так и подключаться к ней.

В качестве дополнительных (факультативных) возможностей обеспечивается механизм приоритетного доступа к передающей среде. Определены четыре класса обслуживания номерами 6, 4, 2, 0 и приоритетом в порядке убывания номера класса.

В зависимости от используемых сетевых средств может быть реализована различная топология сети: линейная, звездообразная или древовидная. Основной областью применения сетей стандарта IEEE 802.4 является сфера производственных сетей, где представляются жесткие требования к сетевому трафику. В первую очередь сюда относятся компьютерные сети крупных машиностроительных заводов.

наверх

Token Ring

Из кольцевых сетей с маркерным методом доступа наиболее распространенной является сеть Token Ring. Эта сеть разработана фирмой IBM. По своей популярности Token Ring, пожалуй, не уступает сети Ethernet. Фирма IBM провела большую работу по стандартизации сети Token Ring, в результате чего она была принята сначала в качестве стандарта IEEE 802.5, а затем и международного стандарта ISO/DIS 8802/5. Стандартом определена скорость передачи 4 Мбит/с. В настоящее время используются сети со скоростью 16 Мбит/с.

Являясь одной из первых кольцевых сетей с маркерным методом доступа, сеть Token Ring оказала существенное влияние на идеологию построения локальных сетей. Следует заметить, что сеть Token Ring является кольцевой по способу организации передающей среды, ноне по топологии, которая может быть достаточно сложной и больше напоминает звездообразную структуру, чем кольцевую. Внешне ее бывает трудно отличить от таких сетей, как Ethernet, ArcNet и им подобным.

Сравнивая маркерный метод доступа в сетях с шинной и кольцевой топологией, необходимо отметить два основных отличия. Во-первых, в направлении по кольцу, независимо от месторасположения станций. Во-вторых, протокол IEEE 802.5 предусматривает полный цикл вращения кадра данных, то есть кадр должен возвращаться его отправителю. При этом получатель дополняет кадр информацией о его приеме. Только после этого маркер "освобождается" и передается дальше по кольцу.

Функционирование сети обеспечивается с помощью управляющих кадров и рассматривается как выполнение ряда взаимосвязанных процессов. Управление работой сети осуществляется централизованным способом с помощью так называемого активного монитора, являющегося главным менеджером связи в кольце. Следует заметить, что активным монитором может быть любая, но в каждый конкретный момент только одна станция. Активный монитор отвечает за передачу управляющей информации и данных всеми станциями кольца. В том числе он отвечает за поддержку главного тактового генератора, осуществляет требуемую задержку передачи, следит за потерянными кадрами и маркером. Однако активный монитор не берет на себя абсолютно все функции управления кольцом, часть их выполняется другими станциями сети, которые в этом случае называются пассивными мониторами.

Подключение станции к передающей среде осуществляется с помощью кабеля сопряжения со средой и специального блока подключения к среде. Кабель сопряжения со средой представляет собой две витых пары проводников, одна из которых служит для передачи, а вторая - для приема данных. Со стороны блока подключения используется нормально замкнутый разъем данных IBM. При рассоединении этого разъема контакты его ответной части замыкают соответствующие линии магистрального канала, а в случае подключения кабеля сопряжения магистральный канал коммутируется на принимающую и передающую пары проводников. Со стороны сетевого адаптера может использоваться штекерный разъем типа DB-9 или телефонный разъем RJ-45. Современные сетевые адаптеры являются достаточно "интеллектуальными" устройствами, автоматически распознающими среду и скорость передачи (4 или 16 Мбит/с). Эти адаптеры позволяют осуществлять удаленную загрузку программ и поддерживают большинство современных сетевых операционных систем, в том числе Novell NetWare 4.0 и Windows NT.

В настоящее время существует достаточно большое количество типов блоков подключения к среде. В простейшем случае блок подключения представляет собой пассивное устройство, позволяющее подключать одну станцию к магистральному кабелю. Однако наиболее часто используются многостанционный модуль доступа (MAU - Multistation Access Unit), обеспечивающий подключение нескольких станций к магистральному кабелю. Подключение осуществляется радикальным способом, то есть к одной точке подключения подсоединяется несколько станций. Примером пассивных устройств служит устройство IBM 8228, обладающее достаточно высокой степенью надежности. Наряду с пассивными устройствами для подключения станций широко используются активные управляющие устройства, в том числе контроллеры и концентраторы. Наиболее известным из них является "высокоинтеллектуальный" контроллер управления доступом IBM 8230, различные модификации которого позволяют подключать от 2 до 20 станций. Допускается последовательное соединение до четырех подобных устройств, что обеспечивает подключение 80 станций. С помощью данного контроллера осуществляется управление доступом станций к кольцу и сетью в целом. В качестве примера концентратора можно привести устройство IBM 8238, позволяющее подключать до 16 станций. Допускается последовательное соединение 8 подобных устройств, что позволяет с их помощью подключить к сети до 128 станций. Как правило, активные и пассивные устройства размещаются в одной или нескольких стойках кабельных соединений, к которым и подключаются сетевые станции. В этом случае топология сети приобретает явно выраженный звездообразный характер. Существующий набор сетевых средств и устройств позволяет конструировать сети различной, достаточно сложной топологии, которая может максимально отражать реальное расположение компьютеров.

Заключение

Сеть Ethernet использует для управления передачей данных по сети конкурентную схему. Элементы сети Ethernet могут быть соединены по шинной или звездной топологии с использованием витых пар, коаксиального или волоконно-оптических кабелей.

Основным преимуществом сетей Ethernet является их быстродействие. Обладая скоростью передачи от 10 до 100 Мбит/с, Ethernet является одной из самых быстрых среди существующих локальных сетей. Однако такое быстродействие, в свою очередь, вызывает определенные проблемы: из-за того, что предельные возможности тонкого медного кабеля лишь незначительно превышают указанную скорость передачи в 10 Мбит/с, даже небольшие электромагнитные помехи могут значительно ухудшить производительность сети. Как показывает их наименование, сети IBM Token Ring используют для передачи данных схему с маркерным доступом. Сеть Token Ring физически выполнена по схеме "звезда", но ведет себя как кольцевая. Другими словами, пакеты данных передаются с одной рабочей станции на другую последовательно (как в кольцевой сети), но постоянно проходят через центральный компьютер (как в сетях типа "звезда"). Сети Token Ring могут осуществлять передачу как по незащищенным и защищенным витым проводным парам, так и по волоконно-оптическим кабелям.

Сети Token Ring существуют в двух версиях, со скоростью передачи в 4 или 16 Мбит/с. Однако, хотя отдельные сети работают на скоростях либо 4, либо 16 Мбит/с, возможно соединение через мосты сетей с разными скоростями (особенно версия со скоростью передачи 16 Мбит/с) и просты для установки. Однако по сравнению с сетями ArcNet сети Token Ring дороги.

Сеть ArcNet использует схему с маркерным доступом и может работать как в шинной, так и в звездной топологии. Схема "звезда" обычно обеспечивает лучшую производительность, так как при этой топологии возникает меньше конфликтов при передаче. ArcNet совместима с коаксиальными кабелями, витыми парами и волоконно-оптическими кабелями.

Системы ArcNet являются сравнительно медленными. Передача осуществляется на скорости лишь 2,5 Мбит/с, что значительно меньше, чем в других типах сетей. Несмотря на малое быстродействие, ArcNet сохраняет свою популярность. Её малая скорость передачи является в своем роде компенсацией за эффективный метод передачи сигналов ArcNet - сравнительно недорогая и гибкая система, которая легко устанавливается, расширяется и подвергается изменению конфигурации.

Стандартные цифровые интерфейсы.

В параллельном интерфейсе одновременно передается сразу несколько бит информации (например, 5,7 или 8 бит), причем, каждый передается по своей отдельной линии связи (проводу). Главное достоинство параллельных интерфейсов в высокой скорости передачи. Используются они, как правило, для передачи данных внутри компьютера. Примером могут быть внутренние шины компьютера (точнее, шины адреса и данных). Параллельные интерфейсы часто применяются для связи с быстродействующими устройствами при условии, что длина линий связи между устройством и компьютером не превысит 2-3 метров.

Последовательный интерфейс передает информацию бит за битом, для чего требуется только одна линия связи. Для контроля и управления передаваемыми данными, при передаче информационных битов к ним добавляется группа служебных битов.

Параллельный интерфейс — для каждого бита передаваемой группы имеется своя сигнальная линия (обычно с двоичным представлением), и все биты группы передаются одновременно за один квант времени, то есть продвигаются по интерфейсным линиям параллельно. Примеры: шина PCI (32 или 64 бита).

Последовательный интерфейс — используется лишь одна сигнальная линия, и биты группы передаются друг за другом по очереди; на каждый из них отводится свой квант времени (битовый интервал). Примеры: последовательный коммуникационный порт (СОМ-порт), последовательные шины USB и FireWire, интерфейсы локальных и глобальных сетей.

Очевидный недостаток параллельного интерфейса — большое количество проводов и контактов разъемов в соединительном кабеле (по крайней мере, по одному на каждый бит). Отсюда громоздкость и дороговизна кабелей и интерфейсных цепей устройств, но с этим мирятся ради вожделенной скорости. У последовательного интерфейса приемно-передающие узлы функционально сложнее, зато кабели и разъемы гораздо проще и дешевле. Понятно, что на большие расстояния тянуть многопроводные кабели параллельных интерфейсов неразумно (и невозможно), здесь гораздо уместнее последовательные интерфейсы. Эти рассуждения были основополагающими при выборе типа интерфейса примерно до начала 1990-х годов. Тогда выбор был прост: на ближних расстояниях (максимум — до пары десятков метров) при требованиях к высокой скорости использовали параллельные интерфейсы, а на дальних расстояниях или в случае неприемлемости параллельных кабелей — последовательные, жертвуя скоростью передачи.

Теперь поточнее разберемся со скоростью передачи данных. Очевидно, что она равна числу бит, передаваемых за квант времени, деленному на длительность кванта. Для простоты можно оперировать тактовой частотой интерфейса — величиной, обратной длительности кванта. Это понятие естественно для синхронных интерфейсов, у которых имеется сигнал синхронизации (clock), определяющий возможные моменты возникновения всех событий (смены состояния). Для асинхронных интерфейсов можно пользоваться эквивалентной

1 Бывают и не 8-битные байты.

тактовой частотой — величиной, обратной минимальной длительности одного состояния интерфейса. Максимальная (пиковая) скорость передачи данных равна произведению тактовой частоты на разрядность интерфейса. У последовательного интерфейса разрядность 1 бит, у параллельного — столько, сколько имеется параллельных сигнальных цепей для передачи битов данных. Остаются вопросы о достижимых тактовой частоте и разрядности. И для последовательного, и для параллельного интерфейсов максимальная тактовая частота определяется достижимым (при разумных цене и затратах энергии) быстродействием приемопередающих цепей устройств и частотными свойствами кабелей.

В параллельном интерфейсе есть явление перекоса (skew), существенно влияющее на достижимый предел тактовой частоты. Суть его в том, что сигналы, одновременно переданные с одного конца интерфейсного кабеля, доходят до другого конца не одновременно из-за отклонений характеристик цепей. На время прохождения влияют длина проводов, свойства изоляции, соединительных элементов и т. п. Очевидно, что перекос (разница во времени прибытия) сигналов разных битов должен быть явно меньше кванта времени, иначе биты будут искажаться (путаться с одноименными битами предшествующих и последующих посылок). Вполне понятно, что перекос ограничивает и допустимую длину интерфейсных кабелей: при одной и той же относительной погрешности скорости распространения сигналов на большей длине «набегает» и больший перекос. Перекос сдерживает и увеличение разрядности интерфейса: чем больше параллельных цепей, тем труднее добиться их идентичности. Из-за этого даже приходится «широкий» (многоразрядный) интерфейс разбивать на несколько «узких» групп и для каждой группы использовать свои управляющие сигналы. В 90-х годах в схемотехнике приемно-передающих узлов стали осваиваться частоты в сотни мегагерц и выше, то есть длительность кванта стала измеряться единицами и долями наносекунд. Достичь соизмеримо малого перекоса можно лишь в пределах жестких компактных конструкций (печатная плата), а для связи отдельных устройств кабелями длиной в десятки сантиметров пришлось остановиться на частотах до десятков мегагерц. Для того чтобы ориентироваться в числах, отметим, что за 1 наносекунду сигнал пробегает по электрическому проводнику порядка 20-25 сантиметров.

Для повышения пропускной способности параллельных интерфейсов с середины 90-х годов стали применять двойную синхронизацию (Dual Data Rate, DDR). Ее идея заключается в выравнивании частот переключения информационных сигнальных линий и линий стробирования (синхронизации). В «классическом» варианте данные информационных линий воспринимаются только по одному перепаду (фронту или спаду) синхросигнала, что удваивает частоту переключения линии синхросигнала относительно линий данных. При двойной синхронизации данные воспринимаются и по фронту, и по спаду, так что частота смены состояний всех линий выравнивается, что при одних и тех же физических параметрах кабеля и интерфейсных схем позволяет удвоить пропускную способность. Волна этих модернизаций началась с интерфейса АТА (режимы U1- traDMA) и прошла уже и по SCSI (Ultral60 и выше), и по памяти (DDR SDRAM). Кроме того, на высоких частотах применяется синхронизация от источника данных (source synchronous transfer): сигнал синхронизации, по которому определяются моменты переключения или действительности данных, вырабатывается самим источником данных. Это позволяет точнее совмещать по времени данные и синхронизирующие импульсы, поскольку они распространяются по интерфейсу параллельно в одном направлении. Альтернатива — синхронизация от общего источника (common clock) — не выдерживает высоких частот переключения, поскольку здесь в разных (географически) точках временные соотношения между сигналами данных и синхронизации будут различными.

Повышение частоты переключений интерфейсных сигналов, как правило, сопровождается понижением уровней сигналов, формируемых интерфейсными схемами. Эта тенденция объясняется энергетическими соображениями: повышение частоты означает уменьшение времени, отводимого на переключения сигналов. Чем больше амплитуда сигнала, тем большие требуются скорость нарастания сигнала и, следовательно, выходной ток передатчика. Повышение выходного тока (импульсного!) нежелательно по разным причинам: большие перекрестные помехи в параллельном интерфейсе, необходимость применения мощных выходных формирователей, повышенное тепловыделение.

В последовательном интерфейсе явление перекоса отсутствует, так что повышать тактовую частоту можно вплоть до предела возможностей приемнопере- дающих цепей. Конечно, есть ограничения и по частотным свойствам кабеля, но изготовить хороший кабель для одной сигнальной цепи гораздо проще, чем для группы цепей, да еще и с высокими требованиями к идентичности. А когда электрический кабель уже «не тянет» требуемые частоту и дальность, можно перейти на оптический, у которого есть в этом плане огромные, еще не освоенные «запасы прочности».

В истории развития шин расширения или системных шин, принято выделять три основных этапа – три поколения.

