Chipsety
- układy zarządzające komunikacją pomiędzy procesorem, pamięcią, magistralami dołączającymi urządzenia I/O (wyrównanie szybkości działania różnych urządzeń)
- w znacznym stopniu decydują o funkcjonalności komputera (możliwościach rozbudowy)
- zbudowane zwykle z układów scalonych zwanych mostkami (mostek północny i południowy)np. SIS 5571 - pojedynczy układ scalony; Intel FX Triton - cztery układy scalone
Dwa rozwiązania konstrukcyjne:
1. Dwa oddzielne układy scalone- mostki
2. Jeden układ scalony
Mostek północny - zadania:
- obsługa procesora,
- obsługa pamięci operacyjnej (RAM)
- obsługa kart graficznych
Mostek południowy - zadania:
- obsługa wszelkiego rodzaju urządzeń peryferyjnych I/O (urządzenia USB, FireWire, napędy dyskowe, karty rozszerzeń)
Najpopularniejsi producenci chipsetów: Intel, AMD, VIA, ALI, SIS
Kompatybilność chipset - procesor !!!
Brak kompatybilności - zmiana płyty głównej
Gniazda rozszerzeń - magistrale
Modułowa konstrukcja PC-ta umożliwia jego rozbudowę
Standard „Open Architecture” - możliwość dołączania do komputera (PC) urządzeń różnych producentów
Współpraca urządzenia (standardy) podłączenie fizyczne (wtyczki, złączki itd..) wymiana danych poprzez magistrale
Dołączenie nowych elementów do komputera może nastąpić poprzez:
- magistrale rozszerzeń (systemowe) (np. karta graficzna, dźwiękowa, modem itd.)
- interfejs
- porty
Podstawowe parametry magistral to:
- szerokość magistrali (w bitach) - określa liczbę przesyłanych równolegle bitów
- częstotliwość taktowania - częstotliwość z jaką dane są podawane
- szybkość transmisji danych = szerokość x częstotliwość
Standard magistrali decyduje o szybkości przesyłania informacji między urządzeniami komputera
Standardy magistral danych
1. ISA
2. EISA
3. MCA
4. PCI
5. PCI Express
6. AGP
7. HyperTransport
Magistrale danych - rodzaje
1. ISA (AT BUS) - Industry Standard Architecture
- szyna 16 lub 8 bitowa,
- standard wprowadzony w 1984r. komputery IBM PC/XT
- występuje w kolorze czarnym
- przepustowość teoretyczna 8,33 MB/sek,
- przepustowość praktyczna 1,6 do 1,8 MB/sek, (ograniczenia przez protokoły transmisji)
- brak obsługi standardu „Plug and Play”
- jeszcze montowana na płytach (duża liczba urządzeń w tym standardzie,
- standard praktycznie już niestosowany
Plug and Play (PnP) - włącz i działaj
Nowy sprzęt - konieczność konfiguracji
- ustawienie mikroprzełączników w urządzeniu
- wgranie sterowników
Karta (urządzenie) typu PnP - automatyzacja w/w czynności
Wymagania dla urządzenia:
- mechanizm detekcji karty (urządzenia)
- identyfikacja rodzaju i producenta
- informacja o wymaganych zasobach
- możliwość programowej konfiguracji
Wymagania dla systemu:
1. Istnienie nieulotnej pamięci konfiguracji,
2. Istnienie programu wykrywającego urządzenie
3. Istnienie programu umożliwiającego auto konfigurację urządzenia (BIOS → PnP BIOS)
Idea działania usługi PnP (schemat str. 103)
2. EISA (Extended Industry Standard Architecture) - Rozszerzona Standardowa Architektura Przemysłu
- magistrala 32 bitowa
- transfer 32MB/sek
- wysoki koszt technologii (opłaty patentowe)
- obsługa standardu „Plug and Play”
- kompatybilna z magistralą ISA
- zaprojektowana dla komputerów z procesorem 80386
(32 bity)
- praktycznie nie stosowana
3. MCA (Micro Channel Architecture)
- opracowany w 1987r przez IBM dla komputerów z procesorami 80386DX
- obsługa 8, 16 , 32 bitowych kart
- możliwość blokowania z zewnątrz działania określonej karty
- brak kompatybilności z kartami ISA
- teoretyczny transfer 66MB/sek (praktyczna ok.. 20 do
40 MB/sek)
- automatyczna konfiguracja kart (PNP)
- stosowany tylko w komputerach IBM
- praktycznie nie stosowany
4. Vesa Local BUS (VLB) (Video Electronics Standards Association)
- popularny w latach 1993 1995
- magistrala 32 bitowa
- stosowany z procesorami 80486
- rozszerzenie standardu ISA (dodatkowe styki na przedłużeniu karty ISA) - kompatybilność z kartami ISA
- transfer ok. 105MB/sek
- brak standardu PNP
- problemy przy pracy już 50MHz
- przeznaczone m.innymi do kart graficznych, skanerów
- niewielka liczba gniazd (3)
- kolor brązowy na płycie głównej
5. PCI (Peripheral Component Interconnect)
- sygnały i przeznaczenie styków są znormalizowane (każda karta pasująca do gniazda PCI działa - współpracuje z dowolnym urządzeniem zewnętrznym)
- przepustowość 133 MB/sek (33 MHz i 16 bitów)
- przepustowość 266 MB/s (64 bity)
- pominiecie procesora przy komunikowaniu się z urządzeniami
- automatyczna konfiguracja karty (PNP)
- skalowalność PCI (możliwość łączenia równoległego i szeregowego)
- współpraca z różnymi procesorami (Intel, AMD, Cyrix)
- może być wiele kart graficznych PCI w komputerze
rozwój standardu PCI (tabelka, str. 110)
Warianty PCI:
* PCI X
- zgodna z wcześniejszymi wersjami PCI
- min. 133 MHz, 3,3V zasilania
- pełna kompatybilność w obie strony
- powszechnie używana ale powoli zanika (PCI-EX)
* Mini PCI - adaptacja PCI do laptopów, karta 32 bity, taktowana zegarem 33 MHz, zasilana napięciem 3,3V. Stosuje się jako np. karty WiFi, modemy, karty dźwiękowe, kontrolery twardych dysków. Sloty umieszcza się na brzegu laptopa.
