Логическая организация памяти

Память компьютера

Все персональные компьютеры используют три вида памяти: оперативную, постоянную и внешнюю (различные накопители). Оперативная память предназначена для хранения переменной информации, так как она допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения микропроцессором соответствующих операций. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют также памятью с произвольной выборкой - RAM (Random Access Memory).

Все программы, в том числе и игровые, выполняются именно в оперативной памяти. Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в течение длительного времени. Постоянная память имеет собственное название - ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что ею обеспечиваются только режимы считывания и хранения.

Логическая организация памяти

Как известно, используемый в IBM РС, PC/XT микропроцессор i8088 через свои 20 адресных шин предоставляет доступ всего к 1-Мбайтному пространству памяти. Первые 640 Кбайт адресуемого пространства в IBM РС-совместимых компьютерах называют обычно стандартной памятью (conventional memory). Оставшиеся 384 Кбайта зарезервированы для системного использования и носят название памяти в верхних адресах (UMB, Upper Memory Blocks, High DOS Memory или UM Area - UMA).Эта область памяти резервируется под размещение системной ROM BIOS (Read Only Memory Basic Input Output System), под видеопамять и ROM-память дополнительных адаптеров.

44.

Таким образом, система прерываний позволяет микропроцессору выполнять основную работу, не отвлекаясь на проверку состояния сложных систем при отсутствии такой необходимости, или прервать выполняемую работу и переключиться на анализ возникшей ситуации сразу после ее появления.

Помимо требующих внимания нештатных ситуаций, которые могут возникнуть при работе микропроцессорной системы, процессору полезно уметь «переключать внимание» и на различные виды работ, одновременно выполняемые в системе. Поскольку управление работой системы осуществляется программой, этот вид прерываний должен формироваться программным путем.

В зависимости от места нахождения источника прерываний они могут быть разделены на:

· внутренние (программные и аппаратные) прерывания;

· внешние прерывания (поступающие в ЭВМ от внешних источников).

Каждое событие, требующее прерывания, сопровождается специальным сигналом, который называетсязапросом прерывания.

Программа, затребованная запросом прерывания, называетсяобработчиком прерывания.

Запросы на прерывание могут возникать из-за сбоев в аппаратуре (зафиксированных схемами контроля), переполнения разрядной сетки, деления на нуль, выхода за установленные для данной программы области памяти, затребования периферийным устройством операции ввода-вывода, завершения операции ввода-вывода или возникновения при этой операции особых условий и т.д.

Некоторые из этих запросов порождаются самой программой, но время их возникновения невозможно предсказать заранее.

При наличии нескольких источников запросов прерывания часть из них может поступать одновременно. Поэтому в ЭВМ устанавливается определенный порядок (дисциплина)обслуживания поступающих запросов. Кроме того, в ЭВМ предусматривается возможность разрешать илизапрещать прерывания определенных видов

Прерывания делятся на три типа: аппаратные, логические и программные.

Аппаратные прерывания вырабатываются устройствами, требующими внимания микропроцессора

Запросы налогические прерывания вырабатываются внутри микропроцессора при появлении «нештатных» ситуаций

Запрос напрограммное прерывание формируется по команде «INTn»

45.

Связь двух ЭВМ и внешнего устройства или двух ЭВМ друг с другом может быть организована в трех режимах: симплексном, полудуплексном и дуплексном.

В симплексном режиме передача данных может вестись только в одном направлении: один передает, другой принимает.

Полудуплексный режим позволяет выполнять поочередный обмен данными в обоих направлениях. В каждый момент времени передача может вестись только в одном направлении: один передает, другой принимает.

Дуплексный режим позволяет вести передачу и прием одновременно в двух встречных направлениях.

В симплексном режиме может быть осуществлена связь, например, между ЭВМ и принтером, клавиатурой и ЭВМ или ЭВМ и дисплеем, а также между двумя ЭВМ, находящимися всегда в односторонней связи.

Для организации симплексного режима необходимо, чтобы передатчик одной ЭВМ был связан с приемником другой ЭВМ двухпроводной линией связи.