Год 1981-й, компания IBM выпускает в продажу первый массовый персональ-ный компьютер IBM PC, основанный на процессоре i8088. Именно в состав этого ком-пьютера входил первый представитель первого поколения системных шин: шина ISA (Industry Standard Architecture). Она имела 62 контакта, 8 из которых использовались для передачи данных, 20 - для передачи адреса, а остальные - для управляющих сигна-лов и питания. Пропускная способность шины составляла 1,2Мбай/сек, а тактовая час-тота – 4,77МГц.

Так было положено начало первому поколению шин расширения. Через три года (1984 г.) в компьютерах IBM PC/AT (Advanced Technology) появляется шестнадцати-разрядная версия шины ISA – шина ISA16, полностью совместимая с восьмиразрядной версией.

Затем, стремление компании IBM монополизировать рынок приводит к расколу на два конкурирующих стандарта. MCA (Micro Channel Architecture) – закрытый стан-дарт, разработанный IBM с целью вытеснить конкурентов, не совместимый с ISA. И «ответный удар» группы компаний (Compaq, Epson, Hewllett-Packard, NEC) - ISA-совместимая шина EISA (Extended ISA). Разрядность шин была поднята до 32 бит. Про-пускная способность MCA составила 20Мбайт/сек, а EISA – 33 Мбайт/сек.

И возможно компьютерный мир так и жил бы по двум конкурирующим стандар-там, но в расстановку сил вмешалась Intel, которая в 1992 г. перевела мир шин расши-рения во второе поколение, представив спецификацию 1.0 новой шины – шину PCI (Pe-ripheral Components Interconnect), которая была 32х разрядной, работала на частоте 33 МГц и имела пропускную способность 133Мбайт/сек. Кроме этого Intel запатентовала PCI и сделал стандарт общедоступным,. Однако, в своей основе все последующие спецификации PCI, а также различные ответвления (например,GP), носили экстенсивный характерДальнейший «разгон» параллельных шин по частоте влечѐт за собой усложне-ние механизмов синхронизации, а увеличение разрядности – удорожание и усложнение разводки проводников на печатной плате. К тому же, стремительное развитие компо

нентов компьютеров поставило крест на улучшении шин путѐм простого увеличения частоты и разрядности. Индустрии требовался качественно новый подход к проектиро-ванию шин расширения.

Результатом поиска этого «качественно нового подхода» стал переход на шины расширения третьего поколения. Новатором в этой области стала PCI-SIG, которая предложила архитектуру шины PCI Express (PCIe). –последовательная

Если взглянуть на тенденции развития всевозможных интерфейсов (рисунок 1), то нетрудно проследить путь, по которому идѐт «шиностроение».

Конечно, имеется в виду отказ от параллельных архитектур и переход к после-довательным. Сначала свои позиции сдаѐт LPT, «свергнутый» USB, затем, мы избавля-емся от раскидистых шлейфов IDE интерфейсов, заменѐнных аккуратными и тонень-кими SATA. Кроме того, «параллельность» теряет один из самых древнейших интер-фейсов SCSI, становясь Serial Attached SCSI (SAS). И вот пробил час PCI.

Повсеместный переход с параллельных на последовательные интерфейсы обу-словлен рядом значительных преимуществ последних. Да, организовать работу уст-ройств с параллельными интерфейсами значительно проще, грубо говоря, всегда из-вестно от какого контакта чего ожидать. Да, процессору из-за своей внутренней орга-низации в принципе удобнее обрабатывать параллельные данные. Но, далее идѐт много различных «но», которые делают последовательные интерфейсы более «привлекатель-ными» для разработчиков. Прежде всего, их большой масштабируемый потенциал на высоких частотах. Для параллельных интерфейсов повышение частот чревато неоправ-данно-высоким повышением латентности. Кроме того, последовательные интерфейсы физически меньше, откуда следует, что при использовании параллельных шин на пе-чатной плате нужно «развести» гораздо больше проводников, общая длина которых должна быть в пределах определѐнной погрешности одинаковой. Естественно, это не значит, что при изготовлении проводников для последовательных интерфейсов не тре-буется выдерживать равенство длин, но «аккуратно» развести плату гораздо проще с их меньшим количеством. Компактное размещение проводников в параллельных шинах

приводит к увеличению паразитных ѐмкостей, что опять же говорит за использование последовательных интерфейсов, где свободного пространства больше и ѐмкости можно уменьшить. Помимо этого, в различных последовательных интерфейсах (и PCIe не яв-ляется исключением) реализована технология LVDS (low-voltage differential signaling), которая позволяет уменьшать шумы и искажения в линиях, осуществлять контроль сигнала на электрическом уровне, а также, как следует из названия, работать с низкими значениями напряжения.

Логичным возражением против использования последовательных интерфейсов является сложность работы с передаваемой информацией, что, в общем-то, достаточно справедливо, так как информация передаѐтся блоками, без дробления на данные, адреса и служебную информацию. Это, в свою очередь, тре-бует реализацию более интеллектуальных контроллеров последовательных шин. Но, из чисто финансовых соображений, реализация «на кремнии» предпочтительнее для разработчиков, чем разводка большого числа проводников и золоченых контактов.

По факту, последними «непокоренными вершинами» для последовательных архитектур до недавнего времени оставались шины памяти и процессорные шины. «Бастион» последних пошатнулся ещѐ при выходе Hyper Transport (процессорная шина для AMD) и был окончательно разрушен QPI (Quick Path In-terconnect), которую использует Intel в своих самых производительных решениях на архитектуре Nehalem (процессоры Core i7).

Очевидно, руководствуясь схожими доводами, PCI-SIG предложили архитекту-ру новой шины. Шины, которая на данный момент полностью соответствует требова-ниям скоростных периферийных устройств. Шины, которая является безусловным стандартом для подключения плат расширения в современных персональных компью-терах. Шины, которая и по сей день находится в развитии, демонстрируя свои огром-ные возможности и мощный потенциал. Речь, конечно, идѐт о шине расширения третьего поколения – шине PCI Express.

Интерфейс PCI Express был предложен в 2002 г. Разработчикам удалось собрать воедино преимущества последовательной архитектуры построения шин, наработок в области создания ЛВС (Локальные Вычислительные Сети) на Ethernet, а также присое-динить к этому опыт предыдущих поколений. В итоге мы получили прекрасно масшта-бируемый, помехозащищѐнный, высокочастотный и высокоскоростной интерфейс, ко-торый на момент подготовки данного материала развит до версии 2.1.

В PCI Express используется дифференциальная передача сигналов по симплексным каналам (передача данных только в одном направлении) в два направления на частоте 5ГГц со скоростью 4Гбит/сек на канал. При этом обеспечивается помехозащищѐнное кодирование, пакетная передача данных, работа с трафиком, а также полная совместимость с более ранними спецификациями PCI Express и программная совместимость с PCI.

Стоит отметить, что в разработке находится новая спецификация 3.0, появление которой ожидается во второй половине 2010 года. Новая спецификация несёт в себе очередное увеличение пропускной способности, частоты и добавления новых типов связей для передачи информации. При этом разработчиками заявлена полная совместимость с предыдущей спецификацией.

Упоминание о PCI Express невозможно без освещения «конкурента» - шины HyperTransport. Основные сведения по этим шинам (в последних «ипостасях») приведены в таблице 1. Параметр	HyperTransport 3.x	PCI Express 2.x
Параллельная/Последовательная	Последовательная	Последовательная
Синхронная/Асинхронная	Асинхронная	Асинхронная
Тип передачи (физически)	Двойная симплексная	Двойная симплексная
Тип передачи (логически)	Пакетная	Пакетная
Адресация	64 битная	32 и 64 битная
Пропускная способность на ли-нию	6.4Гбит/сек	10Гбит/сек
Максимальная пропускная способность	51,2Гбайт/сек	32Гбайт/сек
Частота работы шины	3.2ГГц	5ГГц
DDR	Присутствует	Отсутствует
Настройка частоты «на лету»	Присутствует	Отсутствует
«Горячее» подключение	Присутствует	Присутствует
Открытый/Закрытый стандарт	Открытый	Открытый

Компьютерная ши́на (от англ. computer bus, bidirectional universal switch — двунаправленный универсальный коммутатор) — в архитектуре компьютера подсистема, которая передаёт данные между функциональными блоками компьютера. Обычно шина управляется драйвером. В отличие от связи точка-точка, к шине можно подключить несколько устройств по одному набору проводников. Каждая шина определяет свой набор коннекторов (соединений) для физического подключения устройств, карт и кабелей.

Ранние компьютерные шины представляли собой параллельные электрические шины с несколькими подключениями, но сейчас данный термин используется для любых физических механизмов, предоставляющих такую же логическую функциональность, как параллельные компьютерные шины. Современные компьютерные шины используют как параллельные, так и последовательные соединения и могут иметь параллельные (multidrop) и цепные (daisy chain) топологии. В случае USB и некоторых других шин могут также использоваться хабы (концентраторы).

Первое поколение

Ранние компьютерные шины были группой проводников, подключающей компьютерную память и периферию к процессору. Почти всегда для памяти и периферии использовались разные шины, с разным способом доступа, задержками, протоколами.

Одним из первых усовершенствований стало использование прерываний. До их внедрения компьютеры выполняли операции ввода-вывода в цикле ожидания готовности периферийного устройства. Это было бесполезной тратой времени для программ, которые могли делать другие задачи. Также, если программа пыталась выполнить другие задачи, она могла проверить состояние устройства слишком поздно и потерять данные. Поэтому инженеры дали возможность периферии прерывать процессор. Прерывания имели приоритет, так как процессор может выполнять только код для одного прерывания в один момент времени, а также некоторые устройства требовали меньших задержек, чем другие.

Некоторое время спустя компьютеры стали распределять память между процессорами. На них доступ к шине также получил приоритеты.

Классический и простой способ обеспечить приоритеты прерываний или доступа к шине заключался в цепном подключении устройств.

DEC отмечала, что две разные шины могут быть излишними и дорогими для малых, серийных компьютеров и предложила отображать периферийные устройства на шину памяти, так, что они выглядели как области памяти. В то время это было очень смелым решением, и критики предсказывали ему провал.

Первые миникомпьютерные шины представляли пассивные объединительные платы, подключенные к контактам микропроцессора. Память и другие устройства подключались к шине с использованием тех же контактов адреса и данных, что и процессор. Все контакты были подключены параллельно. В некоторых случаях, например в IBM PC, необходимы дополнительные инструкции процессора для генерации сигналов, чтобы шина была настоящей шиной ввода-вывода.

Во многих микроконтроллерах и встраиваемых системах шины ввода-вывода до сих пор не существует. Процесс передачи контролируется ЦПУ, который в большинстве случаев читает и пишет информацию в устройства, так, как будто они являются блоками памяти. Все устройства используют общий источник тактового сигнала. Периферия может запросить обработку информации путём подачи сигналов на специальные контакты ЦПУ, используя какие-либо формы прерываний. Например, контроллер жёсткого диска уведомит процессор о готовности новой порции данных для чтения, после чего процессор должен считать их из области памяти, соответствующей контроллеру. Почти все ранние компьютеры были построены по таким принципам, начиная от Altair с шиной S-100, заканчивая IBM PC в 1980‑х.

Такие простые шины имели серьёзный недостаток для универсальных компьютеров. Всё оборудование на шине должно было передавать информацию на одной скорости и использовать один источник синхросигнала. Увеличение скорости процессора было непростым, так как требовало такого же ускорения всех устройств. Это часто приводило к ситуации, когда очень быстрым процессорам приходилось замедляться для возможности передачи информации некоторым устройствам. Хотя это допустимо для встраиваемых систем, данная проблема непозволительна для коммерческих компьютеров. Другая проблема состоит в том, что процессор требуется для любых операций, и когда он занят другими операциями, реальная пропускная способность шины может значительно страдать.

Такие компьютерные шины были сложны в настройке, при наличии широкого спектра оборудования. Например, каждая добавляемая карта расширения могла требовать установки множества переключателей для задания адреса памяти, адреса ввода-вывода, приоритетов и номеров прерываний.

[править]

Второе поколение

Компьютерные шины «второго поколения», например NuBus решали некоторые из вышеперечисленных проблем. Они обычно разделяли компьютер на две «части», процессор и память в одной и различные устройства в другой. Между частями устанавливался специальный контроллер шин (bus controller). Такая архитектура позволила увеличивать скорость процессора без влияния на шину, разгрузить процессор от задач управления шиной. При помощи контроллера устройства на шине могли взаимодействовать друг с другом без вмешательства центрального процессора. Новые шины имели лучшую производительность, но также требовали более сложных карт расширения. Проблемы скорости часто решались увеличением разрядности шины данных, с 8-ми битных шин первого поколения до 16 или 32-х битных шин во втором поколении. Также появилась программная настройка устройств для упрощения подключения новых устройств, ныне стандартизованная как Plug-n-play.

Однако новые шины, так же как и предыдущее поколение, требовали одинаковых скоростей от устройств на одной шине. Процессор и память теперь были изолированы на собственной шине и их скорость росла быстрее, чем скорость периферийной шины. В результате, шины были слишком медленны для новых систем и машины страдали от нехватки данных. Один из примеров данной проблемы: видеокарты быстро совершенствовались, и им не хватало пропускной способности даже новых шин Peripheral Component Interconneсt (PCI). Компьютеры стали включать в себя Accelerated Graphics Port (AGP) только для работы с видеоадаптерами. В 2004 году AGP снова стало недостаточно быстрым для мощных видеокарт и AGP стал замещаться новой шиной PCI Express

Увеличивающееся число внешних устройств стало применять собственные шины. Когда были изобретены приводы дисков, они присоединялись к машине при помощи карты, подключаемой к шине. Из-за этого компьютеры имели много слотов расширения. Но в 1980‑х и 1990‑х были изобретены новые шины SCSI и IDE решившие эту проблему и оставив большую часть разъёмов расширения в новых системах пустыми. В наше время типичная машина поддерживает около пяти различных шин.

Шины стали разделять на внутренние (local bus) и внешние (external bus). Первые разработаны для подключения внутренних устройств, таких как видеоадаптеры и звуковые платы, а вторые предназначались для подключения внешних устройств, например, сканеров. IDE является внешней шиной по своему предназначению, но почти всегда используется внутри компьютера.

[править]

Третье поколение

Шины «третьего поколения» обычно позволяют использовать как большие скорости, необходимые для памяти, видеокарт и межпроцессорного взаимодействия, так и небольшие при работе с медленными устройствами, например, приводами дисков. Также они стремятся к большей гибкости в терминах физических подключений, позволяя использовать себя и как внутренние и как внешние шины, например для объединения компьютеров. Это приводит к сложным проблемам при удовлетворении различных требований, так что большая часть работ по данным шинам связана с программным обеспечением, а не с самой аппаратурой. В общем, шины третьего поколения больше похожи на компьютерные сети, чем на изначальные идеи шин, с большими накладными расходами, чем у ранних систем. Также они позволяют использовать шину нескольким устройствам одновременно.