* PCMCIA - (Personal Computer Memory Card International Association) - karta zew.,
Są to karty rozszerzeń - rozszerzają funkcjonalność komputera. Standaryzowane wymiary 85,6 × 54 mm. Pierwotny obszar zastosowań to rozszerzanie pamięci komputera przenośnego. Obecnie modemy, karty sieciowych lub dyski twarde.
Transfer 133 MB/s (33 MHz, 32 bity, 3,3V)
6. PCI Express (Arapaho or 3GIO for 3rd Generation I/O).
- łączy punkt z punktem
- możliwość poszerzania slotów o dodatkowe kanały (skalowalność)
- częstotliwość taktowania 2,5 GHz
- transfer 250MB/s w jednym kierunku
- transfer w obu kierunkach jednocześnie z tą samą prędkością (500MB/s/kanał)
- mniejsze konektory niż w PCI - łatwiejsze projektowanie płyt
- mniejszy pobór mocy gdy karta wykazuje mniejszą aktywność
- karty Nvidia i ATi stosują magistralę PCI Express
- Gigabit Ethernet (grupa propagująca komunikacje w sieci LAN z prędkościami gigabitowymi) stosuje PCI Express
- w 2005r. Apple zastosował w iMac'u PCI Express
- próby stosowania w laptopach (brak miejsca - 1 slot w laptopach)
- w 2007r. wejdzie PCI Express 2.0
- w ciągu kilku lat przewiduje się wyparcie PCI, PCI X i AGP
- możliwość wyjęcia karty w czasie pracy (hot plug)
PCI Express Mini Card - miniaturowe wersje PCI Express przeznaczone do rozwinięcia komunikacyjnych funkcji komputerów przenośnych.
Mini PCI Express ok. ½ Mini PCI (możliwość zastosowania nawet 2 kart Mini PCI Express
7. AGP - Accelerated Graphic Port
- AGP - magistrala dedykowana do grafiki 3D
- korzysta bezpośrednio z wydzielonego obszaru pamięci operacyjnej
- najczęściej brązowy, podłużny slot, 1 na płycie
- magistrala 32 bitowa
- zegar 66MHz
- wychodzą z użycia na rzecz PCI-Express
Rodzaje AGP:
- AGP 1x transfer 256 MB/s (4 bajty x 66 MHz)
- AGP 2x transfer 533 MB/s
- AGP 4x transfer 1066 MB/s
- AGP 8x transfer 2133 MB/s
8. Hypertransport
- maksymalna przepustowość 12,8 GB/s,
- połączenie odbywa się za pomocą dwóch jednokierunkowych linii,
- szerokość od 2 do 32 bitów.
- nie nadaje się do wyprowadzenia sygnału na zewnątrz komputera (800 MHz).
- służy do bezpośredniego połączenia CPU z chipsetem oraz do wymiany informacji pomiędzy układami w systemach wieloprocesorowych (Opteron), co znacznie obniża koszty produkcji peceta.
Pamięci w komputerze
Podział z punktu widzenia wielkości:
- ROM - k*MB (BIOS)
- procesor rejestry - bajty
- cache SRAM - KB
- pamięć główna RAM - setki MB
- pamięć masowa - GB
Podział wg. trwałości przechowywanej informacji
1. RAM (Random Access Memory) - pamięć ulotna
a) DRAM (Dynamic RAM)
b) SRAM (Static RAM)
2. ROM (Read Only Memory) - pamięć trwała
a) MROM (Mask ROM)
b) PROM (Programmable ROM)
c) EPROM (Erasable PROM)
d) EEPROM (Electrically Erasable PROM)
e) Flash EEPROM
3. FIFO
Podstawowe parametry pamięci
- pojemność (ilość komórek) wyrażona w bitach (b), bajtach (B), kilobitach (Kb), kilobajtach (KB) i.t.d {1 bajt = 8 bitów; 1 Kbajt = 210 bajtów=1024 bajtów}
- organizacja zapisu i odczytu może odbywać się pojedynczymi bitami lub słowami (każde słowo może składać się z np.. 8, 16 itd. bitów)
- adres to liczba w postaci binarnej, której przyporządkowana jest dana komórka pamięci
- czas dostępu mierzony jest od chwili podania adresu do chwili otrzymania informacji.
DRAM - pamięć ulotna,
- po wyłączeniu zasilania informacja ulega skasowaniu
- informacja (binarna) przechowywana w postaci ładunku elektrycznego
- duże pojemności (setki MB) - układy VLSI
- prosta konstrukcja
- tanie
- skomplikowane zasilanie (wymaga odświeżania)
- stosunkowo wolna (n x 10 ns)
- najwięcej z układów cyfrowych produkuje się pamięci półprzewodnikowych
DRAM - budowa komórki pamięci (rys., str. 130)
Informacja - ładunek zgromadzony w kondensatorze
Zapis - podanie odpowiedniego potencjału na linię bitu (BL) i włączenie tranzystora dodatnim impulsem podanym na linię słów powoduje przepływ prądu przez tranzystor i naładowanie kondensatora
Odczyt - przepływ prądu z kondensatora do linii bitów. Odczyt wymazuje informację.
