THE WORLD OF EDUCATION

Информация о пользователе

Привет, Гость! Войдите или зарегистрируйтесь.


Вы здесь » THE WORLD OF EDUCATION » Электронные учебники и лекции » Информатика


Информатика

Сообщений 31 страница 60 из 98

31

и  характеристики  процессоров  фирмы  Intel,  являющейся  лидером  по  производству
процессоров для ПК.
В качестве единиц измерения производительности используют:
МИПС (МIPS – Меgа Instructions Per Second) – миллион операций (инструкций) над
числами с фиксированной точкой в секунду;
МФЛОПС (MFLOPS – Меgа Floating Орегаtions Рег Sесоnd) – миллион операций над
числами с плавающей точкой в секунду;
ГФЛОПС (GFLOPS – Giga Floating Operations Рег Second) – миллиард операций над
числами с плавающей точкой в секунду.
1.5.4.1. Структура, основные модули и технологии
В  состав  процессора  входит:  устройство  управления  (УУ),  арифметико-логическое
устройство (АЛУ), блок регистров, средства контроля и диагностики, блоки предсказаний
ветвлений. Кроме арифметического устройства процессоры содержат модули вычислений
с  плавающей  запятой  (FPU  –  математический  сопроцессор),  модули  обработки  матриц
(технологии MMX, SSE, SSE2, 3DNow).
Процессор  обеспечивает  совместную  и  согласованную  работу  операционной  и
управляющей частей.
Операционная часть:
АЛУ  –  Арифметическое  Логическое  Устройство,  реализует  выполнение  команд,
составляющих  программу,  используя  предусмотренный  в  нем  набор  базовых  операций
(арифметических,  логических,  условного  перехода  и  т.п.).    Вырабатывает  сигналы,
необходимые для организации вычислительного процесса. 
По  форме  представления  чисел:  АЛУ  для  чисел  с  фиксированной  точкой,  с
плавающей, для двоично-кодированных десятичных.   
По принципу действий: АЛУ последовательного действия с поразрядной обработкой
информации и АЛУ параллельного действия с одновременной обработкой
По степени использования: блочные и универсальные АЛУ
БРП  –  Блок  Регистровой  Памяти  –  является  местной  памятью  процессора,  имеет
небольшую  емкость,  но  более  быстродействующая  по  сравнению  с  ОЗУ.  Используется
для повышения быстродействия процессора. 
В  БРП  входят:    регистры  общего  назначения  (для  выполнения  арифметических
операций с фиксированной точкой и процедур  выполнения логических операций; в них
хранятся  и  изменяются  базовые  адреса  и  индексы),  регистры  с  плавающей  точкой  (для
выполнения  арифметических  операций  с  плавающей  точкой,  применяются  для
нормализации полученного результата.)
Организующая часть:
УУ – Устройство Управления – 
1.  обеспечивает выполнение команд программ в заданной последовательности,
выполнение каждой текущей команды и соответствующей операции в АЛУ
2.  производит обработку запросов прерывания
3.  обеспечивает защиту памяти, контроль и диагностику неисправности при работе
устройств
4.  вырабатывает синхронизирующие тактовые и управляющие импульсы, которые
обеспечивают совместную работу всех устройств 
5.  выдачу информации пользователю и прием

0

32

БУР  –  Блок  Управляющих  Регистров  –  является  рабочей  памятью,  недоступной
программе,  и  включает  в  себя  счетчики  и  регистры  для  временного  хранения
управляющей информации. К ним относятся: регистр команд, регистр или счетчик адреса
команд, буферные регистры для хранения адресов и слов.
Математический  сопроцессор  (FPU)  выполняет  операции  с  плавающей  точкой
согласно стандартам IEEE-754 и IEEE-854 с высокой производительностью, повышенной
точностью операций, обрабатывает очень большие и очень малые числа и т.д. [7].
Сопроцессор  выполняет  только  свои  команды  из  потока  команд,  а  работу  по
декодированию  команд  и  доставке  данных  выполняет  центральный  процессор.
Сопроцессор  выполняет  вычисления  параллельно  с  центральным  процессором,  вне
зависимости от переключения задач в защищенном режиме. 
Технология  MMX  является  расширением  базовой  архитектуры  и  позволяет
обрабатывать  несколько  элементов  (матрицу)  целочисленных  данных  за  одну  инструк-
цию. MMX поддерживает арифметику с насыщением (saturating arithmetic). Еѐ отличие от
обычной  арифметики  с  циклическим  переполнением  (wraparound  mode)  заключается  в
том,  что  при  возникновении  переполнения  в  результате  фиксируется  максимально
возможное  значение  для  данного  типа  данных,  а  перенос  игнорируется.  В  случае
переполнения  снизу  в  результате  фиксируется  минимально  возможное  значение.
Граничные  значения  определяются  типом  (знаковый  или  беззнаковый)  и  разрядностью
переменных. Такой режим вычислений удобен, например, для определения цветов.
Технология  3DNow!,  введѐнная  фирмой  AMD  в  процессорах  K6-2,  расширяет
возможности MMX, позволяя оперировать с новым типом данных – парой упакованных
чисел  в  формате  с  плавающей  точкой.  Также  расширяет  набор  инструкций  MMX  для
усреднения  восьми  пар  8-битных  чисел,  используемых  в  декодерах  MPEG-2.  3DNow!
используется для усиления вычислений графическими акселераторами.
Потоковое  расширение  SSE  и  SSE2  (Streaming  SIMD  Extension)  использует
дополнительный  независимый  блок  из  восьми  128-битных    регистров,  в  каждый  из
которых могут быть помещены четыре 32-битных числа в формате с плавающей точкой
одинарной  точности.  Блок  позволяет  выполнять  векторные  (пакетные)  и  скалярные
инструкции. Векторные инструкции реализуют операции сразу над четырмя комплектами
операндов.  Потоковое  расширение  используется  для  ускорения  мультимедийных
приложений.
EM64T (en. Extended Memory 64 Technology) – реализация 64-битных расширений
AMD64  процессорной  архитектуры  IA-32  (архитектуры  x86-совместимых  процессоров)
фирмы  Intel.  Основное  улучшение,  обеспечиваемое  EM64T  –  64-битная  адресация
оперативной памяти, что позволяет снять присущее 32-битным процессорам ограничение
в 4 гигабайта адресуемой напрямую памяти.
EM64T обеспечивает поддержку:
  64-битового линейного действительного адресного пространства; 
  64-битовых указателей; 
  64-битовые регистры общего назначения; 
  64-битовых целых чисел; 
  поддержку до 1 терабайта (TB) адресного пространства платформы.

0

33

Пояснение терминов и технологий:
Переименование  регистров  (register  renaming)  позволяет  обойти  архитектурное
ограничение  на  возможность  параллельного  исполнения  инструкций  (доступно  всего
восемь общих регистров). Процессоры с переименованием регистров фактически имеют
более  восьми  общих  регистров,  и  при  записи  промежуточных  результатов
устанавливается соответствие логических имен и физических регистров. Таким образом,
одновременно может исполняться несколько инструкций, ссылающихся на одно и то же
логическое имя регистра, если, конечно, между ними нет фактических зависимостей по
данным.
Продвижение  данных  (data  forwarding)  подразумевает  начало  исполнения
инструкции  до  готовности  всех  операндов.  При  этом  выполняются  все  возможные
действия, и декодированная инструкция с одним операндом помещается в исполнительное
устройство,  где  дожидается  готовности  второго  операнда,  выходящего  с  другого
конвейера.
Предсказание  переходов  (branch  prediction)  позволяет  продолжать  выборку  и
декодирование  потока  инструкций  после  выборки  инструкции  ветвления  (условного
перехода),  не  дожидаясь  проверки  самого  условия.  В  процессорах  прежних  поколений
инструкция  перехода  приостанавливала  конвейер  (выборку  инструкций)  до  исполнения
собственно  перехода,  на  чем,  естественно,  терялась  производительность.  Предсказание
переходов направляет поток выборки и декодирования по одной из ветвей. Статический
метод предсказания работает по схеме, заложенной в процессор, считая, что переходы по
одним  условиям,  вероятнее  всего,  произойдут  а  по  другим  –  нет.  Динамическое
предсказание  опирается  на  предысторию  вычислительного  процесса  -  для  каждого
конкретного  случая  перехода  накапливается  статистика  поведения,  и  переход
предсказывается, основываясь именно на ней.
Исполнение  по  предположению,  называемое  также  спекулятивным  (speculative
execution),  идет  дальше  –  предсказанные  после  перехода  инструкции  не  только
декодируются,  но  и  по  возможности  исполняются  до  проверки  условия  перехода.  Если
предсказание  сбывается,  то  труд  оказывается  ненапрасным,  если  не  сбывается,  то
происходит перегрузка конвейера.
Исполнение  с  изменением  последовательности  инструкций  (out-of-order  execution),
свойственное RISC-архитектуре, теперь реализуется и для процессоров i80x86. При этом
изменяется  порядок  внутренних  манипуляций  данными,  а  внешние  (шинные)  операции
ввода-вывода  и  записи  в  память  выполняются  в  порядке,  предписанном  программным
кодом.
Процессорная (иначе - системная) шина, которую чаще всего называют FSB (Front
Side Bus), представляет собой совокупность сигнальных линий, объединенных по своему
назначению  (данные,  адреса,  управление),  которые  имеют  определенные  электрические
характеристики  и  протоколы  передачи  информации.  Таким  образом,  FSB  выступает  в
качестве  магистрального  канала  между  процессором  (или  процессорами)  и  всеми
остальными  устройствами  в  компьютере:  памятью,  видеокартой,  жестким  диском  и  так
далее. Непосредственно к системной шине подключен только CPU, остальные устройства
подсоединяются  к  ней  через  специальные  контроллеры,  сосредоточенные  в  основном  в
северном мосте набора системной логики (чипсета) материнской платы. Хотя могут быть
и исключения – так, в процессорах AMD семейства К8 контроллер памяти интегрирован
непосредственно  в  процессор,  обеспечивая,  тем  самым,  гораздо  более  эффективный
интерфейс  память-CPU,  чем  решения  от  Intel,  сохраняющие  верность  классическим
канонам организации внешнего интерфейса процессора. 
Во  всех  современных  процессорах  имеется  кэш  (по-английски  –  cache)  –  массив
сверхскоростной  оперативной  памяти,  являющейся  буфером  между  контроллером
сравнительно медленной системной памяти и процессором. В этом буфере хранятся блоки
данных,  с  которыми  CPU  работает  в  текущий  момент,  благодаря  чему  существенно
уменьшается количество обращений процессора к чрезвычайно медленной (по сравнению
со скоростью работы процессора) системной памяти. Тем самым заметно увеличивается
общая производительность процессора. 
При  этом  в  современных  процессорах  кэш  давно  не  является  единым  массивом
памяти,  как  раньше,  а  разделен  на  несколько  уровней.  Наиболее  быстрый,  но
относительно  небольшой  по  объему  кэш  первого  уровня  (обозначаемый  как  L1),  с
которым работает ядро процессора, чаще всего делится на две половины - кэш инструкций
и  кэш  данных.  С  кэшем  L1  взаимодействует  кэш  второго  уровня  –  L2,  который,  как
правило, гораздо больше по объему и является смешанным, без разделения на кэш команд
и кэш данных. Некоторые десктопные процессоры, по примеру серверных процессоров,
также  порой  обзаводятся  кэшем  третьего  уровня  L3.  Кэш  L3  обычно  еще  больше  по
размеру, хотя и несколько медленнее, чем L2 (за счет того, что шина между L2 и L3 более
узкая,  чем  шина  между  L1  и  L2),  однако  его  скорость,  в  любом  случае,  несоизмеримо
выше, чем скорость системной памяти. 
Кэш  бывает  двух  типов:  эксклюзивный и  не  эксклюзивный кэш.  В  первом  случае
информация  в  кэшах  всех  уровней  четко  разграничена  –  в  каждом  из  них  содержится
исключительно  оригинальная,  тогда  как  в  случае  не  эксклюзивного  кэша  информация
может дублироваться на всех уровнях кэширования. Сегодня трудно сказать, какая из этих
двух  схем  более  правильная  -  и  в  той,  и  в  другой  имеются  как  минусы,  так  и  плюсы.
Эксклюзивная  схема  кэширования  используется  в  процессорах  AMD,  тогда  как  не
эксклюзивная - в процессорах Intel.
Технология  многопоточной  обработки  команд  Hyper-Threading  (HT)  превращает
одноядерный  процессор  Intel  Pentium  4  в  псевдодвухъядерный,  позволяя  выполнять
некоторые  команды  параллельно  и  увеличивая,  тем  самым,  производительность  в
отдельных  приложениях  (оптимизированных  под  HT).  Прирост  производительности  в
таких приложениях может достигать 30%.
Энергосберегающая технология Cool'n'Quiet пришла в десктопные процессоры AMD
из  сферы  мобильных и  позволяет  снизить  тепловыделение  и  энергопотребление  при их
неполной  загруженности.  На  данный  момент  эта  технология  реализована  во  всех
процессорах  семейства  AMD  K8  -  Athlon  64,  Athlon  64  X2,  Athlon  64  FX,  Sempron.
Естественно,  что  и  материнская  плата  должна  поддерживать  эту  технологию  (в  BIOS
должен быть активирован соответствующий пункт). 
Ничего  радикально  нового  в  технологии  Cool'n'Quiet  нет.  В  процессе  работы
операционная система следит за загрузкой процессора, и, если она меньше определенного
порога,  то  уменьшается  рабочая  частота  и  напряжение  питания  процессора.  Снижение
рабочей частоты процессора осуществляется путем перепрограммирования его регистров
(с  помощью  специальной  программы  -  драйвера  процессора).  Снизив  частоту  и
напряжение, процессор будет потреблять гораздо меньше энергии, меньше нагреваться и,
если кулер оборудован системой термоконтроля, снизится шум системы.

