CartedlComanescu Bun v1

461
1 Echipamente periferice şi de automatizare Concepte constructive şi funcŃionale Partea I Dinu Mihai COMĂNESCU Adriana COMĂNESCU Cristian Gabriel ALIONTE Daniel Petre DINESCU Ileana DUGĂEȘESCU

Transcript of CartedlComanescu Bun v1

Page 1: CartedlComanescu Bun v1

1

Echipamente periferice şi de automatizare

Concepte constructive şi funcŃionale Partea I

Dinu Mihai COMĂNESCU

Adriana COMĂNESCU

Cristian Gabriel ALIONTE

Daniel Petre DINESCU

Ileana DUGĂEȘESCU

Page 2: CartedlComanescu Bun v1

2

ReferenŃi ştiinŃifici Academician Radu P. Voinea Prof.dr.ing. Mircea Petrescu, membru de onoare a Academiei Române

Page 3: CartedlComanescu Bun v1

3

Page 4: CartedlComanescu Bun v1

4

Page 5: CartedlComanescu Bun v1

5

PrefaŃă Lucrarea se adresează specialiştilor din domeniul multimediei şi echipamentelor de

birotică, studenŃilor din anii terminali sau din anii de studii aprofundate. De asemenea, aceasta poate fi utilă tuturor studenŃilor din institutele de profil tehnic, precum şi tuturor celor care doresc să îşi perfecŃioneze cunoştinŃele în ceea ce priveşte multimedia, echipamentele de birotică, tehnicile de conducere inteligentă, mecatronic, sistemele de acŃionare şi control, prelucrarea cu ajutorul perifericelor inteligente şi tehnologiile informatice inteligente.

Scopul lucrării Echipamente periferice şi de automatizare. Concepte constructive şi funcŃionale este de a iniŃia şi aprofunda pregătirea interdisciplinară a studenŃilor îmbinând armonios cunoştinŃele din domeniul ingineriei mecanice, al electronicii şi al conducerii sistemelor de calcul şi control.

Lucrarea este organizată unitar şi prezintă principii şi fundamente, metode specifice multimediei, biroticii, sistemelor de calcul. S-a dorit să se realizeze o expunere flexibilă şi relativ independentă a capitolelor.

Autorii doresc să mulŃumească domnilor referenŃi ştiinŃifici pentru amabilitatea deosebită şi spiritul analitic, constructiv cu care s-au aplecat asupra acestei lucrări, precum şi tuturor celor care au sprijinit tehnoredactarea şi editarea acestei cărŃi.

Autorii, Bucureşti, ianuarie, 2010

Page 6: CartedlComanescu Bun v1

6

1. Mecatronica – O concepŃie orientată spre dezvoltarea produselor IT

1.1. Mecatronica - concept general Dacă se vorbeşte despre periferice trebuie să se amintească şi de mecatronică, deoarece

cele două concepte s-au dezvoltat împreună de-a lungul timpului şi putem spune că mecatronica s-a dezvoltat în mare măsură datorită creşterii de autonomie, atât din punct de vedere energetic cât şi din punctul de vedere al compatibilității, al inteligenŃei, a dispozitivelor periferice. Acestea sunt produse mecatronice în adevăratul sens al cuvântului prin integrarea funcŃională a mecanicii, electronicii şi informaticii.

Termenul “mecatronică” (MECAnică + elecTRONICĂ) este o marcă japoneză, obŃinut de Yaskawa Electric Company în 1972 [40, 73, 112]. IniŃial, acest termen se referă la completarea structurilor mecanice din construcŃia aparatelor cu componente electronice. În prezent, termenul defineşte o ştiinŃă inginerească interdisciplinară care, bazându-se pe îmbinarea armonioasă a elementelor din construcŃia de maşini, electrotehnică şi informatică, şi îşi propune să îmbunătăŃească performanŃele şi funcŃionalitatea sistemelor tehnice (Figura 1.1).

Figura 1.1 – Fluxul tehnologic către integrarea mecatronică

Elementul central îl constituie tehnologia mecanică, care s-a dezvoltat către mecanizare

[44, 75]. Includerea electronicii în structurile mecanice sunt datorate progreselor din domeniul tehnologiei electronice, precum apariŃia circuitelor integrate caracterizate prin dimensiuni mici, ieftine şi fiabile, realizându-se primul pas către integrare, şi anume integrarea electromecanică. Însă, structurile electromecanice obŃinute nu dispun de inteligenŃă proprie.

Următorul pas în integrare a fost determinat de apariŃia microprocesoarelor prin care se poate adăuga un anumit nivel de inteligenŃă. Având aceleaşi caracteristici constructive ca şi circuitele integrate, microprocesoarele au putut fi integrate în structurile electromecanice realizate anterior [87]. Aceasta înseamnă că structurile nou formate pot preleva informaŃii privind starea internă, starea mediului, pot prelucra informaŃii şi pot pe baza unor instrucŃiuni să modifice comportarea sistemului.

Page 7: CartedlComanescu Bun v1

7

Ca şi în cazul multor altor domenii noi şi inovatoare , nu există o definiŃie unitară a noŃiunii de mecatronică [73, 87] în literatura de specialitate. Buur defineşte mecatronica astfel:

“Mecatronica este o tehnologie informatică pentru a produce prin interacŃiune funcŃională şi integrare spaŃială componente, module, produse şi sisteme”.

The International Federation for the Theory of Machines and Mechanisms (IFToMM) defineşte mecatronica astfel:

“Mecatronica este combinarea sinergică a ingineriei mecanice de precizie, a controlului electronic şi sistemelor de calcul, în proiectarea şi în procesele de fabricaŃie a produselor”.

Figura 1.2 - Natura multidisciplinară a mecatronicii

Auslander a definit mecatronica astfel: “Mecatronica înseamnă generarea şi aplicarea deciziilor complexe în modul de operare al

sistemelor fizice”. Mecatronica reprezintă combinaŃia sinergică a ingineriei mecanice de precizie,

electronice şi a sistemelor de calcul şi control, în proiectarea şi fabricaŃia produselor inteligente. ApariŃia şi dezvoltarea mecatronicii a fost posibilă datorită interferenŃelor bilaterale,

interdisciplinare, în urma cărora au fost realizate [73]: dispozitive electromecanice, circuite integrate, echipamente hardware, microprocesoare, microcontrolere, periferice etc.