Pamięć w komp. - matryca z pojedynczych komórek (str.131)
Rodzaje pamięci DRAM
1. FPRAM (Fast Page Mode DRAM) - stare przeznaczone do procesorów 386, 483, pierwsze Pentium, czas dostępu 60-70ns
2. EDO RAM (Extended Data Out DRAM) - przeznaczone do współpracy z płytami 66 MHz, może pracować z częstotliwością do 200MHz
3. SDRAM (SDR SDRAM - Single Data Rate Dynamic RAM) - taktowana zegarem 66, 100 i 133 MHZ, produkowane kości 32, 64, 128, 256 i 512 MB), czas dostępu ,12ns. Wycofana z produkcji (DDR)
4. DDR RAM (Double Data Rata SDRAM) - produkcja od 1999r., modyfikacja SDRAM, praca z częstością 200 MHz, zasilanie 2,5V, mały pobór mocy
5. RDRAM (Rambus Direct RAM) - częstotliwość zegara 800 MHz, przepustowość 1,6GB/s, duży pobór mocy, konieczność montowania w parach (16 bitowe, 32 bitowe pojedynczo) - rzadko używane, drogie
6. DDR2 RAM - taktowanie z częstością (533, 667, 800, 1066 MHz), mały pobór mocy < DDR, zasilanie 1,8V, pojemność 1GB (stosowane obecnie)
7. DDR3 - mniejszy pobór mocy niż DDR2, zasilanie 1,5V, przepustowość 6,4GB/s (800 MHz) lub 8,53 GB/s (1066 MHz). Zastosowanie w 2007 r. (Intel i 2008 r. (AMD)
Gniazda pamięci DRAM
1. DIL (Dual in Line) - pojedyncze kostki wlutowywane w płytę (historia)
2. SIMM (Single In Line Memory Module) - pierwsza pamięć o złączach krawędziowych (wymaga pary)
a) SIMM 30 pinowy (procesory 386 i 486 )
b) SIMM 72 pinowy stosowane z szyną PCI, 32 bitowa magistrala, stosowane do pamięci FPM DRAM
3. RIMM (Rambus Inline Memory Module) - przeznaczone do pamięci Rambus, do pracy wszystkie gniazda muszą być wypełnione (lub zwory)
4. DIMM (Dual in Line Memory Module) - pamięć 64 bitowa, możliwość montażu pojedynczej płytki na płycie.
a. DIMM 168 pin zasilanie nap. 3,3V (SDRAM)
b. DIMM 184 pin zasilanie nap. 2,5V (DDR SDRAM)
c. DIMM 232 pin zasilanie nap. 1,8V (DDR2 SDRAM)
Pamięć S-RAM - Static RAM
(przerzutnik przewodzi lewy lub prawy tranzystor; gdy przewodzi np. lewy tranzystor to odczyt 1 logicznej, gdy prawy to odczyt 0 logicznego)
Wada: mały stopień scalenia (dużo tranzystorów),
Zalety: pamięć szybka (~1..5ns), proste zasilanie
Zastosowanie - pamięć cache
Pamięć ROM - pamięć stała
a. bez możliwości modyfikacji informacji (MROM, PROM)
b. z możliwością modyfikacji informacji (EPROM, EEPROM, FLASH EEPROM, NVRAM)
Ad. a
- MROM (Mascable ROM) - informacja zapisana u producenta, nie można jej modyfikować. Przy dużych seriach produkcyjnych najtańsza wersja ROM. Zastosowanie - BIOS klawiatury
- PROM (programmable ROM) - informacja zapisana przez użytkownika (OTP) - praktycznie nie stosowana
Ad. b
- EPROM (Erasable ROM) - pamięć wielokrotnie programowalna. Kasowanie wymaga oświetlenia pamięci UV. programowanie i kasowanie w specjalnych urządzeniach. Powoli wychodzi z użycia
- EEPROM (Electrically EPROM) - pamięć kasowana i programowana na drodze elektrycznej. Nie ma konieczności wymontowania z systemu. Zastosowanie BIOS
- Flash EEPROM - „pamięć błyskowa” zapis i kasowanie całymi słowami a nie bitami (EEPROM) - Pendrive
- NVRAM (non Volatile RAM) - nie ulotny RAM. Przy wyłączaniu zasilania zawartość przepisywana do EEPROM
Pamięci masowe
- pamięć o bardzo dużej pojemności (np. setki lub więcej GB).
- pamięć nie półprzewodnikowa (informacja przechowywana nie w postaci ładunku elektrycznego)
- pamięć przeznaczona do długotrwałego przechowywania dużych ilości informacji.
Podział ze względu na sposób przechowywania informacji:
1. pamięć magnetyczna,
2. pamięć optyczna,
3. pamięć magnetooptyczna,
4. pamięć holograficzna
5. pamięć spinowa (MRAM)
Ad. 1. Pamięć magnetyczna
Wszystkie typy pamięci magnetycznej działają na takiej samej zasadzie - na poruszającym się dysku lub taśmie magnetycznej dokonywany jest zapis informacji polegający na odpowiednim lokalnym namagnesowaniu nośnika magnetycznego.
(zapis - prąd płynie przez cewkę; odczyt - nośnik porusza się indukując prąd w cewce)
Typy pamięci magnetycznej stosowane w systemie komputerowym
1. dysk elastyczny
2. dysk twardy
3. streamery
1 Dysk elastyczny
- dysk elastyczny (ang, floppy disc) to krążek wykonany z cienkiego, elastycznego tworzywa sztucznego, pokrytego warstwą materiału magnetycznego.
- grubość krążka folii jest ok. 0,1mm., a grubość warstwy magnetycznej ok. 0,0025mm
Zasada działania stacji dyskietek elastycznych
- dyskietka obraca się z prędkością 360 obr/min (6 obr/sek)
- głowice zapisująco-odczytujące przesuwają się wzdłuż promienia dyskietki
- prąd elektryczny doprowadzony do uzwojenia głowicy wytwarza w pobliżu szczeliny głowicy pole magnetyczne namagnesowujące fragment dyskietki znajdujący się pod głowicą.
Organizacja zapisu informacji na dyskietce
- średnica dyskietek wynosi 3,5 cala.
- dyskietka posiada na każdej swojej stronie 80 współśrodkowych ścieżek, podzielonych na 18 sektorów o jednakowej długości (pojemności) 512 bajtów.