0

34

При  увеличении  нагрузки  процессора  все  происходит  по  той  же  цепочке  (OC-
драйвер-процессор-кулер),  но  наоборот  -  процессор  вернется  к  номинальной  частоте.  В
секунду  может  быть  до  сотни  таких  переключений  между  различными  режимами,  для
пользовательских  программ  все  это  происходит  совершенно  незаметно,  да  и  на  общем
быстродействии системы Cool'n'Quiet если и сказывается, то незначительно. 
Степень  реагирования  системы  на  изменение  загрузки  процессора  пользователь
определяет сам, выбирая ту или иную политику в апплете Электропитание Windows - от
минимального  уровня  (переход  в  режим  энергосбережения  только  при  простое)  до
жесткой экономии энергии (процессор практически всегда будет находиться в состоянии
пониженного энергопотребления). 
1.5.4.2. Многоядерность
Многоядерные процессоры содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе
(на одном или нескольких кристаллах).

Процессоры, предназначенные  для  работы одной копии  операционной  системы на
нескольких  ядрах,  представляют  собой  высокоинтегрированную  реализацию  системы
«Мультипроцессор».
На данный момент массово доступны процессоры с двумя ядрами, в частности Intel
Core 2 Duo на 65 нм ядре Conroe (позднее на 45 нм ядре Wolfdale) и Athlon64X2 на базе
микроархитектуры  K8.  В  ноябре  2006  года  вышел  первый  четырѐхъядерный  процессор
Intel  Core  2  Quad  на  ядре Kentsfield,  представляющий  собой  сборку  из  двух  кристаллов
Conroe в одном корпусе.
Двухядерность процессоров включает такие понятия, как наличие логических и фи-
зических ядер: например двухядерный процессор Intel Core Duo состоит из одного физии-
ческого ядра, которое в свою очередь разделено на два логических. Процессор Intel Core 2
Duo состоит из двух физических ядер, что существенно влияет на скорость его работы.

0

35

1.5.4.3. Охлаждение процессоров
Современные  производительные  процессоры  требуют  интенсивного  охлаждения.
Чаще  охлаждение  бывает  активным.  Для  улучшения  отвода  тепла  на  поверхность
процессора наносят теплопроводящую пасту. Радиатор системы охлаждения может быть
выполнен из различных металлов. Медные радиаторы являются более эффективными, чем
алюминиевые,  но  более  дороги  и  тяжелы.  Увеличение  частоты  ведет  к  интенсивному
выделению тепла, поэтому в экстренных случаях энтузиасты используют не воздушные, а
водяные,  фреоновые  и  даже  системы  охлаждения  на  жидком  азоте.  Водяные  системы
охлаждения  имеют  систему  труб,  по  которым  циркулирует  вода  или  раствор  солей.
Охлаждение жидкости производится во внешнем блоке и напоминает по принципу работу
радиатора автомобиля.
1.5.5. Память
ОЗУ(также  оперативное  запоминающее  устройство,  ОЗУ) –  в
информатике –  память,  часть  системы  памяти  ЭВМ,  в  которую  процессор  может
обратиться  за  одну  операцию  (jump,  move  и  т.  п.).  Предназначена  для  временного
хранения  данных  и  команд,  необходимых  процессору  для  выполнения  им  операций.

Оперативная  память передаѐт  процессору  данные  непосредственно,  либо  через  кэш-
память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.
В  современных  вычислительных  устройствах,  оперативная  память  выполнена  по
технологии динамической памяти с произвольным доступом (англ. dynamic random access
memory, DRAM). Понятие памяти с произвольным доступом предполагает, что текущее
обращение к памяти не учитывает порядок предыдущих операций и расположения данных
в ней. ОЗУ реализуется обычно, как энергозависимая память и предназначено для записи,
считывания  и  хранения  программ,  исходных  данных,  промежуточных  и  окончательных
результатов. 
Конструктивно память DRAM состоит из «ячеек» размером в 1 или 4 бит, в каждой
из  которых  можно  хранить  определѐнный  объѐм  данных.  Совокупность  «ячеек»  такой
памяти  образуют  условный  «прямоугольник»,  состоящий  из  определѐнного  количества
строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется  страницей, а совокупность
страниц называется банком. Весь набор «ячеек» условно делится на несколько областей.
В  современных  компьютерах  физически  DRAM-память  представляет  собой
электрическую плату – модуль, на котором расположены микросхемы памяти и разъѐм,
необходимый  для  подключения  модуля  к  материнской  плате.  Роль  «ячеек»  играют
конденсаторы  и  транзисторы,  расположенные  внутри  микросхем  памяти.  Конденсаторы
заряжаются  в  случае,  когда  в  «ячейку»  заносится  единичный  бит,  либо  разряжаются  в
случае, когда в «ячейку» заносится нулевой бит. Транзисторы необходимы для удержания
заряда  внутри  конденсатора.  При  отсутствии  подачи  электроэнергии  к  оперативной
памяти,  происходит  разряжение  конденсаторов,  и  память  опустошается.  Это
динамическое  изменение  заряда  конденсатора  является  основополагающим  принципом
работы  памяти  типа  DRAM.  Элементом  памяти  этого  типа  является  чувствительный
усилитель  (англ.  sense  amp),  подключенный  к  каждому  из  столбцов  «прямоугольника».
Он, реагируя на слабый поток электронов, устремившихся через открытые транзисторы с
обкладок  конденсаторов,  считывает  всю  страницу  целиком.  Именно  страница  является
минимальной  порцией  обмена  с  динамической  памятью,  потому  что  обмен  данными  с
отдельно взятой ячейкой невозможен.

0

36

Основными  характеристиками  DRAM  являются  тайминги  и  рабочая  частота.  Для
обращения к ячейке контроллер задаѐт номер банка, номер страницы в нѐм, номер строки
и номер столбца, на все запросы тратится время, помимо этого довольно большой период
уходит  на  открытие  и  закрытие  банка  после  самой  операции.  На  каждое  действие
требуется  время,  называемое  таймингом.  Основными  таймингами  DRAM  являются:
задержка между подачей номера строки и номера столбца, называемая временем полного
доступа (англ. RAS to CAS delay), задержка между подачей номера столбца и получением
содержимого  ячейки,  называемая  временем  рабочего  цикла  (англ.  CAS  delay),  задержка
между чтением последней ячейки и подачей номера новой строки (англ. RAS precharge).
Тайминги  измеряются  в  наносекундах,  и  чем  меньше  величина  этих  таймингов,  тем
быстрее  работает  оперативная  память.  Рабочая  частота  измеряется  в  мегагерцах,  и
увеличение рабочей частоты памяти приводит к увеличению еѐ быстродействия.
В  отличие  от  статической  памяти  типа  SRAM  (англ.  static  random  access  memory),
которая является конструктивно более сложным и более дорогим типом памяти RAM и
используется  в  основном  в  кэш-памяти,  память  DRAM  изготавливается  на  основе
конденсаторов небольшой ѐмкости, которые быстро теряют заряд, поэтому информацию
приходится  обновлять  через  определѐнные  периоды  времени  во  избежание  потерь
данных.  Этот  процесс  называется  регенерацией  памяти.  Он  реализуется  специальным
контроллером,  установленным  на  материнской  плате  или  на  кристалле  центрального
процессора.  На  протяжении  времени,  называемого  шагом  регенерации,  в  DRAM
перезаписывается целая строка «ячеек», и через 8-64 мс обновляются все строки памяти.
Процесс  регенерации  памяти  в  классическом  варианте  существенно  «тормозит»
работу  системы,  поскольку  в  это  время  обмен  данными  с  памятью  невозможен.
Регенерация,  основанная  на  обычном  переборе  строк,  не  применяется  в  современных
типах  DRAM.  Существует  несколько  более  экономичных  вариантов  этого  процесса –
расширенный,  пакетный,  распределенный;  наиболее  экономичной  является  скрытая
регенерация. Из новых технологий регенерации можно выделить тип регенерации PASR
(англ.  Partial  Array  Self  Refresh),  применяемый  компанией  Samsung  в  чипах  памяти
SDRAM с низким уровнем энергопотребления. Регенерация «ячеек» выполняется только в
период ожидания в тех банках памяти, в которых имеются данные. Параллельно с этой
технологией  реализуется  метод  TCSR  (англ.  Temperature  Compensated  Self  Refresh),
который предназначен для регулировки скорости процесса регенерации в зависимости от
рабочей  температуры.  Версии  реализации  DDR  SDRAM  нумеруются  и  отличаются
производительностью. Для ускорения работы (параллельное обращение к банкам памяти),
многие чипсеты поддерживают (Dual-channel) режим спаренной работы. Начиная с DDR3
введена поддержка параллельной работы с тремя модулями памяти.
Статическая  оперативная  память  с  произвольным  доступом  (SRAM  –  Static
Random  Access  Memory) –  полупроводниковая  оперативная  память,  в  которой  каждый
двоичный разряд хранится в схеме с положительной обратной связью, позволяющей под-
держивать состояние сигнала без постоянной перезаписи. Произвольный доступ (RAM –
random access memory) – возможность выбирать для записи/чтения любой из битов (чаще
байтов, зависит от особенностей конструкции), в отличие от памяти с последовательным
доступом (SAM – sequental access memory).
Преимущества: Быстрый доступ. SRAM – это действительно память произвольного
доступа, доступ к любой ячейке памяти в любой момент занимает одно и то же время.
Простая  схемотехника  –  SRAM  не  требуются  сложные  контроллеры.  Возможны  очень
низкие частоты синхронизации, вплоть до полной остановки синхроимпульсов. 
Недостатки: Высокое энергопотребление (DRAM расходует электроэнергию только
на  обновление,  SRAM  –  постоянно).  Невысокая  плотность  записи  (шесть  элементов  на
бит, вместо двух у DRAM). Вследствие чего – дороговизна килобайта памяти. 
SRAM применяется в микроконтроллерах и ПЛИС, в которых объѐм ОЗУ невелик
(единицы килобайт), зато нужны низкое энергопотребление (за счѐт отсутствия сложного
контроллера динамической памяти), предсказываемое с точностью до такта время работы
подпрограмм и отладка прямо на устройстве.
В более сложных устройствах рабочая память выполняется как DRAM. SRAM’ом же
делают регистры и кэш-память.

