Жанр: Учеба
Аппаратурная реализация персональных компьютеров
... пропорционально изменению тактовой частоты передачи
данных, т. е. в восемь раз. Это связано с увеличенной в те же 8
раз длительностью тактов медленного режима. Именно поэтому в
стандарте специально оговаривается, что медленный режим может
использоваться одновременно ограниченным числом ПУ, хотя он и
обеспечивает лучшую защиту от электромагнитных помех.
Расчетная оценка пропускной способности шины на конфигурациях,
близких к реальным, приведена в работе: John Gamey. An analysis
of throughput characteristics of USB//Media and Interconnect Technology/Intel
Architecture Labs. Для анализа использовались следующие
модели устройств (потребителей шины):
1. Передача выходного потока изохронных данных с качеством
CD, например на звуковые колонки (44,1 Кгц, 16-бит квантование
сигнала).
2. Видеокамера, генерирующая изохронный поток данных в
формате MPEG2 объемом 6 Мбит/с.
3. Низкоскоростное устройство, работающее в режиме прерываний
(мышь, клавиатура или джойстик).
4. Изохронный поток линии 2B+D ISDN (каждый канал В - 64
Кбит/с двунаправленной передачи, канал D - 16 Кбит/с двунаправленной
передачи).
Из данных устройств были сформированы три конфигурации
периферийных устройств шины USB: минимальная, типичная и максимальная.
Минимальная конфигурация:
- клавиатура с встроенным концентратором LJSB.
Типичная конфигурация:
- клавиатура с встроенным концентратором LJSB;
- выходной поток изохронных данных с качеством CD;
- дополнительный концентратор шины USB, например на мониторе;
- изохронный поток линии ISDN. Максимальная конфигурация:
- клавиатура с встроенным концентратором USB;
- выходной поток изохронных данных с качеством CD;
- дополнительный концентратор шины USB, например на мониторе;
- изохронный поток линии ISDN;
- изохронный поток видеоданных в формате MPEG2.
По результатам моделирования типичная загрузка шины составляет
от 20 до 40% ее пропускной способности и повышается до 80 -
100% при работе с мультимедийными потоками данных (в рассматриваемом
примере - поток сжатого видеосигнала). Таким образом, шина
USB имеет примерно двух- или трехкратный запас по производительности
для офисных приложений и менее чем 50%-ный запас
для интенсивной работы с мультимедийными приложениями.
6. Системы обработки и вывода звуковой
информации
Использование звуковой информации дает значительный психологический
выигрыш пользователю при работе с микроЭВМ. Особенно
указанное преимущество проявляется при обработке анимационных
и видеопрограмм трехмерной графики, имеющих звуковое сопровождение.
Большое внимание качественному восприятию звука начало уделяться
с 70-х годов. Именно в эти годы широкое распространение получило
стереофоническое звучание, при котором пространственная
картина звука формировалась двумя источниками звука, расположенными
на определенном расстоянии друг от друга перед слушателем.
Для получения качественной звукопередачи нашло большое применения
технология "расширенного" стереовещания, при котором исходный
стереосигнал обрабатывался при помощи различных фильтров, в
результате чего расширялась стереобаза (условное расстояние между
источниками звука). В этом случае различия между правым и левым
каналами даже при небольшом физическом расстоянии между источниками
звука становилось более ощутимыми и создавалось впечатление
о том, что при приближении к источникам звук меняет свою окраску,
как бывает в реальной жизни.
В эти же годы шли первые работы в области объемного или
квадрофонического звучания. В этом случае звук формировался уже
четырьмя источниками, расположенными по четырем углам равностороннего
прямоугольника, в центре которого находился слушатель.
При этом передние (фронтальные) источники звука были основными
и передавали до 80-85% звуковой мощности. Задние (тыловые) источники
звука являлись вспомогательными и предназначались, в основном,
для улучшения окраски звука путем придания ему объемности
звучания.