Современные интегральные схемы часто разрабатываются из заранее созданных частей. Разработаны шины (например Wishbone) для более простой интеграции различных частей интегральных схем.

Примеры внутренних компьютерных шин

[править]

Параллельные

Проприетарная ASUS Media Bus, использовалась на некоторых материнских платах ASUS с Socket 7 и представляла собой шину ISA в специфическом разьеме, размещенном в одну линию с разьемом шины PCI.

CAMAC для измерительных систем (instrumentation systems)

Extended ISA или EISA

Industry Standard Architecture или ISA

Low Pin Count или LPC

MicroChannel или MCA

MBus

Multibus для промышленных систем

NuBus или IEEE 1196

OPTi local bus, использовалась для ранних материнских плат для Intel 80486

Peripheral Component Interconnect или PCI, также PCI-X

S-100 bus или IEEE 696, использовалась в Altair и похожих микрокомпьютерах

SBus или IEEE 1496

VESA Local Bus или VLB или VL-bus, использовалась в основном на материнских платах для 80486 процессоров и была подключена непосредственно к выводам микропроцессора. Однако встречалась и реализация этой шины в сочетании с ЦПУ IBM BL3 (аналог i386SX) и ранними Pentium

VMEbus, VERSAmodule Eurocard bus

STD Bus для 8-ми и 16-ти битных микропроцессорных систем

Unibus

Q-Bus

[править]

Последовательные

1-Wire

HyperTransport

I²C

PCI Express или PCIe

Serial Peripheral Interface Bus или шина SPI

USB, Universal Serial Bus, чаще используется как внешняя

FireWire, i.Link, IEEE 1394, чаще используется как внешняя

Примеры внешних компьютерных шин

Advanced Technology Attachment или ATA (также известна, как PATA, IDE, EIDE, ATAPI) — шина для подключения дисковой и ленточной периферии.

SATA, Serial ATA — современный вариант ATA

USB, Universal Serial Bus, используется для множества внешних устройств

HIPPI HIgh Performance Parallel Interface

IEEE-488, GPIB (General-Purpose Instrumentation Bus), HPIB, (Hewlett-Packard Instrumentation Bus)

PC card, ранее известная как PCMCIA, часто используется в ноутбуках и других портативных компьютерах, но теряет своё значение с появлением USB и встраиванием сетевых карт и модемов

SCSI, Small Computer System Interface, шина для подключения дисковых и ленточных накопителей

Serial Attached SCSI, SAS — современный вариант SCSI

USB, FireWire, eSATA или Gigabit Ethernet? Каждый интерфейс имеет свои сильные стороны, которые детально описаны ниже. Правильный выбор зависит от того, поддерживает ли ваш компьютер соответствующий интерфейс, а также от того, для каких целей вы собираетесь использовать накопитель. Сначала, посмотрите на соединения на Вашем компьютере.

USB USB 2.0 - стандартное периферийное соединение для большинства компьютеров, работающих на Windows. Максимальная скорость передачи данных по этому интерфейсу составляет 480 Мб/с. Средние скорости передачи данных, обычно от 10 до 30 МБ/с, разнятся в зависимости от многих факторов, включая тип устройства, данные, которые передаются, и скорость компьютерной системы. Если ваш порт USB более ранней версии: например, USB 1.0 или 1.1, к нему можно подключить накопитель с интерфейсом USB 2.0, но скорость передачи данных при этом будет определяться самым медленным из двух интерфейсов. Если Вы не знаете версии USB портов Вашего компьютера, обратитесь за справкой к документации Вашего компьютера или обратитесь к производителю.

FireWire

FireWire, также известная как IEEE 1394, - это стандарт соединения высокой производительности для персональных компьютеров и потребительской электроники. Он предполагает использование одноранговой архитектуры, в рамках которой периферийные устройства способны самостоятельно разрешать конфликты на шине и определять, которое из них может лучшим образом управлять передачей данных. Существуют две разновидности интерфейса FireWire: FireWire 400, также известный под названием IEEE 1394a, способен передавать большие объемы данных между компьютерами и периферийными устройствами со скоростью до 400 Мб/с. Этот интерфейс, отличающийся более высокой пропускной способностью, большей длиной кабеля и повышенной нагрузочной способностью шины питания, подходит для жестких дисков, цифрового видеооборудования, профессиональной аудиотехники, цифровых фотоаппаратов высшего класса и домашних развлекательных устройств.

FireWire 800, также известный под названием IEEE 1394b, обладает скоростью, достаточной для передачи многопоточного несжатого цифрового видео и высококачественного цифрового звука без шумов. Он позволяет использовать кабели большой длины и конфигурации, не поддерживаемые интерфейсом USB.

eSATA

Интерфейс SATA весьма эффективно работает со внешними накопителями, а кабель и разъем внешнего порта SATA (eSATA) позволяют быстро и надежно подключать внешние накопители. Этот интерфейс, имеющий скорость передачи данных до 3 Гб/с, пригоден для жестких дисков, домашних сетей, работы с цифровым видео и домашних развлекательных устройств, таких как телеприставки и персональные видеомагнитофоны. Кабели и разъемы SATA и eSATA не являются взаимозаменяемыми. Это важный момент, так как кабели и разъемы eSATA рассчитаны на 5000 подключений/отключений, а кабели и разъемы для встраиваемых накопителей SATA — всего на 50. Для того, чтобы подключить внешний накопитель с интерфейсом eSATA, требуется установить в компьютер PCI-карту контроллера SATA.

Ethernet — это стандартный метод подключения компьютеров к локальной сети при помощи специального кабеля. Среди внешних накопителей этот интерфейс чаще всего используется в сетевых хранилищах данных (NAS), предусматривающих совместный доступ пользователей сети к хранящимся в них файлам.

Интерфейс Gigabit Ethernet, имеющий скорость передачи данных 1000 Мб/с — это новейший и самый скоростной из стандартов Ethernet, пришедший на смену стандартам Fast Ethernet (100 Мб/с) и Ethernet (10 Мб/с). В числе преимуществ Gigabit Ethernet — более высокая скорость, поддержка функций контроля качества услуг (QoS), обеспечивающих плавную передачу аудио- и видеоинформации, а также совместимость с сетями стандартов Ethernet и Fast Ethernet.

Звуковые карты.

Звуковая карта (звуковая плата, аудиокарта; англ. sound card) — дополнительное оборудование персонального компьютера, позволяющее обрабатывать звук (выводить на акустические системы и/или записывать). На момент появления звуковые платы представляли собой отдельные карты расширения, устанавливаемые в соответствующий слот. В современных компьютерах чаще представлены в виде интегрированного в материнскую плату аппаратного кодека (согласно спецификации Intel AC'97 или Intel HD Audio).

Поскольку IBM PC проектировался не как мультимедийная машина, а инструмент для решения научных и деловых задач, звуковая карта на нём не была предусмотрена и даже не запланирована. Единственный звук, который издавал компьютер, был звук встроенного динамика, сообщавший о неисправностях. (На компьютерах фирмы Apple звук присутствовал изначально.)

В 1986 году в продажу поступило устройство фирмы Covox Inc. Оно присоединялось к принтерному порту IBM PC и позволяло воспроизводить монофонический цифровой звук. Пожалуй, Covox можно считать первой внешней звуковой платой. Covox был очень дёшев и прост по устройству (практически простейший резистивный ЦАП) и оставался популярным в течение 90-х годов. Появилось большое количество модификаций, в том числе — для воспроизведения стереофонического звучания.

В 1988 году фирма Creative Labs выпустила устройство Creative Music System (С/MS, позднее также продавалась под названием Game Blaster) на основе двух микросхем звукогенератора Philips SAA 1099, каждая из которых могла воспроизводить по 6 тонов одновременно.

Вскоре Creative выпустили карту на той же микросхеме, полностью совместимую с AdLib, но превосходящую её по качеству звучания. Эта плата стала основой стандарта Sound Blaster, который в 1991 году Microsoft включила в стандарт Multimedia PC (MPC). Однако эти карты имели ряд недостатков: искусственное звучание инструментов и большие объёмы файлов, одна минута качества AUDIO-CD занимала порядка 10 Мегабайт.

Одним из методов сокращения объёмов, занимаемых музыкой, является MIDI (Musical Instrument Digital Interface) — способ записи команд, посылаемых инструментам. MIDI-файл (обычно это файл с расширением mid) содержит ссылки на ноты. Когда MIDI-совместимая звуковая карта получает эту ссылку, она ищет необходимый звук в таблице (Wave Table). Стандарт General MIDI описывает около 200 звуков. Карты, поддерживающие этот стандарт, обычно имеют память, в которой хранятся звуки, либо используют для этого память компьютера. Одной из первых wavetables-карт была Gravis Ultrasound, получившая в России прозвище «Гусь» (от сокращённого названия GUS

С возрастанием мощности процессоров, постепенно стала отмирать шина ISA, на которой работали все предыдущие звуковые карты, и многие производители переключились на выпуск карты для шины PCI. В 1998 году компания Creative вновь делает широкий шаг в развитии звука и выпуском карты Sound Blaster Live!

Интегрированная аудиоподсистема

AC'97

AC'97[2] (сокращенно от англ. audio codec '97) — это стандарт для аудиокодеков, разработанный подразделением Intel Architecture Labs компании Intel в 1997 г.. AC'97 поддерживает частоту дискретизации 96 кГц при использовании 20-разрядного стерео-разрешения и 48 кГц при использовании 20-разрядного стерео для многоканальной записи и воспроизведения.

AC'97 состоит из встроенного в южный мост чипсета хост-контроллера и расположенного на плате аудиокодека. Хост-контроллер (он же цифровой контроллер, DC'97; англ. digit controller) отвечает за обмен цифровыми данными между системной шиной и аналоговым кодеком. Аналоговый кодек — это небольшой чип (4×4 мм, корпус TSOP, 48 выводов), который осуществляет аналогоцифровое и цифроаналоговое преобразования в режиме программной передачи или по DMA. Состоит из узла, непосредственно выполняющего преобразования — АЦП/ЦАП (аналоговоцифровой преобразователь / цифроаналоговый преобразователь; англ. analog digital converter / digital analog converter, сокр. ADC/DAC). От качества применяемого АЦП/ЦАП во многом зависит качество оцифровки и декодирования цифрового звука.

HD Audio

Основная статья: Intel High Definition Audio

HD Audio (от англ. high definition audio — звук высокой четкости) является эволюционным продолжением спецификации AC'97, предложенным компанией Intel в 2004 году, обеспечивающим воспроизведение большего количества каналов с более высоким качеством звука, чем при использовании интегрированных аудиокодеков AC'97. Аппаратные средства, основанные на HD Audio, поддерживают 24-разрядное качество звучания (до 192 кГц в стереорежиме, до 96 кГц в многоканальном режимах — до 8 каналов).

Формфактор кодеков и передачи информации между их элементами остался прежним. Изменилось только качество микросхем и подход к обработке звука.

Основные производители

Creative Labs,

Diamond Multimedia System, Inc.,

ESS Technology (сейчас только микросхемы ЦАП/АЦП),

KYE Systems (Genius),

M-Audio,

Turtle Beach Systems,

Yamaha Media Technology,

Прежде всего нужно четко уяснить себе, для чего звуковая карта будет использоваться. Кроме того, важно понять, какие из функций более дорогих карт вам действительно необходимы. Кстати говоря, разброс ценового диапазона звуковых карт очень велик: от 10-15 долларов за простейшие модели до нескольких тысяч и более за профессиональные системы. Внешне все выглядит очень просто: большинство компонентов реализовано в виде микросхем, впаянных в плату. На некоторых картах можно заметить несколько внутренних разъемов расширения, о которых речь пойдет ниже.

На внешней стороне карты расположены обычно 4 звуковых разъема типа «мини-джек» (как правило, это линейный вход, линейный выход, микрофонный вход и выход для наушников). Там же расположен 15-контактный разъем для подключения MIDI-устройств и/или джойстика (MIDI/Game Port).

На боковой стороне карты расположен большой разъем для подключения к шине PCI или ISA при установке в компьютер.

ЦАП/АЦП

Одним из основных компонентов звуковой карты является цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи (ЦАП/АЦП). Их важнейшие характеристики —” разрядность и качество фильтров. Еще не так давно 16-разрядные преобразователи считались достаточно качественными, но в настоящее время все чаще используются преобразователи с более высокой разрядностью.

Определение качества ЦАП/АЦП —” задача довольно сложная. Большинство музыкантов, имеющих некоторый опыт в «общении» с цифровыми устройствами, предпочитают определять качество преобразования на слух. Если же вы еще не искушены в этом, остается только ориентироваться на фирму-изготовителя. Неплохой репутацией среди музыкантов пользуются изделия компании BurrBrown. В звуковых картах часто используются ЦАП/АЦП от Crystal, которые ничем особенным не отличаются, но работают вполне сносно.

Синтезатор/Сэмплер

Практически на любой звуковой карте имеется встроенный звуковой модуль, управляемый с помощью MIDI. Как правило, он представляет собой FM-синтеза-тор или WT-синтезатор, причем последний сейчас встречается чаще. К тому же WT-синтезатор теперь снабжают возможностью сэмпл ирования или загрузки сэмплов с внешнего носителя.

Для более качественного звучания, как известно, сэмплированный «инструмент» должен содержать большее количество записанных в память звуков. Таким образом, качество звучания WT-синтезатора часто зависит от объема ПЗУ или ОЗУ звуковой карты. А если у вас есть возможность загружать «инструменты» в ОЗУ, то вы сможете создать и загрузить собственные «инструменты» или те «инструменты» из звуковых библиотек, которые вас устраивают. Здесь единственное ограничение для вас —” объем ОЗУ.

Очень важно, чтобы выбранная вами звуковая карта имела возможность расширения ОЗУ с помощью стандартных модулей (например, SIMM).

В последнее время у многих звуковых карт, работающих через шину PCI, появилась возможность использовать для загрузки «инструментов» оперативную память компьютера. В этом случае на саму карту ОЗУ вообще не устанавливают. Необходимо только иметь достаточное количество ОЗУ в системе (желательно не менее 64 Мбайт).

Более того, звуковая карта может не иметь даже собственного ПЗУ, как, например, в звуковых картах на базе DSP DREAM (Sound Track 128 Ruby и др.). Однако это ни в коей мере нельзя считать недостатком. В этот объем памяти производители «втискивают» целый набор General MIDI, а это, как вы помните, 128 инструментов плюс набор ударных. А ведь для получения только одного качественного «инструмента», имитирующего фортепианное звучание, необходимо 2-3 мегабайта памяти! Поэтому о качестве звучания «ПЗУ-шных» синтезаторов вряд ли можно говорить всерьез. Сейчас появляется новый стандарт «Загружаемые звуки» (Downloadable Sounds —” DLS). Этот стандарт определит формат универсальных звуковых банков, которые могут быть автоматически загружены в совместимые с данным форматом звуковые карты при первоначальной загрузке или перед началом воспроизведения MIDI-файла. Тогда звучание MIDI-файлов уже не будет различаться при воспроизведении на различных устройствах!