- sektor składa się z pola identyfikatora i pola danych
- pojemność dyskietki wynosi więc: 2*80*18*512B=1474560 B, a po przeliczeniu na MB:
1474560/1024=1,44 MB
- ścieżka zewnętrzna ma długość ok. 250 mm (promień = 40mm), czyli 1 B zapisany jest na wycinku koła o długości ok. 0,027mm. Szerokość ścieżki wynosi 0,2 mm
- jednym z parametrów dyskietki jest gęstość zapisu ścieżek na cal (TPI - Track per Inch). W dyskietkach 3,5 cala gęstość zapisu wynosi 135 TPI
- gęstość zapisu (BPI - bits per inch) - bity/cal wynosi kilka do kilkunastu tysięcy - dyskietki 2DD (double density poj.- 720KB), dyskietki 2HD (High Density - poj. 1.44MB)
Budowa zewnętrzna dyskietki (str. 148)
Do zapisu i odczytu informacji stosuje się napęd FDD (Floppy Disk Drive), posiadający dwie głowice umieszczone po obu stronach dyskietki oraz układy elektroniczne niezbędne do sterowania mechanizmów oraz zapisu i odczytu danych.
Elementy składowe napędu dysków elastycznych (rys. str.150)
Interfejsy
Interfejs - układ elektroniczny łączący dwa urządzenia i umożliwiający wymianę między nimi informacje.
Połączenie dwu urządzeń przez interfejs:
Hardware component - interface - Hardware component
Powyższa definicja (teoretyczna) - zbiór reguł (protokołów) dotyczących wymiany danych.
W praktyce interfejs składa się z np.. kontrolerów, kabli, wbudowanego oprogramowania itd..
Kontroler - układ elektroniczny kontrolujący wymianę informacji między urządzeniami.
Interfejs dysków elastycznych (SA.-450)
Interfejs = kontroler napędu dyskowego (FDC) + pasmo łączące (34 linii)
FDC (Floppy Disk Controller) - zapewnia współpracę napędu z systemem. Współpracuje z systemem poprzez ISA.
Zadania interfejsu
- przesyłanie danych między FDC i FDD
- przesyłanie sygnałów sterujących koniecznych do działania FDD.
Pasmo łączące - linia nr.1 oznaczona kolorem czerwonym.
Pin nr.1 złącza kontrolera musi być podłączone do pinu nr.1 napędu.
Złe podłączenie - napęd nie działa
Napędy wykorzystujące dysk elastyczny
Napęd ZIP
1.dyskietki 3,5 cala (inne niż FD)
2.silnik napędu głowic liniowy (FDD - krokowy)
3.większa liczba ścieżek niż w FDD (silnik liniowy)
4.pojemność dyskietek 100..250MB
5.transfer 500kB/sek
6.wersja wewnętrzna (interfejs FDD) i zewnętrzna
Napęd JAZZ
1.dyskietki 5,25 cala, pojemność 2 GB
Napęd LS120
1.pozycjonowanie głowic przy pomocy lasera, poj. dyskietek 120MB (dyskietka 2HD)
2. Dysk Twardy (HDD)
- Pamięć magnetyczna - materiał magnetyczny obustronnie naniesiony na tarczę aluminiową.
- Pojemność zależy od liczby tarcz (kilka . kilkanaście).
Tarcze mają średnicę od 2,5” do 5,25” i grubość od 1/32” do 1/8”.
- Na każdą tarczę przypadają dwie głowice.
- Tarcze wirują z prędkością do ok. 12000 obr/min.
Sztywna, mocna konstrukcja
- Szybkość transmisji = liczba obrotów x liczba sektorów
Szybkość transmisji = 90obr/sek*300 sektorów* 512B= 13,18 MB/s
Budowa dysku twardego
- tarcze magnetyczne
- silnik
- głowice zapisująco-odczytujące
- obudowa
Podstawowe parametry dysków twardych:
1. pojemność (kilka do kilkuset GB)
2. szybkość transmisji
3. średni czas dostępu (kilka ms)
4. wielkość bufora cache (ok. 512kB)
5. prędkość obrotowa dysku (np.10000 obr/min)
6. średni bezawaryjny czas pracy (MBF) ok. 5x105h
7. rodzaj interfejsu łączącego dysk z komputerem
3. Streamery
Streamer - urządzenie umożliwiające zapis informacji na taśmie magnetycznej. Profesjonalny następca kaset magnetofonowych (Spectrum).
Zastosowanie - archiwizacja danych w bankach, dużych firmach itp.
Informacje zapisywane w formie sektorów (512 lub 1024 B)
Dwa typy :
- wewnętrzne (interfejs FDD - 300kB/s, SCSI - 16MB/s)
- zewnętrzne (SCSI-16MB/s) lub Centronics - 300kB/s
Ad. 2. Pamięci optyczne
Pamięć optyczna- pamięć wykorzystująca światło do odczytu lub zapisu informacji.
Historia - taśmy i karty perforowane.
Przez otwory w karcie (taśmie) światło dociera do fotodiod lub fototranzystorów wywołując przepływ prądu (1 logiczna), gdy nie dociera (brak otworu - 0 logiczne)
Obecnie stosowane pamięci optyczne to:
1. płyty CD
2. płyty DVD
3. HD DVD
4. Blu-ray
1. Płyta CD (Compact Disk - dysk kompaktowy).
- Płyta CD to krążek o średnicy 12cm, grubości 1,2mm, mieszczący ok. 700MB danych.
- Na powierzchni płyty naniesiona jest spiralna ścieżka, na której zapisywane są informacje.
- Długość ścieżki wynosi 6km,
- Szerokość ścieżki 0,6μm,
- Odległość między ścieżkami 1,6μm.
- Informacja zapisywana jest przy pomocy tzw. "pitów" i "landów".
- Pity to zagłębienia na powierzchni płaskiej (landy).