Однако квадрофоническое звуковещание большого распространения
не получило, так как на то время имелись большие технологические
трудности при записи четырехканального звука. Поэтому получило
развитие технология звукопередачи - псевдоквадрофония, позволяющая
в стерео режиме имитировать объемность звучания. Эта
технология подразумевает использование фильтров, позволяющая менять
окраску тыловых источников. При фильтрации производится либо
изменение частотного спектра звукового диапазона, либо
смещение фазы тыловых сигналов по отношению к фронтальным.
Наибольшее распространение получили такие технологии, как
SRS, Spatializer и Qsound, по-другому называющиеся 3DSound или 3D
Stereo, в том числе при построении высококачественных цифровых
систем обработки звуковой информации.
Новатором и законодателем многоканального звука в профессиональной
сфере является компания Dolby Labs. Именно она установила
стандарт Dolby Surround, который лег в основу других стандартов,
получивших достаточное распространение в профессиональной
сфере звукотехники. Среди этих стандартов можно отметить такие,
как Dolby ProLogic и Dolby Digital AC-3. Согласно технологии АС-3
запись звука происходит при помощи нескольких источников звука,
либо осуществляется микширование таким образом, чтобы в
результате получалось несколько звуковых потоков. Здесь
подразумевается использование пяти источников - одного
фронтального, двух передних (левого и правого) и двух задних, а
также одного канала для воспроизведения только низких частот
(сабвуфера). Возможно добавление к пяти источникам звука еще двух
боковых, которые располагаются между передними и задними.
При технологии АС-3 все звуковые потоки кодируются и сжимаются
в единую цифровую цепочку, а при воспроизведении - декодируются
и усиливаются каждый своим усилителем.
В компьютерных программах эта технология из-за громоздкости
и дороговизны не находит широкого применения. Для реализации
технологии АС-3 при декодировании используется другой, более доступный
принцип - декодирование проводится не на пять, а на два звуковых
потока, то есть на два канала. При этом главное внимание уделяется
сохранению некоего объема звучания в пространстве. Технология
получила название A3D и была запатентована компанией Aureal,
которая и производит микросхемы-декодеры, работающие на этой
технологии.
В основе технологии A3D лежит возможность создания некоего
виртуального звукового окружения, где местоположение источников
звука меняется в зависимости от действий слушателя. При работе с
трехмерными программами это выглядит таким образом, что если
слушатель разворачивается, например, налево, то соответственно вся
звуковая картина сдвигается вправо, сохраняя расстояния друг между
другом и до слушателя. Если же слушатель наклоняется вперед, то
картина уходит вверх, бежит - звуки спереди усиливаются, а сзади -
затихают и т.д. Более того, в понятие "звуковое окружение" входит и
отражение сигнала от различных поверхностей (эхо), и
неравномерное распространение высокочастотных и низкочастотных
звуковых сигналов в воздухе, и неодинаковый характер звука при
прохождении его сквозь различные материалы (воду, стены, стекло и
т.д.), и, наконец, разная окраска звука в открытых и закрытых
пространствах. Все перечисленные факторы должны включаться в
виртуальное звуковое окружение, что и предполагает технология
A3D.
Принцип работы эмулятора трехмерного звука, построенного по
технологии A3D, заключается в реализации следующих положений:
- если звук тихий и приглушенный, то источник его находится
далеко,
- если звук глухой, но достаточно громкий, то между его источником
и слушателем находится какая-то преграда, например, стена,
- если применить реверберацию, то регулируя время задержки
отраженного сигнала, можно создать видимость естественного эха,
тем самым эмулируя закрытые помещения разного объема и открытую
местность.
Известно, что сигналы с длиной волны менее 15 см - это среднеи
высокочастотный диапазоны - позиционируются в пространстве
значительно легче, чем сигналы низкой частоты. Поэтому стереоэффекты
обычно слышны именно на высоких частотах, а низкий звук
обычно слышен как бы со всех сторон. Соответственно, трехмерное
звуковое окружение формируется именно в этой области, что делать
значительно легче, чем манипулировать всем звуковым диапазоном.