0

37

1.5.6. Видеокарта
Видеоплата (видеокарта, видеоадаптер) устройство, преобразующее изображение,
находящееся  в  памяти  компьютера  в  аналоговый  и/или  цифровой  видеосигнал  для
отображения  на  мониторе.  Современные  платы  позволяют  поддерживать  несколько
мониторов.  В  компьютер  возможна  установка  нескольких  видеокарт.  Видеоадаптеры
могут  поддерживать  вычисления  построения  изображений  трѐхмерных  объектов.
Программно  задаѐтся  каркас  объекта,  а  с  помощью  встроенных  и  внешних  функций
производится  заполнение  объекта  текстурами  и  наложение  видеоэффектов.  На  плате
помещена видеопамять для хранения видеоизображения и текстур. Видеоадаптер может
быть встроен в системную плату. Для повышения эффективности в современные адаптеры
могут  встраиваться  как  отдельные  или  интегрированные  процессоры  физических
вычислений,  которые  в  основном  отвечают  за  два  эффекта:  обнаружение  столкновений
объектов и расчет поведения множества мелких (точечных) частиц
Современная видеокарта состоит из следующих частей:
  графический процессор (Graphics processing unit – графическое процессорное устрой-
ство) – занимается расчѐтами выводимого изображения, освобождая от этой обязан-
ности центральный процессор, производит расчѐты для обработки команд трѐхмерной
графики.  Является  основой  графической  платы,  именно  от  него  зависят  быстро-
действие и возможности всего устройства. Современные графические процессоры по
сложности  мало  чем  уступают  центральному  процессору  компьютера,  и  зачастую
превосходят  его  как  по  числу  транзисторов,  так  и  по  вычислительной  мощности,
благодаря  большому  числу  универсальных  вычислительных  блоков.  Однако,
архитектура  GPU  прошлого  поколения  обычно  предполагает  наличие  нескольких
блоков обработки информации, а именно: блок обработки 2D-графики, блок обработки
3D-графики,  в  свою  очередь,  обычно  разделяющийся  на  геометрическое  ядро  (плюс
кэш вершин) и блок растеризации (плюс кэш текстур) и др. 
  видеоконтроллер  –  отвечает  за  формирование  изображения  в  видеопамяти,  даѐт
команды  RAMDAC  на  формирование  сигналов  развѐртки  для  монитора  и
осуществляет  обработку  запросов  центрального  процессора.  Кроме  этого,  обычно
присутствуют контроллер внешней шины данных (например, PCI или AGP), контрол-
лер внутренней шины данных и контроллер видеопамяти. Ширина внутренней шины и
шины видеопамяти обычно больше, чем внешней (64, 128 или 256 разрядов против 16
или  32),  во  многие  видеоконтроллеры  встраивается  ещѐ  и  RAMDAC.  Современные
графические адаптеры (ATI, nVidia) обычно имеют не менее двух видеоконтроллеров,
работающих  независимо  друг  от  друга  и  управляющих  одновременно  одним  или
несколькими дисплеями каждый. 
  видеопамять – выполняет роль кадрового буфера, в котором хранится изображение,
генерируемое  и  постоянно  изменяемое  графическим  процессором  и  выводимое  на
экран монитора (или нескольких мониторов). В видеопамяти хранятся также промежу-
точные  невидимые  на  экране  элементы изображения  и  другие  данные.  Видеопамять
бывает  нескольких  типов,  различающихся  по  скорости  доступа  и  рабочей  частоте.
Современные видеокарты комплектуются памятью типа DDR, DDR2, GDDR3, GDDR4
и  GDDR5.  Следует  также  иметь  в  виду,  что  помимо  видеопамяти,  находящейся  на
видеокарте, современные графические процессоры обычно используют в своей работе
часть  общей  системной  памяти  компьютера,  прямой  доступ  к  которой  организуется
драйвером видеоадаптера через шину AGP или PCIE. 
  цифро-аналоговый  преобразователь  (ЦАП,  RAMDAC  –  Random  Access  Memory
Digital-to-Analog Converter) – служит для преобразования изображения, формируемого
видеоконтроллером,  в  уровни  интенсивности  цвета,  подаваемые  на  аналоговый
монитор.  Возможный  диапазон  цветности  изображения  определяется  только
параметрами  RAMDAC.  Чаще  всего  RAMDAC  имеет  четыре  основных  блока  –  три
цифроаналоговых  преобразователя,  по  одному  на  каждый  цветовой  канал  (красный,
зелѐный, синий, RGB), и SRAM для хранения данных о гамма-коррекции. Большин-
ство ЦАП имеют разрядность 8 бит на канал – получается по 256 уровней яркости на
каждый основной цвет, что в сумме дает 16,7 млн. цветов (а за счѐт гамма-коррекции
есть возможность отображать исходные 16,7 млн. цветов в гораздо большее цветовое
пространство).  Некоторые  RAMDAC  имеют  разрядность  по  каждому  каналу  10  бит
(1024  уровня яркости), что позволяет сразу отображать более 1 млрд. цветов, но эта
возможность  практически  не  используется.  Для  поддержки  второго  монитора  часто
устанавливают второй ЦАП. Стоит отметить, что мониторы и видеопроекторы, под-
ключаемые  к  цифровому  DVI  выходу  видеокарты,  для  преобразования  потока
цифровых  данных  используют  собственные  цифроаналоговые  преобразователи  и  от
характеристик ЦАП видеокарты не зависят. 
  видео-ПЗУ (Video ROM) – постоянное запоминающее устройство, в которое записаны
видео-BIOS,  экранные  шрифты,  служебные  таблицы  и  т.  п.  ПЗУ  не  используется
видеоконтроллером  напрямую  –  к  нему  обращается  только  центральный  процессор.
Хранящийся в ПЗУ видео-BIOS обеспечивает инициализацию и работу видеокарты до
загрузки основной операционной системы, а также содержит системные данные, кото-
рые  могут  читаться  и  интерпретироваться  видеодрайвером  в  процессе  работы  (в
зависимости от применяемого метода разделения ответственности между драйвером и
BIOS). На многих современных картах устанавливаются электрически перепрограмми-
руемые  ПЗУ  (EEPROM,  Flash  ROM),  допускающие  перезапись  видео-BIOS  самим
пользователем при помощи специальной программы. 
  система  охлаждения  –  предназначена  для  сохранения  температурного  режима
видеопроцессора и видеопамяти в допустимых пределах.

0

38

Правильная  и  полнофункциональная  работа  современного  графического  адаптера
обеспечивается  с  помощью  видеодрайвера  –  специального  программного  обеспечения,
поставляемого  производителем  видеокарты  и  загружаемого  в  процессе  запуска  опера-
ционной  системы.  Видеодрайвер  выполняет  функции  интерфейса  между  системой  с
запущенными  в  ней  приложениями  и  видеоадаптером.  Так  же  как  и  видео-BIOS,
видеодрайвер организует и программно контролирует работу всех частей видеоадаптера
через  специальные  регистры  управления,  доступ  к  которым  происходит  через
соответствующую шину.

Характеристики видеокарт:
  ширина шины памяти, измеряется в битах  – количество бит  информации, передава-
емой за такт. Важный параметр в производительности карты. 
  объѐм видеопамяти, измеряется в мегабайтах – объѐм встроенной оперативной памяти
видеокарты. 
  частоты  ядра  и  памяти  –  измеряются  в  мегагерцах,  чем  больше,  тем  быстрее
видеокарта будет обрабатывать информацию. 
  техпроцесс – технология изготовления основных микросхем видеокарты, указывается
характерный  размер,  измеряемый  в  нанометрах  (нм),  современные  микросхемы
выпускаются  по  90-,  80-  65  или  55-нм  нормам  техпроцесса.  Чем  меньше  данный
параметр, тем больше элементов можно уместить на кристалле микросхемы. 
  текстурная и пиксельная скорость заполнения, измеряется в млн. пикселов в секунду,
показывает количество выводимой информации в единицу времени. 
  выводы  карты  –  первоначально  видеоадаптер  имел  всего  один  разъѐм  VGA  (15-
контактный D-Sub). В настоящее время платы оснащают одним или двумя разъѐмами
DVI  или  HDMI,  либо  Display  Port.  Порты  D-SUB,  DVI  и  HDMI  являются  эволю-
ционными  стадиями  развития  стандарта  передачи  видеосигнала,  поэтому  для
соединения устройств с этими типами портов возможно использование переходников.
Dispay  Port  позволяет  подключать  до  четырѐх  устройств,  в  том  числе  акустические системы, USB-концентраторы и иные устройства ввода-вывода. На видеокарте также
возможно  размещение  композитных  и  S-Video  видеовыходов  и  видеовходов
(обозначаются, как ViVo)