* minimalna długość pitu 0,83μm
* maksymalna długość pitu 3,3 μm
- Ścieżka danych ułożona jest spiralnie zaczynając się od środka płyty
* Długość ścieżki wynosi 6km,
* Szerokość ścieżki 0,6μm,
* Odległość między ścieżkami 1,6μm.
Głębokość pitów jest tak dobrana, że odbijające się od nich światło zostaje w wyniku interferencji wygaszone w płaszczyźnie detektora (fotodiody).
Jeżeli promień laserowy trafi na land, wtedy odbity promień świetlny pada na powierzchnię fotodetektora, który zamienia go na impuls elektryczny.
Odczyt danych z płyty CD
- Informacja na płycie CD zapisana jest w postaci cyfr. (0 i 1)
- Laser emituje światło o długości 780nm
- Pierwsze czytniki CD wirowały z prędkością 150KB/s (prędkość liniowa była stała i wynosiła 1,25m/s).
- Szybkość odczytu współczesnych czytników jest większa i mierzona jest jako wielokrotność 150KB/s (np. 50x).
- Odczyt z płyty ze stałą prędkością liniową 1,2m/s.
- Wymaga to ciągłej zmiany prędkości obrotowej płyty (od 500 obr/min do 200 obr/min)
Rodzaje płyt CD
1. Płyty CD ROM - płyty nagrane u producenta, tłoczone, trwałe, tanie, bez możliwości nagrania i kasowania danych.
2. Płyty CD-R - płyty do jednokrotnego nagrania przez użytkownika, wypalane promieniem lasera, (pow. pokryta jest cyjaniną, która podgrzana mętnieje (pit), odczyt jak CD ROM
3. CD - RW - płyty wielokrotnego zapisu i kasowania danych, pokryta specjalną warstwą (mieszanina Ag, Te i Ir), która podgrzana do 600°C topi się i stygnąć staje się przezroczysta dla światła (kasowanie). Nagrywanie tak jak CD-R.
2. Płyty DVD (Digital Versatile Disk) to wersja płyty CD, o pojemności informacji 4,7-17GB
Podstawowe różnice między płytami CD a DVD to:
- odległości między ścieżkami płyty DVD wynoszą 0,74 (1,6μm dla CD),
- minimalna długość pitu dla DVD wynosi 0,4μm (0,834μm dla CD),
- długość światła laserowego w DVD wynosi 635nm lub 650nm (780nm dla CD) - mniejsze pity stąd mniejsza wielkość plamki światła a więc krótsza fala
Rodzaje płyt DVD
- jednostronna jednowarstwowa (4,7GB)
- jednostronna dwuwarstwowa (8,5GB)
- dwustronna jednowarstwowa (9,4GB)
- dwustronna dwuwarstwowa (17GB)
Standardy płyt DVD
1. DVD RAM - duża wytrzymałość (30 lat), kasowanie i zapisywanie ok. 100000 razy, napędy DVD RAM, drogie płyty (2..3x)
2. DVD -R/RW, +R/RW - kasowanie i nagrywanie ok.1000 razy, kompatybilne ze sobą
3. i 4. Płyty Blu ray i HD DVD - konstrukcja podobna do płyt DVD, mniejsze wymiary pitów, i mniejsze odległości miedzy ścieżkami, niebieski laser
Porównanie podstawowych płyt (tab. str 175)
Interfejsy HDD i CD
1. Pierwszy interfejs to ST506 (znaczenie historyczne), dwa pasma do połączenia z HDD, gabarytowo duże (niski stopień scalenia US.
2. IDE/AT (Integrated Drive Electronics) - opracowany w 1987 r.
- dużo elektroniki umieszczono na napędzie (mniejszy prostszy kontroler na płycie głównej)
- zgodność z ST506
- współpraca z magistralą ISA
- maks. poj. dysków 504MB (ograniczenia BIOS-u)
- maksymalny transfer 8,33 MB/s (ISA).
3. EIDE/ATA (Enhanced IDE) - opracowany w 1994r.
- pozwala na podłączenie 4 urządzeń i nie tylko HDD (dwa złącza na płycie głównej).
Dyski mogą współpracować z pamięcią operacyjną komputera według następujących metod:
- Tryb PIO (Programmed Input/Output) - w tym trybie proces przesyłania odbywa się pod nadzorem procesora. Procesor nie może wykonywać innych czynności (spowalnia pracę komputera)
- Tryb DMA (Direct Memory Access) - w tym trybie pracy dane przesyłane są bezpośrednio do pamięci z pominięciem procesora.
DMA - ustawić w komputerze (gdy wolny transfer)
4. ATAPI (ang. Advanced Technology Attachment Packet Interface)
- Wersja ta stworzona ze względu na zapotrzebowanie na podłączanie do komputera PC innych urządzeń. Głównie dotyczyło to, napędów CD-ROM, napędów taśmowych, czy też dyskietek o dużych rozmiarach - ZIP, SuperDisk.
- W wyniku wprowadzonych zmian w standardzie ATA, od tamtej pory przyjął on nazwę ATA/ATAPI - jednak większość osób posługuje się jego starą, krótszą nazwą.