Se pot evidenŃia anumite ramuri ale mecatronicii cum ar fi: • micromecatronica - aplică principiile mecatronicii în proiectarea şi fabricarea

microdispozitivelor şi microsistemelor; • biomecatronica - plasează aplicarea principiilor mecatronicii în domeniul biosistemelor.

Dezvoltarea mecatronicii are în vedere următoarele obiective:

Page 8: CartedlComanescu Bun v1

8

• perfecŃionarea proceselor şi produselor industriale prin tehnologie mecatronică, pentru a deveni mai rapide şi mai ieftine;

• promovarea unor soluŃii tehnice pentru maşinile şi tehnologiile noi, pe baza integrării componentelor mecanice şi electronice cu software perfecŃionat;

• proiectarea unor produse noi folosind principiile mecatronicii, care să fie înzestrate cu funcŃii sau atribute noi (exemple: autoturisme, camere video, unelte, jucării etc.);

• crearea de noi tehnici de lucru pentru domeniile interdisciplinare cum ar fi: neuroinformatica, micro şi nano tehnica, tehnologia instrumentarului medical şi biologic;

• promovarea unor concepte noi în realizarea maşinilor inteligente uman-orientate. Rezultă că un proces este mecatronic dacă înglobează componente inteligente (software)

într-o configuraŃie fizică caracterizată de inteligenŃă şi flexibilitate. Mecatronica formulează concepte şi perfecŃionează tehnicile de integrare sinergică a

componentelor unui sistem, care se aplică de la proiectarea componentelor până la realizarea produsului finit.

Conceptul de educaŃie mecatronică se bazează pe dezvoltarea gândirii sistemice şi formarea deprinderilor pentru lucru în echipă, elemente esenŃiale pentru marea performanŃă. Flexibilitatea în gândire şi acŃiune este o trăsătură definitorie a specialistului în mecatronică.

1.2. Sistem mecatronic – evoluŃie, caracteristici, clasificare

Dezvoltarea mecatronicii şi a produselor şi tehnologiilor mecatronice reprezintă o etapă

concretă în evoluŃia ştiinŃei şi tehnologiei, în condiŃiile în care electronica devenise o componentă care nu mai putea fi separată de sistemele mecanice [34].

Se va face o prezentare a evoluŃiei sistemelor tehnice, de la sisteme pur mecanice la sisteme mecatronice, după cum urmează [112]:

1681 – D. Papin inventează o supapă de siguranŃă pentru un fierbător şi utilizată în 1707 pentru reglarea presiunii la locomotiva cu abur; 1799 – Regulatorul de presiune – inventatori: R Delap şi M. Murray; 1775 – prima maşină orizontală de găurit şi alezat Ńevile de tun (englezul John

Wilkinson); 1784 – ciocanul mecanic cu abur; 1788 – inventarea maşinii cu abur (James Watt) 1795 – presa cu transmisie hidraulică; 1797 – primul strung cu cărucior şi păpuşă mobilă, acŃionate de un ax elicoidal; 1803 – Boulton şi Watt combină regulatorul de presiune cu regulatorul de nivel pentru locomotiva cu aburi; 1807 – brevet pentru un motor cu un cilindru vertical, cu funcŃionare cu gaz şi cu

aprindere cu ajutorul unei scântei electrice; 1872 – invenŃia motorului cu benzină şi supape laterale – motorul Otto; 1887– motorul Daimler, cu ardere internă, cu doi cilindri în V, la care aprinderea combustibilului avea loc la fiecare rotaŃie a arborelui (capacitatea cilindrică de 1,5 l; puterea de 7,5 CP); 1870 – motorul de curent continuu; 1889 – motorul de curent alternativ; 1945 – primul calculator electronic numeric; 1948 – tranzistorul cu germaniu;

Page 9: CartedlComanescu Bun v1

9

1952 – tranzistorul cu siliciu; 1953 – la Massachussets Institute of Technology (M.I.T.) s-a realizat şi s-au făcut demonstraŃii cu o maşină de frezat cu comandă numerică; 1958 – tiristorul; 1959 – circuit integrat; 1960 – sunt realizaŃi şi primii roboŃi industriali 1961 – instalarea primului robot industrial – UNIMATE la General Motors; 1963 – construirea robotului cu şase articulaŃii „Rancho Arm” de către cercetătorii de la Rancho Los Amigos Hospital din California; realizarea robotului Stanford pentru microchirurgie la Stanford Artificial Intelligence Laboratory. Avea 6 grade de mobilitate şi era primul robot conceput pentru comanda cu calculatorul; 1979 – Robotul mobil Stanford Cart a reuşit prima parcurgere a unei incinte mobilate cu scaune; 1973 – La Universitatea Waseda din Tokyo a fost realizat primul robot umanoid în mărime naturală – Wabot-1. 2001 – crearea robotului Asimo (Advanced Step in Innovative Mobility); Prelucrarea automată a informaŃiilor a fost revoluŃionată de apariŃia şi dezvoltarea