0

39

1.5.7. Сетевое оборудование
1.5.7.1. Сетевая карта
Сетевой  адаптер  (сетевая  карта)  служит  для  подключения  компьютеров  в
локальную  сеть,  позволяющую  пользователю  получать  доступ  к  информации  в  других
компьютерах. Сетевые адаптеры, как и другое сетевое оборудование, различаются типом
поддерживаемой среды передачи – коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно, радио;
скоростью  передачи,  встроенными  дополнительными  возможностями.  Для  защиты
сетевого  адаптера  от  электрических  наводок,  создаваемых  грозовыми  разрядами  (в
металлических проводниках) может использоваться специальное защитное оборудование.
Сетевой  адаптер  может  быть  встроен  в  системную  плату.  По  методу  подключения
отдельных  плат  адаптеры  могут  производиться  для  ISA  (устарел),  PCI  (наиболее
распространенный) и PCI-E (новый) слотов. Внешние адаптеры могут подключаться через
USB  или  PCMCIA  интерфейс.  Кабельный  сетевой  адаптер  может  быть  выполнен  для
различных разъемов – в 10-мегабитных картах применялись BNC-коннекторы для тонкого
коаксиального  кабеля,  15-контактный  разъѐмы  трансивера  для  толстого  коаксиального
кабеля и 8P8C для витой пары. На 100-мегабитных и гигабитных платах устанавливают
только разъѐм для витой пары (8P8C, ошибочно называемый RJ-45). Рядом с разъѐмом для
витой  пары  могут  устанавливать  один  или  несколько  информационных  светодиодов,
сообщающих  о  наличии  подключения  и  передаче  информации.  В  зависимости  от
мощности и сложности сетевой карты она может реализовывать вычислительные функции
(преимущественно  подсчѐт  и  генерацию  контрольных  сумм  кадров)  аппаратно  либо
программно  (драйвером  сетевой  карты  с  использованием  центрального  процессора).
Серверные  сетевые  карты  могут  поставляться  с  двумя  (и  более)  сетевыми  разъѐмами.
Некоторые  сетевые  карты  (встроенные  на  материнскую  плату)  также  обеспечивают
функции межсетевого экрана.

0

40

1.5.7.2. Радио сетевая карта (Wi-Fi)
Wi-Fi (англ. Wireless Fidelity – «беспроводная точность») – стандарт на оборудование
Wireless  LAN.  Установка  Wireless  LAN  рекомендовалась  там,  где  развѐртывание
кабельной системы было невозможно или экономически нецелесообразно.

В  нынешнее  время  во  многих  организациях  используется  Wi-Fi,  так  как  при
определенных  условиях  скорость  работы  сети  уже  превышает  100  Мбит/сек.
Пользователи могут перемещаться между точками доступа по территории покрытия сети
Wi-Fi. При этом, при смене точек доступа происходит кратковременный разрыв связи, за
исключением  использования  оборудования  Cisco.  Мобильные  устройства  (КПК,
смартфоны  и  ноутбуки),  оснащѐнные  клиентскими  Wi-Fi  приѐмо-передающими
устройствами, могут подключаться к локальной сети и получать доступ в Интернет через
точки доступа или хотспоты.

0

41

1.5.7.3. Модем, ADSL модем
Модем  (Dial-Up  Modem)  –  это  устройство  для  обмена  информацией  с  другими
компьютерами  через  телефонную  сеть.  Модемы  (МОдуляторы-ДЕ-Модуляторы)
различаются  скоростью  передачи  информации,  которая  может  составлять  для
современных моделей 33600, 56000 и более бод (1 бод равен 1 бит в секунду). Модемы по
исполнению бывают внутренними (вставляются в слот расширения материнской платы в
системном  блоке)  или  внешними,  подключаемыми  к  компьютеру  через
коммуникационный  или  USB  порт.  Обычный  модем  цифровые  данные  преобразует  в
сигнал  звукового  диапазона,  который  передаѐт  в  телефонную  линию.  На  другом  конце
соединения происходит обратное преобразование.
В настоящее время модемы вытеснены более производительным оборудованием.

ADSL (англ. Asymmetric Digital Subscriber Line – асимметричная цифровая абонентс-
кая линия) – модемная технология, превращающая стандартные телефонные аналоговые
линии  в  линии  высокоскоростного  доступа.  Передача  данных  по  технологии  ADSL
реализуется  через  обычную  аналоговую  телефонную  линию  при  помощи  абонентского
устройства  –  модема  ADSL  и  мультиплексора  доступа  (англ.  DSL  Access  Multiplexer,
DSLAM),  находящегоcя  на  той  же  АТС,  к  которой  подключается  телефонная  линия
пользователя,  причѐм  включается  мультиплексор  до  оборудования  самой  АТС.  В
результате  между  ними  оказывался  фактически  простой  кусок  провода,  без  каких-либо
присущих  телефонной  сети  ограничений.  Мультиплексор  доступа  мультиплексирует
множество абонентских линий DSL в одну высокоскоростную магистральную сеть. Также
они обычно подключаются к сети ATM по каналам PVC (постоянный виртуальный канал
англ.  Permanent  Virtual  Circuit)  с  провайдерами  услуг  Internet  и  другими  сетями.  Стоит
заметить,  что  два  ADSL-модема  не  будут  работать  друг  напротив  друга,  в  отличие  от
модемов  Dial-Up.  Разумеется,  из-за  необходимости  установки  оборудования  на  каждой
АТС  затраты  на  постройку  и  поддержание  сети  были  заметно  выше,  чем  в  случае
классического  коммутируемого  доступа,  когда  все  модемы  провайдера  устанавливались
на  одной  АТС,  однако  по  сравнению  со  стоимостью  других  способов  предоставления
высокоскоростного  доступа  к  сети  Интернет  технология  DSL  оказалась  очень  дешѐвой.
Технология ADSL представляет собой вариант DSL, в котором доступная полоса пропус-
кания канала распределена между нисходящим и восходящим трафиком несимметрично –
для большинства пользователей нисходящий трафик значительно более существенен, чем
восходящий,  поэтому  предоставление  для  него  большей  части  полосы  пропускания
вполне  оправдано.  Обычная  телефонная  линия  использует  для  передачи  голоса  полосу
частот  0…4  кГц.  Чтобы  не  мешать  использованию  телефонной  сети  по  еѐ  прямому
назначению,  в  ADSL  нижняя  граница  диапазона  частот  находится  на  уровне  26  кГц.
Верхняя же граница, исходя из требований к скорости передачи данных и возможностей
телефонного кабеля, составляет 1,1 МГц. Эта полоса пропускания делится на две части –
частоты от 26 кГц до 138 кГц отведены восходящему потоку данных, а частоты от 138 кГц
до 1,1 МГц – нисходящему. Полоса частот от 26 кГц до 1,1 МГц была выбрана не случай-
но. Начиная с частоты 20кГц и выше, затухание имеет линейную зависимость от частоты.

0

42

Такое  частотное  разделение  позволяет  разговаривать  по  телефону  не  прерывая
обмен данными по той же линии. Разумеется, возможны ситуации, когда либо высокочас-
тотный  сигнал  ADSL-модема  негативно  влияет  на  электронику  современного  телефона,
либо  телефон  из-за  каких-либо  особенностей  своей  схемотехники  вносит  в  линию
посторонний высокочастотный шум или же сильно изменяет еѐ АЧХ в области высоких
частот;  для  борьбы  с  этим  в  телефонную  сеть  непосредственно  в  квартире  абонента
устанавливается  фильтр  низких  частот  (частотный  разделитель,  англ.  Splitter),
пропускающий к обычным телефонам только низкочастотную составляющую сигнала и
устраняющий  возможное  влияние  телефонов  на  линию.  Такие  фильтры  не  требуют
дополнительного  питания,  поэтому  речевой  канал  остаѐтся  в  строю  при  отключѐнной
электрической сети и в случае неисправности оборудования ADSL.
Передача  к  абоненту  ведѐтся  на  скоростях  от  1,5  до  6  МБит/сек,  хотя  сегодня
существуют  устройства,  передающие  данные  со  скоростью  до  8  МБит/сек,  однако  в
стандарте  такая  скорость  не  определена.  Скорость  служебного  канала  может
варьироваться  от  15  до  640  КБит/сек.  Причѐм  каждый  канал  может  быть  разделѐн  на
несколько логических низкоскоростных каналов. Максимальная скорость линии зависит
от  ряда  факторов,  таких  как  длина  линии,  сечение  и  удельное  сопротивление  кабеля.
Также существенный вклад в снижение скорости вносит тот факт, что для ADSL линии
требуется  витая  пара  (а  не  лапша)  причѐм  экранированная,  а  если  это  многопарный
кабель, то и с соблюдением направления и шага повива.

0

43

1.5.7.4. Спутниковая карта (DVB-карта)
Спутниковый  Интернет  –  способ  обеспечения  доступа  к  сети  Интернет  с
использованием технологий спутниковой связи (в стандарте DVB). 
Двухсторонний интернет подразумевает приѐм данных со спутника и отправку их
обратно  также  через  спутник  (стандарт  DVB-RCS).  Этот  способ  является  очень
качественным, так как позволяет достигать больших скоростей при передаче и отправке,
но он является достаточно дорогим и требует получения лицензии на вещание (впрочем,
последнее провайдер обычно берет на себя).
Односторонний,  дешѐвый  вариант  спутникового  Интернета,  получил  довольно
большое распространение. В данном случае приѐм идѐт по спутнику, а вот передача – по
другому  интернет-соединению  (GPRS,  Dial-Up,  DSL  и  т.  д.),  поставщик  которого  назы-
вается наземным провайдером.

0

44

Оборудованием для спутникового интернета являются:
  DVB-карта  –  для  декодирования  спутникового  сигнала.  Ядро  спутникового
Интернета.  Осуществляет  обработку  данных,  полученных  со  спутника,  и  выделение
полезной  информации.  Существует  множество  различных  видов  карт,  но  наиболее
известны карты семейства SkyStar. Основными отличиями DVB-карт на сегодняшний
день является максимальная скорость потока данных. Также к характеристикам можно
отнести  возможность  аппаратного  декодирования  сигнала,  программную  поддержку
продукта.
  Антенна («Тарелка»), кронштейн для крепления; 
  Конвертер  (LNB)  –  выполняет  роль  первичного  преобразователя,  который
преобразовывает СВЧ-сигнал со спутника в сигнал промежуточной частоты.
Для  реализации  двухстороннего  способа  к  искомому  оборудованию  добавляется
передающая карта и передающий конвертер.
1.5.7.5. Bluetooth
Bluetooth  (/blu:tu:θ/,  переводится  синий  зуб,  в  честь  короля  Дании  Харальда  I
Синезубого, который объединил народы на территории современных Дании и Сконе, где
и была разработана эта технология. Интересно, что первоначально слово Bluetooth было
просто  кодом  проекта.)  –  производственная  спецификация  беспроводных  персональных
сетей  (WPAN  –  Wireless  Personal  Area  Network).  Bluetooth  обеспечивает  обмен  инфор-
мацией  между  такими  устройствами  как  карманные  и  обычные  персональные  компью-
теры,  мобильные  телефоны,  ноутбуки,  принтеры,  цифровые  фотоаппараты,  мышки,
клавиатуры,  джойстики,  наушники,  гарнитуры  на  надѐжной,  недорогой,  повсеместно
доступной  радиочастоте  для  ближней  связи.  Bluetooth  позволяет  этим  устройствам
сообщаться, когда они находятся в радиусе до 10—100 метров друг от друга (дальность
очень сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.
Разговорные названия: блютус, блютуз, блютуф, блитуз.

