1.1 Structura calculatorului electronic

Un sistem de calcul de tipul calculator electronic este format din patru componente principale: unitatea centrala de prelucrare (UCP), memoriile (interna si externe), echipamentele de intrare / iesire (I/E) (Input / Output - I/O) si magistralele (pentru transferul datelor, comenzilor, starilor).

In figura 1.1 este prezentata arhitectura simplificata a unui calculator electronic.

Unitatea centrala de prelucrare

Dispozitive de I/E

Magistrala

Figura 1. Structura unui calculator

Din punct de vedere al constructiei mecanice, majoritatea calculatoarelor din clasa micro/mini (in care intra si cele de tip IBM PC - Personal Computer) sunt realizate intr-o cutie metalica in interiorul careia exista o placa de baza (motherboard

Placa de baza este principala componenta cu circuite electronice pe care se gasesc cele mai importante elemente: procesorul cu circuitele de suport (auxiliare), memoria interna, controlerul de magistrala si conectoarele magistralelor. Celelalte placi, cum ar fi cele cu porturile de intrare / iesire sau cu adaptoarele pentru unitatile de discuri, se pot atasa la placa de baza prin intermediul conectoarelor magistralelor.

In primele calculatoare placa de baza a avut integrate doar interfata (si conectorul) pentru tastatura si memoria interna. Celelalte componente, de exemplu adaptorul video (pentru dispozitivul de afisare), controlerele de discuri (hard floppy) au fost conectate prin intermediul conectoarelor ("sloturilor") de extensie.

In timp, mai multe interfete au fost integrate in placa de baza. Multi producatori au experimentat integrarea catorva dintre aceste componente dar de cele mai multe ori au revenit, deoarece este dificil si costisitor sa se actualizeze o astfel de configuratie.

Spre exemplificare, in figura 1.2 sunt prezentate doua placi de baza, prima pentru tipul de carcasa Baby AT, generatia 1995 (a), iar a doua - tipul ATX, cu PENTIUM II Slot1 generatia 1998 (b). Notatiile din figura se refera la:

SDRAM synchronous DRAM - memorie sincrona de tip RAM (Random Access Memory) dinamica, ce poate lucra la frecvente de tact/ceas mai mari decat o memorie DRAM obisnuita, prin utilizarea unei tehnici de transfer in rafale, in care controlerul memoriei DRAM incearca sa anticipeze adresa care urmeaza a fi folosita in continuare;

EDO RAM Extended Data Out Random Access Memory - memorie pentru scriere/citire cu iesire de date extinsa; este un tip de memorie RAM dinamica prin utilizarea caruia se obtine o crestere a vitezei de lucru, deoarece permite initierea unui nou ciclu de citire in timp ce datele sunt pastrate, in continuare, disponibile pe magistrala;

USB - Universal Serial Bus - magistrala seriala universala, cu latimea de banda de 1,5 MB/s; este utilizata pentru a conecta perifericele la calculator; permite conectarea a pana la 127 de periferice: imprimante, modemuri, mouse-uri, tastaturi, etc. prin intermediul unui singur port de utilizare generala; prin conectarea in cascada a perifericelor;

port intrare / iesire Input/Output port - canal prin care datele sunt transferate intre un dispozitiv de intrare / iesire si procesor; UCP vede portul ca pe una sau mai multe adrese de memorie pe care le poate utiliza pentru a transmite sau primi date;

ZIF Zero Insertion Force tehnologie pentru socluri cu forta de inserare nula

RAM cache memorie speciala, imediata, cu timp de acces mai mic decat al memoriei interne, in care sunt pastrate datele utilizate frecvent de procesor, pentru a permite un acces rapid la ele; cand procesorul cere acces la o adresa in memorie, cache-ul verifica daca dispune de valoarea de la acea adresa; daca are acea adresa, trimite datele procesorului, daca nu, se realizeaza un acces obisnuit la memorie; cache-ul este util atunci cand accesul la memoria RAM este mult mai lent decat viteza procesorului;

IDE - Integrated Device Electronics - tip de interfata pentru unitatile de disc in care circuitele electronice ale controlerului sunt incluse in unitate, eliminand astfel necesitatea utilizarii unei placi de adaptor separate (v.§2.1);

Ultra DMA - sistem de transferare a datelor bazat pe accesul direct la memorie; Ultra DMA dubleaza rata de transfer in rafale si mareste siguranta transferului de date.

Dupa cum se poate vedea, placa de baza contine circuitele UCP, conectoare pentru module DIMM, precum si alte circuite integrate, auxiliare. De asemenea, pe placa de baza se gaseste o magistrala (bus), precum si conectorii acesteia, in care se pot fixa placile cu interfetele echipamentelor periferice. Sunt cazuri cand exista doua magistrale, una de viteza mare (pentru placi de I/E moderne) si una de viteza inferioara (pentru placi I/E mai vechi). Structura logica a unui calculator personal este prezentata in figura 1.3 (Tanenbaum, 1999). Noile notatii se refera la:

PCI Peripheral Component Interconnect sistem de magistrala ce permite instalarea a pana 16 placi de extensie compatibile PCI;

ISA Industry Standard Architecture - standard pentru conectarea de periferice;

SCSI - Small Computer System Interface - standard de interfata paralela de mare viteza; interfata SCSI permite atasarea microcalculatoarelor la dispozitivele periferice SCSI;

Ultra SCSI - extensie a SCSI care dubleaza viteza de transfer a interfetei (20 MB/s pentru o conexiune pe 8 biti, 40 MB/s pentru cea pe 16 biti).

Figura 1. Structura unui calculator

Fiecare echipament de I/E este compus din doua parti: un modul care contine partea de comanda (electronica si programele), numit controler, si altul care contine chiar echipamentul propriu-zis, de exemplu pachetul de discuri magnetice cu dispozitivele mecanice/electrice/magnetice de scriere/citire, de rotire si de pozitionare. Controlerul se afla, in general, pe o placa ce se introduce intr-un conector de magistrala liber din placa de baza, exceptie facand controlerele unor echipamente foarte uzuale (cum ar fi tastatura), controlere ce se gasesc, de obicei, chiar pe placa de baza. Desi dispozitivul de afisare (monitorul) nu este un echipament optional, controlerul video este localizat pe o placa detasabila, pentru a oferi utilizatorului posibilitatea sa aleaga intre placi cu performante (deci preturi) diferite (cu acceleratoare grafice, cu memorie suplimentara etc.). Controlerul este legat la un conector aflat in spatele cutiei principale, echipamentul aferent fiind legat printr-un cablu la acest conector.

Misiunea unui controler este conducerea unui echipament de I/E, inclusiv gestiunea accesului acestuia la magistrala sistemului. Cand un program necesita date stocate, de exemplu, pe un disc, el va emite o comanda catre controlerul de disc, care la randul sau trimite comenzi de cautare, de transfer si auxiliare catre unitatea de disc propriu-zisa. Dupa ce au fost localizate sectorul si cilindrul corespunzator, unitatea de disc incepe sa ofere controlerului datele sub forma unui flux de cuvinte de 8/16 biti.