calculatoarelor electronice numerice. 1623 – Primul calculator mecanic - Wilhelm Schickard; 1713 – Primul patent pentru maşina de scris; Prima realizare practică poate fi citată abia peste aproape un secol (1808) - Pellegrino Turri; 1868 modelul patentat – şi respectiv schema mecanismului de bază – publicist, filozof, politician Christopher Latham Sholes (Milwaukee, Wisconsin); 1940 – Russell S. Ohl demonstreazǎ posibilitatea realizǎrii joncŃiunii “p-n” pe bazǎ de siliciu; 1942–1946 – primul calculator cu tuburi electronice - ENIAC (Electronical Numerical Integrator and Calculator), construit între la Universitatea Pennsylvania; 23 decembrie 1947 – John Bardeen, William Shockley şi Walter Brattain – amplificator într-un cristal de germaniu - bazele creǎrii tranzistorului (AT&T Bell Laboratories); 21 iunie 1948 – a fost prezentat prototipul primului calculator operaŃional cu program înregistrat construit la Universitatea din Manchester; 1950–1960 – a doua generaŃie de calculatoare cu tranzistoare. Naşterea microelectronicii a generat salturi revoluŃionare, marcate de următoarele etape semnificative; 1950 – National Bureau of Standards (USA) construieşte la Washington SEAC-ul (Standards Eastern Automatic Computer) în laboratorul pentru testarea componentelor şi a sistemelor pentru computerele standard. SEAC este primul computer cu logicǎ pe bazǎ de diode şi program înmagazinat; 1959 – anul de naştere a microelectronicii; primul circuit integrat (TEXAS INSTRUMENTS); 1953 – John Backus aduce contribuŃii în domeniul softului pentru computerul IBM 701; 1956 – Primul computer tranzistorizat – TX – la Massachusetts Institute of Technology. IBM introduce prima unitate de disc RAMAC 305 cu

capacitatea de 5 MB; 1960 – Digital Equipment introduce primal minicomputer PDP-1 – preŃ 120,000 $ primul

computer comercial echipat cu tastaturǎ şi monitor; 1969 – Intel anunŃǎ realizarea cip-ului de 1 kB memorie RAM; 1971 – producerea primului microprocesor de 4 biŃi - INTEL-4004;

Page 10: CartedlComanescu Bun v1

10

1974 – apariŃia microprocesoarelor de 8 biŃi - INTEL-8080; 1978 – producerea primului microcontroler; 1981 – primul calculator personal IBM PC-XT; 1983 – firmele Philips şi Sony, în colaborare, folosind noua tehnologie, scot pe piaŃă CD

player-ul; 1984 – firmele Philips şi Sony pregătesc DVD-ul, care va fi comercializat abia spre

sfârşitul anilor 1990; 1985 – lansarea sistemelor software AUTOCAD, dBASE III, IV şi a unor noi limbaje de

programare de nivel superior: PASCAL, C; 1986 – limbaje de programare destinate rezolvării problemelor de inteligenŃă artificială:

LISP, PROLOG; procesare în limbaj natural; 1987– explozie tehnologică în arhitectura hardware - lansarea calculatoarelor echipate cu

hard-disk-uri; Alte etape importante parcurse din 1987 şi până în prezent:

• mărirea continuă a capacităŃii de stocare a discurilor hard; • dezvoltarea tehnicilor de procesare în paralel; • introducerea discurilor optice read/write; • utilizarea de microprocesoare din ce în ce mai performante; • dezvoltarea unor noi sisteme de operare, cu performanŃe superioare; • mărirea capacităŃii memoriei interne; • creşterea vitezei de prelucrare; • extinderea posibilităŃilor de lucru în mod grafic etc.

Succinta prezentare a evoluŃiei sistemelor tehnice [112], de la sisteme pur mecanice la sisteme mecatronice, sintetizată şi în Figura 1.2 permite evidenŃierea câtorva concluzii:

Acestea sunt [73, 87, 187]: 1) Integrare spaŃială prin întrepătrunderea constructivă a subsistemelor 2) mecanice, electronice şi de comandă; 3) Integrare funcŃională, asigurată prin software. 4) InteracŃiunea funcŃională a subsistemelor intr-o singură unitate fizică. O maşină controlată de

un calculator separat nu poate fi considerată un sistem mecatronic. InteracŃiunea funcŃională şi integrarea spaŃială caracterizează cel mai bine tehnologia mecatronică. Pentru a obŃine integrarea spaŃială, miniaturizarea joacă un rol foarte important.

5) InteligenŃa înglobată unui sistem mecatronic îl detaşează de alte produse similare. Spunem că o maşină este inteligentă dacă funcŃionarea ei se bazează pe toate sau numai pe unele din următoarele caracteristici: programabilitate, posibilitatea de comunicare interactivă; autoreglare; autodiagnosticare; auto-învăŃare şi organizare a informaŃiilor acumulate.

6) Flexibilitatea reprezintă măsura în care structura unui produs mecatronic poate fi modificată pentru a îndeplini anumite cerinŃe. Este caracterizată de uşurinŃa cu care sistemul poate fi adaptat, sau se poate adapta singur, la un nou mediu, pe parcursul ciclului său de funcŃionare; implică schimbarea adecvată a programelor de control (software) şi nu a structurii sale mecanice sau electrice (hardware).

7) MultifuncŃionalitatea reprezintă o caracteristică asociată microprocesorului încorporat într-un produs mecatronic, deoarece funcŃiile multiple ale acestuia sunt definite de software-ul implementat. Odată ce un microprocesor a fost inclus într-un produs cu configuraŃie fizică flexibilă, numărul funcŃiilor sale potenŃiale se măreşte, fără o creştere substanŃială a preŃului de cost a întregului produs.

8) Invizibilitatea funcŃiilor unui produs mecatronic poate reprezenta, pentru utilizator, o caracteristică mai puŃin pozitivă. Deoarece majoritatea funcŃiilor unui produs mecatronic sunt controlate electronic, aceasta poate induce utilizatorului un anumit sentiment de neîncredere, mai ales când nu apar evidente cauzele unei disfuncŃionalităŃi.

Page 11: CartedlComanescu Bun v1

11

9) DependenŃa tehnologică. În mecatronică, soluŃiile tehnice în proiectare sunt strâns legate de tehnologiile de fabricaŃie; adesea acestea evoluează simultan şi interdependent.