0

45

1.5.7.6. Инфракрасные адаптеры (IrDA)
IrDA – Infrared Data Association, ИК-порт, Инфракрасный порт – группа стандар-
тов,  описывающая  протоколы  физического  и  логического  уровня  передачи  данных  с
использованием инфракрасного диапазона световых волн в качестве носителя.
Является разновидностью атмосферной оптической линии связи ближнего радиуса
действия.  Была  особо  популярна  в  конце  1990-х  начале  2000-х  годов.  В  данное  время
практически  вытеснена  более  современными  способами  связи,  такими  как  WiFi  и
Bluetooth. Вопреки распространенному мнению, основной причиной отказа от IrDA была
вовсе  не  низкая  скорость  передачи  данных,  а  ограниченная  дальность  действия  и
требования  прямой  видимости  пары  приемник-передатчик.  Скоростные  возможности,
напротив, до сих пор, в несколько раз превышают, например, возможности последней, на
сегодняшний момент, версии протокола Bluetooth (спецификация 2.0).
Аппаратная  реализация,  как  правило,  представляет  собой  пару  из  передатчика,  в
виде  светодиода,  и  приемника,  в  виде  фотодиода  расположенных  на  каждой  из  сторон
линии связи. Наличие и передатчика и приемника на каждой из сторон является необхо-
димым для использования протоколов гарантированной доставки данных. В ряде случав,
например  при  использовании  в  пультах  дистанционного  управления  бытовой  техникой,
одна из сторон может быть оснащена только передатчиком а другая только приемником.

0

46

1.5.7.7. Концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы
Сетевой концентратор или Хаб (жарг. от англ. hub – центр деятельности) – сетевое
устройство,  для  объединения  нескольких  устройств  Ethernet  в  общий  сегмент  сети.
Устройства  подключаются  при  помощи  витой  пары,  коаксиального  кабеля  или
оптоволокна. В настоящее время почти не выпускаются  – им на смену пришли сетевые
коммутаторы (свитчи).
Сетевой  коммутатор  или  свитч  (жарг.  от  англ.  switch  –  переключатель)  –
устройство,  предназначенное  для  соединения  нескольких  узлов  компьютерной  сети  в
пределах одного сегмента. В отличие от концентратора, который распространяет трафик
от  одного  подключенного  устройства  ко  всем  остальным,  коммутатор  передает  данные
только непосредственно получателю. Это повышает производительность и безопасность
сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать
данные, которые им не предназначались. Коммутатор хранит в памяти таблицу, в которой
указывается  соответствие  MAC-адреса  узла  порту  коммутатора.  При  включении
коммутатора  эта  таблица  пуста,  и  он  работает  в  режиме  обучения.  В  этом  режиме
поступающие  на  какой-либо  порт  данные  передаются  на  все  остальные  порты
коммутатора.  При  этом  коммутатор  анализирует  кадры  и,  определив  MAC-адреc  хоста-
отправителя, заносит его в таблицу. Впоследствии, если на один из портов коммутатора
поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то
этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-
получателя  еще  не  известен,  то  кадр  будет  продублирован  на  все  интерфейсы.  Со
временем  коммутатор  строит  полную  таблицу  для  всех  своих  портов,  и  в  результате
трафик локализуется.

0

47

Мар   или    (от  англ.  router),  –  сетевое  устройство,  на  основании
информации  о  топологии  сети  и  определѐнных  правил,  принимающее  решения  о
пересылке пакетов сетевого  уровня (уровень 3 модели OSI)  между  различными сегмен-
тами  сети.  Обычно  маршрутизатор  использует  адрес  получателя,  указанный  в  пакетах
данных,  и  определяет  по  таблице  маршрутизации  путь,  по  которому  следует  передать
данные.  Если  в  таблице  маршрутизации  для  адреса  нет  описанного  маршрута,  пакет
отбрасывается. Существуют и другие способы определения маршрута пересылки пакетов,
когда,  например,  используется  адрес  отправителя,  используемые  протоколы  верхних
уровней  и  другая  информация,  содержащаяся  в  заголовках  пакетов  сетевого  уровня.
Нередко  маршрутизаторы  могут  осуществлять  трансляцию  адресов  отправителя  и
получателя,  фильтрацию  транзитного  потока  данных  на  основе  определѐнных  правил  с
целью  ограничения  доступа,  шифрование/дешифрование  передаваемых  данных  и  т.  д.
Таблица  маршрутизации  содержит  информацию,  на  основе  которой  маршрутизатор
принимает  решение  о  дальнейшей  пересылке  пакетов.  Таблица  состоит  из  некоторого
числа  записей  –  маршрутов,  в  каждой  из  которых  содержится  адрес  сети  получателя,
адрес следующего  узла, которому  следует передавать пакеты и некоторый  вес записи  –
метрика. Метрики записей в таблице играют роль в вычислении кратчайших маршрутов к
различным  получателям.  В  зависимости  от  модели  маршрутизатора  и  используемых
протоколов  маршрутизации,  в  таблице  может  содержаться  некоторая  дополнительная
служебная информация.

0

48

1.5.8. Звуковая карта, микрофон, акустические системы, наушники
Аудиоплата (Sound Вlastеr, звуковая карта, музыкальная плата,  англ. sound card) –
позволяет работать со звуком на компьютере. В настоящее время звуковые карты бывают
как встроенными в материнскую плату, так и отдельными платами расширения или как
внешними устройствами.  Аудиоплата связана со звуковыми колонками, с микрофоном и
дает возможность воспроизводить и редактировать музыку и речь, а также при наличии
подключения к локальной или глобально сети позволяет участвовать в сеансах звуковой и
(при  наличии  веб-камеры)  видео-звуковой  связи  (офисная  конференц-связь,  интернет
телефония).  Звуковая  карта  может  содержать  дополнительные  контроллеры  для
подключения мультимедийных устройств, а также модули обработки (генерации) звука и
эффектов. Звуковая карта может быть встроена в системную плату. Устройства  распознавания  речи. 
Получаемый  на  выходе  микрофона  аналоговый
сигнал кодируется в цифровой форме и записывается в память ПК. В памяти находятся
образцы  слов,  с  которыми  сравнивается  вновь  полученное  слово.  Это  позволяет
идентифицировать речь конкретного человека (например, в криминалистике). Устройства
распознавания  речи  находят  применение  в  обучении  иностранным  языкам.  В  одной  из
таких систем на экран выводятся графические образы слов с правильным произношением
и слов, произносимых обучаемым, что позволяет выполнять коррекцию.

0

49

1.5.9. Тюнеры, карты захвата видео
ТВ -   (англ.  TV  tuner)  –  род  тюнера,  предназначенный  для  приѐма  телеви-
зионного  сигнала  в  различных  форматах  вещания  (PAL,  SЙCAM,  NTSC)  с  показом  на
компьютере или просто на отдельном мониторе. Такие тюнеры могут представлять собой
как  отдельное  устройство  с  радиовходом  и  аудиовидеовыходами,  так  и  встраиваемую
плату. По конструктивному исполнению ТВ-тюнеры бывают внешние (подключаются к
компьютеру либо через USB, либо между компьютером и дисплеем через видеокабель) и
внутренние (вставляются в слот ISA, или PCI, или PCI-Express).
Кроме того, большинство современных ТВ-тюнеров принимают FM-радиостанции и
могут использоваться для захвата видео.
Тюнер настраивается на радиосигнал одной частоты, поэтому в аудиовидеотехнику
иногда устанавливают два тюнера, для того чтобы одновременно смотреть один канал и
записывать информацию с другого.
Тюнер  может  использоваться  для  просмотра  спутникового,  кабельного,  ADSL-
телевидения,  иногда  объединяется  с  дешифратором  сигнала  для  просмотра  платных
каналов. Плата  видеозахвата  –  электронное  устройство  (чаще  PCI  или  PCI-E-совместимая
плата)  для  преобразования  аналогового  видеосигнала  в  цифровой  видеопоток.  Как
правило, состоит из одного или нескольких АЦП и может обрабатывать сигнал от одной
или  нескольких  аналоговых  источников  (видеокамер,  приѐмных  телевизионных  антен,
видеомагнитофонов  и  т.п.).  Наиболее  распространены  в  качестве  аппаратной  части  для
систем видеонаблюдения.

0

50

1.5.10. Накопители информации
1.5.10.1. Накопители на жестких магнитных дисках
,  (англ.  Hard (Magnetic) Disk  Drive, HDD, HMDD) –  энерго-
независимое,  перезаписываемое  компьютерное  запоминающее  устройство.  Является
основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах.
В  отличие  от  «гибкого»  диска  (дискеты),  информация  в  НЖМД  записывается  на
жѐсткие  (алюминиевые  или  стеклянные)  пластины,  покрытые  слоем  ферромагнитного
материала, чаще всего двуокиси хрома. В некоторых НЖМД используется одна пластина,
в других – несколько на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются
поверхности  пластин  благодаря  прослойке  набегающего  потока  воздуха,  образуемого  у
поверхности  при  быстром  вращении.  Расстояние  между  головкой  и  диском  составляет
несколько  нанометров  (в  современных  дисках  5-10  нм),  а  отсутствие  механического
контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков,
головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключѐн
их нештатный контакт с поверхностью дисков.
По  одной  из  версий  название  «винчестер»  накопитель  получил  благодаря  фирме
IBM, которая в 1973 году выпустила жѐсткий диск модели 3340, впервые объединивший в
одном неразъѐмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке
инженеры использовали краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в
максимальной компоновке) по 30 Мб каждый. Кеннет Хотон, руководитель проекта, по
созвучию с обозначением популярного охотничьего ружья «Winchester 30-30» предложил
назвать этот диск «винчестером».
В Европе и США название  «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах, в
русском же языке сохранилось и получило полуофициальный статус, а в компьютерном
сленге сократилось до слов «винт» (наиболее употребимый вариант), «винч» и «веник».