Для организации полудуплексного режима можно применить либо специальное коммутационное устройство у каждой ЭВМ, переключающее линию связи с выхода передатчика на вход приемника и обратно, либо линию связи с большим количеством проводов

Для организации дуплексного режима необходимо, чтобы аппаратурные средства (в состав которых входит и канал связи) обеспечивали возможность одновременной передачи информации во встречных направлениях.

Способ, с помощью которого интерфейс обеспечивает связь в заданном режиме, называется протоколом.

Для того чтобы обеспечить взаимодействие ЭВМ по наиболее сложному протоколу DTS/CTS, последовательный интерфейс RS-232 предусматривает обмен всеми перечисленными сигналами.

Но тот же интерфейс позволяет реализовать обмен и по любому другому протоколу, например протоколу DTR, для которого в симплексном режиме требуется двух- или трехпроводная линия связи.

46.

Регистром называется функциональный узел, осуществляющий приём, хранение и передачу информации. Регистры состоят из группы триггеров, обычно D. По типу приёма и выдачи информации различают 2 типа регистров:

· С последовательным приёмом и выдачей информации — сдвиговые регистры.

· С параллельным приёмом и выдачей информации — параллельные регистры.

Регистр процессора — блок ячеек памяти, образующий сверхбыструю оперативную память (СОЗУ) внутри процессора; Имеются также регистры, которые, в принципе, программно доступны, но обращение к ним осуществляется из программ операционной системы, например, управляющие регистры и теневые регистры дескрипторов сегментов. Этими регистрами пользуются в основном разработчики операционных систем.

Существуют также так называемые регистры общего назначения (РОН), представляющие собой часть регистров процессора, использующихся без ограничения в арифметических операциях, но имеющие определенные ограничения

Специальные регистры[3] содержат данные, необходимые для работы процессора — смещения базовых таблиц, уровни доступа и т. д.

Часть специальных регистров принадлежит устройству управления, которое управляет процессором путём генерации последовательности микрокоманд.

Доступ к значениям, хранящимся в регистрах, как правило, в несколько раз быстрее, чем доступ к ячейкам оперативной памяти (даже если кеш-память содержит нужные данные), но объём оперативной памяти намного превосходит суммарный объём регистров

Сегментные регистры — регистры, указывающие на сегменты.

CS (англ. Code Segment), DS (англ. Data Segment), SS (англ. Stack Segment), ES (англ. Extra Segment), FS, GS

В реальном режиме работы процессора сегментные регистры содержат адрес начала 64Kb сегмента, смещенный вправо на 4 бита.

В защищенном режиме работы процессора сегментные регистры содержат селектор сегмента памяти, выделенного ОС.

CS — указатель на кодовый сегмент. Связка CS:IP (CS:EIP/CS:RIP — в защищенном/64-битном режиме) указывает на адрес в памяти следующей команды.

Регистры данных — служат для хранения промежуточных вычислений.

RAX, RCX, RDX, RBX, RSP, RBP, RSI, RDI, R8 — R15 — 64-битные

EAX, ECX, EDX, EBX, ESP, EBP, ESI, EDI, R8D — R15D — 32-битные (extended AX)

AH, AL, CH, CL, DH, DL, BH, BL, SPL, BPL, SIL, DIL, R8B — R15B — 8-битные (половинки 16-битных регистров)

Регистр флагов FLAGS (16 бит) / EFLAGS (32 бита) / RFLAGS (64 бита) — содержит текущее состояние процессора.

Принцип работы

Например, CS содержит значение 2CB5[0]H, в регистре IP хранится смещение 123H.

Адрес следующей инструкции, подлежащей исполнению, вычисляется путем суммирования адреса в CS (сегменте кода) со смещением в регистре IP:

2CB50H + 123H = 2CC73H

Таким образом, адрес следующей инструкции для исполнения равен 2CC73H.

При выполнении текущей инструкции процессор автоматически изменяет значение в регистре IP, в результате чего регистровая пара CS:IP всегда указывает на следующую подлежащую исполнению инструкцию

47.

x86 (англ. Intel 80x86) — архитектура процессора c одноимённым набором команд, впервые реализованная в процессорах компании Intel.