Sisteme pur mecanice Până în 1900

1623 – primul calculator numeric – Wilhelm Schickard; 1788 – maşina cu abur; 1872 – motorul Otto; 1887 – motorul Daimler; Maşina de scris a lui Babbagge; Maşina de scris mecanică

1870 – motorul de curent continuu; 1887 – motorul de curent alternativ;

Sisteme mecanice cu acŃionare electrică

1920 Maşini unelte; Pompe;

Relee electrice Amplificatoare Regulatoare

Sisteme mecanice cu control automat

Anii 1930

Avioane Automobile Turbine cu abur Maşina de scris electrică

1948, 1952 – Tranzistorul 1958 – Tiristorul 1959 – Circuitul integrat 1971 – Microprocesorul de 4 biŃi – INTEL 4004 1974 - Microprocesorul de 8 biŃi – INTEL 8080

Sisteme mecanice cu: control electronic analogic; control secvenŃial; control numeric

1950 - 1980

Lifturi cu control automat; Maşini unelte cu comandă numerică, RoboŃi industriali, Periferice de calculator.

1978 – microcontrollerul 1981 – PC-ul Magistrale de proces Senzori şi actuatori Integrarea componentelor

Sisteme mecatronice integrare mecanică, electronică şi tehnică de calcul → Sinergie; software-ul determină funcŃiile; noi instrumente de proiectare

De la mijlocul anilor 1980

RoboŃi mobili; Linii flexibile; Controlul electronic al automobilului (ABS, ESP); UnităŃi CD, CD-ROM, DVD; DVD-ROM

Figura 1.3 EvoluŃia sistemelor mecanice, electrice şi mecatronice

Integrarea electronicii şi a tehnicii de calcul a condus la simplificarea substanŃială a componentelor mecanice şi la sisteme ieftine. PărŃi mecanice au fost înlocuite cu componente electronice, fiabile şi uşor de întreŃinut, facilitând auto-diagnoza. Aceste sisteme sunt precise, întrucât bucla de comandă nu se bazează pe sisteme mecanice unde rigiditatea şi stabilitatea mecanică este esenŃială, ci pe sisteme electronice de măsurare şi reglare. Simplificarea construcŃiei mecanice a fost facilitată şi de comanda descentralizată, cu ajutorul microcalculatoarelor, a acŃionărilor electrice, ca, de exemplu, la maşini de scris, maşini de cusut, manipulatoare cu mai multe cuple.

Introducerea unor sisteme de reglare informatizate pentru poziŃie, viteză, forŃă etc. permite nu numai menŃinerea în limite rezonabile de precizie a mărimilor programate, dar şi obŃinerea unei comportări quasi-liniare, chiar dacă sistemul mecanic comandat este neliniar.

Reamintim aici câteva date importante din istoria computerelor: Blaise Pascal – 1642 – inventează primul calculator mecanic;

Page 12: CartedlComanescu Bun v1

12

Charles Babbage – 1830 – a construit două maşini (funcŃionau cu aburi!) de calcul: "Difference Engine" şi "Analytical Engine";

Fundamentele structurale ale generaŃiei actuale de computere digitale se bazează pe arhitectura elaborată de John von Neumann în anii 1940 (Figura 1.4).

Figura 1.4 Modelul procesării datelor al lui John von Neumann

Ideea originală a lui von Neumann a fost aceea a unui program executabil care să

controleze activitatea unei maşini de uz-general. În acest caz programul este o listă de instrucŃiuni folosite într-un anumit scop iar computerele folosesc memoria internă pentru a stoca atât programe cât şi date.

Vom vedea că pentru a face distincŃie între programe şi date (în final acestea se rezumă la şiruri de biŃi) trebuie ca acestea să fie stocate în memorie în regiuni specifice diferite.

Activitatea complexă a unui computer este posibilă prin strânsă interacŃiune între hardware şi software. Software-ul este stocat în memorie iar unitatea centrală de procesare (UCP - procesorul) reprezintă partea hardware ce execută practic instrucŃiunile unui program. Este interesant de remarcat faptul că ideea de bază a lui von Neumann a rămas neschimbată de peste 50 de ani: un computer conŃine un program modificabil aflat în memoria unificată şi guvernează activităŃile sale operaŃionale.

O mică modificare a fost totuşi adusă acestui concept de bază: aşa numita "arhitectură HARVARD", care separă datele de programe şi necesită memorii distincte pentru acestea, cât şi magistrale de acces diferite. Scopul acestei separări este acela de a creşte ratele de transfer şi de a îmbunătăŃi (creşte) cantitatea de date procesate în unitatea de timp.

1.3. Caracteristicile mecatronicii

InterfeŃe cu alte maşini

InterfaŃa om-maşină HMI

(Human-machine interface)

Sistem de comandă cu calculator

Sistem mecanic Sistem de acŃionare

Surse de energie auxiliară

Sursa principală de energie

AcŃiune utilă asupra mediului

Flux de informaŃie Flux de informaŃie

Senzori

Interni Externi

Valorile comandate

Valorile măsurate

Figura 1.5 Diagrama bloc a unui sistem mecatronic

Page 13: CartedlComanescu Bun v1

13

Un sistem mecatronic este un sistem tehnic care integrează, într-o configuraŃie flexibilă, componente mecanice, electronice şi de comandă cu sisteme numerice de calcul, pentru generarea unui control inteligent al mişcărilor, în scopul realizării unor sarcini multiple. Diagrama bloc a unui sistem mecatronic este prezentată în Figura 1.5.

Sistemul mecatronic este cel care efectuează diverse sarcini. Acesta exercită o acŃiune utilă asupra unor componente ale mediului său (Figura 1.6).