Также известно, что человеческое ухо и мозг различают направление
сигнала, вычисляя разницу во времени, с которой сигнал попадает в
каждое ухо: если сигнал приходит раньше в левое ухо, то источник
находится слева, и наоборот. И, наконец, большое значение имеет
давление звука на стенки ушной раковины - при отсутствии прямой
связи между источником звука и ухом значительно труднее определить
направление и расстояние до источника звука.
Трехмерные технологии основываются на так называемых HRTF
- технологиях (Head-Related Transfer Functions), которые у каждого
человека отличаются, но принцип работы у всех одинаков. Проще
говоря, каждый индивидуум слышит по-своему. В A3D HRTFфункции
эмулируются следующим образом: на каждом звуковом
канале используется сложный активный фильтр, который создает
пространственную картину. При этом все особенности человеческого
восприятия звука учитываются этими фильтрами. Для этой эмуляции
нужен достаточно мощный DSP-процессор (Digital Signal Processor),
который встраивается в звуковую карту.
Самым главным при работе со звуком является обеспечение синхронного
взаимодействия звукового и видеоизображения. Важность
этого объясняется тем, что в большинстве анимационных и видеопрограммах,
использующих трехмерную графику, движущиеся объекты
издают звуки определенной окраски и интенсивности. DSP-процессор
принимает аудио сигналы и обрабатывает их таким образом, что оператор
(он же и слушатель) может адекватно указать источник звука,
Производительность и направление его перемещения.
На практике существует ряд схемотехнических решений звуковых
карт, реализующих многие или все указанные выше особенности
при формировании звуковых потоков (Monster Sound, Montego A3D,
PCI 338-A3D, Storm 3D, Audio Wave, Magic Wave и др.). Не останавливаясь
подробно на каждой из них, можно привести некоторые общие
их черты:
- возможность одновременной записи и воспроизведения звука
(полный дуплекс),
- эффекты реального времени для одного или нескольких сигналов
(от микрофона, с линейного входа, WAVE, MIDI, CD и пр.),
- динамическое шумоподавление,
- технология Surround, обеспечивающая возможность получения
объемного звучания,
- использование многополосного графического эквалайзера для
коррекции частотной характеристики источников звука,
- реверберация (эхо),
- многоголосная полифония, позволяющая реализовывать звуки
от различных источников на аппаратном и программном уровне,
- отношение сигнал-шум, показывающий отношение уровня полезных
сигналов к уровню сигналов помехи,
- динамический диапазон, отображающий отношение громких
сигналов к тихим,
- оцифровка, показывающая разрядность и частоту данных, которыми
передаются звуковые сигналы.
7. Накопители информации
Для записи данных на магнитный носитель необходимо сформировать
код, который кроме непосредственно данных должен содержать
и синхронизирующие сигналы. Предельно допустимую плотность
изменения состояния намагниченности (Plux Density) определяют
конструктивные особенности накопителя и физические свойства
магнитного слоя. Эта плотность измеряется в количестве зон с различным
состоянием намагниченности на дюйм длины трека (FCI -
Flux Changes per Inch). В современных накопителях величина FCI может
достигать нескольких тысяч.
Для записи информации на диск используются различные схемы
кодирования (Data Encoding Scheme), различающиеся по сложности
реализации и эффективности работы. В первых накопителях
использовалась частотная модуляция (FM - Frequency Modulation).
При этом методе для каждого бита на треке отводится ячейка с окнами
для представления бита и синхросигнала.
Модифицированная частотная модуляция (MFM - Modified
Frequency Modulation) позволяет удвоить плотность записи при той
же плотности изменения потока за счет того, что синхросигнал
вводится только при кодировании подряд следующих нулевых бит.
Более эффективны схемы группового кодирования, при которых
сектор предварительно разбивается на группы по несколько бит,
которые кодируются по определенным правилам.
Схема кодирования RLL (Run Length Limited) построена на ограничении
длины неперемагничиваемых участков трека. Наиболее
популярна схема RLL 2.7, в которой число таких ячеек лежит в диапазоне
от двух до семи. Для накопителей с высокой плотностью используется,
как правило, схема RLL 1.7, обеспечивающая большую надежность
считывания.