Este de datoria controlerului sa imparta fluxul in unitati, pentru ca apoi sa scrie in memorie unitatile respective pe masura ce sunt asamblate. O unitate este compusa in general din unul sau mai multe cuvinte. Un controler poate citi date din memorie sau scrie date in memorie fara interventia UCP, efectuand transfer cu acces direct la memorie (DMA). Pentru initierea transferului si la terminarea acestuia, controlerul genereaza semnale de intrerupere, fortand UCP sa suspende executia programului curent si sa inceapa rularea unei proceduri speciale, numita rutina de tratare a intreruperii (interrupt handler), care executa comenzile corespunzatoare unui cod specificat la intrerupere, si apoi informeaza sistemul de operare de terminarea tratarii. La terminarea rutinei de tratare a intreruperii, UCP reia executia programului anterior, ce fusese suspendat la aparitia evenimentului.

Magistrala nu este utilizata numai de catre controlerele de I/E, ci si de UCP pentru preluarea instructiunilor si a datelor. Cand UCP si un controler de I/E doresc sa utilizeze simultan magistrala, intra in actiune un circuit special numit arbitru de magistrala (bus arbiter) care decide ordinea accesului la magistrala. In general, acesta va da prioritate echipamentului de I/E, deoarece discurile si alte echipamente ce includ parti mobile nu pot fi oprite brusc, iar intrarea lor intr-o stare de asteptare ar cauza pierderi de date. Cand nici un transfer de I/E nu este activ, UCP poate obtine integral magistrala pentru sine, pentru tranzactii cu acces la memorie. Daca exista insa un echipament de I/E activ, care face o cerere asupra magistralei, acesta va obtine accesul imediat.

Aceasta schema a functionat destul de bine pentru primele calculatoare personale, deoarece in cadrul acestora toate componentele erau intr-un oarecare echilibru functional. Insa, pe masura ce procesoarele, memoriile si echipamentele de I/E au devenit mai rapide, s-a conturat o problema: magistrala nu mai putea face fata incarcarii generale. In cazul unui sistem inchis, cum ar fi o statie de lucru, solutia a fost data de proiectarea unei magistrale noi, mai rapide. Deoarece la aceste sisteme nu se utilizau echipamente de I/E de la un model vechi la unul nou, aceasta abordare a functionat bine.

In lumea calculatoarelor personale insa, utilizatorii doreau sa imbunatateasca performantele calculatorului prin inlocuirea procesorului, dorind in acelasi timp sa preia imprimanta, scanerul si modemul, de exemplu, in noul sistem. De asemenea, o imensa industrie a crescut in domeniul ofertei de echipamente de I/E pentru magistrala IBM PC, iar aceasta avea un interes deosebit pentru reluarea productiei pentru fiecare noua generatie de calculatoare. IBM a avut o experienta trista in acest sens, in momentul in care a promovat succesorul IBM PC, seria PS/2. PS/2 avea o magistrala noua, mai rapida, insa majoritatea producatorilor de clone continuau suportul pentru vechea magistrala IBM PC, in prezent cunoscuta sub numele de ISA . Majoritatea producatorilor de echipamente de I/E continuau sa execute controloare pentru acest tip de magistrala si astfel IBM s-a gasit in situatia ciudata de a fi singurul producator de calculatoare personale incompatibil cu sistemul IBM. Intr-un tarziu compania a fost fortata sa revina la suportul pentru magistrala ISA.

In ciuda presiunilor de ordin comercial de a nu se schimba nimic, batrana ISA s-a dovedit intr-adevar prea lenta, asa ca trebuia intreprins ceva. Aceasta situatie a facut ca unele companii sa produca calculatoare cu magistrale multiple, una dintre ele fiind batrana ISA sau o versiune extinsa, compatibila cu aceasta, numita magistrala EISA (Extended ISA).

EISA este un standard de magistrala pentru conectarea la placa de baza a unui PC a plachetelor add-on, cum ar fi cele video, modemuri interne, cartele de sunet, controlere de unitati de discuri. EISA a fost introdus in 1988 de catre un consortiu format din noua firme producatoare de tehnica de calcul (ATS Research, Compaq, Epson, Hewlett-Packard, NEC, Olivetti, Tandy si Zenith). Standardul EISA pastreaza compatibilitatea cu specificatiile ISA, dar introduce si caracteristicile suplimentare din standardul de magistrala Micro Channel Architecture (MCA) al firmei IBM (utilizat la seria PS/2). EISA prevede utilizarea unei magistrale de date pe 32 de biti si a unor conectoare care permit atasarea placilor ISA, dar placile EISA nu pot fi utilizate decat in sisteme compatibile EISA. Magistrala EISA poate lucra la frecvente mult mai mari decat cele permise de magistrala ISA, si permite, deci, un transfer de date mult mai rapid decat ISA.

Cea mai populara dintre magistralele utilizate in prezent este numita PCI (Peripheral Component Interconnect - magistrala de interconectare pentru componentele periferice)[2]. PCI a fost conceputa de catre Intel, insa aceasta a decis punerea patentelor sale asupra PCI in domeniul public, incurajand astfel intreaga industrie (inclusiv competitorii) sa adopte acest standard.

Magistrala PCI poate fi utilizata in multe configuratii, una tipica fiind ilustrata in figura 1.4. In acest caz, UCP discuta cu un controler de memorie prin intermediul unei conexiuni dedicate de inalta viteza. Controlerul converseaza cu memoria si cu magistrala PCI direct, astfel incat traficul UCP - memorie nu va trece prin magistrala PCI.

Echipamentele periferice care necesita o rata mare de transfer, cum ar fi discurile SCSI, se pot conecta la magistrala PCI direct. In plus, PCI ofera o punte catre o magistrala ISA, astfel incat se pot folosi in continuare si controloarele ISA si echipamentele lor. Un calculator care este proiectat astfel contine in mod uzual trei sau patru lacasuri goale PCI si inca trei sau patru lacasuri goale ISA, pentru a permite beneficiarilor utilizarea atat a placilor I/E vechi de tip ISA (de obicei pentru echipamente mai lente), cat si a noilor placi de I/E de tip PCI (de obicei pentru echipamente mai performante) (Tanenbaum, 1999).

Figura 1. Magistrale in PC

Magistrala PCI lucreaza la 33 MHz, sau sporit la 66 MHz, si este configurata la 32 de biti, respectiv la 64. Este limitata la 5 conectori, desi fiecare poate fi inlocuit cu doua dispozitive pe placa de baza. Pentru varianta de 33 MHz si 32 de biti, asigura transfer la 133 MB/s, iar la 66 MHz si 64 de biti asigura un transfer de 524 MB/s.

Magistrala PCI este mai "inteligenta" decat predecesoarea sa ISA datorita utilizarii IRQ-ului si suporta tehnica PnP (Plug and Play). Plug and Play este un set de specificatii elaborate de Intel, care permite unui PC sa se configureze automat atunci cand ii este atasat un periferic (de exemplu, un monitor, un modem sau o imprimanta), fara sa mai fie necesara interventia utilizatorului. Un PC Plug and Play poate realiza configurarea automata numai daca dispune de o componenta BIOS Plug and Play

BIOS (Basic Input / Output System) este setul esential de rutine software care verifica componentele hardware la pornire, lanseaza restul sistemului de operare si ofera suport pentru transferul datelor intre dispozitivele hardware si pentru executia aplicatiilor. Componenta BIOS este stocata intr-o memorie ROM (numai pentru citire), astfel incat este disponibila permanent pentru procesor si poate fi executata la pornirea calculatorului. Componenta BIOS are o contributie esentiala la performantele sistemului si este, de obicei, invizibila pentru utilizatorul calculatorului

Placa de baza include, de asemenea, un bloc separat de memorie RAM tip CMOS (Complementary Metal Oxide Silicon), cu consum redus de energie, care are rolul de a pastra informatiile despre configuratia calculatorului, data si ora curenta, si in timp ce acesta este inchis, pentru a fi disponibile la repornire. Alimentarea permanenta este realizata cu o baterie sau un acumulator.