Obiect

Senzori

Program extern Planificarea mişcării

Procesor semnale Cuplare

Microprocesor sau controler

Software de control

Decodor Sursă de energie Motoare

Unitate de control logic programabil

Codor cu temporizare

Sistem de acŃionare Mişcare liniară sau de rotaŃie

Sistem mecanic

Mişcare Analiza mişcării

Corectă Senzori

ReacŃie inversă

Rezultate AcŃiune utilă

Figura 1.6 – Principiul de lucru generalizat şi părŃile componente ale unui sistem mecatronic

1.4. Clasificarea sistemelor mecatronice Pentru a realiza o clasificare a sistemelor mecatronice, vor fi luate în considerare mai

multe criterii, care vor fi prezentate în continuare [187]. În lucrarea [58] clasificarea se bazează pe sistemele mecanice, care constituie suportul

pentru configurarea unei structuri mecatronice: 1) Componente mecanice (incluzând componente mecanice de bază – lagăre, ghidaje, cuplaje,

angrenaje etc. şi componente pentru generarea forŃelor şi mişcărilor – lanŃuri cinematice, lanŃuri de acŃionare, componente hidraulice/pneumatice, componente electromecanice etc.);

2) Maşini (incluzând maşini generatoare de energie – electromotoare, motoare cu combustie internă, turbine etc.) şi maşini consumatoare de energie – maşini unelte, utilaje tehnologice, maşini agricole);

3) Vehicule (automobile, trenuri, vapoare, avioane, navete spaŃiale); 4) Produse ale mecanicii fine (incluzând componente mecanice de precizie – lagăre, ghidaje,

lanŃuri cinematice şi de acŃionare, comutatoare, relee, senzori, actuatori şi dispozitive de mecanică fină – înregistratoare, imprimante, dispozitive de comunicaŃie, aparatură electrocasnică, aparatură optică, aparatură medicală);

Page 14: CartedlComanescu Bun v1

14

5) Produse ale micro-mecanicii (incluzând componente micro-mecanice - lagăre, ghidaje, lanŃuri cinematice şi de acŃionare şi sisteme micro-mecanice – senzori, actuatori, motoare, pompe).

6) Prin adăugarea şi integrarea componentelor electronice şi de comandă cu sisteme de calcul la/în aceste structuri mecanice se obŃin sisteme mecatronice corespunzătoare, care pot fi clasificate în: a) Componente mecatronice; b) Maşini mecatronice; c) Vehicule mecatronice; d) Mecatronică de precizie; e) Micro-mecatronică.

O altă clasificare (Figura 1.7), propusă în [66], împarte sistemele mecatronice în: 1) Sisteme mecatronice convenŃionale; 2) Sisteme micro-mecatronice; 3) Sisteme nano-mecatronice.

Sisteme mecatronice

Sisteme micro-

mecatronice

Sisteme nano-

mecatronice

Sisteme mecatronice

convenŃionale

Teorii fundamentale: Mecanica clasică Electromagnetism

Teorii fundamentale: Teoria cuantică

Nanoelectromagnetism

Figura 1.7 – Clasificarea sistemelor mecatronice

The Japan Society for the Promotion of Machine Industry (JSPMI) grupează produsele mecatronice în următoarele clase:

Tabelul 1.1 Clase de grupare a produselor mecatronice

Clasa SpecificaŃie Exemple 1 cuprinde produsele tradiŃionale mecanice la care

funcŃiile primare au fost îmbunătăŃite prin introducerea componentelor electronice.

maşini unelte şi roboŃi cu comandă numerică, la care precizia a fost îmbunătăŃită cu controlere electronice;

a 2-a cuprinde produse tradiŃionale mecanice care şi-au păstrat configuraŃia fizică externă şi funcŃiile primare, dar cărora le-a fost schimbată configuraŃia internă prin folosirea tehnologiei electronice.

maşinile de cusut

a 3-a grupează produsele tradiŃionale mecanice cărora le-au fost păstrate numai funcŃiile primare

ceasuri şi telefoane electronice care prezintă şi alte funcŃii

a 4-a cuprinde orice alte produse care încorporează tehnologie mecanică şi electronică.

maşini de copiat, fax-uri, camere video

Page 15: CartedlComanescu Bun v1

15

Produsele mecatronice se întâlnesc la tot pasul. Maşini unelte moderne, aparatura de cercetare, ultimele tipuri de automobile, aparatura electrocasnică, tehnica de telecomunicaŃii, acestea sunt doar câteva astfel de produse. Mecatronica este prezentă în toate domeniile de activitate, inclusiv în agricultură şi construcŃii.

Dezvoltarea tehnologiei prin apariŃia circuitelor integrate, mici, ieftine şi fiabile, a făcut posibilă integrarea acestora în structura mecanică a produselor. Următoarea etapă în dezvoltarea tehnologică a fost marcată de apariŃia procesoarelor care, integrate în structurile electromecanice, le conferă acestora inteligenŃă. Prin comparaŃie cu tehnologia convenŃională, care operează cu elementele “materie” şi “energie”, în tehnologia mecatronică acestora li se adaugă componenta “informaŃie”.

Produsele mecatronice pot fi clasificate astfel: 1) Produse mecatronice în industrie

a) Industria construcŃiilor de maşini: b) RoboŃi industriali; c) Maşini cu comandă numerică controlate de calculator; d) Lagăre magnetice; e) Organe de maşini cu electronică integrată. f) b) Industria autovehiculelor: g) Vehicule autoghidate; h) Sisteme de conducere automată pentru vehicule; i) Sisteme de suspensie evoluate; j) Sisteme de injecŃie electronice; k) Sisteme de condiŃionare a aerului. l) Industria aerospaŃială:

i) Aeronave militare autonome; ii) Sisteme automate de navigaŃie; iii) Rachete autoghidate. iv) d) Industria sistemelor de calcul: v) Imprimante şi plottere laser; vi) Sisteme de citire/scriere a informaŃiei.

m) Produse biomecatronice 2) În domeniul biotehnic:

a) Bioreactoare cu conducere automată; b) RoboŃi agricoli; c) RoboŃi în industria alimentară; d) Maşini agricole autonome; e) Aparate automate pentru analiza caracteristicilor produselor agro-alimentare.

3) In domeniul medical: a) RoboŃi pentru ajutor individual; b) Organe artificiale; c) Aparate auditive cu comprimarea benzii frecvenŃelor audio; d) Aparate chirurgicale sau pentru investigaŃii medicale complexe.

4) Produse mecatronice de uz general a) Camere foto; b) Camere video; c) Sisteme video – recorder programabile; d) Antene TV cu poziŃionare automată; e) Maşini de copiat color, programabile; f) Maşini automate pentru efectuat fotografii.

5) Produse mecatronice în construcŃii

Page 16: CartedlComanescu Bun v1

16

a) InstalaŃii complexe de climatizare; b) Sisteme automate de securitate; c) Sisteme de irigare controlate de calculator.