Название образовано от двух цифр, которыми заканчивались названия процессоров Intel ранних моделей — 8086, 80186,80286 (i286), 80386 (i386), 80486 (i486). За время своего существования набор команд постоянно расширялся, сохраняя совместимость с предыдущими поколениями.

Сегментная организация памяти

Реальный режим (real mode)

Классический режим адресации, использованный в первых моделях семейства. Использует сегментированную модель памяти, организованную следующим образом: адресное пространство в 1 MiB разбивается на 16-байтовые блоки, называемые параграфами. Всего параграфов в 1 MiB — 65536, что позволяет пронумеровать их 16-разрядными числами. Сегменты памяти имеют размер 65536 байт, и всегда начинаются на границе параграфа

Сегментные регистры и их назначение:

· CS — Сегмент кода. Используется для выборки команд программы;

· DS — Сегмент данных. Используется по умолчанию для доступа к данным;

· ES — Дополнительный сегмент. Является получателем данных в командах обработки строк;

· SS — Сегмент стека. Используется для размещения программного стека;

· FS — Дополнительный сегментный регистр. Специального назначения не имеет. Появился в процессоре 80386;

· GS — Аналогично предыдущему, но в новых процессорах с 64-битной архитектурой имеет особый статус:

Также в реальном режиме отсутствует защита памяти и разграничение прав доступа, поэтому он уже практически вышел из употребления. Является режимом по умолчанию для всех моделей процессоров семейства x86.

Защищённый режим (protected mode)

организованная по другому принципу: деление на параграфы отсутствует, а расположение сегментов описывается специальными структурами (таблицами дескрипторов), расположенными в оперативной памяти. Помимо базового адреса сегмента дескрипторы содержат размер сегмента (точнее, максимально доступное смещение) и различные атрибуты сегментов, использующиеся для защиты памяти и определения прав доступа к сегменту для различных программных модулей. Существует два типа дескрипторных таблиц: глобальная и локальная. Глобальная таблица описывает сегменты операционной системы и разделяемых структур данных. Локальная таблица может быть определена для каждой конкретной задачи Каждый программный модуль, выполняемый в защищённом режиме, определяется его сегментом кода, описываемым регистром CS, который и определяет его привилегии по доступу к данным и другим модулям

48.

Сетево́й компью́тер — компьютер, являющийся компонентом архитектуры компьютер-сеть[источник не указан 2188 дней] и имеющий упрощённые структуры в отличие от персонального компьютера(небольшой объём памяти, возможно отсутствие дисковода и т. п.). Это аппаратная часть для выполнения программы сетевого компьютерного терминала. В качестве сетевого компьютера могут использоваться устаревшие модели персональных компьютеров объединённые в большую иерархичную сеть грид-вычислений, в которой также присутствуют сервера. В сетевом компьютере может отображаться экран входа в учётную запись пользователя в операционную систему с дальнейшим отображением рабочего стола. А сама операционная система установлена на сервере.

Термин появился в конце 1990-х[источник не указан 2188 дней] и обозначал, по сути, дешёвый терминал, подключенный к серверу. Сетевой компьютер не в состоянии локально хранить ни прикладные программы, ни файлы с данными. Вместо этого сетевой компьютер получает практически всё, что ему нужно для работы, по сети с серверов, которые выступают в роли репозитория [источник не указан 2188 дней] программного обеспечения. Сетевой компьютер, в отличие от персонального компьютера, не может работать сам по себе: для работы ему нужна сеть и серверы в сети. Считается, что сетевой компьютер должен иметь базовое программное обеспечение, включающее редактор просмотра[источник не указан 2188 дней], электронную почту и текстовый редактор.

Основная польза заключается в снижении совокупной стоимости владения. Цифры, представленные в 1996 году Gartner Group из Стемфорда (штат Коннектикут, США), показали, что ОСВ ПК за типичный амортизационный период в три-пять лет составляет более 40 000 долларов или 8 000—13 000 долларов в год. Gartner Group также подсчитала, что эквивалентная стоимость ПК в 1987 году была менее 20 000 долларов, то есть за последние 10 лет ОСВ удвоилась.