0

51

Характеристики винчестера:
Интерфейс  (англ.  interface)  –  набор,  состоящий  из  линий  связи,  сигналов,
посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил
обмена. Современные накопители могут использовать интерфейсы ATA (AT Attachment,
он  же  IDE  –  Integrated  Drive  Electronic,  он  же  Parallel  ATA),  (EIDE),  Serial  ATA,  SCSI
(Small Computer System Interface), SAS, FireWire, USB, SDIO и Fibre Channel.
Ёмкость  (англ.  capacity)  –  количество  данных,  которые  могут  храниться  накопи-
телем.  Ёмкость  современных  устройств  достигает  2000  Гб.  В  отличие  от  принятой  в
информатике  (случайно)  системе  приставок,  обозначающих  кратную  1024  величину
(кило=1024,  мега=1  048  576  и  т.  д.;  позже  для  этого  были  не  очень  успешно  введены
двоичные  приставки),  производителями  при  обозначении  ѐмкости  жѐстких  дисков
используются  кратные  1000  величины.  Так,  например,  «настоящая»  ѐмкость  жѐсткого
диска, маркированного как «200 Гб», составляет 186,2 Гб.
Физический  размер  (форм-фактор)  (англ.  dimension)  –  почти  все  современные
(2001—2008 года) накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер
либо 3,5, либо 2,5 дюйма. Последние чаще применяются в ноутбуках. Так же получили
распространение  форматы  –  1,8  дюйма,  1,3  дюйма,  1  дюйм  и  0,85  дюйма.  Прекращено
производство накопителей в формфакторах 8 и 5,25 дюймов.

Время  произвольного  доступа  (англ.  random  access  time)  –  время,  за  которое
винчестер  гарантированно  выполнит  операцию  чтения  или  записи  на  любом  участке
магнитного  диска.  Диапазон  этого  параметра  невелик  от  2,5  до  16  мс,  как  правило,
минимальным  временем  обладают  серверные  диски  (например,  у  Hitachi  Ultrastar
15K147 – 3,7  мс),  самым  большим  из  актуальных  –  диски  для  портативных  устройств
(Seagate Momentus 5400.3 – 12,5).
Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) – количество оборотов шпинделя
в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и скорость
передачи  данных.  В  настоящее  время  выпускаются  винчестеры  со  следующими
стандартными  скоростями  вращения:  4200,  5400  и  7200  (ноутбуки),  7200  и  10  000
(персональные  компьютеры),  10  000  и  15  000  об./мин.  (серверы  и  высокопроизводи-
тельные рабочие станции).
Надѐжность (англ. reliability) – определяется как среднее время наработки на отказ
(Mean Time Between Failures, MTBF). Cм. также: Технология SMART (S.M.A.R.T. (англ.
Self  Monitoring  Analysing  and  Reporting  Technology)  –  технология  оценки  состояния
жѐсткого  диска  встроенной  аппаратурой  самодиагностики,  а  также  механизм
предсказания времени выхода его из строя).
Количество  операций  ввода-вывода  в  секунду  –  у  современных  дисков  это  около
50 оп./сек  при  произвольном  доступе  к  накопителю  и  около  100  оп./сек  при
последовательном доступе.
Потребление энергии – важный фактор для мобильных устройств.
Уровень  шума  –  шум,  который  производит  механика  накопителя  при  его  работе.
Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с  уровнем шума
около  26  дБ  и  ниже.  Шум  состоит  из  шума  вращения  шпинделя  (в  том  числе
аэродинамического) и шума позиционирования.

0

52

Сопротивляемость  ударам  (англ.  G-shock  rating)  –  сопротивляемость  накопителя
резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во
включѐнном и выключенном состоянии.
Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate):
  Внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с 
  Внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с 
Объѐм  буфера:  Буфером  называется  промежуточная  память,  предназначенная  для
сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных
(2008 год) HDD он обычно варьируется от 8 до 32 Мб.

Устройство. Жѐсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники.

Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины)
с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод
шпинделя.
Блок  головок  –  пакет  рычагов  из  пружинистой  стали  (по  паре  на  каждый  диск).
Одним  концом  они  закреплены  на  оси  рядом  с  краем  диска.  На  других  концах  (над
дисками) закреплены головки.
Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были
попытки делать их из пластика и даже стекла, но такие пластины оказались хрупкими и
недолговечными.  Обе  плоскости  пластин,  подобно  магнитофонной  ленте,  покрыты
тончайшей  пылью  ферромагнетика  –  окислов  железа,  марганца  и  других  металлов.
Точный  состав  и  технология  нанесения  держатся  в  секрете.  Большинство  устройств
содержит 1 или 2 пластины.

0

53

Диски  жѐстко  закреплены  на  шпинделе.  Во  время  работы  шпиндель  вращается  со
скоростью  несколько  тысяч  оборотов  в  минуту  (4200,  5400,  7200,  10  000,  15  000).  При
такой  скорости  вблизи  поверхности  пластины  создаѐтся  мощный  воздушный  поток,
который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Пока
диски  не  разогнались  до  скорости,  необходимой  для  «взлѐта»  головок,  парковочное
устройство  удерживает  головки  в  зоне  парковки.  Это  предотвращает  повреждение
головок и рабочей поверхности пластин.
Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных, как
правило неодимовых, постоянных магнитов и катушки на подвижном блоке головок.
Вопреки расхожему  мнению, внутри гермозоны нет вакуума.  Одни производители
делают  еѐ  герметичной  (отсюда  и  название)  и  заполняют  очищенным  и  осушенным
воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом; а для выравнивания давления
устанавливают  тонкую  металлическую  или  пластиковую  мембрану.  (В  таком  случае
внутри  корпуса  жѐсткого  диска  предусматривается  маленький  карман  для  пакетика
силикагеля,  который  абсорбирует  водяные  пары,  оставшиеся  внутри  корпуса  после  его
герметизации). Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие
с  фильтром,  способным  задерживать  очень  мелкие  (несколько  микрометров)  частицы.
Однако  в  этом  случае  выравнивается  и  влажность,  а  также  могут  проникнуть  вредные
газы.  Выравнивание  давления  необходимо,  чтобы  предотвратить  деформацию  корпуса
гермозоны при перепадах атмосферного давления и температуры, а так же при прогреве
устройства во время работы.
Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска,
при вращении сносятся на ещѐ один фильтр – пылеуловитель.

Низкоуровневое  форматирование.  На  заключительном  этапе  сборки  устройства
поверхности пластин форматируются – на них формируются дорожки и сектора.
Ранние  «винчестеры»  (подобно  дискетам)  содержали  одинаковое  количество
секторов  на  всех  дорожках.  На  пластинах  современных  «винчестеров»  дорожки
сгруппированы в несколько зон. Все дорожки одной зоны имеют одинаковое количество
секторов. Однако, на каждой дорожке внешней зоны секторов больше, и чем зона ближе к
центру,  тем  меньше  секторов  приходится  на  каждую  дорожку  зоны.  Это  позволяет
добиться  более  равномерной  плотности  записи  и,  как  следствие,  увеличения  ѐмкости
пластины без изменения технологии производства.
Границы зон и количество секторов на дорожку для каждой зоны хранятся в ПЗУ
блока электроники.
Кроме того, в действительности на каждой дорожке есть дополнительные резервные
сектора. Если в каком либо секторе возникает неисправимая ошибка, то этот сектор может
быть подменѐн резервным (англ. remaping). Конечно, данные, хранившиеся в нѐм, скорее
всего,  будут  потеряны,  но  ѐмкость  диска  не  уменьшится.  Существует  две  таблицы
переназначения: одна заполняется на заводе, другая в процессе эксплуатации.
Таблицы переназначения секторов также хранятся в ПЗУ блока электроники.
Во  время  операций  обращения  к  «винчестеру»  блок  электроники  самостоятельно
определяет,  к  какому  физическому  сектору  следует  обращаться  и  где  он  находится  (с
учѐтом  зон  и  переназначений).  Поэтому  со  стороны  внешнего  интерфейса  «винчестер»
выглядит однородным.
В связи с вышеизложенным существует очень живучая легенда о том, что корректи-
ровка таблиц переназначения и зон может увеличить ѐмкость жѐсткого диска. Для этого
существует  масса  утилит,  но  на  практике  оказывается,  что  если  прироста  и  удаѐтся
добиться,  то  незначительного.  Современные  диски  настолько  дѐшевы,  что  не  стоит
потраченных на это ни сил, ни времени.
Ещѐ  одно  заблуждение.  Низкоуровневое  форматирование  (т.е.  формирование
дорожек и секторов) современных винчестеров «в домашних условиях» не возможно. Для
этого  нужно  специальное  оборудование.  Распространѐнные  программы,  выполняющие
«низкоуровневое форматирование», в действительности тестируют физические сектора и,
в лучшем случае, заменяют сбойные резервными.

0

54

Блок электроники. В ранних жѐстких дисках управляющая логика была вынесена на
MFM  или  RLL  контроллер компьютера,  а  плата  электроники  содержала  только  модули
аналоговой  обработки  и  управление  шпиндельным  двигателем,  позиционером  и
коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков
уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жѐстких дисках блок
электроники  обычно  содержит:  управляющий  блок,  постоянное  запоминающее
устройство  (ПЗУ),  буферную  память,  интерфейсный  блок  и  блок  цифровой  обработки
сигнала. 
Интерфейсный  блок  обеспечивает  сопряжение  электроники  жесткого  диска  с
остальной системой.
Блок  управления  представляет  собой  систему  управления,  принимающую
электрические  сигналы  позиционирования  головок,  и  вырабатывающую  управляющие
воздействия приводом типа «звуковая катушка», коммутации информационных потоков с
различных  головок,  управления  работой  всех  остальных  узлов  (к  примеру,  управление
скоростью вращения шпинделя).
Блок  ПЗУ  хранит  управляющие  программы  для  блоков  управления  и  цифровой
обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.
Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя
(используется  быстродействующая  статическая  память).  Увеличение  размера  буферной
памяти позволяет увеличить скорость работы накопителя.
Блок  цифровой  обработки  сигнала  осуществляет  очистку  считанного  аналогового
сигнала  и  его  декодирование  (извлечение  цифровой  информации).  Для  цифровой
обработки  применяются  различные  методы,  например  метод  PRML  (Partial  Response
Maximum Likelihood – максимальное пpавдоподобие пpи неполном отклике).  Осуществ-
ляется сравнении принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец наиболее
похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.