6) Produse micromecatronice a) Microsisteme cu acŃiune electrostatică; b) Microsisteme pentru frezat; c) Sisteme microelectromecanisme.

1.5. Integrarea în mecatronică. Concept şi modalităŃi

1.5.1. Conceptul de integrare Implementarea conceptelor mecatronicii în realizarea produselor presupune integrarea

sinergică a: 1) Sistemelor mecanice (sistemul condus şi dispozitivele mecanice şi elementele de execuŃie); 2) Structurilor de conducere adaptivă şi inteligentă (controlere inteligente); 3) Electronicii (dispozitive microelectronice, de putere etc.) prin interacŃiune funcŃională,

prevăzută de la fazele de concepŃie şi proiectare până la ultima fază a ciclului de realizare tehnologică.

4) Integrarea sinergică se referă la implementarea algoritmilor pentru: 5) InteracŃiunea funcŃională; 6) Distribuirea cunoştinŃelor, a informaŃiilor; 7) Comunicarea de date în interiorul şi exteriorul unui sistem mecatronic.

1.5.2. Modalit ăŃi de integrare Integrarea într-un sistem mecatronic poate fi realizată în două moduri, respectiv prin

integrarea componentelor şi integrarea prin procesarea informaŃiilor [87, 187]: 1) Integrarea componentelor (integrarea hardware) rezultă din proiectarea sistemului mecatronic

ca un întreg compact compus din: sistemul condus propriu zis, elemente de execuŃie, senzori şi traductoare, microcalculatoare.

2) Integrarea prin procesarea informaŃiilor (integrarea software) are în vedere integrarea funcŃiilor şi structurilor de reglare şi conducere (Figura 1.8)

Procesare informaŃii

Software

Hardware

CunoştinŃe despre proces

Microcalculator Elemente de execuŃie

Procesul mecanic

Senzori

Figura 1.8 – Integrarea software

Page 17: CartedlComanescu Bun v1

17

Pentru conducerea unui proces sunt necesare: 1) cunoştinŃe despre proces – pot fi obŃinute prin identificarea sistemului şi pe baza experienŃei

operatorilor de proces; 2) cunoştinŃe despre conducere – sunt cunoştinŃe despre conducerea automată precum şi

cunoştinŃe specifice ce include logica euristică. Se poate face o comparaŃie între sistemele convenŃionale şi cele mecatronice: Tabelul 1.2 ComparaŃie între sistemele convenŃionale şi cele mecatronice

SISTEM CONVENłIONAL SISTEM MECATRONIC CONECTAREA COMPONENTELOR • ansamblu voluminos; • mecanisme complexe; • scheme de legătură complexe; • funcŃionare cu restricŃii.

INTEGRAREA COMPONENTELOR (HARDWARE) • ansamblu compact; • mecanisme simple; • legături scurte; • autonomie lărgită.

SISTEME DE REGLARE CONVENłIONALE • construcŃie rigidă; • reglare cu acŃiune directă; • reglare combinată; • toleranŃe restrânse; • mărimi nemăsurabile; • monitorizare simplă.

INTEGRARE SOFTWARE • construcŃie flexibilă; • conducere adaptivă; • conducere inteligentă; • reglarea mărimilor nemăsurabile; • supervizare cu diagnoza erorilor; • capacitate de autoinstruire

(învăŃare). Integrarea software (prin procesarea informaŃiilor) se realizează prin:

• procesarea semnalelor de intrare şi ieşire direct măsurabile; • procesarea mărimilor de stare (nemăsurabile) prin intermediul unor modele matematice

performante; • integrarea unor soluŃii ierarhizat de conducere în cadrul cărora primul nivel de reglare e

subordonat nivelului de adaptare; • implementarea conducerii inteligente.

Procesarea semnalelor de intrare şi ieşire direct măsurabile ale unui proces se organizează pe câteva nivele astfel:

Nivel 1 – reglarea convenŃională; Nivel 2 – conducerea adaptivă şi optimală; Nivel 3 – supervizarea cu includerea diagnozei erorilor; Nivel 4 – optimizarea şi coordonarea procesului (conducerea la nivel superior). Procesarea mărimilor de stare (inclusiv cele nemăsurabile) necesită culegerea

informaŃiilor cu ajutorul unor filtre speciale pentru determinarea amplitudinilor, frecvenŃelor, pentru derivarea sau integrarea unor mărimi.

Integrarea unor soluŃii ierarhizat de conducere în cadrul cărora primul nivel de reglare e subordonat nivelului de adaptare. Multe procese reale prezintă o comportare dinamică în timp. Pentru a asigura performanŃele impuse sistemului în care se desfăşoară procesul, este necesară adoptarea unei soluŃii ierarhizate de conducere în cadrul căreia primul nivel de reglare se subordonează nivelului de adaptare.

În cadrul proceselor complexe cu varianŃă pronunŃată şi incertitudini parametrice şi structurale, se recomandă o conducere adaptivă cu organizare pe două straturi funcŃionale reglare – adaptare, în cazul cel mai general al conducerii optimale se va apela şi la cel de-al treilea strat.

Page 18: CartedlComanescu Bun v1

18

Implementarea conducerii inteligente. Complexitatea procesor, incertitudinile care pot caracteriza modele matematice asociate acestora, varianta pronunŃată a condiŃiilor de mediu în care evoluează procesul, impun folosirea unor sisteme de conducere cu elemente de inteligenŃă care realizează adaptarea la cerinŃele conducerii într-un mediu nestructurat. Un astfel de sistem prezintă abilitatea de a se autoperfecŃiona prin învăŃare şi de a lua decizii în medii nestructurate în cadrul unor arhitecturi în care funcŃiile de conducere sunt distribuite pe mai multe nivele (subsisteme) răspunzătoare de performanŃele lor.