49.

SCSI (англ. Small Computer System Interface, произносится «скази»[1][2] (встречается вариант эс-си-эс-ай) — представляет собой набор стандартов для физического подключения и передачи данных между компьютерами и периферийными устройствами.

SCSI широко применяется на серверах, высокопроизводительных рабочих станциях; RAID-массивы на серверах часто строятся на жёстких дисках со SCSI-интерфейсом Система команд SCSI на уровне программного обеспечения употребляется в единых стеках поддержки устройств хранения данных в ряде операционных систем, таких, как Microsoft Windows.

Существует реализация системы команд SCSI поверх оборудования (контроллеров и кабелей) IDE/ATA/SATA, называемая ATAPI — ATA Packet Interface. Все используемые в компьютерной технике подключаемые по IDE/ATA/SATA приводы CD/DVD/Blu-Ray используют эту технологию.

· архитектуру SCSI (документ SAM — SCSI Architecture Model);

· основные требования к протоколу, основные команды структуры типа развернутой информации об ошибке;

· виды участников:

· инициаторы

· устройства прямого доступа

· устройства последовательного доступа

· устройства автоматизированного управления и прочие;

· наборы команд для видов участников (например, SBC — SCSI Block Commands, MMC)

· виды транспорта (SAS, iSCSI, традиционный параллельный SCSI, Fibre Channel…)[5].

Команды SCSI посылаются в виде блоков описания команды Длина каждого блока может составлять 6, 10, 12, 16 или 32 байта Блок состоит из однобайтового кода команды и параметров команды.

После получения команды целевое устройство возвращает значение 00h в случае успешного получения, 02h в случае ошибки или 08h в случае, если устройство занято. Test unit ready — проверка готовности устройства, в том числе наличия диска в дисководе.

· Inquiry — запрос основных характеристик устройства.

· Send diagnostic — указание устройству провести самодиагностику и вернуть результат.

· Request sense — возвращает код ошибки предыдущей команды.

· Read capacity — возвращает ёмкость устройства.

· Format Unit

· Read (4 варианта) — чтение.

· Write (4 варианта) — запись.

· Write and verify — запись и проверка.

· Mode select — установка параметров устройства.

50.

VESA (Video Electronics Standards Association, «Ассоциация стандартизации видеоэлектроники») – международная организация, которая занимается разработкой стандартов для телевизоров и механизмов их креплений.

Почти все современные ЖК телевизоры и мониторы совместимы со стандартом VESA, а это значит, что размеры отверстий, которые находятся на задней стороне телевизоров подходят для любого монтажа с устройствами стандарта VESA, которые могут крепиться на стену, рабочий стол или потолок.

Video Electronics Standards Association (VESA) — ассоциация стандартизации видеоэлектроники, Первоначальной задачей ставилось создание стандарта SVGA.

· VESA DDC — цифровая шина (I²C) для обмена служебными данными между монитором и видеокартой; присутствует даже в мониторах, выпущенных в конце 20 века

· VESA Feature connector — разъём устаревшей 8-битной шины для связи между видеокартой и какой-либо картой расширения

· DisplayPort — интерфейс для соединения аудио и видео аппаратуры, начальная версия стандарта была принята в 2006 году

51.

Какие существуют типы накопителей на гибких дисках

Неотъемлемой частью практически каждого компьютера является накопитель на гибких магнитных дисках - НГМД. Он необходим для загрузки на компьютер программного обеспечения, обмена данными с другими компьютерами, а также для создания на дискетах архивов данных и для резервного копирования ценной информации.Накопители на гибких магнитных дисках диаметром 5,25 дюйма бывают двух основных типов - двойной и высокой плотности. Первые позволяют записать на магнитный диск до 360 Кбайт, а вторые до 1,2 Мбайт информации.Дискеты бывают двух типов - двойной и высокой плотности. Магнитное покрытие дискет с двойной плотностью записи отличается от магнитного покрытия дискет с высокой плотностью.Дискеты с двойной плотностью записи можно отформатировать стандартными средствами MS-DOS только на 360 Кбайт, даже если вы используете дисковод с высокой плотностью записи.Накопители на гибких магнитных дисках диаметром 3,5 дюйма также бывают двух основных типов - двойной и высокой плотности. Первые позволяют записать на магнитный диск 720 Кбайт, а вторые 1,44 Мбайт информации3,5 дюймовые дискеты бывают двух основных типов - двойной и высокой плотности.