0

55

Технологии записи данных
Принцип работы жестких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверх-
ность  диска  движется  относительно  считывающей  головки  (например,  в  виде  катушки
индуктивности  с  зазором  в  магнитопроводе).  При  подаче  переменного  электрического
58

тока (при записи) на катушку головки, возникающее переменное магнитное поле из зазора
головки  воздействует  на  ферромагнетик  поверхности  диска  и  изменяет  направление
вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании
перемещение  доменов  у  зазора  головки  приводит  к  изменению  магнитного  потока  в
магнитопроводе  головки,  что  приводит  к  возникновению  переменного  электрического
сигнала  в  катушке  из-за  эффекта  электромагнитной  индукции.  В  последнее  время  для
считывания  применяют  магниторезистивный  эффект  и  используют  в  дисках  магнито-
резистивные  головки.  В  них,  изменение  магнитного  поля  приводит  к  изменению
сопротивления, в зависимости от изменения напряженности магнитного поля. Подобные
головки  позволяют  увеличить  вероятность  достоверности  считывания  информации
(особенно при больших плотностях записи информации).
Метод  параллельной  записи.  На  данный  момент  это  самая  распространенная
технология записи информации на НЖМД. Биты информации записываются с помощью
маленькой  головки,  которая  проходя  над  поверхностью  вращающегося  диска
намагничивает  миллиарды  горизонтальных  дискретных  областей  –  доменов.  Каждая  из
этих  областей  является  логическим  нулѐм  или  единицей,  в  зависимости  от
намагниченности.
Максимально  достижимая  при  использовании  данного  метода  плотность  записи
оценивается  23  Гбит/смІ.  В  ближайшем  будущем  ожидается  постепенное  вытеснение
данного метода методом перпендикулярной записи.
Метод перпендикулярной записи – это технология, при которой биты информации
сохраняются  в  вертикальных  доменах.  Это  позволяет  использовать  более  сильные
магнитные  поля  и  снизить  площадь  материала,  необходимую  для  записи  1  бита.
Плотность записи у современных образцов – 15-23 Гбит/смІ, в дальнейшем планируется
довести  плотность  до  60—75  Гбит/смІ.  Жесткие  диски  с  перпендикулярной  записью
доступны на рынке с 2005 года.
Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat-assisted magnetic recording, HAMR)
на  данный  момент  самый  перспективный  из  существующих,  сейчас  он  активно
разрабатывается.  При  использовании  этого  метода  используется  точечный  подогрев
диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности.
После  того,  как  диск  охлаждается,  намагниченность  «закрепляется».  На  рынке  ЖД
данного типа пока не представлены (на 2008 год), есть лишь экспериментальные образцы,
но их плотность уже превышает 150Гбит/смІ. Разработка HAMR-технoлогий ведется уже
довольно  давнo,  однакo  эксперты  до  сих  пор  расходятся  в  оценках  максимальной
плoтности  записи.  Так,  компания  Hitachi  называет  предел  в  2,3−3,1  Тбит/смІ,  а
представители  Seagate  Technology  предполагают,  что  они  смогут  довести  плотность
записи HAMR-носители до 7,75 Тбит/смІ. Широкогo распространения данной технoлогии
следует oжидать после 2010 года.

Т.к.  жесткие  диски  ноутбуков  обычно  имеют  меньший  объем,  чем  жесткие  диски
настольных  систем,  иногда  в  качестве  внешнего  хранилища  данных  подключают  более
дешевые и ѐмкие 3,5" накопители с помощью внешнего контейнера (кармана). Контейнер
комплектуется  корпусом,  контроллером  управления  HDD,  кабелем  USB  и/или  E-SATA,
блоком питания.

0

56

1.5.10.2. Дисковод, гибкие магнитные диски
  Дискета –  портативный  магнитный  носитель  информации,  используемый  для
многократной  записи  и  хранения  данных  сравнительно  небольшого  объема.  Этот  вид
носителя был особенно распространѐн в 1970-х — конце 1990-х годов. Вместо термина
«дискета»  иногда  используется  аббревиатура  ГМД  –  «гибкий  магнитный  диск»
(соответственно, устройство для работы с дискетами называется НГМД – «накопитель на
гибких магнитных дисках»).
Обычно  дискета  представляет  собой  гибкую  пластиковую  пластинку,  покрытую
ферромагнитным слоем, отсюда английское название «floppy disk» («гибкий диск»). Эта
пластинка помещается в пластмассовый корпус, защищающий магнитный слой от физи-
ческих повреждений. Оболочка бывает гибкой или прочной. Запись и считывание дискет
осуществляется с помощью специального устройства – дисковода (флоппи-дисковода).
Дискеты  обычно  имеют  функцию  защиты  от  записи,  посредством  которой  можно
предоставить доступ к данным только в режиме чтения.

0

57

Магнитооптические диски
Магнитооптический  диск  –  носитель  информации,  сочетающий  свойства  опти-
ческих и магнитных накопителей. Диск изготовлен с использованием ферромагнетиков.
Запись на магнитооптический диск осуществляется по следующей технологии: излучение
лазера  разогревает  пит  выше  температуры  точки  Кюри,  после  чего  электромагнитный
импульс изменяет показатель преломления (Эффект Керра) материала пита. Считывание
осуществляется  тем  же  самым  лазером,  но  на  меньшей  мощности,  недостаточной  для
разогрева диска: лазерный луч проходит сквозь материал диска, отражается от подложки,
проходит сквозь оптическую систему и попадает на датчик. Первые магнитооптические
диски были размером с 5,25" дискету, потом появились диски размером 3,5".
1.5.10.4. Стримеры (хранилища на магнитных лентах)
Стример  (от  англ.  streamer)  –  запоминающее  устройство  на  магнитной  ленте  с
последовательным доступом к данным, по принципу действия – обычный магнитофон.
Преимущества:  большая  ѐмкость  (до  900  Гб),  невысокая  стоимость
информационного носителя, стабильность работы, надѐжность.
Недостатками являются низкая скорость доступа к данным из-за последовательного
доступа, большие размеры 
Основное назначение: Запись и воспроизведение информации, создание резервных
копий данных.
В  ЭВМ,  выпускавшихся  до  момента  появления  и  широкого  распространения
жестких  дисков,  устройства,  аналогичные  стримерам,  использовались  как  основной
постоянный носитель информации (ПЗУ). В дальнейшем, в мейнфреймах стримеры стали
использоваться  в  системах  иерархического  управления  носителями  для  хранения  редко
используемых данных.
1.5.10.5. Компакт диски, DVD, BRD
Компакт-диск  –  оптический  носитель  информации  в  виде  диска  с  отверстием  в
центре, информация с которого считывается с помощью лазера. Изначально компакт-диск
был  создан  для  цифрового  хранения  аудио  (т.  н.  Audio-CD),  однако  в  настоящее  время
широко используется как устройство хранения данных широкого назначения (т. н. «CD-
ROM»,  «КД  ПЗУ»).  Аудио-компакт-диски по  формату  отличаются  от  компакт-дисков  с
данными, и CD-плееры обычно могут воспроизводить только их (на компьютере, конечно,
можно  прочитать  оба  вида  дисков).  Встречаются  диски,  содержащие  как  аудио-
информацию,  так  и  данные  –  их  можно  и  послушать  на  CD-плеере,  и  прочитать  на
компьютере.  С  развитием  MP3  производители  бытовых  CD-плееров  и  музыкальных
центров начали снабжать их возможностью чтения MP3-файлов с CD-ROM’ов.
Аббревиатура  «CD-ROM» означает англ.  «Compact Disc Read Only Memory» что в
переводе  обозначает  компакт-диск  только  с  возможностью  чтения.  «КД  ПЗУ»  означает
«Компакт-диск,  постоянное  запоминающее  устройство».  CD-ROM’ом  часто  ошибочно
называют CD-привод для чтения компакт-дисков (правильно: CD-ROM Drive).
Компакт-диск  был  разработан  в  1979  году  компаниями  Philips  и  Sony.  На  Philips
разработали общий процесс производства, основываясь на своей более ранней технологии
лазерных  дисков.  Sony,  в  свою  очередь,  использовала  собственный  метод  кодирования
сигнала  PCM  –  Pulse  Code  Modulation,  использовавшийся  ранее  в  цифровых  профес-
сиональных магнитофонах. В 1982 году началось массовое производство компакт-дисков,
на  заводе  в  городе  Лангенхагене  под  Ганновером,  в  Германии.  Выпуск  первого
коммерческого музыкального CD был анонсирован 20 июня 1982 г. История гласит, что
на  нѐм  был  записан  альбом  «The  Visitors»  группы  ABBA.  Значительный  вклад  в
популяризацию  компакт-дисков  внесли  Microsoft  и  Apple  Computer.  Джон  Скалли,
тогдашний  CEO  Apple  Computer,  в  1987  году  сказал,  что  компакт-диски  произведут
революцию в мире персональных компьютеров.
Существует версия о том, что компакт-диск изобрели не Philips и Sony, а американ-
ский физик Джеймс Рассел, работавший в компании Optical Recording. Уже в 1971 году он
продемонстрировал своѐ изобретение для хранения данных. Делал он это для «личных»
целей, желая предотвратить царапание своих виниловых пластинок иглами звукоснима-
телей.  Спустя  восемь  лет  подобное  устройство  было  «независимо»  изобретено
компаниями Philips и Sony.
Компакт-диск представляет собой поликарбонатную подложку толщиной 1,2 мм и
диаметром 120 мм, покрытого тончайшим слоем металла (алюминий, золото, серебро и
др.)  и  защитным  слоем  лака,  на  котором  обычно  наносится  графическое  представление
содержания  диска.  Принцип  считывания  через  подложку  был  принят,  поскольку  позво-
ляет  весьма  просто  и  эффективно  осуществить  защиту  информационной  структуры  и
удалить еѐ от внешней поверхности диска. Диаметр пучка на внешней поверхности диска
составляет порядка 0,7 мм, что повышает помехоустойчивость системы к пыли и царапи-
нам.  Кроме  того,  на  внешней  поверхности  имеется  кольцевой  выступ  высотой  0,2  мм,
позволяющий диску, положенному на ровную поверхность, не касаться этой поверхности.
В  центре  диска  расположено  отверстие  диаметром  15  мм.  Вес  диска  без  коробки
составляет ~15,7 гр. Вес диска в обычной джуэл-коробке («jewel», не «slim») равен ~74 гр. 
Формат  хранения  данных  на  диске,  известный  как  «Red  Book»,  был  разработан
компанией Philips. В соответствии с ним на компакт-диск можно записывать звук в два
канала  с  16-битной  импульсно-кодовой  модуляцией  (PCM)  и  частотой  дискретизации
44,1 кГц.  Благодаря  коррекции  ошибок  с  помощью  кода  Рида-Соломона,  лѐгкие
радиальные  царапины  не  влияют  на  читаемость  диска.  Philips  также  владеет  всеми
правами на знак «Compact disc digital audio», логотип формата аудио компакт-дисков.
Информация  на  диске  записывается  в  виде  спиральной  дорожки  так  называемых
питов  (углублений),  выдавленных  в  поликарбонатной  основе.  Каждый  пит  имеет
примерно 100 нм в глубину и 500 нм в ширину. Длина пита варьируется от  850 нм до
3,5 мкм.  Промежутки  между  питами  называются  лендом.  Шаг  дорожек  в  спирали
составляет 1,6 мкм.
Различают  диски  только  для  чтения  («алюминиевые»),  CD-R  –  для  однократной
записи, CD-RW – для многократной записи. Диски последних двух типов предназначены
для записи на специальных пишущих приводах. В некоторых CD-плеерах и музыкальных
центрах  такие  диски  могут  не  воспроизводиться  (в  последнее  время  все  производители
бытовых  музыкальных  центров  и  CD-плееров  включают  в  свои  устройства  поддержку
чтения CD-R/RW). Данные  с  диска  читаются  при  помощи  лазерного  луча  с  длиной  волны  780  нм.
Принцип  считывания  информации  лазером  для  всех  типов  носителей  заключается  в
регистрации снижения интенсивности отражѐнного света

0

58

Различие между дисками «только для чтения» и дисками однократной/многократной записи заключается в
способе  формирования  питов.  В  случае  диска  «только  для  чтения»  питы  представляют
собой  некую  рельефную  структуру  (фазовую  дифракционную  решетку),  причѐм
оптическая глубина каждого пита чуть меньше четверти длины волны света лазера, что
приводит к разнице фаз в половину длины волны между светом, отражѐнным от пита и
светом,  отражѐнным  от  ленда.