Новое слово в технике записи и чтения информации с магнитных
носителей привнесла технология PRML (Partial Response
Maximum Likelihood), пришедшая из области телекоммуникаций. Традиционная
технология считывания использует аналоговые пиковые
детекторы сигналов воспроизведения, последние декодируются схемами
считывания. Однако повышение плотности хранения данных
приводит и к усилению межбитных помех, в результате чего задача
считывания усложняется. Технология PRML состоит из двух частей.
PR (Partial Response) - оцифровка аналогового сигнала с головки
и запись последовательности этих выборок в буфер. Для оцифровки
больше всего подходит сигнал с магнитнорезистивной головки,
поскольку его форма повторяет форму напряженности магнитного поля,
в то время как индуктивные головки имеют на выходе производную
от напряженности. Следующий этап считывания предполагает
цифровую фильтрацию записанного сигнала.
Вторая часть аббревиатуры- ML (Maximum Likelihood) - как
раз и означает, что принятые фрагменты сигнала трактуются как
группы закодированных бит по максимальной "похожести" формы
отклика. Современная техника цифровой обработки позволяет выполнять
высокоскоростное декодирование PRML, обеспечивая скорость
считывания даже выше, чем при аналоговом декодировании RLL.
Структура трека - последовательность секторов - задается
при форматировании трека, а его начало определяется контроллером
по сигналу индексного датчика. Нумерация секторов также задается
контроллеру при форматировании и может быть достаточно произвольной,
важен лишь тот факт, чтобы все сектора трека имели уникальные
номера в пределах допустимого диапазона. При обращении к
сектору он ищется по идентификатору, если же после одного или нескольких
оборотов диска сектор с требуемым номером не был найден,
контроллер зафиксирует ошибку Sector Not Found - сектор не
найден. Задача поиска сектора по его заголовку, помещение в поле
данных сектора записываемой информации, снабженной
контрольным кодом, считывание записанной информации и ее
проверка лежит на контроллере накопителя. Кроме того, контроллер
отвечает за поиск указанного цилиндра и коммутацией головок в
процессе выбора затребованного трека.
Существует несколько способов оптимизации дисков, имеющих
конечной целью повышение производительности системы за счет увеличения
средней скорости обмена данными. Время, затраченное на
обмен данными одного сектора, складывается из времени поиска цилиндра
(Seek Time), времени ожидания подхода сектора к головке
(Latency Time) и времени обмена данными сектора между накопителем
и контроллером и между контроллером и памятью компьютера,
которая является источником и пунктом назначения хранимых данных.
Основными факторами, определяющими эти параметры, являются
факторы механические, такие как достижимая скорость позиционирования
и скорость вращения диска. Последний параметр определяет
и время ожидания диска, которое в среднем составляет половину
от периода оборота диска, а также время непосредственной
передачи данных, которое примерно равно времени оборота диска,
деленному на количество секторов на треке. Однако в силу того, что
размер сектора невелик, одиночная передача сектора встречается
довольно редко.
Таким образом, основной интерес представляет оптимизация
процесса передачи некоторого блока данных, расположенного в соседних
секторах. Вполне обычна ситуация, когда блок данных не
умещается в пределах одного сектора. В этом случае естественным
было бы расположить продолжение блока на том же треке в секторе,
имеющем следующий номер, поскольку для доступа к нему необходимо
будет только дождаться его подхода к головке. Когда емкость
трека будет исчерпана, логично перейти на следующую поверхность
того же цилиндра, для чего достаточно только пёреключить головки,
что выполняется при помощи электроники. Когда все секторы
цилиндра окажутся занятыми, необходимо перейти к следующему цилиндру,
что займет более заметное время для операции поиска, поскольку
для этого требуется перемещение блока головок.
Существует целый класс дефрагментирующих программ, которые
занимаются тем, что размещают все блоки файлов в последовательных
секторах, то есть в секторах, упорядоченных по данному
способу счета, вполне обоснованно рассчитывая на то, что для
дискового накопителя именно такой порядок запроса секторов будет
оптимальным.