52.

Видеоадаптеры. Текстовый и графический режимы

Монитор — это периферийное устройство вывода информации, которое преобразует синхронные аналоговые или цифровые (обычно ТТЛ) видеосигналы в наблюдаемое на экране монитора изображение.. Именно видеоадаптер превращает необработанные данные, поступающие из компьютера, в видеоданные, которые записываются в видеопамять адаптера. Объем этой памяти зависит от модели адаптера и видеорежимов, которые он обеспечивает.
Еще больше усложняет дело тот факт, что некоторые прикладные программы для своей работы требуют присутствия драйверов устройств Видеодрайвер — это небольшая служебная программа, с помощью которой операционная система осуществляет доступ к видеорежимам высокого разрешения и высокой цветовой насыщенности практически без взаимодействия с системной BIOS
Видеоадаптеры

Самым старой и хорошо себя зарекомендовавшей технологией, применяющейся в видеоадаптерах, является обыкновенный буфер кадров. Термин буфер кадров характеризует основную функцию адаптера — видеоданные загружаются и хранятся в видеопамяти по одному кадру за один раз. Главной частью буфера кадров видеоадаптера является интегральная микросхема контроллера дисплея или контроллера электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Контроллер ЭЛТ вырабатывает управляющие сигналы для монитора и управляет операциями адаптера. Именно этот контроллер читает содержимое видеопамяти и передает его для дальнейшей обработки В настоящее время наблюдается жесткая конкуренция между разработчиками и производителями

Текстовый и графический режимы. Видеоадаптер может работать в двух режимах — в текстовом и в графическом. В текстовом режиме в видеопамять записываются ASCII-символы. Знакогенератор, память знакогенератора и сдвиговый регистр формируют точечные изображения экранных ASCII-символов. Память знакогенератора содержит пикселные образы всех ASCII-символов (букв, цифр и знаков препинания). Знакогенератор преобразует данные из видеопамяти в последовательность пикселных битов и передает их в сдвиговый регистр. Сдвиговый регистр генерирует поток двоичных сигналов (битов).
В графическом режиме ячейки видеопамяти содержат информацию о цвете каждого пиксела. То есть знакогенератор и его память, которые используются в текстовом режиме, в графическом режиме не задействуются.
53.

Enhanced IDE

Технология Enhanced IDE компании Western Digital была разработана в результате анализа потребностей современного рынка ПК. В 1984 году компания Western Digital создала контроллеры дисководов (WD1002) и винчестеров (ST506), которые были использованы фирмой IBM при разработке компьютера IBM PC AT. Успех архитектуры АТ привел к значительному расширению рынка IBM-совместимых ПК и сделал контроллеры Western Digital стандартом de facto.

В процессе становления рынка персональных компьютеров фирма Western Digital пришла к выводу о необходимости интеграции электроники контроллера АТ и дискового устройства. В результате сотрудничества с Compaq Computer Corporation был разработан интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics), называемый также АТА (AT Bus attachment). Первые промышленные устройства на базе IDE/ATA были выпущены в 1986 году.

Продолжая лидировать в сфере IDE-устройств, компания Western Digital предложила расширение интерфейса IDE. Новая спецификация - Enhanced IDE - повышает скорость обмена с диском, допускает применение более скоростных дисков и обеспечивает возможность установки в компьютере до четырех устройств IDE. Кроме того, Enhanced IDE позволяет подключать к контроллеру не только винчестеры, но и другие устройства (приводы CD-ROM, стриммеры), поддерживающие спецификацию ATAPI (AT Attachment Packet Interface). Эта спецификация определяет интерфейс с приводами CD-ROM и другими недисковыми устройствами, позволяющий использовать стандартные контроллеры и кабели. Стандарт ATAPI получил широкую поддержку среди производителей CD-ROM-устройств и разработчиков операционных систем, что еще более расширило сферу распространения интерфейса IDE/ATA. Текст спецификации ATAPI можно найти на сервере ftp://fission.dt.wdc.com/pub/standarts/atapi/atapi25.zip