Блок эффектов

В современные звуковые карты обычно встраивают так называемый блок эффектов, или эффект-процессор. Он позволяет применять к общему звучанию реверберацию, «трехмерность», хорус и другие эффекты. Важным моментом здесь является возможность применения «своего» эффекта на каждый MIDI-канал в отдельности.

Разъемы расширения

Помимо внешних разъемов, рассмотренных выше, на звуковой карте могут быть расположены несколько внутренних разъемов расширения. Прежде всего, это разъемы для подключения стандартных или нестандартных модулей памяти. Данная память обычно используется для загрузки «инструментов» с внешних носителей.

На некоторых звуковых картах можно заметить специальные разъемы для подключения дочерних звуковых карт. Это особый вид звуковых карт, у которых отсутствует ЦАП/АЦП и некоторые другие компоненты. Дочерние карты подключаются к специальным разъемам «основной» звуковой карты и работают через ее преобразователи (иногда используя также другие ее компоненты). Одной из самых популярных сегодня дочерних звуковых карт является Yamaha DB50XG.

Обычно на звуковых картах имеется также специальный аудиовход для подключения CD-дисковода. Это позволяет прослушивать звуковые компакт-диски на CD-дисководе с помощью программ типа Универсальный проигрыватель (Media Player), входящей в комплект Windows 98.

Кроме того, некоторые звуковые карты допускают подключение «дочерних» цифровых интерфейсов. Например, к звуковой карте Multisound Pinnacle можно подключить специальную карту расширения (при этом получается так называемый «бутерброд» —” маленькая карта как бы лежит на большой) и, после подключения, с помощью одной из перемычек превратить гнездо микрофонного входа в цифровой вход/выход типа S/PDIF.

Звуковые карты можно условно разделить на три категории. В первую входят простейшие карты, предназначенные для чисто утилитарных целей и озвучивания простейших игр. Они имеют простенький WT-синтезатор с небольшим объемом памяти для звуков или только FM-синтезатор, а также 16-разрядный ЦАП/АЦП. Цена таких карт обычно составляет от 10 до 35 долларов.

Ко второй категории относятся так называемые полупрофессиональные карты. На них при желании можно работать с материалом профессионального уровня, но все же вы довольно часто будете ощущать некоторую нехватку ресурсов. Зато эти карты идеально подходят для прослушивания MIDI-музыки, звуковых MPEG-сборников, озвучивания видео и ТВ и т. д. С их помощью хорошо озвучивать современные «мощные» компьютерные игры с использованием трехмерных эффектов и других «примочек». Такие карты обычно имеют достаточно качественный синтезатор/сэмплер, блок эффектов 1,18- или 20-битный ЦАП/АЦП, могут присутствовать также специальные устройства для трехмерного позиционирования звука и пр. Стоят они приблизительно от 35 до 500 долларов.

Наконец, к третьей категории можно отнести профессиональные системы, ориентированные на работу со звуком, как правило, в реальном времени. Они обеспечивают «бесперебойную» многоканальную запись/воспроизведение, для чего снабжены специальными DSP (сигнальными процессорами), а также многочисленными звуковыми разъемами.

Карта может быть подключена к дополнительному внешнему модулю с помощью «шинного соединения». Такой модуль используется для расширения звукового интерфейса, хотя иногда в его корпус могут быть помещены также блоки цифровой обработки. Карты этого класса обычно не имеют встроенного синтезатора/сэм-плера, зато позволяют отправлять MIDI-информацию на 3-4 независимых MIDI-выхода и, таким образом, увеличить возможное количество одновременно звучащих «инструментов» до 48-64.

Иногда для работы с подобными системами необходимо специальное ПО. Порой бывает даже трудно сказать, приобрел ли пользователь-музыкант программу с «железом» в придачу или наоборот. Цена такой системы может на порядок превышать стоимость всех остальных компонентов компьютера, вместе взятых. По этой причине подобные системы, как правило, используются только в профессиональных студиях.

Файловые системы

Файловая система - это структура, с помощью которой ядро операционной системы, предоставляет пользователям и процессам ресурсы долговременной памяти системы, то есть памяти на долговременных носителях информации - жестких и гибких дисках, CD-ROM, магнитных лентах и т.д.

Файловая система представляет информацию на диске в виде совокупности файлов и папок. С точки зрения пользователя, файл - это единица хранения логически Связанной информации; текстовой, графической, звуковой, видео. С точки зрения организации хранения данных на диске, файл - это цепочка связанных между собой кластеров. Такая организация характерна для файловых систем, поддерживаемых разными версиями Windows.

Кластер - это минимальная единица хранения информации.

Каждый кластер содержит фиксированное количество секторов; 1, 2, 4, 8, 16, 32, то есть кратное степени двойки. Размер каждого сектора на любом диске строго фиксирован, обычно 512 байт. Каждый кластер имеет свой номер, причем нумерация начинается с 2.

Из выше сказанного понятно, что операционная система отводит место для файлов на диске участками, которые называются кластерами. Каждый файл, в зависимости от размера, получает для хранения своих данных один или несколько кластеров, которые могут располагаться подряд, один за другим или же в разброс по всему диску. Свободные кластеры выделяются для файла по мере необходимости, это когда фактически выполняется запись на диск. Что избавляет пользователя от необходимости заранее резервировать место для каждого файла и знать, где именно на диске хранится тот или иной файл. Все операции выделения файлам свободных кластеров и записи в них данных выполняются системой автоматически, без участия пользователя. Каждому файлу присваивается уникальное имя, по которому пользователь, а точнее программы с которыми работает пользователь, могут обращаться к файлу. Для удобства хранения файлы группируются в папках.

Операционная система обеспечивает возможность работы пользователя с данными, поддерживая на разделах диска ту или иную файловую систему. Каждая операционная система может работать с одной или несколькими файловыми системами. Все файловые системы включают таблицу расположения файлов, папки и файлы и выполняют следующие основные функции:

Отслеживание занятого и свободного пространства на диске, а также дефектных секторов;

Поддержка папок и имен файлов;

Отслеживание физического расположения файлов на диске.

В настоящее время наиболее распространенными на персональных компьютерах являются три файловые системы:

FAT16 - в DOS, Windows 95⁄98⁄Me, Windows NT⁄2000⁄XP;

FAT32 - в Windows 95OSR2⁄98⁄Me, Windows NT⁄2000⁄XP;

NTFS - в Windows NT⁄2000⁄XP.

Файловая система FAT 16, являющаяся основной для операционных систем DOS, Windows 95⁄98⁄Me, Windows NT⁄2000⁄XP, а также поддерживается большинством других систем. FAT 16 представляет собой простую файловую систему, разработанную для небольших дисков и простых структур каталогов. Название происходит от названия метода организации файлов - Таблица размещения файлов (File Allocation Table). Эта таблица размещается в начале диска. Число 16 означает, что данная файловая система 16-разрядная - для адресации кластеров используется 16 разрядов. Операционная система использует Таблицу размещения файлов для поиска файла и определения кластеров, которые этот файл занимает на жестком диске. Кроме того, в Таблице фиксируются сведения о свободных и дефектных кластерах. Чтобы легче было осмыслить файловую систему FAT16 представьте себе оглавление книги и как вы работаете с этим оглавлением, вот именно также операционная система работает с FAT 16.

Чтобы прочитать файл, операционная система должна найти по имени файла запись в папке и прочитать номер первого кластера файла. Первый кластер представляет собой начало файла. Затем необходимо прочитать соответствующий первому кластеру файла элемент FAT. Если элемент содержит метку- последний в цепочке, то дальше ни чего искать не нужно: весь файл умещается в одном кластере. Если кластер не последний, то элемент таблицы содержит номер следующего кластера. Содержимое следующего кластера должно быть прочитано вслед за первым. Когда будет найден последний кластер в цепочке, то, если файл не занимает весь кластер целиком, необходимо отсечь лишние байты кластера. Лишние байты отсекаются по длине файла, хранящейся в записи папки.

Чтобы записать файл, операционная система должна выполнить следующую последовательность действий. В свободном элементе папки создается описание файла, затем ищется свободный элемент FAT, и ссылка на него размещается в записи папки. Занимается первый кластер, описываемый найденным элементом FAT. В этот элемент FAT помещается номер следующего кластера или признак последнего кластера в цепочке.

Операционная система действует таким таким образом, чтобы собирать цепочки из соседних кластеров по нарастанию номера. Понятно, что обращение к последовательно расположенным кластерам будет происходить значительно быстрее, чем к кластерам, случайным образом разбросанным по диску. При этом игнорируются уже занятые и помеченные в FAT как дефектные кластеры.

В файловой системе FAT16 под номер кластера отведено 16 разрядов. Поэтому максимальное количество кластеров составляет 65525, а максимальный размер кластера 128 секторов. В таком случае максимальный размер разделов или дисков в FAT16 составляет 4,2 гигабайта. При логическом форматировании диска или раздела операционная система старается использовать минимальный размер кластера, при котором получающееся количество кластеров не превышает 65525. Очевидно, что чем больше размер раздела, тем больше должен быть размер кластера. Многие операционные системы неправильно работают с кластером размером в 128 секторов. В результате максимальный размер раздела FAT16 уменьшается до 2 гигабайт. Обычно чем больше размер кластера, тем больше становятся потери дискового пространства. Это связано с тем, что последний кластер, занимаемый файлом, заполнен лишь частично. Например, если файл размером 17 Кбайт записывается в раздел с размером кластера 16 Кбайт, то этот файл займет два кластера, причем первый кластер будет заполнен полностью, а во втором кластере будет записан только 1 Кбайт данных, а остальные 15 Кбайт пространства второго кластера останутся не заполненными и будут недоступными для записи других файлов. Если на больших дисках записывается большое количество маленьких файлов, то потери дискового пространства будут значительны. В следующей таблице приводятся сведения о возможных потерях дискового пространства при разных размерах раздела. Размер раздела Размер кластера Потери дискового пространства

127 Мб 2 Кб 2%

128-255 Мб 4 Кб 4%

256-511 МБ 8 Кб 10%

512-1023 МБ 16 Кб 25%

1024-2047 МБ 32 Кб 40%

2048-4096 Мб 64 Кб 50%

Возможны два способа уменьшения потерь дискового пространства. Первый - разбиение дискового пространства на мелкие разделы с малым размером кластера. Второй - использование файловой системы FAT32, в которой для нумерации кластеров используется 28 разрядов, что позволяет значительно уменьшить размер кластера.

Из всего выше сказанного следует, что основными недостатками файловой системы FAT16 являются:

Невозможность поддержки разделов диска размером больше 2 Гб;

Невозможность работы с файлами размером более 2 Гб;

Невозможность работы с жесткими дисками емкостью более 8 Гб;

Ограниченный размер корневой папки, которая может содержать не более 512 элементов.

Файловая система FAT32 представляет собой усовершенствованную версию FAT16, предназначенную для использования на разделах емкостью до 2 Терабайт. FAT32 появилась в Windows 95 OSR2, является основной файловой системой в Windows 98⁄ME и может использоваться в Windows 2000⁄XP. Разработка FAT32 ,была обусловлена необходимостью поддержки больших (более 8 гигабайт) жестких дисков и невозможностью встраивания какой-либо более сложной файловой системы в MS DOS, которая лежит в основе Windows 95⁄98⁄ME. Для обеспечения максимальной совместимости с существующими прикладными программами, сетями и драйверами устройств FAT32 была реализована с минимум возможных изменений в архитектуре и внутренних структурах данных. Главными отличиями FAT32 от FAT16 являются 28-разрядные номера кластеров, меньший, по сравнению с FAT 16, размер кластера и более гибкая организация корневого каталога, который не ограничен в размере. Однако при небольших размерах кластера, но больших размерах раздела увеличивается размер таблицы расположения файлов, что может замедлить загрузку операционной системы и файловые операции.

В следующей таблице приведены сравнительные характеристики файловых систем FAT16, FAT32 и NTFS. FAT16 FAT32 NTFS

Операционные

системы Практически все Windows

95OSR2⁄98⁄ME,

2000⁄XP,Linux Windows

NT⁄2000⁄XP,Linux

Максимальный

размер раздела 4 Гб (2Гб для

Windows

95OSR2⁄98⁄ME) 2 Тбайт 16 Эбайт

Максимальный

размер файла Ограничен

размером

раздела 4 Гбайт Ограничен

размером

раздела

Максимальная

длина имени файла 255 255 32767

Восстановление

(журналирование) Нет Нет Да

Максимальное

число файлов в

корневом каталоге Задается при

форматировании Нет ограничений Нет ограничений

Максимальное

число кластеров ∼216 ∼228 ∼248

Размер

кластера 512 байт-

64 Кбайт 512 байт-

64 Кбайт 512 байт-

64 Кбайт

Таблица файловых

записей Нет Нет Динамическая

Из этой таблицы видно, что файловая система NTFS является наилучшим выбором для использования на дисках большого объема. Если же к системе предъявляются повышенные требования, которые можно реализовать только в NTFS, например по обеспечению безопасности данных или эффективному использованию дискового пространства, то данную файловую систему в полной мере можно использовать и на небольших дисках.

Файловая система NTFS является основной файловой системой Windows NT⁄2000⁄XP. это - 64 разрядная файловая система, использующая Unicode для хранения имен файлов. NTFS является журналируемой, то есть защищенной от сбоев, а также поддерживает сжатие и шифрование. Основным элементом NTFS является главная таблица файлов (Master File Table, MFT). Для уменьшения вероятности повреждений и потерь данных сохраняется копия критической части MFT. Все остальные элементы структуры данных NTFS являются специальными файлами. Основной целью разработки файловой системы NTFS являлось обеспечение скоростного выполнения стандартных операций над файлами, включая чтение, запись, поиск и предоставление пользователям дополнительных возможностей, таких, например, как восстановление поврежденной файловой системы на больших дисках.

Файловая система NTFS обеспечивает поддержку больших дисков, контроль доступа к данным и привилегии владельца, играющие исключительно важную роль в обеспечении целостности важных конфиденциальных данных. Папки и файлы NTFS могут иметь назначенные права доступа вне зависимости от того, являются ли они разделяемыми, то есть доступными для других пользователей сети или нет. NTFS, как FAT16 и FAT32, использует кластеры для записи файлов на диск. Размер кластера в NTFS по умолчанию зависит от размера диска. Так, на дисках объемом 1-2 Гбайта кластер содержит 4 сектора, или 2 Кбайта. Для сравнения, кластер FAT32 на таких дисках имеет размер 4 Кбайта, а FAT16 - 32 Кбайта. Таким образом, файловая система NTFS использует дисковое пространство наиболее эффективно по сравнению с FAT16 и FAT32. Размер кластера в NTFS, отличающийся от установленного по умолчанию, можно изменить в процессе форматирования. Но в общем случае делать этого не рекомендуется.