Strategii de inferenŃă

RaŃionament calitativ

Prelucrare cantitativă

Mecanism de inferenŃă

Decizii: reglare; conducere;

optimizare; management

InterfeŃe de comunicare

InteracŃiunea om-maşină

Management bază de date

Comunicare extern-intern

Baza de cunoştinŃe Algoritmi de conducere

Sarcini

DocumentaŃie, predicŃie

Optimizare calitativă

Proiectare calitativă

Estimare calitativă

Modelare calitativă

Optimizare cantitativă

Proiectare analitică

Calcul parametri

Modelare analitică

Management

Optimizare, coordonare

Supervizare

Conducere adaptivă

Reglaje convenŃionale

Element de execuŃie Proces Senzori U Y

Figura 1.9 – Sistem automat inteligent cu conducere multinivel bazată pe cunoştinŃe şi motor de inferenŃă

Page 19: CartedlComanescu Bun v1

19

1.6. ConsideraŃii generale privind proiectarea sistemelor mecatronice

Varianta de proiectare clasică [87, 112], anterioară filozofiei mecatronice, presupunea proiectarea unui produs, având o funcŃie mecanică (de execuŃie de mişcări sau transmitere de forŃe) şi înzestrat cu componente electrice şi electronice şi un sistem de control, în mai multe etape succesive (Figura 1.10): • într-o primă etapă, ingineri mecanici proiectau structura mecanică de bază; • în a doua fază a proiectării, inginerii de profil electric şi electronic completau această structură

cu senzorii şi actuatorii necesari; • ultima etapă era realizată de ingineri automatişti, al căror rol consta în implementarea unei

structuri de control şi a unui algoritm adecvat funcŃionării întregului ansamblu.

Proiectare parte mecanică

Proiectare parte electrică

Proiectare sistem şi algoritmi

de comandă

Componente aparate

Figura 1.10 - Modelul proiectării clasice (secvenŃiale)

Mecatronica are la bază principiile ingineriei concurente, impunând, încă din momentul

demarării proiectării unui produs, munca într-o echipă, care include atât ingineri de diferite specializări, cât şi reprezentanŃi ai compartimentelor de fabricaŃie, marketing, din domeniul financiar etc. Colaborarea permanentă pe parcursul proiectării este esenŃială, întrucât sistemul mecanic influenŃează sistemul electronic, şi invers, sistemul electronic are un rol important în proiectarea unei structuri mecanice adecvate. ObŃinerea efectelor sinergetice poate fi realizată numai prin inginerie simultană (Figura 1.10).

Succesiunea etapelor de proiectare este prezentată în Figura 1.11 [59] astfel: 1) FuncŃii ale sistemului mecatronic

a) Proiectarea sistemului mecanic de bază: simplificare; b) ÎmpărŃirea funcŃiilor între mecanică şi electronică; c) PerformanŃe în funcŃionare: precizie, domenii mari de lucru, funcŃionarea în apropierea

limitelor extreme;

Page 20: CartedlComanescu Bun v1

20

d) FuncŃii noi: controlul mărimilor care nu pot fi măsurate, generarea unor comportamente dinamice speciale, sisteme adaptive, detectarea timpurie a erorilor în funcŃionare şi diagnosticarea erorilor;

e) Vehicule „drive-by-wire”, avioane „fly-by-wire”: tolerante la erori, componente redundante, proprietăŃi influenŃate de software;

f) Noi senzori (micro-mecatronică), senzori inteligenŃi; g) Noi actuatori: electro-mecanici, piezo-electici, electro-reologici.

2) Forme de integrare a) Integrarea componentelor (integrarea hardware, integrarea senzorilor, actuatorilor şi a

microelectronicii în structura mecanic a sistemului); b) Integrarea prin procesarea informaŃiei (integrarea software, bazată pe cunoaşterea

modelului şi a procesului, metode algoritmice). 3) Componente electronice

a) LanŃ de prelucrare a informaŃiei: senzori → microcalculatoare → actuatori; b) Microelectronică „dedicată” (embedded); c) Microprocesoare, microcontrollere, DSP-uri, ASIC; d) Magistrale şi protocoale de comunicaŃie: CAN-, PROFI-, SERCO-Bus; e) Structuri redundante: arhitecturi duble şi triple pentru funcŃiile critice pentru f) siguranŃa sistemului.

4) Operare: noi interfeŃe om-maşină a) Pedale electronice sau manete cu reacŃie haptică; b) Tele-manipulare; c) Noi tipuri de sisteme de afişare.

5) Metode de proiectare a) Instrumente software pentru modelare şi simulare; b) Instrumente software pentru proiectarea şi construcŃia sistemelor mecanice şi electronice; c) Simulare în timp real (simulare „hardware-in-the-loop”, prototipare a controlului).

6) Efecte sinergetice a) Noi efecte prin integrarea hardware şi software; b) Reducerea componentelor mecanice, prin îmbinarea componentelor mecanice şi

electronice. Una dintre cele mai provocatoare probleme în proiectarea sistemelor mecatronice este

aceea a elaborării arhitecturii sistemului, respectiv a alegerii componentelor hardware (actuatori, senzori, electronică de putere, circuite integrate (ICs – Integrated Circuits), microcontrollere, DSP-uri) şi a modulelor software (algoritmii pentru realizarea percepŃiei şi controlului, fluxul de informaŃie şi achiziŃia datelor, simularea, vizualizarea şi prototiparea virtuală).

Proiectare parte mecanică

Proiectare parte electrică

Proiectare sistem şi algoritmi de comandă

Figura 1.11 - Modelul proiectării simultane (concurente)

Page 21: CartedlComanescu Bun v1

21

Principalele diferenŃe de abordare a proiectării sistemelor convenŃionale şi a celor mecatronice sunt sintetizate în tabelul 1.4.