При неизменных механических параметрах накопителя на магнитных
дисках и том же числе секторов на треке, имеется возможность
повысить скорость обмена блоками данных за счет особого расположения
секторов.
Представим себе ситуацию, когда необходимо считать (или записать)
длинный блок данных, расположенный в вышеописанном естественном
порядке на нескольких цилиндрах диска. Первым делом
рассмотрим пути и способы оптимизации трека. В простейшем
случае секторы на треке нумеруются последовательно. После того,
как требуемый сектор прошел под головкой и содержащиеся в нем
данные попали из накопителя в контроллер, который проверил их
достоверность по контрольному коду, данные из контроллера
передаются в память компьютера, причем передача данных может
быть с записью в память контроллера и сквозной, без буферирования
в контроллере. После анализа состояния операции считывания,
контроллер получает указание на считывание следующего сектора,
который к этому времени может успеть пройти под головкой,
вследствие чего контроллеру придется ждать еще почти полный
оборот диска, прежде чем сектор не подойдет снова. Выходом из
подобной ситуации является метод чередования секторов
(Interleaving), при котором нумерация секторов на треке не является
последовательной, а выглядит так, как показано ниже.
1 9 17 8 16 7 15 6 14 5 13 4 12 3 11 2 10 1
?????????????????
направление движения головки
Здесь изображена нумерация секторов в случае применения фактора
чередования (Interleaving factor) 2:1. В этом случае сектора с последовательными
номерами располагаются не последовательно, а через
один. Такие вставки необходимы для того, чтобы дать системе
время на обработку данных, принятых из очередного сектора. Таким
образом к моменту, когда к головке подходит следующий сектор, из
которого необходимо считать данные, он как раз оказывается на подходе.
Конечно, в данном способе оптимизации огромную роль играет
время обработки контроллером принятых данных, поскольку если
контроллер обладает достаточными скоростными характеристиками,
чтобы принимать цепочку секторов подряд, чередование секторов
принесет лишь дополнительную задержку, что ухудшит быстродействие
системы.
Следует заметить, что в современных накопителях со встроенными
быстродействующими контроллерами, способными благодаря
наличию буферной памяти значительного объема произвести операцию
записи или считывания всех секторов трека за один раз, чередование
секторов не применяют, что, однако, можно рассматривать и
как применение фактора чередования 1:1. Тем не менее, на старых
компьютерах с медленными контроллерами правильный выбор фактора
чередования позволял увеличить скорость обмена данными в несколько
раз.
Рассмотрим теперь ситуацию, когда последний сектор трека
считан и для продолжения считывания данных необходимо перейти
на следующий трек. При переходе между треками в пределах одного
цилиндра потребуется всего лишь переключение головок, на что
уйдет порядка десятка микросекунд, однако дополнительную
задержку при этом может вносить и сам контроллер. За это время первый
сектор следующего трека может успеть уйти, и опять придется
ждать целый оборот диска. Для того, чтобы этого не случилось,
применяют послойное смещение (Layer Skew) секторов, при котором
начало следующего трека цилиндра немного отстает от предыдущего.
Перемещение головок на соседний цилиндр вносит более существенную
временную задержку - порядка нескольких миллисекунд.
Для учета этой задержки вводят радиальное смещение (Radial Skew)
соседних цилиндров. При этом, если чередование секторов довольно
часто устанавливается программно с указанием последовательности
номеров секторов в команде форматирования трека, то для задания
послойного и радиального смещения общепринятый программный
интерфейс отсутствует. Смещение применяют только для накопителей
со встроенными контроллерами АТА или SCSI.
Допустимое количество секторов на треке определяется допустимой
плотностью изменения магнитного потока, длиной трека и
схемой кодирования данных. Длина трека определяется его диаметром:
внешние треки, естественно, длиннее внутренних. В накопителях
с внешним контроллером количество секторов на всех треках принимается
одинаковым. Это приводит к тому, что, поскольку число
секторов на треке приходится ограничивать по допустимой плотности
магнитного потока, внешние сектора оказываются недогруженными.