Спецификация EIDE позволяет избавиться от целого ряда ограничений, присущих интерфейсу IDE/ATA. Такое расширение обеспечивает существенный рост возможностей устройств долговременного хранения информации без роста цен, усложнения использования и потери совместимости. Ограничения, присущие IDE, по сравнению с другими интерфейсами (такими, как SCSI) не угрожают доминированию IDE на современном рынке недорогих систем. Однако повышение производительности процессоров, разработка новых ОС и высокие запросы современных приложений к дисковому пространству привели к тому, что стандарт IDE уже не может удовлетворять всем современным требованиям. Существенно и то, что стандартный интерфейс IDE менее гибок и более ограничен по сравнению со SCSI:

• IDE поддерживает только два винчестера, а SCSI обеспечивает возможность подключения большого количества блочных устройств различных типов (принтеры, CD-ROM, стриммеры и др.);
• размер дисков IDE не может превышать 528Мб, поскольку для доступа к диску используется интерфейс Int 13 BIOS, тогда как SCSI не ограничивает размер диска;
• IDE обеспечивает скорость обмена с диском 2-3 Мб/сек, а SCSI - 10 или 20Мб/сек (Fast/Wide).

Технология Enhanced IDE позволяет избавиться от основных ограничений стандарта IDE/ATA:

• предельный размер диска 528Мб;
• малая скорость обмена с диском;
• поддержка только двух устройств;
• невозможность подключения приводов CD-ROM и стриммеров.

54.

При обмене данными на физическом уровне единицей информации является бит, поэтому средства физического уровня всегда поддерживают побитовую синхронизацию между приемником и передатчиком. Канальный уровень оперирует кадрами данных и обеспечивает синхронизацию между приемником и передатчиком на уровне кадров. В обязанности приемника входит распознавание начала первого байта кадра, распознавание границ полей кадра и распознавание признака окончания кадра.

Обычно достаточно обеспечить синхронизацию на указанных двух уровнях - битовом и кадровом, - чтобы передатчик и приемник смогли обеспечить устойчивый обмен информацией. Однако при плохом качестве линии связи (обычно это относится к телефонным коммутируемым каналам) для удешевления аппаратуры и повышения надежности передачи данных вводят дополнительные средства синхронизации на уровне байт.

Такой режим работы называется асинхронным или старт-стопным. Другой причиной использования такого режима работы является наличие устройств, которые генерируют байты данных в случайные моменты времени. Так работает клавиатура дисплея или другого терминального устройства, с которого человек вводит данные для обработки их компьютером.

В асинхронном режиме каждый байт данных сопровождается специальными сигналами «старт» и «стоп». Назначение этих сигналов состоит в том, чтобы, во-первых, известить приемник о приходе данных и, во-вторых, чтобы дать приемнику достаточно времени для выполнения некоторых функций, связанных с синхронизацией, до поступления следующего байта.

При синхронном режиме передачи старт-стопные биты между каждой парой байт отсутствуют. Пользовательские данные собираются в кадр, который предваряется байтами синхронизации. Байт синхронизации - это байт, содержащий заранее известный код, например 0111110, который оповещает приемник о приходе кадра данных. При его получении приемник должен войти в байтовый синхронизм с передатчиком, то есть правильно понимать начало очередного байта кадра. Иногда применяется несколько синхробайт для обеспечения более надежной синхронизации приемника и передатчика. Так как при передаче длинного кадра у приемника могут появиться проблемы с синхронизацией бит, то в этом случае используются самосинхронизирующиеся коды.