Calculatoare PC AT au latimea placii de baza de 12 in. Aceasta marime a placii de baza AT creeaza probleme in situatia actualizarii procesorului, deoarece nu mai incape in cutia urmatoarei generatii.

Versiunea Baby AT (BAT) a redus dimensiunea placii de baza la 9 in latimea si 10 in lungimea, si e caracterizata si de faptul ca are conectorul de tastatura fixat pe placa, iar conectorii pentru porturile serial si paralel sunt atasati prin cablu de cei corespunzatori de pe placa. O astfel de placa este ilustrata in figura 1.5.

Figura 1. Baby AT Figura 1. Mini ATX

Placa de baza ATX (lansata in 1996) este difera de formatul BAT prin dimensiuni (lungime 9.6 in, latime 12 in). Varianta mini ATX, reprezentata in figura 1.6 este de ordinul 11.2 in / 8.2 in si are integrate controlerele de I/E (I/O) si de tastatura.

MicroATX (figura 1.7) este cea mai recenta si compacta versiune de ATX cu potential de expansiune limitat. Forma ei este un patrat cu latura de 9.6 in. Aceasta varianta are 4 sloturi de extensie, fata de 7 ale ATX.

Figura 1. Micro ATX

In tabelul 1.1 sunt rezumate interfetele standard precum si dispozitivele periferice (interne sau externe) corespunzatoare (la nivelul anului 1999):

Tabelul 1.1

Adaptorul video

1.2.1 Prezentare generala

Adaptorul video (grafic) este un ansamblu de circuite electronice care genereaza semnalele trimise prin cablu spre dispozitivul de afisare pe baza informatiilor transmise de sistemul de operare sau de aplicatii. Uneori acesta este plasat pe placa de baza a calculatorului, iar alteori pe o placa separata. Rolul placii grafice a devenit foarte important odata cu dezvoltarea aplicatiilor multimedia precum si a graficii "tridimensionale" (3D).

Formarea imaginii pe ecranul dispozitivului de afisare cu tub catodic se bazeaza pe principiul folosit in televiziune. Un fascicul de electroni emis de o sursa baleiaza ecranul linie cu linie, de la stanga la dreapta si de sus in jos. Acest fascicul este modulat in intensitate, rezultand puncte de intensitati luminoase diferite pe ecran. Ansamblul acestor puncte formeaza imaginea pe ecran. Informatia legata de modularea fasciculului este luata dintr-o memorie, memoria video. Aceasta este citita in ordinea crescatoare a adreselor, ritmul de citire fiind sincronizat cu viteza de baleiere a liniilor de catre fasciculul de electroni. Informatia de intensitate a fasciculului se stabileste pe baza valorii inscrise in locatia de memorie video care corespunde unei anumite pozitii pe ecran. In cazul monitoarelor color, informatia de intensitate a fasciculului de electroni se regaseste pe iesirile analogice R, G si B ale placii grafice. Pentru alte sisteme de afisare (LCD, plasma, LED etc.), formarea este asemanatoare.

Evolutia adaptoarelor video (controlere video) porneste de la adaptoare capabile sa afiseze text pe un monitor TTL monocrom, cum ar fi adaptorul MDA. Pasii urmatori sunt legati de aparitia adaptoarelor capabile de afisare in mod text si in mod grafic, pe trepte din ce in ce mai inalte privind performantele: Hercules, CGA, EGA si MCGA. Pasul imediat urmator a fost constituit de aparitia adaptorului VGA, avand performante ce-l fac util si astazi. Ca si caracteristici noi, proprii adaptorului VGA, pot fi amintite: posibilitatea de a afisa rezolutii de pana la 640 pixeli pe orizontala si 480 pixeli pe verticala avand la dispozitie 16 nuante din 262144 posibile, existenta modurilor video cu 256 culori afisabile simultan pe ecran, memorie video de 256 Kb, posibilitatea de a emula moduri video ale predecesorilor sai (MDA, CGA, MCGA). Memoria video incepe la adresa fizica A0000, avand lungimea 0FFFF.

In tabelul 1.2 sunt prezentate cateva tipuri de adaptoare video.

Tabelul 1.2

1.2.2 Rezolutia

Rezolutia este o caracteristica ce se refera la nivelul de detalii al imaginii vizualizate. Pentru adaptorul video, exprima finetea rasterizarii in vederea afisarii. Rasterizarea (descompunerea in unitati elementare de imagine) este necesara pentru prelucrarea pe sistemele digitale. O rezolutie a adaptorului de 800x600 inseamna ca imaginea este construita din 800 de randuri (linii) de cate 600 pixeli .

Numarul de nuante afisabile poarta si numele de rezolutie cromatica sau adancime de culoare.

Rezolutia de 640*480 pixeli s-a dovedit a fi insuficienta pentru aplicatii pretentioase de grafica pe calculator. Primele incercari de realizare a unor adaptoare capabile sa ofere rezolutii superioare au condus la placi grafice ale caror performante erau legate de rezolutii de 800*600 respectiv 1024*768 sau mai tarziu chiar 1280*1024 pixeli.

Principalul dezavantaj al acestor adaptoare video era legat de lipsa unui standard in ceea ce priveste organizarea memoriei video, adresele unor registri interni ai controlerului sau a altor conventii legate chiar de posibilitatea de identificare a anumitor moduri grafice.

Neacceptarea pe scara larga a standardelor de adresabilitate a pixelilor (dupa VGA) a creat probleme pentru producatori, programatori si chiar utilizatori. Ca rezultat fiecare producator de software trebuia sa furnizeze si o multime de drivere specifice fiecarei placi grafice pe care dorea sa o suporte.

XGA a fost primul adaptor IBM care a utilizat VRAM (video RAM), capabil de configurat cu 500 KB sau 1 MB. Ca standarde IBM, au urmat SXGA si UXGA dar nici ele nu s-au bucurat de o larga acceptare.

VESA - Video Electronics Standard Association, un consortiu pentru adaptoarele video si producatorii de monitoare, a dezvoltat o familie de standarde care sunt compatibile cu VGA si ofera o rezolutie mai buna si mai multe culori.

Extensia VGA - BIOS, cunoscuta sub numele de SVGA este apropiata de standard si de aceea multe placi grafice se pot defini ca SVGA. Un adaptor SVGA poate suporta o paleta de 16.7 milioane de culori desi capacitatea memoriei video a calculatorului, in particular, poate limita numarul de culori la o valoare mai mica decat aceasta.