Ograniczenia równoległej transmisji danych:
- ograniczenie długości kabli (różne bity biegną z różną prędkością (powstają przesunięcia fazowe)
- aby zmniejszyć różnice czasowe trzeba obniżyć częstotliwość pracy
- nadajniki sygnału zużywają dużo mocy
- wtyki mają wiele styków (drogie i podatne na uszkodzenia)
- kable 40 i 80 żyłowe - mało elastyczne hamują ruch powietrza w komputerze
- skomplikowane adresowanie dysków > od 128GB (praca z 28b danymi 228 x 512b = 128GB)
Zalety szeregowej transmisji danych:
- brak różnic przebiegów czasowych
- jeden przewód
- nadajnik sygnału pobiera niewielką moc
- niewielkie wtyki z małą liczbą styków
- cienkie kable nie utrudniające ruch powietrza (wydajniejsze chłodzenie)
5. SATA (Serial ATA):
- szeregowa transmisja danych,
- cienkie kable (wystarczają dwa przewody odbierający sygnał i nadający sygnał)
- niskie napięcie zasilania 0,25V (1B=8,6x1011J) (5V dla ATA 1B=1,85x10-9J)
- możliwość stosowania dysków o dużej pojemności
- duże szybkości transmisji (>150MB/s),
- prosta konstrukcja (cienkie kable (7 żył, mała liczba styków)
- hot-plugging
- niski koszt
- prosta instalacja
- brak konieczności ustawiania trybu master/slave
- możliwość podłączenia jednocześnie 4 urządzeń
(Każdy dysk musi być podłączony do kontrolera osobnym przewodem - połączenie typu punkt - punkt)
6. SCSI - duża niezawodność, krótki czas dostępu, można podłączyć do 7 dysków HDD (CD ROM - rzadko), transmisja ok. 320 MB/s, raczej stosowany w urządzeniach profesjonalnych (karty rozszerzeń)
Ad. 3. Pamięć magnetooptyczna
* Pamięci magnetooptyczne istnieją w postaci dysków kompaktowych (5,25 cala i 3,5 cala, poj. 5,2 GB).
* Mogą być używane wielokrotnie, a informacja może być wielokrotnie zapisywana i odczytywana.
* Pamięć magnetooptyczna to złożenie dwu technik:
- magnetycznej,
- optycznej.
Technika magnetyczna - głowica magnetyczna służąca do zapisu informacji.
Technika optyczna - laser służący do odczytu informacji.
Podczas zapisu danych laser najpierw podgrzewa ochronną powierzchnię dyskietki magnetooptycznej do ok. 200°C (punkt Curie - temperatura, przy której istnieje możliwość zmiany orientacji molekuł pod wpływem pola magnetycznego) tak, aby następnie głowica magnetyczna mogła dokonać zmiany informacji w jej warstwie magnetycznej.
Gdy temperatura powierzchni dyskietki znowu się obniży, możliwy będzie już tylko odczyt informacji, który odbywa się z użyciem lasera o mniejszej mocy.
W odczycie wykorzystuje się tzw. efekt Kerra - odbite światło lasera ma inną polaryzację w zależności od tego, czy odbiło się od namagnesowanej czy nie namagnesowanej powierzchni.
Pamięć magnetooptyczna jest więc pamięcią wolną.
Zaletą jej jest możliwość zapisania trwale bardzo dużej ilości informacji. Trwałość zapisanej informacji szacuje się na ok. 30 lat.
Dyski zewnętrzne i wewnętrzne (SCSI)
Dyski MO stosowane np. w czarnych skrzynkach samolotów myśliwskich
Ad. 4 Pamięci holograficzne
Holografia - technika zapisu i odczytu informacji w postaci trójwymiarowych obrazów przez mieszanie dwu spójnych fal.
Zasada tworzenia obrazu holograficznego (rys. str. 206)
Odczyt obrazu holograficznego (rys. str. 207)
Oświetlenie pod takim samym kątem jak podczas zapisu, na hologramie następuje ugięcie fali świetlnej
Informacja binarna zapisana w SLM. Zapis na nośniku w postaci bloków 1000x1000 punktów. Każdy punkt to 1 bit informacji. Pojedynczy blok zapamiętany w postaci obrazu holograficznego. Dysk - stos megabitowych hologramów
Zalety pamięci holograficznej:
1. gęstość zapisu 105 MB/cm2 (DVD -100MB/cm2)
2. b. duża prędkość odczytu -1GB/s (DVD - 10MB/s)
3. możliwość zapisu objętościowego (wiele obrazów w jednym obszarze)
4. nielokalność (pełną informację można uzyskać z fragmentów płyty)
5. zapis i odczyt równoległy (CD i DVD - szeregowy)
Wady:
1. Brak standardów
2. Brak odpowiednich materiałów holograficznych
Ad. 5. Pamięć Spinowa - MRAM (Magnetic RAM)
Budowa pojedynczej komórki (rys. str. 212)
Gdy spiny elektronów w obu warstwach takie same- zapisana 1 logiczna
Gdy spiny elektronów przeciwnie skierowane - zapisane 0 logiczne
Zapis informacji do komórki MRAM (rys. str. 215)
Odczyt zawartości komórki MRAM (rys. str. 216)
Zalety:
- gęstość upakowania jak DRAM
- szybkość jak S-RAM
- pamięć nieulotna (ROM)
Przyszłe technologie pamięci masowych
Pamięć atomowa:
Na pow. Si napylona cienka warstwa Au - powstają ścieżki o szerokości 5 atomów. Na pow. Au nanosi się atomy Si. Istnienie atomu 1 logiczna, brak 0 logiczne.
Gęstość zapisu 10^6 razy większa niż przy CD (skala nm a nie μm).
Zapis zera polega na usunięciu atomu
Odczyt: Skanowanie linii (STM - Scanning Tunneling Microscope). Wszystkie atomy takie same i o tych samych wymiarach - b. duży stopień korekcji błędów).
Problem z zapisem: atomy w sposób kontrolowany można przesuwać w temp. ciekłego helu (-270,42°C tj. 2,73K), trudno w temp pokojowej (atomy mogą przeskakiwać ze swoich położeń).
Pamięć trzeba formatować
Do zapisu 1 bitu potrzeba 20 atomów (ścieżka o szerokości 5 atomów, odległość między bitami musi wynosić 4 atomy)
Gęstość zapisu ok.. 250Tb/cal2
Prędkości zapisu są niskie ok.. 200b/sek.
Wyświetlacze
Wyświetlacze umożliwiają przekazanie informacji w formie graficznej.
Dwa typy wyświetlaczy:
- aktywne,
- pasywne.
Wyświetlacze aktywne
Dostarczoną energię (najczęściej w postaci energii pola elektrycznego) przekształcają na energię promieniowania w zakresie widzialnym.