Из всего сказанного становится понятно, что файловая система NTFS является наиболее предпочтительной для использования в Windows 2000⁄XP по сравнению с FAT32 и тем более с FAT16.

Бытовые и профессиональные форматы цифровой звукозаписи

Аудиоформаты без жатия данных

WAV (.wav) – основной формат для хранения и обработки звука в Windows. Отличается превосходным качеством, обратной стороной чего является большой размер WAV-файлов – 10 Мб в минуту.

AIFF (.aiff) – аналог WAV для компьютеров Macintosh, но благодаря отличному качеству звука и богатым возможностям получил популярность и на других платформах. Широко применяется в семплерах и синтезаторах.

MIDI (.midi) – трудно поставить в один ряд с другими форматами. Дело в том, что файлы MIDI не содержат записи звука, а лишь команды синтезатору воспроизвести ту или иную ноту инструмента из заданного набора. При этом файлы получаются крайне компактными, но звучат они на разных устройствах очень по-разному.

Аудиоформаты со сжатием без потерь качества

FLAC (.flac) – благодаря фирменному алгоритму сжатия FLAC-файлы занимают не так много места, как, скажем, WAV (примерно в 1,5-2 раза меньше). Для воспроизведения таких файлов от плеера или коммуникатора требуется высокая производительность.

APE (.ape) – чемпион по коэффициенту компрессии среди форматов без потерь качества. При этом APE имеет два существенных недостатка – высокие требования к производительности плеера и невысокую распространенность.

M4A, или Apple Lossless (ALAC, ALE, .m4a) Разработан компанией Apple, однако со временем стал открытым форматом. Размер файлов в M4A не слишком большой – в среднем на 50% меньше оригинала, однако отличаются отменным качеством. При этом с проигрыванием M4A справляются и относительно медленные устройства, что делает его очень удобным для портативных плееров – тех же iPod.

WavPack (.wv) – альтернатива FLAC. Это открытый формат с очень любопытными возможностями. Особенно интересен тем, что позволяет кодировать звук в два файла: один с потерями качества и другой добавочный, позволяющий восполнить потери аудиопотока, если возникла такая необходимость.

Аудиоформаты со сжатием и потерями качества

MP3 (.mp3) – самый распространенный цифровой аудиоформат. Обязан этим высокому коэффициенту сжатия и хорошему (в случае высокого битрейта – 256 и 320 Кбит/с) качеству звука. Сжатие в MP3 основано на удалении “лишних”, согласно психоакустичесткой модели, компонентов сигнала – например, частот, которые человеческое ухо не воспринимает.

AAC (.3gp, .mp4, .aac) – закрытый формат, который позиционируется как логическое развитие MP3. Выдает более качественный звук с меньшими потерями и улучшенной технологией кодирования. Поддерживается большинством портативных устройств.

OGG Vorbis (.ogv, .oga) – свободная альтернатива MP3 и AAC. По качеству превосходит MP3 (максимальный битрейт – 700 Кбит/с), однако уступает ему по распространенности, что и является его основным недостатком.

Real Audio (.ra) – спецформат, предназначенный для передачи звукового потока в реальном времени по медленным и ненадежным каналам связи. Аудиофайл продолжительностью 30 секунд должен передаваться не больше чем за 30 секунд, как бы ни была узка полоса пропускания. На высокое качество звука RA не претендует.

WMA (.wma) – целое семейство форматов, поддерживающих сжатие как с потерями качества, так и без. Разработан Microsoft, имеет встроенную систему защиты авторских прав DRM, которая позволяет прослушивать файлы только на том устройстве, на которое они были загружены из музыкального магазина.

Сопроцессоры и DSP

Сопроцессоры.

Сопроцессор - это специальная интегральная схема, которая работает в содружестве с главным процессором. Обычно сопроцессор настраивается на выполнение какой-нибудь специфической функции - математической операции или графического представления. И эту операцию сопроцессор может реализовывать во много раз быстрее, чем главный процессор. Таким образом компьютер с сопроцессором работает намного проворнее.

Микропроцессоры специального назначения..

Сопроцессор - обычный микропроцессор, но не столь универсальный, как любой член семейства Intel 8086. Обычно сопроцессор разрабатывается как специальное устройство по реализации конкретно определенной функции. Так как репертуар сопроцессора ограничен, он может реализовывать выделенные для него функции, как никто другой. Как и любой другой микропроцессор, сопроцессор работает по тем же принципам. Он просто выполняет программы содержащие последовательность микропроцессорных команд. Но не в пример обычным микропроцессорам, сопроцессор не держит под управлением основную массу цепей компьютера. Наоборот, вся деятельность сопроцессора определяется главным микропроцессором, который может посылать сопроцессору команды на выполнение программ и формирование результатов. В обычном режиме микропроцессор выполняет все функции компьютера. И лишь, когда встречается задача, с которой лучше справится сопроцессор, ему выдаются данные и команды, а главный микропроцессор ожидает результаты.

Множество микрокоманд сопроцессора..

Множества микрокоманд главного процессора и сопроцессора не совпадают. Каждый из них имеет свое собственное множество команд. То есть программы для сопроцессора пишутся специальным образом. Программы, не предназначенные для использования сопроцессора, не получат никаких преимуществ от его присутствия в компьютере. Стоит повториться, сам по себе сопроцессор не улучшит вашего компьютера. Вам необходимо запустить программное обеспечение, которое было бы специально разработано, чтобы использовать способности сопроцессора. Программы, использующие сопроцессор, работают во много раз быстрее. Сам по себе сопроцессор не решит ваших проблем автоматически. Требуется программное обеспечение не только написанное специально для сопроцессора, но и чтобы оно было специально разработано для данного сопроцессора. Хотя все сопроцессоры разработаны Intel для увеличения скорости математических расчетов на PC и они распознают большинство микрокоманд друг друга, существует небольшая несовместимость между разными чипами. Сопроцессор, предназначенный для работы с компьютерами на 80386 фирмы Weitek Corporation является полностью программно-несовместимым с чипами Intel. Если программы не используют микрокоманды сопроцессора -. это означает, что сопроцессор не ударит палец о палец. Есть только один способ узнать, работает ли сопроцессор во время счета - об этом может сказать только сама выполняемая программа. Путь сравнивания результатов выполнения программы с сопроцессором и без него не является более легким. Хотя ваш компьютер станет немного дороже, сопроцессор является одним из самых эффективных устройств, которое вы только можете добавить в ваш компьютер.

Математические сопроцессоры..

Сопроцессоры, большей частью использующиеся с РС, являются математическими сопроцессорами. В математике они специализируются по умножению и делению чисел (они едва ли быстрее обычных микропроцессоров по части сложения и вычитания). Математические сопроцессоры называют еще процессорами с плавающей точкой. Потому что они особенно великолепны при работе с числами с плавающей точкой. Такие числа часто используются в научных расчетах и представляются мантиссой и ординатой (десятичная степень, определяющая положение десятичной точки)

Преимущества сопроцессора..

Преимущества, которые вы получаете от установки математического сопроцессора, зависят от того, какие задачи решаются на вашем компьютере. Согласно Intel сопроцессор может уменьшить время выполнения математических операций, таких, как умножение, деление и возведение в степень на 80% и более. Скорость выполнения простых операций, таких, как сложение и вычитание, может быть совсем не уменьшена. С практической точки зрения, производительность вашей системы, касающейся подготовки текстов и ведения базы данных - функций, не требующих сложных математических расчетов, не может быть улучшена математическим сопроцессором. Хотя расчеты при редактировании текста могут быть улучшены - все зависит от того, какую форму вы будете использовать. Вы получите более ощутимые преимущества, если будете использовать математический сопроцессор при инженерных расчетах, при расчетах научных программ, обработке статистических данных, а также при использовании сложной графики (последняя требует интенсивных математических расчетов) .

Своя тактовая частота..

Сопроцессор и главный микропроцессор могут работать на разных тактовых частотах. Сопроцессоры могут работать от тактового генератора драйверов микропроцессоров или от специального предназначенного для сопроцессора генератора. Когда отношение двух частот - микропроцессора и сопроцессора выражается целым числом, они работают синхронно и могут выполнять свои задания, а также передавать друг другу информацию оптимальным образом. Несинхронизированная работа требует, чтобы один или другой из них ожидал завершения цикла своего партнера, что влечет за собой появление небольшого, но реального периода ожидания. Очевидно, что второй вариант менее производительный, хотя два электронных мозга все равно будут более оперативны, чем один главный микропроцессор за счет сверхмощности сопроцессора по выполнению им своих специфических функций.

Цифровая обработка сигналов DSP (digital signal processor)

Особенности DSP

DSP представляют собой специализированные процессоры для приложений, требующих интенсивных вычислений.

Если ближе рассмотреть, к примеру, процесс операции умножения двух чисел с сохранением результата в традиционных микропроцессорах, то можно увидеть как расходуется машинное время: сначала происходит выборка команды (адрес команды выставляется на шину адреса), затем первого операнда (адрес операнда выставляется на шину адреса), затем операнд переносится в аккумулятор, далее происходит выборка второго операнда и т.д. Ускорение этого процесса в процессоре общего назначения невозможна из-за наличия единственной шины адреса и единственной шины данных, а также единственного банка данных. Ввиду этого все операции по извлечению операндов из памяти, выборки команды и сохранения операнда производится последовательно с использованием одной и той же шины данных и шины адреса. Кроме того, если рассмотреть операцию циклического суммирования арифметического ряда, то можно видеть что здесь непроизводительные затраты времени связаны с запоминанием адреса первой команды цик­ла, с проверкой условия цикла (счетчика) и возвратом к первой команде. Также большие непроизводительные затраты существуют при операциях перехода к подпрограмме и возврата (запись и восстановление значений регистров из стека) и при многих других операциях. Если при этом учесть огромное количество математических операций при выполнении цифровой обработки сигналов, то станет ясно, что неизбежны весьма чувствительные потери в точности вычисления при округлениях, которые не могут не сказаться на общем результате. Это происходит по причине одинаковой разрядности всех регистров процессоров общего назначения.

При цифровой обработке сигналов все эти затраты недопустимы. С целью преодоления этого недостатка процессоров общего назначения и были разработаны процессоры цифровых сигналов (DSP - Digital Signal Processor).

Трехшинная Гарвардская архитектура

Ее особенность состоит прежде всего в том, что в отличии от привычных нам двух шин: шины адреса и шины данных, а также одного банка памяти, DSP имеет как минимум 6-7 различных шин и 2-3 банка памяти. Эта особенность имеет своей целью максимально ускорить выполнение операции умножения с сохранением результата, которая, несомненно, является наиболее употребляемой и ресурсоемкой при цифровой обработке сигналов. Архитектура DSP позволяет за один машинный цикл произвести:

выборку команды посредством шины адреса программ и шины данных программ;

выборку двух операндов для операции умножения посредством двух шин адреса данных;

занесение операндов в аккумуляторы посредством двух шин данных;

операцию умножения;

сохранить результат в аккумуляторе.

Таким образом, трехшинная Гарвардская архитектура позволяет выполнить практически любую операцию за один машинный цикл.

B качестве примера эффективности использования DSP при реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов можно привести следующий факт: время выполнения комплексного 1024-точечного преобразования Фурье составляет 20 мс для 486DX2 66 МГц (32-разрядный) и 3.23 mc для 24-разрядного 33 МГц DSP56001 фирмы Motorola или 3.1 мс для 32- разрядного 33 МГц DSP TMS320C30 с плавающей арифметикой фирмы Texas Instruments.

Однако, как уже упоминалось, процессоры цифровой обработки сигнала имеют отличием не только высокую производительность, измеряемую в быстроте выполнения операций умножения/аккумуляции (MIPS - миллионы команд в секунду), но и такие характеристики, как после­довательность выполнения программ, арифметических операций и адресации памяти, позволяющие сократить до минимума непроизводительные затраты времени. В целом DSP отличается от других типов микропроцессоров и микроконтроллеров по следующим пяти основным признакам:

Быстрая арифметика.

DSP - процессор должен осуществлять выполнение за один цикл операций умножения, умножения с аккумуляцией, циклический сдвиг, а также стандартные арифметические и логические операции.

Расширенный динамический объем для операции умножения/аккумуляции.

Операция вычисления суммы некой последовательности значений является фундаментальной для алгоритмов, реализуемых на DSP. Защита от переполнения необходима для избежания потери данных.

Выборка двух операндов за один цикл.

Очевидно, что для большинства операций, выполняемых DSP, необходимы два операнда. Таким образом, для достижения максимального быстродействия процессор должен быть способен производить одновременную выборку двух операндов, что требует также наличия гибкой системы адресации.

Наличие аппаратно реализованных циклических буферов(встроенных и внешних).

Широкий класс алгоритмов, реализуемых на DSP требует использования циклических буферов. Аппаратная поддержка циклического возврата указателя адреса или модульная адресация уменьшает непроизводительные затраты процессорного времени и упрощает реализацию алгоритмов.

Организация циклов и ветвлений без потери в производительности.

Алгоритмы DSP включают очень много повторяющихся операций, которые могут быть реализованы в виде циклов. Возможность организации последовательности выполнения программы кодов в цикле без потери производительности отличают DSP от других процессоров. Аналогично, потеря времени при выполнении операции ветвления по условию также недопустима при цифровой обработке сигналов.

Не следует, однако, думать, что DSP могут полностью заменить процессоры общего назначения. Как правило, процессоры цифровых сигналов имеют упрощенную систему команд, не позволяющие выполнить операции, не связанные с математическими вычислениями с такой же эффективностью, как и процессоры общего назначения. Попытка же сочетания в одном процессоре мощность при математических вычислениях и гибкость при операциях другого рода приводит к неоправданному повышению себестоимости. Поэтому DSP используют чаще в виде сопроцессоров (математических, графических, акселераторов и т.д.) при главном процессоре либо в качестве самостоятельного процессора, если этого достаточно.

DSP фирмы Motorola

Фирмой Motorola в настоящее время выпускается три семейства Цифровых Процессоров Сигналов. Это серии DSP56100, DSP56000 и DSP96000. Все микросхемы приведенных серий основываются на архитектуре DSP56000 и различаются разрядностью (16, 24, 32 бит соответственно) и некоторыми встроенными устройствами. Таким образом достигается совместимость микросхем всех трех семейств снизу вверх. Все DSP фирмы Motorola построены по идентичной трехшинной Гарвардской архитектуре, описанной ранее, с большим количеством составных частей, портов, контроллеров, банков памяти и шин, работающих параллельно с целью достижения максимального быстродействия.

Передача данных происходит по двунаправленным шинам данных (одной для DSP56100 (XDB) и двум для DSP56000 и DSP96000 (XDB и YDB)), шине данных программ (PDB) и общей шине данных (GDB). Кроме того, у DSP96000 присутствует отдельная шина прямого доступа к памяти (DDB). Передача данных между шинами происходит через внутреннее устройство управления шинами.