В  результате  в  плоскости  фотоприѐмника  наблюдается эффект дистрибутивной интерференции и регистрируется снижение уровня сигнала. В случае Cd-R/RW пит представляет собой область с большим поглощением света, нежели
ленд (амплитудная дифракционная решетка). В результате фотодиод также регистрирует
снижение  интенсивности  отражѐнного  от  диска  света.  Длина  пита  изменяет  как
амплитуду, так и длительность регистрируемого сигнала.
Скорость чтения/записи CD указывается кратной 150 кБ/с (то есть 153 600 байт/с).
Например,  48-скоростной  привод  обеспечивает  максимальную  скорость  чтения  (или
записи) CD, равную 48 x 150 = 7200 KБ/с (7,03 MБ/с).
Этапы производства компакт-дисков:
1.  Мастеринг – процесс подготовки данных, для запуска в серию.
2.  Фотолитография  –  процесс  изготовления  штампа  диска.  На  стеклянный  диск
наносится  слой  фоторезиста,  на  который  производится  запись  информации.
Фоторезист – полимерный светочувствительный материал, который под действием
света изменяет свои физико-химические свойства. 
3.  Запись  информации.  Запись  производится  лазерным  лучом,  мощность  которого
модулируется  записываемой  информацией.  Для  создания  пита  мощность  лазера
повышается, что приводит к разрушению химических связей молекул фоторезиста,
в результате чего он «задубевает». 
4.  Проявка фоторезиста. Поверхность фоторезиста подвергается кислотному (щелоч-
ному) травлению, при котором  удаляются (вымываются проявителем) те области
фоторезиста, которые не были экспонированы лазерным лучом. 
5.  Гальванопластика. Проявленный стеклянный мастер-диск помещается в гальвани-
ческую ванну, где на его поверхность производится электролитическое осаждение
тонкого слоя никеля. 
6.  Штамповка дисков методом литья под давлением полученным штампом.
7.  Напыление зеркального металлического (алюминий, золото, серебро и др.) слоя на
информационный слой.
8.  Нанесение защитного лака.
9.  Нанесение графического изображения – лейбла (от англ. Label).
CD-R  (Compact  Disc-Recordable,  Записываемый  Компакт-Диск)  –  разновидность
компакт-диска  (CD),  разработанная  компаниями  Philips  и  Sony  для  однократной  записи
информации. CD-R поддерживает все возможности стандарта «Red Book» и плюс к этому
позволяет записать данные.
Обычный  CD-R  представляет  собой  тонкий  диск  из  прозрачного  пластика –  поли-
карбоната  –  толщиной  1,2  мм,  диаметром  120  мм  (стандартный)вес  16-18гр.  или  80 мм
(мини).  Ёмкость  стандартного  CD-R  составляет  74  минуты  аудио  или  650  МБ  данных.
Однако, на данный момент стандартным можно считать CD-R ѐмкостью 702 МБ данных
(точнее 736 966 656 байт) или 79 минут 59 секунд и 74 фрейма. Такая ѐмкость достигается
небольшим  превышением  допусков,  описанных  в  стандарте  «Оранжевой  Книги»  (CD-

0

59

R/CD-RW).  Также  на  рынке  имеются  90  минутные  /  790  МБ  и  99  минутные  /  870  МБ
диски, которые получили гораздо меньшее распространение.
Поликарбонатный диск имеет спиральную дорожку для направления луча лазера при
записи и считывании информации. С той стороны, где находится эта спиральная дорожка,
диск покрыт записывающим слоем, который состоит из очень тонкого слоя органического
красителя  и  затем  отражающим  слоем  из  серебра,  его  сплава  или  золота.  Этот
отражающий  слой  покрывается  защитным  фотополимеризуемым  лаком  и  отверждается
ультрафиолетовым  излучением.  И  уже  на  этот  защитный  слой  наносятся  различные
надписи краской.
Чистый CD-R не является полностью пустым, на нѐм имеется служебная дорожка с
сервометками  ATIP  –  Absolute  Time  In  Pregroove  –  абсолютное  время  в  служебной
дорожке. Эта служебная дорожка нужна для системы слежения, которая удерживает луч
лазера при записи на дорожке и следит за скоростью записи (то есть следит, чтобы длина
пита  была  постоянной).  Помимо  функций  синхронизации,  служебная  дорожка  также
содержит  информацию  об  изготовителе  этого  диска,  сведения  о  материале  записы-
вающего слоя, длине дорожки для записи и т. п. Служебная дорожка не разрушается при
записи данных на диск и многие системы защиты от копирования используют еѐ для того,
чтобы отличить оригинал от копии.
Используется три основных типа записывающего слоя для CD-R:
1.  Цианин  (англ.  Cyanine)  –  Цианиновый  краситель  обладает  сине-зелѐным  (цвет
«морской волны») оттенком рабочей поверхности. Этот материал использовался в
самых первых «болванках» CD-R и запатентован фирмой Taiyo Yuden. Этот краси-
тель химически нестоек, что является причиной короткого срока гарантированного
хранения  записанной  информации.  Краситель  может  выцвести  за  несколько  лет.
Хотя многие производители используют дополнительные химические добавки для
увеличения стабильности цианина, такие диски не рекомендуется использовать в
целях резервного копирования и долговременного хранения архивных данных. 
2.  Azo  –  Металлизированный  азо-краситель,  имеет  тѐмно-синий  цвет.  Его  формула
запатентована фирмой Mitsubishi Chemicals. Этот краситель химически стоек и его
способность хранить информацию исчисляется десятилетиями (сами фирмы пишут
о 100 годах). 
3.  Фталоцианин  (англ.  Phthalocyanine)  –  Чуть  более  поздняя  разработка  активного
записываемого  слоя.  Фталоцианин  практически  бесцветен,  с  бледным  оттенком
салатового  или  золотистого  цвета,  из-за  чего  диски  на  основе  фталоцианинового
активного  слоя  часто  называют  «золотыми».  Фталоцианин  –  несколько  более
современная  разработка.  Диски  на  основе  этого  активного  слоя  менее  чувствии-
тельны  к  солнечному  свету  и  ультрафиолетовому  излучению,  что  способствует
увеличению долговечности записанной информации и несколько более надѐжному
хранению в неблагоприятных условиях (фирмы заявляют о сотнях лет). 
К  сожалению,  многие  производители  используют  различные  добавки  в  записы-
вающий слой, чтобы цианиновые болванки были похожи по цвету на фталоцианиновые.
Поэтому  нельзя  просто  по  цвету  определить  материал  записывающего  слоя.  Также  и
отражающий слой «золотого» цвета не гарантирует, что это фталоцианиновый CD-R.

0

60

Методы  записи
Вместо  печати  питов  как  физических  углублений  в  материале  «болванки»  как  в  случае
CD, при записи CD-R данные записываются на диск лучом лазера повышенной мощности,
чтобы  физически  «прожечь»  органический  краситель  записывающего  слоя.  Когда
краситель  нагревается  выше  определѐнной  температуры,  он  разрушается  и  темнеет,
изменяя  отражательную  способность  «прожжѐнной»  зоны.  Таким  образом  при  записи,
управляя  мощностью  лазера,  на  записывающем  слое  получают  чередование  тѐмных  и
светлых пятен, которые при чтении интерпретируются как питы.
При  чтении  лазер  имеет  значительно  меньшую  мощность,  чем  при  записи,  и  не
разрушает  краситель  записывающего  слоя.  Отражѐнный  от  отражающего  слоя  луч
попадает на фотодиод, а если луч попадает на тѐмный – «прожжѐнный» – участок, то луч
почти не проходит через него до отражающего слоя и фотодиод регистрирует ослабление
светового потока. Во время чтения «болванка» в приводе крутится на шпинделе, а читаю-
щий  луч  остаѐтся  неподвижным  и  направляется  следящей  системой  на  дорожку  с
данными.  Чередующиеся  светлые  и  тѐмные  участки  дорожки  порождают  изменение
светового потока отражѐнного луча и переводятся в изменение электрического сигнала,
который  далее  и  преобразуется  в  биты  информации  электрической  системой  привода –
«декодируется».
Прожигание записывающего слоя является необратимым химическим процессом, то
есть однократным. Поэтому записанную на CD-R информацию нельзя стереть, в отличие
от CD-RW. CD-R, однако, можно записывать по частям, которые называют сессиями.
Существует несколько методов записи данных на CD-R:
  Disc-At-Once, DAO (Диск за раз) – весь диск записывается одной сессией, от начала до
конца  без  перерывов.  Сначала  на  диск  записывается  специальная  информация,
обозначающая  начало  записи  (англ.  lead-in),  после  этого  «прожигаются»  данные,  а
затем диск «закрывается», то есть записывается специальная последовательнось битов,
которая сообщает о невозможности добавления информации на эту «болванку» (англ.
lead-out).  Такой  способ  хорошо  подходит  для  записи  концертных  выступлений
«вживую»,  без  пауз  между  песнями,  а  также  в  качестве  мастер-дисков  для
последующего тиражирования на заводе. 
  Track-At-Once, TAO (Дорожка за раз) – данные пишутся по одной дорожке (сессии) за
раз  и  оставляется  «открытым»  (то  есть  запись  о  «закрытии»  диска  не  делается),  что
говорит о возможности дальнейшей записи информации на этот диск. Кроме того, это
позволяет  записывать  аудио-диски  с  дополнительной  «компьютерной»  дорожкой.
Аудио-диск  сможет  читаться  на  CD-плеере  только  после  того,  как  будет  записана
таблица содержания (TOC – Table Of Content). После записи TOC добавление дорожек
становится невозможным. 
Packet  Writing  (Пакетная  запись)  –  не  очень  распространѐнный  вид  записи,  при
котором диск «форматируется» и в дальнейшем на него можно записывать данные или
делать  ранее  записанные  данные  «невидимыми»,  то  есть  такой  CD-R  становится
похожим на диски с произвольным чтением и записью. Однако при любом изменении
данных (удаление, запись, изменение) на диске необходимо записывать дополнитель-
ные пакеты, и после того как все пакеты будут записаны, диск станет недоступным для
дальнейших изменений – только для чтения. Поддерживается не всеми приводами, что
приводит к проблемам совместимости.

0


Вы здесь » THE WORLD OF EDUCATION » Электронные учебники и лекции » Информатика