1.2.3 Rezolutia cromatica

Fiecare pixel de pe ecran este realizat printr-o combinatie de trei culori fundamentale: rosu, verde si albastru. Aspectul fiecarui pixel este controlat de intensitatea acestor trei culori. Profunzimea (adancimea) de culoare este determinata de numarul realizabil al combinatiilor diferite de intensitati relative ale celor trei culori fundamentale. Rezolutia de culoare depinde de numarul de biti afectati informatiei cromatice. In tabelul 1.4 sunt prezentate corelatiile intre numarul de biti pentru profunzimea culorii, numarul de nuante si numarul de octeti per pixel.

Tabelul 1.4

Pentru a afisa cate 256 de nuante de rosu, verde si albastru sunt necesari in total 24 de biti (cate 8 pentru fiecare culoare primara). Cateva placi grafice actuale au 32 de biti pentru fiecare pixel; cei 8 biti suplimentari sunt utilizati pentru informatia de transparenta (alpha channel

In modul High colour se folosesc 2 octeti de informatie pentru stocarea valorii intensitatii pentru cele trei culori: 5 pentru albastru, 5 pentru rosu si 6 pentru verde.

Modurile cu mai mult de 256 de nuante utilizeaza conceptul de paleta de nuante, selectabile din disponibilul de 16.7 milioane de nuante.

Pentru cresterea rezolutiei de culoare aparente se utilizeaza tehnica dithering (prin intercalare). Dithering este o tehnica in grafica pe calculator prin care se creeaza iluzia unor nuante de gri diferite in cazul monitoarelor si imprimantelor monocrome sau a unor nuante suplimentare in cazul monitoarelor si imprimantelor color. Intercalarea nuantelor implica reprezentarea unei zone din imagine ca un grup de puncte colorate dupa diferite modele. Inrudita cu autotipia, intercalarea nuantelor se bazeaza pe tendinta ochiului de a combina culorile punctelor apropiate, fiind perceputa o singura nuanta, care reprezinta media culorilor respective. In functie de raportul dintre punctele negre si cele albe dintr-o zona, efectul global este acela al unei anumite nuante de gri. Intercalarea nuantelor este utilizata pentru a conferi realism graficii pe calculator si pentru a netezi curbele si diagonalele care au un aspect zimtuit in cazul rezolutiilor mici (anti-aliasing

Dithering creste rezolutia de culoare dar scade rezolutia geometrica.

1.2.4 Arhitectura adaptorului video

Adaptoarele video ale calculatoarelor tip PC moderne au patru componente principale:

a. procesorul grafic

b. memoria video

c. RAMDAC (Random Access Memory Digital-to-Analogue Converter

d. drivere software.

Un adaptor video este exemplificat in figura 1.8, in care Video BIOS este o memorie ce contine rutinele software operationale ale placii, modurile de definire si fonturile pentru ecran.

Figura 1. Adaptor video

a.      Procesorul grafic

Procesorul grafic este un microprocesor specializat care primeste instructiuni de la CPU si genereaza imagini grafice, cum ar fi liniile si suprafetele umplute, eliberand CPU pentru alte activitati.

Elementele structurale care stau la baza procesorului VGA sunt:

- controlerul monitor (Monitor Controller

- controlerul secventiator (Sequencer Controller

- controlerul grafic (Graphics Controller

- controlerul de atribute (Attribute Controller

Ele au rolul de gestionare a afisarii continutului memoriei video pe ecran, respectiv de programare a parametrilor legati de partea electronica a monitorului.

Fiecare element structural contine un anumit numar de registri interni, accesabili de catre procesor ca si porturi de intrare/iesire.

Modul de acces la memoria video este dat de modul grafic curent, respectiv de rezolutia afisarii si de numarul de culori utilizabile simultan pe ecran.

Modul de interconectare a celor patru module este reprezentat in figura 1.9. Notatiile se refera la:

CRTC = controlerul monitor

SECV = controlerul secventiator

MUX = multiplexor

CTRLR GRAF = controlerul grafic

CTRLR ATRIB = controlerul de atribute

CAN = convertor numeric analogic

PLAN 03 = planuri (blocuri) de memorie video.

Rolul multiplexorului este de a asigura accesul la memoria video a procesorului sau a controlerului grafic.

Convertorul numeric-analogic dispune de trei tabele interne de culoare (CLUT = Colour Lookup Table). Pentru VGA, dimensiunea celor trei tabele este de 265 * 18 biti, rezultand posibilitatea de a selecta 256 culori dintr-un total de 262144 posibile. Pe baza valorii inscrise in locatia curenta din memoria video, se selecteaza o anumita pozitie in cadrul tabelei de culoare. Valoarea inscrisa in aceasta pozitie a tabelei de culoare este utilizata pentru formarea semnalului analogic de culoare care va fi transmis spre monitor.

║

║ adrese ╔═══════╗ ║ ╔════════╗

╟────┐║ ║ ║

║ MUX ║ ├╫─────╢ PLAN 0 ╟───┐

╔══════╗ ║ ╟─┬──┼╫─────╢ ║ │

║ ╟────┐ ║ ║ │ │║ ╚════════╝ │

║ date ║ ║ │ ╚═══════╝ │ │║ ╔════════╗ │

║ ────┬────╢ CRTC ║ │ │ │║ ║ ║ │

║ │ ║ ║ │ │ ├╫─────╢ PLAN 1 ╟───┤

║ │ ╚══════╝ │ ║ CTRLR ╟──┘ │║ ╔════════╗ │

║ ├──────────────┬─┼──╢ GRAF ╟──┐ │║ ║ ║ │

║ │ │ │ ║ ╟─┐│ ├╫─────╢ PLAN 2 ╟───┤

║ │ ║ ║ │ │ │ └╫─────╢ PLAN 3 ╟───┤

║ │ ║ SECV ╟──┼─┼───────────┐└───╫─────╢ ║ │

╚══╤═══╝ │ └──╢ ║│ ║

│ │ ║ ║│ ║ ╔════════╗

│ └────╢ CTRLR ║└────╫────╢ ╟─────R

│ ║ ATRIB ║ ║ ║ ║

└───────────╢ ╟─────╫────╢ CAN ╟─────G

║ ║ ║ ║ ║

╚═══════╝ ║ ║ ╟─────B

║ ╚════════╝

║

Figura 1. Modulele adaptorului video

Datorita existentei tabelei interne de culoare, se pot efectua operatii de schimbare a paletei de culori, modificand valorile inscrise in acest tabel. Astfel, efectul cromatic produs de o anumita culoare poate fi modificat. De exemplu, modificand valoarea aflata la pozitia 0 (negru) a tabelei de culoare, toti pixelii de pe ecran care au avut anterior culoarea neagra vor produce un nou efect cromatic asupra ochiului, aparand in noua nuanta inscrisa in pozitia 0 a tabelei de culoare. Procedeul este deseori folosit in animatie.

b.      Memoria Video

Memoria pastreaza imaginile sub forma electronica, din cauza necesitatii reimprospatarii acesteia. Sistemele mai vechi au memoria video implementata in circuite tip DRAM (Dynamic RAM - memorie RAM dinamica).

DRAM este un tip de memorie cu acces aleatoriu realizata pe baza de semiconductoare. Memoriile RAM dinamice stocheaza informatiile in micro-condensatoare realizate in circuite integrate. Deoarece sarcina electrica a condensatoarelor se diminueaza odata cu trecerea timpului (autodescarcare), placile cu memorie RAM dinamica trebuie prevazute cu circuite care sa improspateze continuu continutul. Memoria dinamica RAM nu poate fi citita de catre microprocesor in timpul reimprospatarii. Daca microprocesorul incearca sa foloseasca memoria RAM dinamica in timpul reimprospatarii, apar una sau mai multe stari de asteptare. Cu toate ca sunt mai lente, memoriile RAM dinamice sunt utilizate mai des decat memoriile RAM statice, deoarece ofera o capacitate de stocare a datelor mai mare.