Адресация осуществляется по двум однонаправленным шинам: шине адреса данных и шине адреса программ.

Блок манипуляции битами позволяет гибко управлять состоянием любого бита в регистрах и ячейках памяти. Наличие такой возможности является преимуществом по отношению к DSP других пользователей.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все арифметические и логические операции и имеет в своем составе входные регистры, аккумуляторы, регистры расширения аккумуляторов (8-битные, допускающие 256 переполнений без потери точности), параллельный одноцикловой блок умножения с сохранением (МАС), а так же сдвиговые регистры.Гибкая система команд позволяет выполнить АЛУ за один цикл команды умножения, умножения с сохранением результата, суммирования, вычитания, сдвига и логические операции. Характерной особенностью DSP фирмы Motorola является возможность сдваивания входных регистров АЛУ и увеличения таким образом разрядности обрабатываемых чисел. Еще одной важной особенностью является наличие операции деления, зачастую отсутствующей у других производителей и заменяемой операцией умножения на обратное число, что приводит к потере точности.

Блок формирования адреса выполняет все вычисления, связанные с определением адресов в памяти. Этот блок работает независимо от остальных блоков процессора. За один цикл могут производиться две операции считывания из памяти или одна операция записи. DSP фирмы Motorola обладают чрезвычайно мощной мощной системой адресации, позволяющей производить практически любые манипуляции с данными за одну команду. Это важная особенность выгодно отличает DSP, выпускаемые фирмой, от аналогов. Адресация по модулю удобна для организации кольцевых буферов без проверки выхода за границу, что позволяет избегать непроизводительных затрат времени. Возможность адресации с инверсией значащих битов облегчает реализацию БПФ.

Блок управления выполнением программ содержит 6 регистров, среди которых Указатель адреса цикла и Счетчика циклов, позволяющие организовать аппаратную поддержку организации циклов в DSP фирмы Motorola, при которой не тратятся дополнительные машинные циклы на проверку условия выхода из цикла и изменения счетчика цикла. В команде организации цикла DO явно указывается количество повторений.

Системный стек представляет из себя отдельную часть из 15 слов ОЗУ, и может хранить информацию о 15 прерываниях, 7 циклах или 15 выходах в подпрограмму. Данные из стека читаются за один цикл уменьшая таким образом непроизводительные затраты времени процессора.

Главной отличительной особенностью DSP фирмы Motorola является наличие у всех микросхем внутрикристального эмулятора, позволяющие производить отладку программ без ис­пользования дополнительных аппаратных средств. Таким образом нет необходимости в покупке дорогостоящих отладочных средств. Эмулятор позволяет производить запись/считывание регистров и ячеек памяти, установку точек останова, пошаговое выполнение программ и другие действия посредством подачи команд по 4- проводной шине.

Для снижения потребления энергии в моменты, когда не производится вычисления, предусмотрены два режима с пониженным энергопотреблением : STOP и WAIT.

Для работы совместно с другими процессорами и каналами прямого доступа к памяти предусмотрен встроенный HOST-интерфейс.

Обладая всеми вышеперечисленными свойствами, необходимыми для цифровой обработки сигналов, DSP фирмы Motorola имеют чрезвычайно мощную и гибкую систему команд, позволяющую пользователю удобно и эффективно работать с процессорами.

Семейство DSP96000

Семейство DSP DSP96000 имеет 32-битную архитектуру и поддерживает операции с плавающей точкой. Микросхемы семейства предназначены для компьютерных систем Multimedia. DSP этой серии могут работать и как самостоятельные микросхемы, и через два независимых 32-битных порта могут последовательно обмениваться данными с другими процессорами.

Микросхемы семейства имеют в своем составе 6 банков памяти, 8 шин и 4 автономных вычислительных блока: АЛУ, блок управления программой, двойной блок генерации адреса и встроенный двухканальный контроллер прямого доступа к памяти.

Характеристики микросхем семейства DSP96000:

49.5 MIPS при 40 МГц

60 MFLOPS при 40 МГц, цикл 50 нс

32-битная организация

2 банка памяти данных ОЗУ 512х32 бит

2 банка памяти данных ПЗУ 512х32 бит

ОЗУ программ 1024х32 бит

загрузочное ПЗУ объемом 56 байт

адресуемая внешняя память 2х232 32-битных слов памяти данных и программ

встроенный эмулятор

2 канала прямого доступа к памяти

2 канала обмена с внешними процессорами

корпус с 223 выводами в корпусе PGA или QFP

DSP фирмы Texas Instruments

DSP этой фирмы представлены следующими микропроцессорами: TMS 32010, TMS 320C20, TMS 320C25, TMS 320C30, TMS 320C40, TMS 320C50.

Особенности архитектуры ТMS320C25

Архитектура TMS320C2x основана на архитектуре TMS32010 - первом члене микропроцессорного семейства DSP. Кроме того, набор его команд перекрывает набор команд микропроцессора TMS32010, что сохраняет программную совместимость снизу вверх.

Микропроцессор TMS320C2x имеет один аккумулятор и использует Гарвардскую архитектуру в которой память данных и память программ разнесены в разные адресные пространства. Это позволяет полностью перекрыть во времени вызов и выполнение команды. Система команд включает команды обмена данными между двумя областями памяти. Вне микропроцессора пространства памяти данных и программ объединены на одну и ту же шину для того, чтобы максимально увеличить диапазон адресов в обеих областях памяти и одновременно максимально уменьшить количество выводных контактов. Внутри микропроцессора пространства программ и данных выведены на разные шины, чтобы увеличить мощность процессора и скорость выполнения программ.

Повышенная гибкость конструкции системы обеспечивается расположенными на кристалле двумя большими блоками памяти RAM, один из которых может использоваться и как память программ и как память данных. Большинство команд процессора выполняются за один машинный цикл с использованием как внешней памяти программ с быстрой выборкой, так и с использованием внутренней памяти RAM. Гибкость микропроцессора TMS320C2x предусматривает также подключение медленной внешней памяти или периферийных устройств, используя сигнал READY; но в этом случае команды выполняются за несколько машинных циклов.

Организация памяти

На кристалле TMS32020 находится 544 16-разрядных слова памяти RAM, из которых 288 слова (блоки B1 и B2) всегда отведены под данные, а 256 слов (блок B0) в разных конфигурациях процессора могут использоваться либо как память данных, либо как память программ. TMS320C25 кроме того обеспечен маскируемым ПЗУ (ROM), объемом 4К слов, а TMS320E25 - памятью 4К слов с ультрафиолетовым стиранием EPROM.

TMS320C2x обеспечен тремя разделенными адресными пространствами - для памяти программ, для памяти данных и для устройств ввода/вывода, как показано на рис. 6.5. Эти пространства вне кристалла различаются при помощи сигналов -PS, -DS, -IS (для пространств программы, данных, ввода/вывода соответственно). Блоки памяти B0, B1, B2, расположенные на кристалле, охватывают в сумме 544 слова памяти с произвольным доступом (RAM). RAM блок B0 (256 слов) располагается на 4 и 5 страницах памяти данных, если он отведен под данные, или по адресам >FF00 - >FFFF, если он является частью памяти программ. Блок B1 (только для данных) располагается на 6 и 7 страницах, а блок B2 занимает старшие 32 слова 0 страницы. Отметим, что оставшуюся часть 0 страницы занимают 6 адресуемых регистров и резервная область; 1 - 3 страницы также представляют собой резервную область. Резервные области нельзя использовать для хранения информации, при чтении их содержимое не определено.

Внутренняя память программ (ROM), расположенная на кристалле процессора может быть использована в качестве младших 4К слов памяти программ. Для этого на контакт MP/*MC должен быть подан сигнал низкого уровня. Для запрещения использования внутренней области ROM на MP/*MC надо подать высокий уровень.

Внешняя память и интерфейс ввода/вывода

Микропроцессор TMS32020 поддерживает широкий диапазон интерфейсных систем. Адресное пространство данных, программ и ввода/вывода обеспечивает сопряжение с памятью и внешними устройствами, что увеличивает возможности системы. Интерфейс локальной памяти состоит из:

16-ти разрядной шины данных (D0-D15);

16-ти разрядной шины адреса (A0-A15);

адресных пространств данных, программ и ввода/вывода выбираемых сигналами (*DS, *PS и *IS);

различных сигналов управления системой.

Сигнал R/*W управляет направлением передачи, а сигнал *STRB управляет передачей.

Пространство ввода/вывода содержит 16 портов для вводы и 16 портов для вывода. Эти порты обеспечивают полный 16-разрядный интерфейс со внешними устройствами по шине данных. Одноразовый ввод/вывод с помощью команд IN и OUT выполняется за два командных цикла; однако использование счетчика повторений снижает время одного обращения к порту до 1-го цикла.

Использование ввода/вывода упрощается тем, что ввод/ вывод осуществляется также, как и обращение к памяти. Устройства ввода/вывода отображаются в адресном пространстве ввода/вывода, используя внешние адреса процессора и шину данных, таким же образом, как память. При адресации внутренней памяти шина данных находится в третьем состоянии, а управляющие сигналы в пассивном состоянии (высоком).

Взаимодействие c памятью и устройствами ввода/вывода на различных скоростях сопровождается сигналом READY. При связи с медленными устройствами, TMS320C2x ждет, пока устройство не завершит свою работу и просигнализирует процессору об этом через линию READY, после чего процессор продолжит работу.

Центральное арифметико-логическое устройство

Центральное арифметическо-логическое устройство (CALU) содержит 16-разрядный масштабирующий регистр сдвига, 16 x 16 параллельный умножитель, 32-разрядное арифметическо-логическое устройство (ALU), 32-разрядный аккумулятор и несколько дополнительных сдвиговых регистров, расположенных как на выходе из умножителя, так и на выходе из аккумулятора.

Любая операция ALU выполняется в следующей последовательности:

данные захватываются из RAM на шину данных,

данные проходят через масштабирующий сдвиговый регистр и через ALU, в котором выполняются арифметические операции,

результат передается в аккумулятор.

Один вход в ALU всегда соединен с выходом аккумулятора, а второй может получать информацию либо из регистра произведения (PR) умножителя, либо загружаться из памяти через масштабирующий сдвиговый регистр.

Конвейерные операции

Конвейер команд состоит из последовательности операций обращения ко внешней шине, которые возникают в течении выполнения команд. Конвейер "предвыборка-декодирование-выполнение" обычно незаметен для пользователя, за исключением некоторых случаев, когда конвейер должен быть прерван (например, при ветвлении). Во время работы конвейера предвыборка, декодирование и выполнение команд независимы друг от друга. Это позволяет командам перекрываться. Так в течении одного цикла две или три команды могут быть активны, каждая на разных этапах работы. Поэтому получается двухуровневый конвейер для TMS32020 и трехуровневый для TMS320C25.

Количество уровней конвейера не всегда влияет на скорость выполнения команд. Большинство команд выполняется за одно и то же количество циклов вне зависимости от того, из какой памяти выбираются команды: внешней, внутренней RAM или внутренней ROM.

Добавочные аппаратные средства, имеющиеся на процессоре TMS320C25, позволяют расширить количество уровней конвейера до трех, что повышает производительность процессора. К этим средствам относятся счетчик предзахватов (PFC), 16-разрядный стек микровызовов (MCS), регистр команд (IR), и регистр очереди команд (QIR).

При трехуровневом конвейере PFC содержит адрес следующей команды, которая должна быть предзахвачена. Как только предзахват осуществлен, команда загружается в IR. Если же IR хранит команду, которая еще не выполнена, то предзахваченная команда помещается в QIR. После этого PFC увеличивается на 1. Как только текущая команда будет выполнена, команда из QIR будет перегружена в IR, для дальнейшего исполнения.

Счетчик команд (PC) содержит адрес команды, которая должна быть выполнена следующей, и не используется для операций захвата.

Но обычно PC используется в качестве указателя на текущую позицию в программе. Содержимое PC увеличивается после каждой выполненной команды. Когда возникает прерывание или вызов подпрограммы, содержимое PC помещается в стек, чтобы в дальнейшем можно было выполнить возврат в нужное место программы.

Циклы предзахвата, декодирования и выполнения конвейера независимы друг от друга, это позволяет перекрываться исполняемым командам во времени. В течении любого цикла три команды могут быть одновременно активны, каждая на разных стадиях завершения

Видеокарта

Видеокарта (графическая плата, видеоадаптер) (videocard, VideoBlaster) — устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора.

Обычно видеокарта является платой расширения и вставляется в специальный разъем (ISA, VLB, PCI, AGP, PCI-Express) для видеокарт на материнской плате. Многие материнские платы имеют встроенную видеокарту.

Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом изображения, они имеют встроенный микропроцессор (графический процессор), который может производить дополнительную обработку данных, разгружая от этих задач центральный процессор компьютера.

Обычная видеокарта состоит из четырех основных устройств: памяти, графического процессора (видеоконтроллера), цифро-аналогового преобразователя (RAMDAC) и ПЗУ, а также интерфейсы для связи с другими устройствами (ISA, PCI, AGP, PCI-Express и др. для связи с системной шиной; аналоговый (VGA) или цифровой (DVI) разъемы для связи с монитором, возможно наличие интерфейсов для подключения к телевизору и т.п.). В качестве синонимов «видеокарты» используются термины акселератор, ускоритель, видеобластер, видеоадаптер.

Режимы работы видеокарт

Все современные видеоподсистемы могут работать в одном из двух основных видеорежимов: текстовом или графическом. В текстовом режиме экран монитора разбивается на отдельные символьные позиции, в каждой из которых одновременно может выводиться только один символ. Для преобразования кодов символов, хранимых в видеопамяти адаптера, в точечные изображения на экране служит так называемый знакогенератор, который обычно представляет собой ПЗУ, где хранятся изображения символов, «разложенные» по строкам. При получении кода символа знакогенератор формирует на своем выходе соответствующий двоичный код, который затем преобразуется в видеосигнал. Текстовый режим в современных операционных системах используется только на этапе начальной загрузки.

В графическом режиме для каждой точки изображения, называемой пикселом, отводится от одного (монохромный режим) до 32-бит (цветной). Графический режим часто называют режимом с адресацией всех точек (All Points Addresable), поскольку только в этом случае имеется доступ к каждой точке изображения. Максимальное разрешение и количество воспроизводимых цветов конкретной видеоподсистемы в первую очередь зависят от общего объема видеопамяти и количества бит, приходящихся на один элемент изображения. Существует несколько стандартов видеокарт (см. MDA, Hercules, EGA, VGA, SVGA, Видеорежимы xxxGA).

Современные видеокарты различаются многими характеристиками, важнейшими из которых являются: тип и тактовая частота графического процессора; тип, объем и разрядность шины памяти; число блоков шейдеров (отвечающих за визуализацию сложных эффектов и придающих трехмерному изображению большую реалистичность), внешним интерфейсом. Указанные характеристики и определяют общую производительность видеокарты.