Передача данных по каналу связи осуществляется либо байтами, либо массивом байтов, называемым кадром. Кадры могут содержать несколько сотен байтов. Однако в обоих случаях передача данных осуществляется последовательно, бит за битом. Для того чтобы приемник устанавливал приходящие биты на временные позиции, соответствующие их отправке из передатчика, он должен "знать" моменты их прихода, т.е. синхронизоваться с приходящими битами данных. В противном случае принятые биты могут оказаться на не соответствующих временных позициях, и составленные из них байты и сообщения данных более высокого уровня - кадры - будут искажены. Для исключения этого явления средства, передающие биты на уровне канала, всегда поддерживают побитовую синхронизацию между приемником и передатчиком, а при передаче более длинных сообщений необходимо поддерживать также и синхронизацию по кадрам. В этом случае приемник должен распознавать начала первого байта кадра и признаки окончания кадра.

55.

«Обычный» аналоговый звук представляется в аналоговой аппаратуре непрерывным электрическим сигналом. Компьютер оперирует с данными в цифровом виде. Это означает, что и звук в компьютере представляется в цифровом виде.

Цифровой звук – это способ представления электрического сигнала посредством дискретных численных значений его амплитуды. Звуковая волна – это некая сложная функция, зависимость амплитуды звуковой волны от времени. Казалось бы, что раз это функция, то можно записать ее в компьютер «как есть», то есть описать математический вид функции и сохранить в памяти компьютера. Однако практически это невозможно, поскольку звуковые колебания нельзя представить аналитической формулой. Остается один путь – описать функцию путем хранения ее дискретных значений в определенных точках. Иными словами, в каждой точке времени можно измерить значение амплитуды сигнала и записать в виде чисел. Однако и в этом методе есть свои недостатки, так как значения амплитуды сигнала мы не можем записывать с бесконечной точностью, и вынуждены их округлять. Говоря иначе, мы будем приближать эту функцию по двум координатным осям – амплитудной и временной (приближать в точках – значит, говоря простым языком, брать значения функции в точках и записывать их с конечной точностью). Таким образом, оцифровка сигнала включает в себя два процесса - процесс дискретизации (осуществление выборки) и процесс квантования. Процесс дискретизации - это процесс получения значений величин преобразуемого сигнала в определенные промежутки времени. Квантование - процесс замены реальных значений сигнала приближенными с определенной точностью.

Таким образом, оцифровка – это фиксация амплитуды сигнала через определенные промежутки времени и регистрация полученных значений амплитуды в виде округленных цифровых значений (так как значения амплитуды являются величиной непрерывной, нет возможности конечным числом записать точное значение амплитуды сигнала, именно поэтому прибегают к округлению). Записанные значения амплитуды сигнала называются отсчетами. Очевидно, что чем чаще мы будем делать замеры амплитуды (чем выше частота дискретизации) и чем меньше мы будем округлять полученные значения (чем больше уровней квантования), тем более точное представление сигнала в цифровой форме мы получим. Оцифрованный сигнал в виде набора последовательных значений амплитуды можно сохранить.

В «цифровом звуке» из-за дискретности информации об амплитуде оригинального сигнала появляются различные шумы и искажения. Так, например, джиттер (jitter) – шум, появляющийся в результате того, что осуществление выборки сигнала при дискретизации происходит не через абсолютно равные промежутки времени, а с какими-то отклонениями. То есть, если, скажем, дискретизация проводится с частотой 44.1 КГц, то отсчеты берутся не точно каждые 1/44100 секунды, а то немного раньше, то немного позднее. А так как входной сигнал постоянно меняется, то такая ошибка приводит к «захвату» не совсем верного уровня сигнала. В результате во время проигрывания оцифрованного сигнала может ощущаться некоторое дрожание и искажения. Еще одной неприятностью является шум дробления. Как мы говорили, при квантовании амплитуды сигнала происходит ее округление до ближайшего уровня. Такая погрешность вызывает ощущение «грязного» звучания.

56.

ISA — 8- или 16-разрядная шина ввода-вывода IBM PC-совместимых компьютеров. Служит для подключения плат расширения стандарта ISA. Конструктивно выполняется в виде 62- или 98-контактного разъёма на материнской плате.