VRAM (Video Random Access Memory) - este un tip special de memorie RAM (DRAM), utilizat in aplicatiile video de mare viteza. Memoria VRAM are doua porturi separate, unul pentru procesor si unul pentru circuitele video, asigurand astfel circuitelor video o intrare separata spre memoria video. Circuitele video pot accede la memoria RAM video in mod serial (bit cu bit), o modalitate mai potrivita pentru transferarea pixelilor spre ecran, fata de accesul paralel impus de memoriile DRAM obisnuite.

WRAM (Window Random Access Memory - memorie cu acces aleatoriu cu fereastra) este un tip de memorie RAM utilizata pentru adaptoarele video. La fel ca memoria VRAM, WRAM permite redesenarea ecranului in timp ce este creata alta imagine grafica, fiind insa mai rapida decat aceasta.

EDO-RAM Extended Data Out Random Access Memory - memorie pentru scriere/citire cu iesire de date extinsa) este un tip de memorie RAM dinamica prin utilizarea careia se obtine o crestere a vitezei de lucru, deoarece la initierea unui nou ciclu de citire datele vechi sunt pastrate, in continuare, disponibile pentru CPU. Calculatoarele din clasa Pentium care utilizeaza setul de circuite Intel Triton sunt proiectate astfel incat sa beneficieze de avantajele oferite de memoriile EDO-RAM.

SDRAM (Synchronous DRAM - memorie DRAM sincrona) este un tip de memorie RAM dinamica ce poate lucra la frecvente de tact mai mari decat o memorie DRAM obisnuita, prin utilizarea unei tehnici de transfer in rafale, in care memoria DRAM incearca sa anticipeze adresa care urmeaza sa fie accesata in continuare.

SGRAM este un tip asemanator de memorie cu SDRAM, dar permite scrierea la nivel de bloc si per bit, ceea ce este o enorma performanta pentru circuitul grafic.

RDRAM este cel mai nou tip de memorie video, a carui arhitectura promite o performanta de 20 de ori mai buna decat conventionalele DRAM.

In memoria-tampon de cadre (frame buffer) din memoria video se pastreaza o imagine (de afisat pe ecranul monitorului) stocata ca o harta digitala de biti (digital bitmap). Informatia din memoria video este utilizata pentru obtinerea unui semnal analogic corespunzator pentru dispozitivul de afisare. Conversia este realizata de modulul RAMDAC.

In tabelul 1.5 sunt prezentate caracteristicile celor mai utilizate tipuri de memorie din subsistemul grafic.

Tabelul 1.5

Mai multa memorie video este necesara atunci cand se doreste (sau se necesita) utilizarea unui numar mare de culori sau a unei rezolutii ridicate.

In tabelul 1.6 sunt prezentate combinatiile posibile pentru marimi tipice ale memoriei video.

Tabelul 1.6

La adaptoarele VGA, memoria video este impartita in patru zone de memorie, denumite plane. Dispunerea acestor plane se numeste a fi paralela, dat fiind faptul ca adresele de inceput ale acestora coincid.

Controlul accesului la fiecare dintre plane este asigurat de cate un semnal de validare conditionat de cate un bit dintr-un registru intern al controlerului.

Adresele de inceput si dimensiunile memoriei video pentru diferite moduri de functionare a placii grafice sunt:

In mod VGA text, in octetii din planul 0 al memoriei video sunt memorate codurile ASCII ale caracterelor de afisat pe ecran, iar in planul 1 fiecare octet reprezinta atributul corespunzator caracterului omolog din planul 0. Dimensiunea unui caracter pe ecran este de 8*16 pixeli.

Sistemul de gestiune a memoriei asigura prezenta la adrese pare a octetilor din planul 0 (a codurilor caracterelor), respectiv la adrese impare a octetilor din planul 1 (a atributelor caracterelor).

In mod grafic, organizarea memoriei difera functie de numarul de nuante afisabile simultan, deci a numarului de biti necesari codificarii nuantei unui pixel. Exista urmatoarele situatii:

In cazul modurilor grafice cu maximum 16 culori, memoria video este organizata pe plane, pentru codificarea unui pixel se utilizeaza cate un bit din fiecare plan. Pentru a rezolva conflictul dat de faptul ca la o adresa fizica se afla patru octeti in memoria video, controlerul video contine un registru de selectare a planelor, in care fiecarui plan ii este afectat un bit. Pozitionat pe '1', bitul va permite accesul la planul corespunzator.

In cazul modurilor grafice cu 256 culori, memoria video este organizata liniar.

c.          RAMDAC

De mai multe ori intr-o secunda, circuitul RAMDAC citeste continutul memoriei video, il converteste in semnal analogic tip RGB si il transmite la monitor. Principiul de lucru este prin cautare tabelara.

Pentru fiecare culoare primara este utilizat un convertor analog digital (DAC- Digital to Analogue Converter). Rata cu care RAMDAC poate converti informatia dicteaza rata de improspatare suportata de placa grafica.

Rata de improspatare este frecventa cu care este redesenat intregul ecran. Rata trebuie sa fie suficient de mare pentru a se mentine o imagine stabila, fara palpairi. Daca viteza circuitelor nu e suficienta, se poate lucra in mod intretesut. Adaptoarele cu intretesere redeseneaza liniile impare ale imaginii la o trecere pe verticala a fasciculului de electroni, si cele pare la trecerea urmatoare. Este necesara o frecventa cel putin egala cu cea din televiziune (50 Hz intretesut in Europa). Frecventele actuale curente sunt peste 70 Hz neintretesut, unele dispozitive de afisare suportand si frecvente peste 100 Hz.

Functie de arhitectura interna, RAMDAC conditioneaza numarul de nuante disponibile (prin rezolutia conversiei, tabelul 1.6).

d.         Drivere software

Driverele software ale placilor grafice moderne au o importanta decisiva in ceea ce priveste performanta. Pentru unele aplicatii, driverele traduc informatia de afisat in instructiuni pe care procesorul grafic le poate utiliza. Modul in care driver-ul "traduce" aceste instructiuni are o imensa importanta. Procesoarele grafice moderne fac mai mult decat sa modifice cate un pixel - ele au capacitatea de a genera linii si forme sofisticate, pot muta blocuri de informatii. Alegerea modului cel mai eficient de utilizare a resurselor procesorului grafic functie de tipul de aplicatie este tot o atributie a driver-ului.

Interfete audio

Sunetul de calitate este relativ o noua performanta a calculatoarelor tip PC. Calculatoarele PC proiectate de IBM au fost gandite ca unelte pentru afaceri, nu ca "masini" multimedia. Ele generau doar sunete de avertizare.

Popularitatea aplicatiilor multimedia din ultimii ani a accelerat cercetarea si in domeniul interfetelor audio si a condus la cresterea competitiei dintre producatori, pentru obtinerea unor produse mai ieftine si mai complexe.