В накопителях с интерфейсом 57-506/412 для схемы кодирования
MFM на каждом треке размещали 17 секторов по 512 байт данных, а
для схемы кодирования RLL - 26 секторов.
В накопителях с интерфейсом ESDI, у которого сепаратор данных
с контроллера вынесли в блок накопителя, удалось увеличить количество
секторов на треке до 32-80. В накопителях на гибких дисках
требование совместимости накопителей, у которых могут несколько
различаться скорости вращения шпинделя, привело к снижению номинального
числа секторов по сравнению с реально возможным. По
мере совершенствования накопителей на гибких дисках этот резерв
стали использовать для увеличения емкости носителя информации
при нестандартном форматировании.
Зная количество секторов на треке, размер сектора и частоту
вращения диска, не составляет труда определить максимальную скорость
передачи данных между накопителем и контроллером. Поскольку
линейная скорость поверхности носителя относительно головки на
внутренних цилиндрах меньше, чем на внешних, то для обеспечения
нормальной записи при меньшей скорости приходится применять так
называемую предкомпенсацию записи. Для жестких дисков в CMOS
Setup имеется параметр WPcom (Write Precompensation), который
представляет из себя номер цилиндра, начиная с которого контроллер
должен вырабатывать сигнал предкомпенсации. В накопителях со
встроенным контроллером этот сигнал игнорируется.
Несколько уменьшить неравномерность линейной плотности
информации на внутренних и внешних цилиндрах удается путем
форматирования треков с различным количеством секторов. Существенно
увеличить объем хранимой информации по сравнению с фиксированным
количеством секторов при тех же характеристиках носителя
позволяет метод форматирования, называемый зонной
записью (Zone Recording).
Суть данного метода заключается в том, что с учетом различия
в длине треков цилиндры разбиваются на зоны, для которых принимается
одинаковое количество секторов на трек. Для внешних цилиндров
количество секторов на трек принимается большим, чем для
внутренних, при этом скорость передачи информации на внешних
треках будет, естественно, больше, чем на внутренних, поскольку за
один оборот диска между накопителем и контроллером будет передаваться
большое количество секторов.
Встроенный в накопитель контроллер обычно скрывает от системы
физическое число секторов на треке, а для общения используется
логическая геометрия диска. Для накопителей с зонной
записью затруднительно вычислить скорость передачи данных по
числу секторов на треке и скорости вращения шпинделя, поскольку в
документации обычно указывается число секторов. Иногда в паспорте
к накопителям с зонной записью указывают максимальное и
минимальное количество секторов на трек, что позволяет определить
диапазон скоростей передачи данных.
Перед использованием магнитных дисков проводится низкоуровневое
форматирование (LLF - Low Level Formatting) - это
процедура создания структуры секторов диска. Процедура
форматирования сводится к тому, что каждый трек диска размечается
и проверяется. При разметке трека на нем формируются заголовки
секторов, а в поля данных записывается какой-либо код-заполнитель.
Отформатировать трек можно только целиком, за одну операцию
должны быть записаны все его секторы. В процессе проверки
производится попытка считывания сектора, и если при этом
возникает устойчивая ошибка, сектор помечается так дефектный.
Для гибких дисков низкоуровневое форматирование является
составной частью форматирования, которое выполняется при помощи
утилиты Format или ей подобных. Во время форматирования жестких
дисков производится формирование структуры пакета дисков с учетом
всех чередований, смещений и прочих тонкостей.
Низкоуровневое форматирование накопителей со встроенными
контроллерами (АТА, SCSI) программными утилитами, не предназначенными
для конкретной модели накопителя, недопустимо. Оно
выполняется только изготовителем при соблюдении всех тонкостей
данного накопителя. Встроенные контроллеры таких накопителей
могут по-разному реагировать на команду низкоуровневого форматирования.
Эта команда может просто отвергаться или контроллер
может сделать вид, что форматирование прошло успешно, не
выполняя, однако, фактической переразметки секторов и, наконец,
форматирование будет реально выполняться, но при этом факторы
смещения могут и не учитываться. В этом случае результатом
в
...Закладка в соц.сетях