· emitują światło,
· natężenie promieniowania (świecenia) nie zależy od oświetlenia zewnętrznego.
Typowy wyświetlacz aktywny to lampa elektronopromieniowa (CRT - Cathode Ray Tube) - czyli popularna lampa kineskopowa lub oscyloskopowa.
Inne wyświetlacze tego typu to:
- wyświetlacze plazmowe,
- wyświetlacze elektroluminescencyjne,
- wyświetlacze polimerowe.
Lampa elektronopromieniowa (CRT)
Idea działania lampy elektronopromieniowej (rys. str. 224)
Modulowane natężenie prądu wiązki - jasność świecenia luminoforu
Budowa lampy CRT
Podstawowe części składowe lampy elektronopromieniowej to:
- podgrzewana katoda
- układ przyspieszająco-ogniskujący wiązkę elektronów,
- układy odchylania poziomego i pionowego,
- ekran pokryty luminoforem
Schematyczny przekrój lampy CRT
TK - termokatoda (tlenkowa), pośrednio żarzona
Elektrody S1 (napięcie ujemne), S2, S3 - elektrody ogniskujące
Elektrody S4 i A (anoda) definiują końcową energię wiązki (2..25 keV)
Układ odchylania - odchylanie pionowe i poziome zapewnia skanowanie wiązki po całej powierzchni ekranu
a) odchylanie elektrostatyczne,
b) odchylanie magnetyczne
Odchylanie elektrostatyczne - dwie pary płytek wzajemnie prostopadłych,
- tor elektronu w poprzecznym polu elektrycznym - parabola
- mały kąt odchylania
- duża rezystancja wejściowa (sterowanie napięciowe)
- duża częstotliwość pracy
Odchylanie magnetyczne - dwie cewki magnetyczne, o osiach wzajemnie prostopadłych
- tor elektronu w poprzecznym polu magnetycznym - fragment okręgu (siła Lorentza)
- duży kąt odchylania (110º)
- częstotliwość odchylania zadana przez wewnętrzne generatory linii i ramki,
- ekran - fragment sfery
- duże ekrany to zniekształcenia na brzegach
Lampy CRT z odchylaniem magnetycznym:
1.Działo elektronowe (katoda)
2.Wiązki elektronów
3.Cewka ogniskująca
4. Cewki odchylające
5. Przyłącze anody
6. Maska separująca wiązki
7. Luminifor
8. Powiększenie fragmentu luminiforu
Jak uzyskać płaski ekran?
Aby z zewnątrz ekran był płaski w procesie produkcyjnym dodaje się masy szklanej (na krawędziach szyba jest grubsza niż w środku). Promień krzywizny dobiera się tak, aby warstwa szkła, podobnie jak układ soczewek zniwelowała zniekształcenia wprowadzane przez zakrzywioną powierzchnię wewnętrzną.
Jak zamyka się obwód prądu w lampie CRT?
Luminofor - izolator,
Współczynnik emisji wtórnej ok.. 1
Warstwa grafitowa naniesiona na wewnętrzną powierzchnię lampy
Cienki kineskop CRT - FED
Działo elektronowe - nanometrowe stożki (katody Spindta).
Emisja zimna (polowa), elektrony bombardują luminofor.
Zalety:
- energooszczędne,
- tolerancja na błędy w produkcji (kilkanaście 200nm katod/komórkę),
- bardzo krótki czas reakcji
Budowa monitora ThinCRT
1. Izolator
2. Warstwa rezystywna
3. Szkło
4. Elektrody
5. Komórki FED
6. Pojedyncza katoda (emiter)
7. Elektrody
8. Maska
9. Szkielet usztywniający
10. Luminofor
11. Czarna maska
12. Warstwa aluminium
13. Włączony piksel
14. Szyba ekranu
Wyświetlacze polimerowe (LEP - Light Emitting Polymers)
Konstrukcja wyświetlaczy OLED/LEP:
- Materiał - polipirol, polinilina, polipropylowinylen (PPV - typ „p”), cyjanopropylowinylen (typ „n”)
- Budowa: materiały drobno cząsteczkowe (max.40 atomów), lub polimery
Zalety:
- nie wymaga podświetlenia,
- niewielki pobór mocy nawet dla dużych ekranów,
- tani w produkcji,
- duża wytrzymałość mechaniczna, kąt widzenia ok..180º,
- możliwość nanoszenia na elastyczne podłoża,
- duży kontrast(1:5000)
- krótki czas reakcji (setne części ms)
- duża jasność (1000cd/m2)
Wady:
- niska trwałość (15 tys.h)
- niejednorodna emisja światła na całej pow.
Wyświetlacze plazmowe
Plazma - czwarty stan materii. Mieszanina jonów dodatnich, i swobodnych elektronów (równe koncentracje). Dobry przewodnik elektryczności. Plazma wyładowania elektrycznego jest źródłem promieniowania widzialnego, nadfioletu, promieniowania X
Zasada działania:
- wyładowanie elektryczne między „1” a „2”
- elektroda sterująca - zapalnik wyładowania w całej objętości komórki
- świecąca plazma emituje promieniowanie UV, które wywołuje świecenie luminoforu
Matryca PDP (Plasma DisPlay)
Zalety PDP
- dobre odwzorowanie barw
- duży kąt widzenia
- częstotliwość odświeżania >100Hz
- niewielka grubość
- możliwość uzyskania ekranów o b. dużych rozmiarach
Wady PDP
- duże napięcie zasilania
- trwałość ok..10 tys. godzin
- niska rozdzielczość (min. 0,3mm); mniejszy piksel - zakłócenia wyładowania w sąsiednich komórkach
Wyświetlacze elektroluminescencyjne
Oparte na diodach elektroluminescencyjnych LED.