С выпуском Спецификации PC99, которая декларировала полный отказ от шины ISA, её роль в компьютерах стала сокращаться. С появлением материнских плат формата ATX и соответствующих плат адаптеров, шина ISA перестала широко использоваться в компьютерах, хотя встречается в промышленных компьютерах (как правило, в качестве «мезонинной шины» в специальной корзине расширения).

Для встроенных систем существует вариант компоновки шины ISA — шина PC/104. Электрически она полностью совместима с шиной ISA, но отличается от неё конструкцией разъёмов.

Впервые шина ISA появилась на компьютерах IBM PC в 1981 году. Это была 8-разрядная шина с частотой до 8 МГц и скоростью передачи данных до 4 Мбайт/с (передача каждого байта требовала минимум двух тактов шины). Разъём состоял из 62 контактов, из которых 8 использовалось для данных, 20 — для адреса, остальные — для управляющих сигналов, а также подачи напряжений питания (GND, +5 В, −5 В, +12 В и −12 В).

В 1984 году шина была усовершенствована. Была удвоена разрядность данных (что повлекло удвоение пропускной способности) и добавлены четыре разряда адреса; кроме того, увеличилось число линий запросов прерываний и запросов прямого доступа к памяти (DMA). Также в 16-разрядной шине ISA любое подключенное к ней устройство могло выступать в роли задатчика, то есть инициировать операцию обмена данными (в 8-разрядной шине задатчиками были только процессор и контроллер DMA). Для подключения 16-разрядных устройств используются разъёмы, состоящие из двух частей: полностью совместимой с 8-разрядной шиной 62-контактной и новой 36-контактной.

Ввиду движения по направлению к проприетарной шине Micro Channel Architecture (MCA), IBM тогда практически прекратила поддержку ISA в своих продуктах.

В противовес усилиям IBM по созданию MCA, в 1988 консорциумом из девяти основных производителей компьютеров была обнародована 32-разрядная архитектура системной шины EISA, которая при сходных возможностях и перспективах развития являлась всего лишь надстройкой над «классической ISA».

В 1993 году компании Intel и Microsoft усовершенствовали шину в плане поддержки Plug and Play, таким образом явив миру ISA PnP, которая позволяла операционной системе самой определять ресурсы, назначаемое для устройства (прерывание, адреса памяти для обмена с системой и т.п.).

Интерфейс ISA был основным на системах типа AT, в дальнейшем с середины 1990-х годов на материнских платах форм-фактораATX, он стал вытесняться перспективными PCI. Последним чипсетом домашнего назначения использующим шину ISA стал KT133фирмы VIA выпускавшийся в 2000-2001 годах.

57.

MIDI — цифровой интерфейс музыкальных инструментов) — стандарт цифровой звукозаписи на формат обмена данными между электронными музыкальными инструментами.

Интерфейс позволяет единообразно кодировать в цифровой форме такие данные как нажатие клавиш, настройку громкости и других акустических параметров, выбор тембра, темпа, тональности и др., с точной привязкой во времени. В системе кодировок присутствует множество свободных команд, которые производители, программисты и пользователи могут использовать по своему усмотрению. Поэтому интерфейс MIDI позволяет, помимо исполнения музыки, синхронизировать управление другим оборудованием, например, осветительным, пиротехническим и т. п.

Последовательность MIDI-команд может быть записана на любой цифровой носитель в виде файла, передана по любым каналам связи.

Стандарт на аппаратуру и программное обеспечение

Стандарт описывает аппаратный интерфейс, который позволяет соединять электронные музыкальные инструменты и компьютеры различных производителей, описывает протоколы связи для передачи данных от одного устройства к другому. MIDI-устройства могут взаимодействовать с программными приложениями, используя коммуникационный протокол MIDI. Используя соответствующий программный MIDI-секвенсор, внешние MIDI-устройства могут посылать информацию на синтезаторзвуковой карты. MIDI базируется на пакетах данных, каждый из которых соответствует MIDI-событию (англ. MIDI-events), от нажатия клавиши до простой паузы, эти события разделяются по каналам. Сложная среда MIDI может включать различную аппаратуру, причём каждая часть системы будет отвечать за события на соответствующем канале. Альтернативным вариантом может быть одиночный синтезатор, который сам может управлять всеми каналами.