Тактовая частота GPU, измеряемая в мегагерцах, определяет количество операций, которые графический процессор может выполнить за 1 с (для современных процессоров составляет порядка 400-700 МГц). Помимо тактовой частоты реальная скорость выполнения операций зависит от архитектуры процессора (например, количества конвейеров), а также от скорости обмена процессора с видеопамятью. Причем, объем видеопамяти (от 64 до 512 Мб на 2006) оказывает меньшее влияние на производительность видеосистемы, чем ширина (разрядность) шины видеопамяти, которая указывает на количество одновременно (за 1 такт) передаваемых сигналов и в современных видеокартах обычно составляет 64, 128, 256 или 512 бит. Пропускная способность шины памяти, определяющая ее производительность, зависит не только от разрядности, но и от ее тактовой частоты. Тип видеопамяти также оказывает влияние на производительность. Если ранее в видеокартах использовалась одноканальная память типа SDRAM, то сегодня используется более быстрая двухканальная DDR SDRAM, DDR2 SDRAM или GDDR. Использование современных интерфейсов с более высокой пропускной способностью теоретически должно повышать производительность системы, но на практике производительность видеокарт стандарта PCI-Express не намного отличается от производительности видеокарт на шине AGP. Тем не менее, большинство современных видеокарт изготавливается для шины PCI-Express.

На производительность видеокарты большое значение оказывает также технологический процесс (техпроцесс) изготовления ее микросхем (прежде всего, графического процессора). Чем меньше размер одного полупроводникового элемента (транзистора), являющегося основным «кирпичиком» микросхемы, тем больше таких элементов может быть задействовано в микросхеме, тем меньше расстояние между ними и больше скорость взаимодействия, выше тактовая частота, меньше потребляемое напряжение и выделяемое тепло (что является весьма чувствительным моментом). Современные видеокарты производятся на основе техпроцесса 130, 90нм и менее.

Для увеличения производительности видеосистемы ПК ведущие производители графических чипов — nVidia и ATI предложили технологии (SLI и Crossfire соответственно), обеспечивающие возможность одновременного использования двух видеокарт на одной материнской плате. Впрочем, согласно тестам при использовании двух идентичных видеокарт двукратного увеличения производительности не наблюдается.

В зависимости от назначения и сферы применения все видеокарты можно условно разделить на три класса:

1) бюджетные офисные видеокарты;

2) игровые карты;

3) профессиональные карты (их также называют OpenGL-ускорителями).

С начала 2000-х на мировом рынке видеокарт первых двух классов лидируют фирмы ATi (семейства видеокарт Radeon) и nVIDIA (семейства GeForce). Одной из особенностей современных видеокарт является реализация в них технологии коррекции инерционности жидкокристаллических мониторов за счет искусственного формирования дополнительного промежуточного изображения между воспроизводимыми кадрами — Overdrive (или также — LCD Overdrive). Среди профессиональных видеокарт в 2003-2004-х бесспорным лидером являлась карта фирмы nVIDIA — Quadro FX 3000. В 2005 ей на смену пришла GeForce 7800GTX.

3. СРЕДСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

3.1. Структура и основные технические параметры средств отображения информации

Технические средства, используемые для формирования информационных моделей, называются средствами отобра­жения информации (СОИ). С помощью СОИ полученная от одного или нескольких источников информация преобразуется в информационную модель, удобную для восприятия оператором. Процесс формирования ИМ в СОИ сопровождается преобразова­нием кодов. Например, для отображения времени в цифровых часах двоично-десятичный код, занесенный в счетчик временных интервалов, преобразуется в десятичные цифры, указывающие время на циферблате. В часах средства отображения являются их составной частью, однако в случае управления объектами или при взаимодействии человека с ЭВМ СОИ могут иметь достаточно сложную структуру.

Обобщенная структурная схема СОИ показана на рис. 3.1. От источника (ИИ) информация поступает в СОИ через интерфейс (УИ) по параллельным или последовательным каналам связи. С помощью интерфейса осуществляется механическое, электрическое и алгоритмическое согласование между собой выходных цепей ИИ и входных цепей СОИ. В интерфейс входят линии связи, устройства согласования сигналов по уровню и мощности, а также устройства формирования управляющих сигналов, обеспечивающих заданный алгоритм обмена информацией. Стандартный интерфейс, включающий в себя аппаратную часть и программное обеспечение, определяющее алгоритм обмена информацией, играет важную роль в унификации узлов информационных систем, обеспечивающей взаимозаменяемость отдельных устройств и наращиваемость системы.

Источником информации могут быть информационно-измерительные устройства, клавиатура ввода буквенно-цифровой информации, ЭВМ, устройства формирования фото-, кино- и телевизионных изображений и т. д. Следует отметить, что в системах с ЭВМ возможен двусторонний обмен информацией: как от ЭВМ к СОИ, так и наоборот, - что позволяет организовать диалоговый режим работы. При таком режиме оператор с помощью специальных устройств редактирует информацию, выведенную на СОИ с ЭВМ, а затем вновь вводит ее в ЭВМ. Диалоговый режим широко используется в системах автоматического проектирования и в системах автоматизации научных исследований.

Рис. 3.1. Обобщенная структурная схема СОИ

Буферное запоминающее устройство (БЗУ) служит для промежуточного хранения информации, получаемой от ИИ, что позволяет согласовать работу СОИ и ИИ по скорости, а также организовать режим регенерации изображения без обращения к источнику информации. Информационная модель в БЗУ хранится в виде совокупности кодов элементов информационной модели, расположенных в той последовательности, в которой они должны находиться на информационном поле. Так, при формировании текстовой информационной модели в БЗУ заносятся стандартные коды знаков в последовательности, определяемой текстом.

Преобразователь кодов информационной модели (ПКИМ) осуществляет преобразование кодов элементов информационной модели, заданных алфавитом источника информации, в код, определяемый алфавитом индикатора. Для приведенного примера с цифровыми часами при использовании 7-сегментных индикаторов ПКИМ преобразует четырехразрядный двоично-десятичный код в семиразрядный. При использовании газоразрядных индикаторов с профилированными катодами цифра формируется методом знакомоделирования, в этом случае ПКИМ выполняет функцию дешифратора 4 на 10 (4 входа, 10 выходов). Для формирования тех же цифр на телевизионном экране ПКИМ должен преобразовать параллельный код цифр в последовательность сигналов управления интенсивностью электронного луча ЭЛТ.

Преобразователи кодов информационной модели для синтеза знаков в СОИ с ЭЛТ называют знакогенераторами.

Устройство адресации (УА) задает положение (адрес) элемента информационной модели на информационном поле.

Индикатор является прибором, осуществляющим непосредственное преобразование электрических сигналов в видимое изо­бражение.

Устройство управления (УУ) осуществляет энергетические и другие преобразования сигналов с выхода ПКИМ, необходимые для управления работой индикатора. Например, при использовании газоразрядных индикаторов в устройство управления входят ключи, обеспечивающие переключение с уровня возбуждения на уровень гашения газового разряда и наоборот. Индикатор вместе с устройством управления образуют блок индикации, называемый также видеомонитором.

Устройство синхронизации (УС) обеспечивает синхронизацию работы всех узлов СОИ между собой и с источником информации.

При формировании сложной информационной модели информация, получаемая от различных источников, должна пройти предварительную подготовку и обработку по определенному алгоритму. Следовательно, кроме технических средств для отображения информации необходимо создать соответствующее программное обеспечение. Комплекс средств отображения информации и средств математического обеспечения, включающих в себя алгоритмы обработки информации, образует систему отображения информации. СОИ, обеспечивающие связь человека с ЭВМ, называют терминальными СОИ (или дисплеями).

3.2. Параметры средств отображения информации

Параметры средств отображения информации должны определять информационно-технические, инженерно-психологические, конструктивно-технические и технико-экономические особенности СОИ. К основным параметрам СОИ следует отнести используемый алфавит, информационную емкость, разрешающую способность, быстродействие, точность воспроизведения информации, фотометрические параметры (яркость, контраст), надежность, стоимость, потребляемую мощность.

Используемый алфавит и основание кода алфавита информационной модели определяются классом решаемых задач и задаются числом и типом знаков (цифр, букв, условных знаков, графем и т. д.), количеством градаций размеров, яркости, ориентации символов, используемых цветов, частот мерцаний изображений и т. д.

Основание кода полного алфавита, включающего все кодовые признаки, не должно превышать 200 - 400. Дальнейшее его увеличение затрудняет работу оператора. При представлении элементов алфавита информационной модели двоичным кодом число его разрядов nа определяют из условия

,

где - двоичный логарифм числа Na, округленный до ближайшего большего целого числа; Na - основание кода полного алфавита ИМ.

Для кодирования элементов буквенно-цифровой ИМ обычно используют стандартные коды отображения информации - восьмиразрядный код КОИ-8 или семиразрядный КОИ-7.

Информационная емкость определяет количество информации, которое может быть единовременно представлено на информационном поле СОИ. Информационная емкость алфавитно-цифровых СОИ задается количеством знаков в текстовой строке

NЗ ТС и числом текстовых строк NТС. В современных алфавитно-цифровых дисплеях объем выводимой информации обычно задается 16 - 32 строками по 32 - 80 знаков в каждой.

Информационная емкость может быть выражена в битах:

,

где Nа - основание кода алфавита; N3 - общее число символов, выводимых на экран:

.

Отметим, что IИ характеризует некоторую гипотетическую модель, в которой равновероятны любые Nа значений символов. Информационную емкость графических СОИ часто оценивают суммарной длиной воспроизводимых линий или количеством воспроизводимых точек. Разрешающая способность характеризует число отдельных минимальных деталей изображения, которое СОИ может воспроизвести на информационном поле. В СОИ с точечными дискретными элементами отображения разрешающую способность количественно оценивают числом этих элементов на экране. В СОИ с электронно-лучевым индикатором или с проекционными системами в качестве количественной меры разрешающей способности используется число пар оптических линий (линия - промежуток), приходящихся на 1 мм или 1 см, или общее число линий, воспроизводимых на экране по вертикали и горизонтали, или минимально возможная ширина линии на экране.

Разрешающая способность характеризует число отдельных минимальных деталей изображения, которое СОИ может воспроизвести на информационном поле. В СОИ с точечными дискретными элементами отображения разрешающую способность количественно оценивают числом этих элементов на экране (число точек по горизонтали умноженное на число точек по вертикали).

Быстродействие характеризует скорость вывода информации на информационное поле СОИ. Одним из параметров количест­венной оценки быстродействия СОИ является время обновления данных, под которым понимается время от момента поступления информации на выход источника информации, сопряженного с СОИ, до момента формирования изображения. В графических СОИ для оценки быстродействия используют скорость формирования линий, заданную в миллиметрах на секунду.

Точность воспроизведения информации характеризует степень соответствия формируемой в СОИ информационной модели дан­ным, полученным от источника информации. Одним из способов оценки точности является оценка смещения отдельных элементов отображения от заданных адресных координат, выраженная в абсолютных или относительных единицах.

Фотометрические параметры рассмотрены в разделе 1.3.

Важными для оценки СОИ являются параметры, характеризующие его надежность, стоимость, а также энергетические параметры, в частности потребляемая мощность.

В отличие от других устройств промышленной электроники при проектировании средств отображения информации решающее значение имеет учет психофизиологических характеристик человека-оператора. Выбор типа информационной модели, алфавита ИМ и других основных параметров СОИ должен быть, прежде всего, направлен на обеспечение оптимального взаимодействия человека и техники. Определенные из этих условий требования к СОИ позволяют выбрать тип индикатора, обладающий возможностями формировать требуемую ИМ и имеющий необходимые фотометрические параметры. Затем уточняется способ формирования элементов ИМ и самой ИМ, учитывающий особенности выбранного индикатора.

DAW.

Цифровая звуковая рабочая станция (англ. Digital audio workstation (DAW) — цифровая рабочая аудио станция) представляет собой электронную или компьютерную систему, предназначенную для записи, хранения, редактирования и воспроизведения цифрового звука. Предусматривает возможность выполнения на ней законченного цикла работ, от первичной записи до получения готового результата.

Разновидности звуковых рабочих станций

Рабочие станции изначально возникли на основе устройств безленточной звукозаписи, то есть без использования магнитной ленты, как автономные специализированные системы с микропроцессорами. Позже появились рабочие станции на базе компьютеров, содержащие программный комплекс и профессиональный аудиоинтерфейс для ввода-вывода звука.

Современные DAW являются либо интегрированными программно-аппаратными решениями, либо программным обеспечением, работающим на компьютерах с аудиоинтерфейсом.

[править]

Автономные программно-аппаратные системы

Автономные системы звукозаписи являются закрытыми системами с ограниченными возможностями расширения, либо вовсе нерасширяемые.

Аппаратная часть, как правило, включает:

процессорный блок;

цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, которые могут находиться в процессорном блоке, или отдельно;

блок с носителями записи;

панель контроллера, включающего микшер, функциональные кнопки и клавиши, органы управления записью/воспроизведением и монтажом, индикаторы.

слот для плат расширения (дополнительно)

Программная часть исполняется на операционной системе, «зашитой» в процессорном блоке, зачастую не совместимой с другими операционными системами, содержит пользовательский интерфейс, представляющий собой чаще всего графику, выводимую на обычный компьютерный монитор или встроенный дисплей.

Иногда управление автономными системами звукозаписи возможно при помощи ПК посредством специальных протоколов, чаще всего — MIDI.

Автономные системы были более популярны до того как персональные компьютеры стали способны запустить DAW в виде программного обеспечения. Однако, многоканальную запись живых концертов и других «полевых» мероприятий удобнее и надежнее осуществлять не на компьютерной станции, а на автономной системе или многодорожечном дисковом рекордере.

[править]

Компьютерные системы

Звуковые рабочие станции на базе компьютеров, содержат программный комплекс, состоящий из звукового редактора и дополнительных модулей обработки звука (plug-in), а также аппаратную часть, которую можно изменять в зависимости от потребностей студии звукозаписи. В зависимости от числа каналов, качественных характеристик и аппаратно-программной реализации выделяют несколько видов систем:

«Домашние студии» — наиболее простые и дешёвые системы, имеющие не менее двух каналов записи/воспроизведения. Как правило, системы оснащаются недорогим встроенным или внешним аудиоинтерфейсом с двумя или более аналоговыми входами и двумя выходами (возможно также наличие цифровых входов/выходов). Аудиоинтерфейс может быть оснащен простейшей системой аппаратной обработки сигнала, например иметь лимитер/компрессор или блок эффектов.

Проджект-студии — восьмиканальные системы, то есть имеющие восемь входов. Используется в небольших студиях звукозаписи, где может возникнуть необходимость записи до восьми источников одновременно. Эти системы состоят из платы ввода/вывода, устанавливаемой в компьютер, и разъемов для подключения ко входам и выходам, которые располагаются в отдельном блоке и соединяются с платой многожильным кабелем. Также не исключено наличие дополнительных коммутационных интерфейсов. Почти всегда системы проектного класса имеют цифровой интерфейс для соединения с внешними АЦП и ЦАП.