Capacitatea de producere a sunetelor cu PC merge de la beep-uri din difuzorul intern la un ansamblu de sunete ce egaleaza cele mai bune sisteme CD stereo de azi. PC-urile pot genera, manipula, inregistra si reda sunete de toate tipurile, pot chiar controla dispozitive generatoare de semnale, cum ar fi sintetizoarele de muzica. Calitatea deosebit de inalta a sunetului diferentiaza calculatoarele multimedia de cele ordinare.

1.3.1 Fizica sunetului

Sunetul e un fenomen fizic ce se propaga ca schimbari rapide in presiunea aerului. Cand un obiect fizic se misca, el forteaza si aerul sa se miste. Aerul e impins din locul unde ajunge obiectul si se introduce in locul in care a fost obiectul. Dar aerul nu se poate deplasa instantaneu. Viteza sa depinde de densitate; cu cat presiunea e mai mare, rezulta o forta mai mare de impingere a aerului. Miscarea obiectului creeaza o zona de presiune mare in fata sa si o zona de presiune mica in spate. Din zona de presiune mare aerul se va deplasa in toate directiile, producand scaderea presiunii.

Sunetele se produc cand obiectul se misca rapid, vibrand. In timpul vibrarii se produce un tren stationar de unde de presiune ce pleaca de la obiect.

Principiile de baza ale generarii si transmiterii sunetului rezulta din descrierea simpla de mai sus. Sunetul necesita un mediu pentru transmitere. Viteza sunetului depinde nu de obiectul in miscare, ci de densitatea aerului. Intensitatea sunetului scade cu distanta, intervenind in proces mase tot mai mari de aer. Descresterea depinde de patratul distantei. Prin conducerea curentului de aer, se poate schimba gradientul de descrestere a intensitatii.

Fiintele umane au un mecanism, urechea, de detectare a modificarilor presiunii aerului. Urechea e, in esenta, un dispozitiv mecanic acordat pentru a reactiona la schimbari de presiune intr-un domeniu de frecvente apreciat intre 20 si 20.000 Hz. Schimbarile de presiune sunt percepute de timpan si transmise creierului care le interpreteaza ca sunet.

Sarcina circuitelor audio din calculator este de a pune aerul in miscare, producand sunete pe care omul le poate auzi pentru a fi prevenit/alarmat, pentru a crea placere etc.

Sunetul fiind o chestiune de mecanica, un calculator are mari greutati in tratarea lui. Pentru a face un sunet audibil, calculatorul are nevoie de a face ceva mecanic. El are nevoie de un transductor, un dispozitiv care transmite energia dintr-un sistem in altul - din PC-ul electric in lumea cinetica a sunetului.

Calculatoarele nu sunt singure in necesitatea lor de a converti semnale electrice in semnale mecanice (sunete). Aproape fiecare dispozitiv casnic audio are aceeasi necesitate, de exemplu telefonul. Tehnologia necesara este disponibila de la Alexander Graham Bell (1876) incoace. Cel mai comun transductor audio, difuzorul dinamic, a fost inventat de Kellog Rice. In difuzor, un curent electric parcurge o infasurare (bobina) atasata unei membrane (conul difuzorului) care vibreaza, punand in miscare aerul.

Cand sunetul este inregistrat prin intermediul microfonului, modificarile de presiune ale aerului provoaca deplasarea diafragmei (membranei) microfonului in acelasi mod ca si a timpanului urechii. Aceste miscari sunt apoi convertite in variatii de tensiune electrica ce pot fi procesate electronic.

1.3.2 Circuite pe placa de baza

Fiecare PC este dotat cu un fel de difuzor. Cel mai comun tip e minimal, cu diametrul de cca. 50 mm. Cu toate ca acest diametru e suficient pentru a produce zgomote, sufera din punct de vedere al calitatii si intensitatii.

Un numar de factori influenteaza timbrul sunetului generat. Cei mai importanti sunt dimensiunea difuzorului si modul de montare.

Intensitatea unui sunet depinde de volumul aerului pus in miscare. Pentru a misca mai mult aer, membrana trebuie sa fie mai mare, sau sa se deplaseze cu o amplitudine mai mare.

Din motive fizice, la frecvente joase trebuie miscat mai mult aer pentru a obtine aceleasi modificari de presiune, deci aceeasi intensitate sonora, astfel ca difuzoarele mai mari sunt mai bune pentru a genera frecvente joase. Si modul de montare a difuzorului influenteaza reproducerea frecventelor joase. La frecvente joase, undele de presiune create de difuzor pot parcurge distante substantiale pe durata unei perioade a oscilatiei membranei. De fapt, cand frecventele sunt suficient de joase, aerul are timp sa se miste din zona de presiune inalta din fata membranei, in zona de presiune joasa din spatele ei. Aerul in miscare anuleaza modificarile de presiune si, deci, sunetul. La frecvente joase (tipic sub 150 Hz) un difuzor in aer liber are un randament foarte slab.

Aceasta atenuare la frecvente joase poate fi eliminata sau redusa prin blocarea fluxului de aer ce curge din fata in spatele membranei. Punerea difuzorului intr-o incinta realizeaza exact acest lucru. Cu toate ca incintele acustice aduc problemele lor - absorb energie sonora si au rezonante care modifica timbrul sunetului - in general ele imbunatatesc calitatea sunetului.

Difuzoarele interne ale calculatoarelor PC nu au incinte acustice, astfel ca ele vor suferi in redarea frecventelor joase (chiar daca difuzoarele sunt in interiorul carcasei calculatorului, ele sunt de fapt suspendate in aer). Pentru a obtine reproducerea realista a sunetelor, un PC are nevoie de difuzoare externe in incinte acustice adecvate.

Este nevoie doar de curent electric pentru punerea in miscare a difuzorului. Din pacate, inginerii proiecteaza circuitele calculatorului pentru a functiona la curenti minimi. Multe calculatoare PC au adaugate circuite integrate speciale amplificatoare de curent (driver), pentru a genera semnale de putere suficienta pentru comanda difuzorului intern (unele chiar pe placa de baza).

Pentru ca difuzoarele in incinte au randament mai mic decat cele in aer liber (dar castiga in calitatea sunetului), puterea existenta pentru difuzorul intern (la limita) este insuficienta pentru un difuzor extern in incinta. Pentru a obtine putere suficienta pentru difuzoare externe, nivelul semnalului audio din PC trebuie crescut cu ajutorul unui amplificator.

Solutia standard pentru PC-uri prevede un filtru trece jos si o rezistenta de limitare a curentului intre driver si difuzor. Filtrul trece jos elimina frecventele superioare domeniului audibil normal. PC-urile deseori utilizeaza frecvente inalte pentru a genera sunete in domeniul audibil.

Un rezistor (tipic 33 ohm) in serie cu difuzorul limiteaza curentul absorbit, prevenind distrugerea circuitului driver. Rezistorul reduce intensitatea sunetului generat, absorbind o parte din putere in procesul de limitare a curentului.

Calitatea sunetului generat de sistemul standard din PC-uri este slaba nu numai din cauza difuzorului. De fapt, difuzorul din cele mai multe PC-uri este bine adaptat capacitatilor rudimentare de generare de sunet ale sistemului audio de baza. Conceptia originala a calculatoarelor PC nu prevede generarea de sunete deosebite. In loc de a prevedea circuite dedicate pentru sinteza sunetului, proiectantii calculatoarelor s-au bazat pe oscilatoarele deja existente in logica digitala a placii de baza.