Dioda elektroluminescencyjna, dioda świecąca, LED (ang. Light Emitting Diode) - dioda zaliczana jest do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego, jak i podczerwieni
Właściwości:
- Niskie zużycie energii elektrycznej przy bardzo dużej jasności diod
Przykładowo: dla koloru czerwonego, żółtego, zielonego ten sam strumień światła można uzyskać przy 6-10 krotnie mniejszej mocy elektrycznej w stosunku do rozwiązań opartych na konwencjonalnych świetlówkach i elementach filtrujących (np. biała świetlówka i kolorowe plexi).
- Bardzo wysoka trwałość i niezawodność diod (100000h spadek jasności świecenia o 50%)
- Wysoka odporność na uszkodzenia mechaniczne (także silne wstrząsy) oraz możliwość pracy w trudnych warunkach atmosferycznych
Zastosowanie:
- bilboardy
- reklamy płynące
- podświetlacze
- ekrany TV
Wyświetlacze pasywne
Wymagają oświetlenia zewnętrznego.
Dostarczoną energię wykorzystują na zmianę swojego stanu tak aby światło ze źródła zewnętrznego było przez ten wyświetlacz rozpraszane, pochłaniane lub odbite.
(Typowy przedstawiciel to wyświetlacz ciekłokrystaliczny LCD - Liquid Crystal Display)
Efekt optyczny w przypadku wyświetlaczy LCD następuje w przeważającej części w wyniku pochłaniania światła, a tylko w nielicznych przypadkach w wyniku jego rozpraszania.
Wyświetlacze ciekłokrystaliczne
Ciekły kryształ - substancja mająca jednocześnie właściwości ciała stałego (uporządkowaną strukturę atomową) i wł. cieczy (łatwość przyjmowania dowolnych kształtów)
Podział ciał fizycznych (fragment)
- kryształ stały
- kryształ ciekły
* smektyk
* nematyk
* cholesteryk
- ciecz izotropowa
Trzy formy występowania ciekłego kryształu:
- faza nematyczna
- faza smektyczna
- faza cholesteryczna
Najczęściej stosowana w wyświetlaczach to forma nematyczna (a) i cholesteryczna (c)
Idea działania komórki LCD (schemat str. 261)
Brak napięcia na elektrodach
- Płaszczyzna polaryzacji światła odpowiada kierunkowi ułożenia molekuł w ciekłym krysztale
- Molekuły ciekłego kryształu ułożone są (dzięki warstwom orientującym) równolegle do osi polaryzacji filtrów, tworząc linię śrubową
- Światło przechodzi przez filtr polaryzacyjny, zespół elektrod z naniesionymi warstwami orientującymi (ustawiają molekuły ciekłego kryształu w położeniu tzw. spoczynkowym).Warstwa ciekłego kryształu skręca płaszczyznę polaryzacji światła o 90º, dzięki czemu światło przechodzi przez drugi filtr polaryzacyjny (polaryzacja pozioma) i wydostaje się na zewnątrz. Na ekranie widać biały jasny punkt.
Napięcie włączone
- Po przyłożeniu napięcia do elektrod molekuły ciekłego kryształu ustawiają się równolegle do kierunku linii sił pola elektrycznego a więc prostopadle do powierzchni ekranu. Płaszczyzna polaryzacji przechodzącego przez ciekły kryształ światła nie ulega zmianie. Na ekranie obserwujemy czarny punkt.
- Kąt skręcenia molekuł ciekłego kryształu jest zależny liniowo od napięcia polaryzacji elektrod. Tylko część światła jest pochłaniana przez filtr - różne odcienie szarości.
Rodzaje matryc LCD
Matryca bierna - elektrody rozmieszczone są na obydwu podłożach każdego elementu ciekłokrystalicznego. Sygnał elektryczny wysyłany jest do obydwu przewodników w odpowiednim czasie, w celu wybrania właściwego piksela. Opóźnienie konieczne do zgrania sygnału na obydwu elektrodach powoduje efekt bezwładności (ok.. 200ms)
Im większa gęstość pikseli, tym mniejsze muszą być elektrody i tym większe przykładane do nich napięcie. Wysokie napięcie powoduje dodatkowo inny problem: efekty związane z gromadzeniem się ładunku. Gdy jeden piksel jest włączony (czarny), sąsiednie stają się częściowo aktywne (szare) w związku z wysokim impulsem wytworzonym do aktywowania pierwszego piksel (efekt poświaty). Zmniejsza to kontrast obrazu i obniżają jego ogólną jakość .
Matryca aktywna - każda komórka ma własny TFT, regulujący napięcie na elektrodach; elektrody tylko na jednej płaszczyźnie. Opóźnienie ok.. 35ms
Typy matryc LCD
- TN
- typ VA (PVA, MVA, WVA)
- IPS
TN - Twisted Nematic
- Najczęściej stosowana jest w niedrogich modelach o niewielkich przekątnych obrazu - 15, 17 cali.
- Matryce tego typu nie najlepiej reprodukują barwy
- Krótki czas reakcji (8ms)
- Niewielki kąt widzenia (140°)
- Tanie
Zastosowanie:
- gry
- filmy
- Nie nadają się do prac graficznych
Matryce typu VA
- Bardzo dobre odwzorowanie barw
- Wysoka cena
- Duży kąt widzenia (min. 170°)
- Długi czas reakcji (25ms)
Matryce typu IPS, S-IPS
- Dobre odwzorowanie barw
- Duży kąt widzenia
- Stosunkowo krótki czas reakcji
- Najodpowiedniejsze do zastosowań domowych - uniwersalność
E-papier
Brak napięcia: Olej „rozlany” (piksel czarny)
Obecność napięcia: Powstaje mikroskopijna kropla oleju (piksel jasny)
Plazmoskop
Brak wyładowania - komórka plazmowa - izolator, brak napięcia na elektrodzie - ciemny punkt na ekranie.
Wyładowanie - zwarcie, możliwość sterowania kątem skręcenia molekuł ciekłego kryształu (ilością przechodzącego światła).
Wada: - duży pobór mocy, mała ilość wyświetlanych barw
Zaleta - prosta technologia, duże ekrany