«Коммерческие» многоканальные системы (16 каналов и более) — системы высокого класса, обязательно имеют развитую коммутацию, которая позволяет интегрировать звуковую станцию нелинейного монтажа в большую студию звукозаписи и в видеостудию. Такие системы включают:

отдельные блоки АЦП-ЦАП конвертеров;

платы либо отдельные блоки со специализированными процессорами обработки звука (DSP);

интерфейсы для подключения цифровых входов/выходов различных форматов (AES/EBU, S/PDIF, SDIF, TDIF), цифровых синхросигналов wordclock, синхроимпульсов аналогового видео «вспышка черного», синхрокодов SMPTE и MIDI.

Музыкальная рабочая станция — электромузыкальный инструмент, объединяющий в одном корпусе драм-машину, синтезатор, секвенсор, процессор эффектов, и, как правило, оборудованный клавиатурой фортепианного типа. Современные рабочие станции также обладают сэмплером и иногда выпускаются в бесклавиатурном (модульном) исполнении. Благодаря такой комбинации, рабочая станция позволяет обеспечить полный цикл создания, обработки и воспроизведения электронной музыки без принципиальной необходимости использования дополнительного оборудования.

В современных условиях, определение рабочей станции весьма условно, обычно сами производители электромузыкальных инструментов относят или не относят тот или иной свой к продукт к данному классу. Рабочие станции с повышенными интерактивными возможностями (прежде всего, оборудованные автоаккомпанементом) некоторые производители выделяют в подкласс аранжировочных станций

Первое поколение

Появление первых музыкальных рабочих станций относят к концу 1970-х годов. Возможность их появления была обусловлена миниатюризацией микроэлектроники и развитием технологий электронного синтеза. Клавишные инструменты New England Digital Synclavier и Fairlight CMI, представляющие первое поколение рабочих станций, были оборудованы управляющими микропроцессорами и флоппи-дисководом для хранения банков звуков.[2]

[править]

Второе поколение

Появление в 1982 году стандарта MIDI для кодирования элементарных музыкальных событий[3], а также появление возможности хранения банков звуков в оперативной памяти создали предпосылки для следующего поколения рабочих станций. Другими характерными отличиями второго поколения стали более развитые средства пользовательского интерфейса (алфавитно-цифровые дисплеи, интерфейс с персональными компьютерами) и модульные возможности программного обеспечения (позволяющие формировать и подгружать различные группы цифровых эффектов, добавлять новые возможности по обработке путём программной модификации и дополнения). В этом поколении также характерно внедрение в рабочие станции кодирования временно́й информации по стандарту SMPTE.

[править]

Третье поколение

В 1990-е годы благодаря стандартизации форматов представления сэмплов и их библиотек и появлению сэмплеров сформировалось третье поколение рабочих станций. Начиная с этого поколения, наличие сэмплера фактически становится обязательным атрибутом рабочей станции. Третьему поколению характерны высокие интеграционные возможности по взаимодействию с персональными компьютерами и программным обеспечением для создания музыки. Третье поколение становится доступным для широкого круга потребителей, за счёт снижения стоимости и освоения производства рабочих станций такими массовыми производителями, как Yamaha, Roland, Korg, Akai. Благодаря миниатюризации и повышению интерактивности, рабочие станции стали чаще использоваться не только для студийной работы, но и для концертной деятельности.

[править]

Четвёртое поколение

Рабочие станции 2000-х годы выделяются, прежде всего усовершенствованным пользовательским интерфейсом — большие экраны, в том числе сенсорные, позволяют интегрировать в рабочей станции широкие пользовательские возможности программного обеспечения для создания музыки, ранее доступного только на компьютерах. Уровень развития микроэлектроники начала XXI века позволяет в современных рабочих станциях использовать алгоритмы обработки звука и поддержки создания композиций существенно более сложные, чем ранее.

[править]

Распространённые рабочие станции

Yamaha Motif

Roland Fantom X

Korg Triton

Korg OASYS

Korg M3

Предыстория

Первые синтезаторы Муга 1960-х и 70-х годов были монофоническими (на них невозможно играть одновременно несколько нот) и монотембральными (они не позволяли играть несколькими тембрами одновременно). Кроме того, составленный тембр мог быть лишь схематично зарисован на бумаге, но не записан в инструменте: положение каждой ручки и переключателя влияло на полученный тембр звука, а вот механизма сохранения полученного звука не было. Таким образом, сценическое применение синтезатора было крайне осложнено или, по крайней мере, ограничено двумя-тремя тембрами. В силу отсутствия протокола MIDI тембр нельзя было сохранить и на внешнее устройство (секвенсор). В реальности на сцене синтезатор использовался просто: один синтезатор — один тембр. Два синтезатора — два тембра.

Уже в конце 70-х годов компьютеры позволяли автоматизировать многие процессы. Использовались они в таких областях, как расшифровка посланий вероятного противника или бухгалтерия крупных предприятий. Но и создатели музыкальных инструментов осознавали творческий потенциал такого мощного управляющего средства, и многие пытались сделать гибрид, позволяющий компьютеру управлять синтезатором.

Однако из множества разработок до производства был доведен инструмент, который никак не опирался на существующие синтезаторы. Это был представленный в 1978 году Synclavier — музыкальная рабочая станция на базе компьютера Apple Macintosh II. Его параметрами управлял встроенный процессор, эти параметры можно было сохранять и позже моментально вызывать. Интересно, что прототип инструмента был разработан не коммерческой фирмой, а группой Дартмутского колледжа музыки (Dartmouth College) — сказалось наличие там и инженерных, и компьютерных факультетов. Впоследствии разработчики Джон Эплтон, Сидней Алонсо и Камерон Джонс организовали фирму New English Digital (NED).

Synclavier 9600 TS

Synclavier 3200

Инструмент содержал массу кнопок на передней панели: нажав кнопку, музыкант выбирал параметр, а его значение вводилось с помощью колеса ввода данных (слева) и отображалось в виде числа на 4-символьном дисплее. Инструмент поражал воображение: в отличие от других цифровых разработок того времени, изменение параметра тут же влияло на звук — притом, что в созданных тогда компьютерных музыкальных программах между вводом данных и изменением звука могли пройти десятки минут или даже часы!

Там был также и шестнадцатидорожечный секвенсор! Инструмент мог записать последовательность нажатых клавиш и впоследствии воспроизвести их по нажатию кнопки, он позволял воспроизводить запись другим тембром, да и сам механизм образования тембра был богаче, чем на обычном муговском синтезаторе, — скажем, отдельный генератор огибающей был предусмотрен и для основного тона и для гармоник.

Это была первая в мире клавишная рабочая станция!

Цена за базовый комплект «Синклавира» была 13,5 тысяч долларов, и он стал самой авторитетной разработкой того времени, так как по функциональным возможностям ему просто не было равных.

Постепенно инструмент эволюционировал в мощную интегрированную систему для синтеза и записи музыки. Достаточно сказать, что тогда, в конце семидесятых годов, Synclavier мог записывать аудио на большие магнито-оптические диски с частотой дискретизации 100 кГц! Его покупали сотни влиятельнейших артистов и студий звукозаписи, хотя цена полной системы могла превышать 200 тысяч долларов.

Синтез звука осуществлялся двумя системами генераторов: на основе частотной модуляции (FM) и на основе воспроизведения семплов. Тон-генераторы объединялись специальной управляющей программой. Дополнительно можно было приобрести модуль прямой записи на жесткий диск (Direct-to-Disk hard disk recording system), который также управлялся этой интерфейсной программой.

Процессор был разработан в NED специально для музыкального производства. Это позволило преодолеть недостатки тогдашних процессоров, проявлявшиеся при работе с большим потоком аудиоданных.

Несмотря на низкую, особенно по сегодняшним меркам, тактовую частоту, процессор с легкостью выполнял возложенные на него задачи, что привело к неожиданному успеху — этот процессор стал закупаться НАСА и использоваться в навигационном оборудовании космической техники; поэтому он попал под ограничение, не позволяющее продавать «Синклавир» в страны соцлагеря. (Процессоры Motorola 68000 и его модификации использовались в системах наведения крылатых ракет, и по этой причине был запрещен экспорт компьютеров Apple Macintosh в страны восточного блока — прим. ред.)

Клавиатура Synclavier

Больше всего «Синклавир» стал известен благодаря глубокому звуку, гибкости в создании звука, а также производительности и скорости.

Его использовали самые знаменитые музыканты того времени: Genesis, Duran Duran, Херби Хенкок, продюсер Тревор Хорн (в числе прочего использовавший Synclavier на записях Frankie Goes To Hollywood, Yes и Грейс Джонс), Майкл Джексон, записавший на нем альбом «Thriller» в 1982 году, Пэт Метени, продюсер Дэниэл Миллер (для многих записей Depeche Mode), Стинг, Фрэнк Заппа и многие другие.

Фактически, «Синклавир» не только предвосхитил, но и воплотил многое из того, что теперь составляет понятие клавишной рабочей станции. Компания NED давно разорилась, и сегодня развитие этого класса инструментов продолжают нынешние лидеры рынка электронных музыкальных инструментов. В основном оно идет по пути удешевления различных модулей, так что рабочая станция становится доступной не только компаниям с солидным оборотом.

Уже в 90-х годах технологии настолько эволюционировали, что множество функций стало возможным реализовать недорогими средствами.

Сегодня

Клавишные рабочие станции — это гибрид, содержащий в одном корпусе клавиатуру, звуковой генератор, процессор эффектов, секвенсор вместе с устройством хранения данных.

Реальность нового века диктует новые правила: раньше в качестве устройства хранения данных использовался дисковод, теперь же применяется жесткий диск или флеш-накопитель, обычно есть и USB-порт для передачи данных на компьютер. Этот же порт может играть роль и USB/MIDI-интерфейса.

Часто рабочие станции включают в себя блок автоаккомпанемента, а иногда и такие интерактивные средства, как ритм-генератор и арпеджиатор. Как ни странно, сочетание аккомпанемента с арпеджиатором встречается редко. Иными словами, рабочие станции с автоаккомпанементом (еще их называют интерактивные рабочие станции, arranger workstation или entertainer workstation) рассматриваются ведущими производителями (Roland, KORG, YAMAHA) как отдельный класс инструментов, и, хотя там заявлено использование технологий от флагманских рабочих станций, все же функциональные возможности, как правило, урезаны.

Так, возможности рабочих станций с автоаккомпанементом Roland E-80, YAMAHA Tyros или Korg PA-1X ограничены по сравнению с рабочими станциями тех же производителей Fantom X, Motif или Triton.

И действительно, потенциальный пользователь «интерактивной» рабочей станции более нацелен на воссоздание существовавших стилей, ему, как правило, нет нужды в поиске новых созвучий, его работа — создать песню «по фирме», то есть в соответствии с имеющимся образцом. Пользователь элитного «верхнего» класса рабочих станций ориентируется, напротив, на создание совершенно нового музыкального материала.

Встроенный звуковой модуль рабочих станций может содержать несколько тонгенераторов на разных принципах работы, например на основе воспроизведения волновых форм из памяти ROM, семплер, тонгенератор, моделирующий аналоговый синтез, FM-синтез и т. д. В качестве примера устройства «все в одном» можно привести рабочую станцию Alesis Fusion — там объединены и воспроизведение записанных инструментов, и аналоговый синтезатор, и FM-синтезатор. Интерактивная рабочая станция Roland E-80, помимо воспроизведения семплов из ROM, содержит встроенный модуль, воссоздающий звучание электромеханических органов «Хаммонд». YAMAHA в базовом комплекте своей рабочей станции Motif предлагает всего один механизм генерации звука — воспроизведение семплов из ROM, но с помощью специальных карт ее можно расширить, включив и аналоговый синтезатор, и FM-синтезатор, и тонгенератор на основе моделирования духовых.

Таким образом, рабочая станция дает все необходимое для создания аранжировки за меньшую цену, чем стоимость подобных устройств в отдельности. Так как все составляющие устройства внутри подключены уже друг к другу, то удается избежать трудоемких MIDI- и аудиосоединений, а также необходимости разбираться в нескольких разных операционных системах.

Многие полагают, что рынок рабочих станций давно исчерпал себя. Центральным управляющим звеном в большинстве случаев становится компьютер, и все чаще на сцене приходится видеть ноутбук, а уж в студии стационарный компьютер есть всегда. Поэтому рынку рабочих станций уже 10 лет назад предрекали бесславную смерть. Однако, несмотря на все прогнозы «экспертов», «специалистов» и отдельных рейтинговых и вполне уважаемых музыкантов, в абсолютном выражении продажи клавишных рабочих станций только растут.

Они показывают более стабильную работу в сравнении даже с «эталоном стабильности» в мире персональных компьютеров — Apple Macintosh. Кроме того, работать ручками, фейдерами и кнопками гораздо привычнее и удобнее, чем мышью, независимо от того, какая решается задача — записи или создания тембра. Да и звучание играет не последнюю роль: многие предпочитают звук аппаратных семплеров, «железных» аналоговых синтезаторов или FM-раритеты звучанию программных аналогов.

Впрочем, дискуссия о звуке VST и «железа» ведется давно и безрезультатно, видно только, что год от года VST-инструменты становятся все лучше и лучше. По видимому, основными аргументами в пользу рабочих станций остаются стабильность, удобство, и… нацеленность на музыку — в отличие от компьютера, у музыканта нет соблазна поиграть в игрушку или полазить по интернету, имея перед собой включенный клавишный инструмент…

Разрушающее и неразрушающее редактирование АВП.

Обработка цифрового звука

Цифровой звук обрабатывается посредством математиче-

ских операций, применяемых к отдельным отсчетам сигнала либо

к группам отсчетов различной длины. Выполняемые математиче-

ские операции могут либо имитировать работу традиционных

аналоговых средств обработки (микширование двух сигналов —

сложение, усиление/ослабление сигнала — умножение на кон-

станту, модуляция — умножение на функцию и т.п.), либо ис-

пользовать альтернативные методы — например, разложение

сигнала в спектр (ряд Фурье), коррекция отдельных частотных

составляющих, затем обратная «сборка» сигнала из спектра.

Обработка цифровых сигналов подразделяется на линейную

(в реальном времени, над «живым» сигналом) и нелинейную —

над предварительно записанным сигналом. Линейная обработка

требует достаточного быстродействия вычислительной системы

(процессора); в ряде случаев невозможно совмещение требуемого

быстродействия и качества, и тогда используется упрощенная об-

работка с пониженным качеством. Нелинейная обработка никак

не ограничена во времени, поэтому для нее могут быть использо-

ваны вычислительные средства любой мощности, а время обра-

ботки, особенно с высоким качеством, может достигать несколь-

ких минут и даже часов.

Для обработки применяются как универсальные процессоры

общего назначения — Intel 8035, 8051, 80x86, Motorola 68xxx,

SPARC, так и специализированные цифровые сигнальные про-

цессоры (Digital Signal Processor, DSP) Texas Instruments TMS