Intr-un calculator PC, semnalul digital al procesorului este condus prin driver direct la difuzor. Mai exact, driverul e conectat la unul din canalele circuitului integrat counter/timer 8253 sau 8254-2 (sau echivalent). Baza de timp stabilita pentru oscilator determina frecventa semnalului sonor emis de difuzor. In plus, intrarea in driver mai sumeaza doua semnale, pentru a adauga un grad de complexitate (bogatie) semnalului de iesire.

Caracterul digital al semnalului limiteaza dinamica sa. Sunetele sunt caracterizate, in general, de intensitate. Semnalul digital livrat difuzorului calculatorului este la nivel standard - nivelul standard al semnalelor digitale - astfel incat nivelul sonor al sunetului produs de difuzor nu variaza. Toate sunetele produse de placa de baza a PC-ului au acelasi nivel. Unele zgomote produse de calculator suna mai puternic decat altele in primul rand pentru ca sunt mai iritante. Ele sunt generate printr-o combinatie exacta de frecvente pentru a actiona asupra partilor sensibile estetic ale creierului uman. Rezultatul depaseste cu mult cele mai optimiste previziuni ale proiectantilor.

Se pot obtine sunete de calitate mai buna utilizand circuitele standard de pe placa de baza standard, utilizand o tehnica de modulare speciala, de exemplu PWM (Pulse Width Modulation - modularea latimii impulsului).

1.3.3 Placi de sunet

Singura cale de a obtine sunete mai bune de la un PC este adaugarea unui sistem audio complet nou, proiectat de la zero pentru a crea sunete care sa produca placere, nu sa irite. Completarea necesara pentru un PC este placa de sunet (sound board) - o placheta cu circuite audio necesare, ce se introduce intr-unul din conectoarele pentru extensii din calculator.

Pentru a corespunde cerintelor programelor multimedia si particularitatilor urechii umane, placile de sunet realizeaza mai multe functii legate de prelucrarile audio. Ele

-fac conversia sunetelor din forma digitala de stocare in forma analogica, astfel incat pot fi auzite;

-inregistreaza sunete pentru redare ulterioara;

-creeaza sunete proprii cu sintetizoare interne;

-mixeaza rezultatele;

-amplifica produsul audio final astfel incat sa poata fi efectiv auzit.

Diferentele importante intre placile de sunet sunt in doua directii: calitatea sunetului trimis la difuzor si compatibilitatea cu diverse programe/aplicatii. Din cele doua, ultima este mai importanta, pentru ca daca aplicatia nu poate comunica cu placa de sunet, nu se va genera nimic, indiferent cat de perfectionate sunt circuitele audio.

Placile de sunet au trei sarcini principale: (1) crearea sunetelor conform unor instructiuni trimise lor de catre diverse programe; (2) redarea sunetelor create cu alte surse si (3) comanda altor dispozitive generatoare de sunete. Crearea sunetelor poarta numele de sinteza si poate produce rezultate de calitate foarte buna. Sunetele redate pot proveni dintr‑o gama larga de surse, de la continutul unui CD audio obisnuit, pana la reproducerea sunetelor stocate pe hard-disk, eventual digitizate chiar de placa de sunet. Comanda altor dispozitive producatoare de sunete necesita o conectare electrica speciala. In sistemele multimedia, controlul este efectuat prin intermediul unei interfete MIDI (Musical Instrument Device Interface . Unele placi de sunet pot comanda functionarea unui echipament CD-ROM: interfata pentru CD-ROM este uneori parte a placii de sunet.

1.3.4 Standarde

Daca se doreste punerea sintetizorului sub comanda unui calculator PC, trebuie legat de hardware si de software. Daca sintetizorul urmeaza a fi utilizat de o varietate de aplicatii, el trebuie sa se supuna unui mod de comanda standardizat recunoscut. Pentru placile sintetizoare de sunet, exista doua standarde larg utilizate: Ad Lib, mai vechi, si Sound Blaster

Ad Lib, una din primele placi de sunet care au devenit populare a fost creata de o companie ce nu se mai ocupa de placi de sunet, Ad Lib. Pentru ca avea cea mai larga baza in randul utilizatorilor cand jocurile zgomotoase deveneau populare, multi programatori de jocuri au scris produsele lor pentru a beneficia de avantajele facilitatilor hardware oferite de placa Ad Lib. Capacitatea de a emula placa Ad Lib a devenit un standard minimal pentru compatibilitatea in crearea sunetelor.

O alta companie, Creative Labs, a intrat in industria placilor de sunet si a construit bazat pe particularitatile Ad Lib. Produsul ei, Sound Blaster, a castigat rapid acceptul industriei drept un superset al standardului Ad Lib; facea totul ce facea si placa Ad Lib si inca ceva pe deasupra. Placa Sound Blaster a castigat o piata imensa si a ridicat standardul sintezei sunetului pentru produsele de tip jocuri. Deoarece programatorii manipuleaza direct registrele hardware ale placii Sound Blaster pentru a produce sunetele pe care le doresc, pentru a executa cele mai multe jocuri cu sunete corespunzatoare, este suficient de a avea o placa de sunet compatibila Sound Blaster

Placa Sound Blaster clasica se bazeaza pe un circuit integrat special pentru a produce sunetele sintetizate, Yamaha YM3812. Acest circuit are un singur canal de iesire, astfel incat poate produce doar sunete monofonice chiar daca este instalat pe o placa ce se chema stereo. Unele placi utilizeaza doua astfel de circuite pentru a produce sunet stereofonic. Circuitul YM3812 are un repertoriu fix de 11 voci, din care sase sunt instrumentale si cinci pentru ritm.

Un circuit mai nou pentru sinteza FM a devenit popular pe placi de sunet bune, Yamaha YMF262 sau OPL3. OPL3 are nu numai mai multe voci (20), dar si utilizeaza algoritmi mai sofisticati pentru sinteza. Poate produce la iesire sunet stereo.

Sound Blaster AWE 64, aparut in 1997 a oferit o polifonie de 64 de note de la o unitate MIDI, 32 controlate din hardware si 32 in software.

Multe din placile de sunet vandute suporta standardul General MIDI si sunt capabile sa inregistreze si sa redea digital - audio la 44.1 kHz stereo. Aceasta este rezolutia pe care o au inregistrarile CD-audio si de aceea se fac referiri de genul ca placa de sunet ofera calitate a sunetului ca un CD.

Placile de sunet suporta interfetele SCSI si IDE / EIDE. De asemenea, unele au un conector pentru intrare CD - audio.

1.3.5 Digitizare si esantionare

Chiar cele mai bune sintetizatoare se apropie doar de sunetele lumii reale. Sunetul de cea mai buna calitate produs de o placa de sunet nu este sintetizat, ci este redarea unuia inregistrat. Ca si discurile compact, placile de sunet utilizeaza sisteme de inregistrare digitala a sunetului cu tehnologii avansate, de foarte buna calitate, de mare fidelitate.

Inregistrarea digitala a sunetului transforma sunetele in siruri de numere, cu ajutorul unor convertoare analogic-numeric (ADC). O placa de sunet analizeaza undele audio de mii de ori pe secunda si atribuie valori numerice pentru intensitatea sunetului la fiecare analiza; numerele sunt apoi memorate. Pentru a reproduce sunetele sau zgomotul, placa de sunet lucreaza invers. Preia numerele inregistrate si regenereaza (prin convertoare numeric-analogic - DAC) intensitati corespunzatoare de semnal la intervale ce corespund exact cu cele de la inregistrarea sunetului. Rezultatul este o reproducere aproape exacta a sunetului original.

Procesul de inregistrare digitala implica cateva variabile arbitrare. Cele mai importante sunt:

frecventa cu care se face examinarea semnalului audio original - numita frecventa de esantionare -

modul de codificare (combinatia de cod numeric atribuita fiecarei valori esantionate). Codul este digital si este definit pe un anumit numar de biti, rezolutia sistemului. Calitatea reproducerii sunetului este determinata in primul rand de valorile alese pentru aceste variabile.

Frecventa de esantionare limiteaza raspunsul in frecventa al sistemului digital de inregistrare. Cea mai inalta frecventa ce poate fi inregistrata si reprodusa digital este jumatate din frecventa de esantionare. Aceasta frecventa superioara este numita deseori frecventa Nyquist. Semnalele de frecventa mai mare se inregistreaza in mod ambiguu, si pot fi confundate cu semnale de frecvente mai joase (aliasing), rezultand distorsiuni. Pentru a preveni aparitia problemelor, semnalele de frecvente mai mari decat jumatate din frecventa de esantionare trebuie eliminate (filtrate) inainte de a fi esantionate digital. Pentru ca nici un filtru audio nu este perfect, multe sisteme audio digitale au frecventa de taiere mai mica decat frecventa Nyquist. Sistemul digital audio Compact Disc este proiectat pentru inregistrarea sunetelor cu frecvente pana la 15kHz si utilizeaza o frecventa de esantionare de 44.1 kHz.

Numarul de biti dintr-un cod digital determina numarul de valori discrete diferite pe care le poate inregistra. De exemplu, un sistem pe opt biti poate reprezenta 256 de obiecte distincte. Un sistem de inregistrare care lucreaza pe opt biti va putea inregistra 256 valori diferite ale nivelelor semnalului sonor. Din pacate, muzica si sunetele, in general, au o variatie continua, nu in trepte. Diferenta intre treptele digitale si sunetul continuu genereaza distorsiuni. Aceste distorsiuni se adauga la zgomotele din sistemul de inregistrare. Reducerea zgomotului si a distorsiunilor presupune micsorarea marimii treptelor, deci cresterea numarului de trepte. Sistemele de calitate inalta - calitate CD de exemplu - necesita codificare pe cel putin 16 biti.

Frecventa de esantionare si rezolutia determina cantitatea de date care trebuie inregistrate. In plus, inregistrarea stereofonica dubleaza cantitatea de date necesare (doua canale). Frecventa de esantionare de 44.1kHz si rezolutia de 16 biti a sistemelor audio stereo CD fac necesara prelucrarea a cca. 150.000 biti pe secunda.

Pentru compatibilitate completa cu sistemele CD, cele mai multe placi de sunet noi au capacitatea de digitizare la nivelul CD. Pentru a economisi spatiu pe disc si timp de calculator, cele mai multe ofera optiune de lucru la parametri redusi. Mai mult, multe placi de sunet mai vechi nu erau suficient de puternice pentru calitatea CD. In consecinta, se gasesc placi de sunet ce lucreaza la frecvente mai mici de esantionare si cu rezolutii mai slabe. De asemenea, multe placi vechi se limiteaza la lucrul in mod monofonic. Specificatia MPC (Multimedia PC) pretinde doar lucrul pe opt biti. Cele mai multe placi de sunet suporta frecvente de esantionare de 22 si de 11 kHz, altele au si valori intermediare: 8, 16 sau 32 kHz.

Daca se doreste realizarea de inregistrari originale, in general se va pretinde folosirea unei frecvente de esantionare cat mai inalte, la limita posibilitatilor calculatorului PC. Daca se doreste redarea unor sunete inregistrate pe un alt PC, se alege o placa de sunet care suporta formatul original. Nu este de asteptat o calitate a sunetului ca de studio de inregistrari de la o placa de sunet chiar daca lucreaza la nivel CD. In operare, zgomotul electronic ce bantuie in PC se va scurge si in placa de sunet si in semnalele din ea, degradand inregistrarile.

Circuitele de prelucrare digitala a semnalelor din cele mai multe echipamente CD sunt mai sofisticate decat cele de pe placile de sunet. Se obtine o calitate mai buna de la sistemele audio stereofonice decat de la placile de sunet. De fapt, multe placi de sunet au intrari analogice, care fac posibila trimiterea unui semnal analogic de la un echipament CD audio, convertit din digital la forma analogica, prin sistemul de sunet al PC-ului. Multe placi analogice permit digitizarea sau esantionarea acestui semnal, inregistrarea lui in forma digitala sau mixarea lui cu alte sunete si reproducerea lui prin difuzoarele conectate la PC. Deoarece semnalele introduse in placa de sunet in forma analogica nu necesita nici o prelucrare digitala, redarea lor nu incarca PC-ul. Pentru a elimina distorsiunile si zgomotele care apar din cauza conversiei digital-analogic, unele placi de sunet au intrari ce accepta direct semnal digital de la echipamente CD prevazute cu iesire digitala.

1.3.6 Structura

Placile de sunet ale PC-urilor moderne (figura 1.11) contin cateva sisteme hardware relative la producerea si captarea sunetelor. Exista trei subsisteme audio principale:

pentru captare

pentru sintetizare

pentru redare.

Subsistemul de captare utilizeaza convertorul ADC, iar cel de redare - convertorul DAC.

Multe placi de sunet utilizeaza una sau mai multe canale DMA pentru a citi si scrie informatiile digitale audio la / de la hardware-ul audio.

Pentru a efectua prelucrarile complexe de semnale necesare, placile de sunet utilizeaza procesoare digitale de semnal - DSP. DSP este un circuit integrat complex, destinat procesarii rapide a datelor reprezentand semnale, utilizat in comunicatiile audio, manipularea imaginilor etc.

DSP utilizeaza un algoritm complex in vederea obtinerii diferitelor efecte (reverberatii, cor, intarzieri etc.). Reverberatia creeaza impresia unei sali de concert mari. Corul este utilizat pentru a oferi impresia utilizarii mai multor instrumente, cand de fapt este programat unul singur.

Pe placa exista, de regula, un conector intern pentru intrare de semnal audio analogic (de exemplu de la unitatea de CD), pentru iesire de semnal digital, iar in unele cazuri - cand placa de sunet contine si controler de unitate CD - conector pentru aceasta unitate (specific sau standard IDE).

De asemenea, in cazul placilor cu optiune Wave Table, poate exista un conector special pentru o placa anexa (daughter-board

Ca si conectoare externe (in spatele cutiei calculatorului), se regasesc cele pentru intrare de la microfon (MIC In), intrare de semnal standard (Line In), iesire de semnal standard (Line Out), iesire pentru difuzoare (Speaker Out), conector pentru joystick sau instrumente MIDI, conector pentru modem.

Figura 1. Placa de sunet

Pe placa se pot gasi si conectoare pentru circuite suplimentare de memorie (SIMM), in special pentru stocarea de esantioane.