Tabel 1.4 DiferenŃe principiale între proiectarea convenŃională şi cea mecatronică

PROIECTARE CONVENłIONALĂ PROIECTARE MECATRONICĂ Componente separate (sisteme mecanice complexe)

Sisteme integrate, cu preluarea unor funcŃii mecanice de către electronică şi software

Precizie realizată prin toleranŃe foarte strânse Precizie realizată prin măsurare şi bucle de reacŃie

ConstrucŃie rigidă ConstrucŃie elastic şi uşoară Probleme de cablare Utilizarea magistralelor Mişcare comandată Mişcare programată Mărimile care nu pot fi măsurate nu pot fi influenŃate

Calculul şi reglarea mărimilor care nu pot fi măsurate

Supravegherea simplă, bazată pe valori limită Supravegherea prin diagnoza erorilor Tabelul 1.3 Etapele proiectării unui sistem mecatronic

1. ConstrucŃia de bază a procesului Mecanică, electrică, termodinamică 2. Prima împărŃire a funcŃiilor de bază Flux de energie, flux de informaŃii 3. Senzorică, AcŃionare, Energie auxiliară

Principii; Integrare constructivă; Prelucrare descentralizată a informaŃiei (componente ‘inteligente’)

4. FuncŃii de bază ale prelucrării informaŃiei

Comandă, Reglare; Supraveghere; Coordonare, Optimizare.

5. Deservire, InterfaŃă om-maşină SoluŃii convenŃionale; SoluŃii noi. 6. Arhitectură Hardware

Microprocesoare (standard/speciale) ; Structură de bază : descentrală - centrală; Magistrală şi protocol de comunicaŃie.

7. Software

Probleme, cerinŃe; Structura software; Implementare (codificare); Validare; Limbaj; CapabilităŃi de timp.

8. Integrarea funcŃională a procesului și electronicii prin prelucrarea informaŃiei

Adaptarea funcŃiilor de bază ; Amortizare electronică ; Liniarizare prin algoritmi; InfluenŃarea mărimilor nemăsurabile. Domenii mari de lucru cu ajutorul algoritmilor adaptivi ; FacilităŃi de învăŃare ; Diagnosticarea erorilor.

9. Simplificarea construcŃiei de bază

Cinematica, acŃionări descentralizate, ConstrucŃie uşoară şi flexibil ă.

10. Măsuri pentru mărirea fiabilităŃilor şi siguranŃei

Recunoaşterea timpurie a erorilor;RedundanŃă” fail-safe”; Reconfigurare.

11. Utilizarea unor instrumente speciale de proiectare

Elaborarea de modele; Identificarea; Simularea (inclusiv Hardware-in-the-Loop); Optimizarea funcŃiilor (CAD)

12. Verificare experimentală Pe componente; Întregul sistem

Page 22: CartedlComanescu Bun v1

22

2. Sisteme de calcul. Sisteme de conducere În ultimii ani calculatoarele au devenit, indiscutabil, componente vitale ale societăŃii,

fiind prezente în activităŃi din cele mai diverse în industrie, economie, educaŃie, sănătate, cercetare; practic în orice domeniu economic sau social al societăŃii. De asemenea, calculatoarele au produs o nouă revoluŃie pentru civilizaŃie, revoluŃia informaŃională adusă de acestea încadrându-se după revoluŃiile din agricultură şi din industrie. Contribuind la creşterea puterii intelectuale a omenirii, calculatoarele au afectat şi afectează în continuare toate domeniile investigaŃiei ştiinŃifice, cercetarea computaŃională conlucrând cu cea teoretică şi cea experimentală în explorarea de noi frontiere ale cunoaşterii în cele mai diverse domenii: biologie, chimie, astronomie, medicină, etc. RevoluŃia din domeniul calculatoarelor evoluează continuu; aplicaŃii care până ieri erau de domeniul ştiinŃifico-fantasticului sunt astăzi aplicaŃii banale, de la automatele bancare la microprocesoarele integrate în automobile, de la calculatoarele mobile ultra-compacte şi miniaturizate la Internet şi World Wide Web.

În condiŃiile dinamicii actuale de dezvoltare a biroticii în general şi a tehnicii de calcul în special, problematica concepŃiei în cercetarea şi proiectarea specifică domeniului este deosebit de complexă. Aspectele cercetării în acest domeniu privite evolutiv, de la nivelul anilor 1981, când IBM a lansat prima structură de calcul în concepŃia de computer personal (PC), au îmbrăcat forme deosebit de variate, utilizând concepte multidisciplinare, atât fundamental teoretic cât mai ales tehnologic. Astfel, în primii ani, termenul de PC nu era foarte strict; el se referea la orice structură de calcul care îndeplinea anumite funcŃiuni, sub aspect conceptual, destul de largi.

De fapt, folosind o definiŃie specializată, un PC înseamnă o structură de calcul compatibilă cu primul IBM Personal Computer-adică un calculator care foloseşte un procesor care este capabil să înŃeleagă aceleaşi programe şi limbaje de programare ca şi primul PC lansat pe piaŃă la nivelul anului 1981. Ulterior, se utiliza conceptul de structură "compatibilă IBM ", deoarece în acei ani de început (aproximativ 1981-1987), modelul IBM era standardul industrial acceptat pe care îl copiau toŃi producătorii. După 1987 termenul de "compatibil IBM" a fost treptat substituit cu "compatibil PC" ca urmare a unui fenomen legat de apariŃia şi a altor producători de astfel de structuri de calcul alături de IBM. Folosind această definiŃie mai limitată, un PC este o structură de calcul al cărui model se bazează, în linii mari, pe cea a primului IBM PC. Microprocesorul este produs de Intel sau de către o altă firmă, dar în acest din urmă caz este astfel proiectat încât să emuleze un microprocesor Intel.

Celelalte componente hardware respectă normele impuse de standardele specifice domeniului, aşa zisele standarde de certificare. Deci, de fapt prin standardizare sunt instituite mijloacele de certificare a faptului că un PC respectă o anumită clasă de performanŃă. Interesant de subliniat este faptul că în sine, acestea nu sunt standarde impuse de mari organisme internaŃionale precum ANSI (American National Standards Institute), IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) sau ISO (International Standards Organization) şi nici nu sunt garantate de organizaŃii guvernamentale. Sunt de fapt specificaŃii arbitrar stabilite de o singură companie sau de o organizaŃie industrială de testare a pieŃii. Singura modalitate de impunere, este de fapt, furnizată de legea înregistrării mărcii; deci, iniŃiatorul standardului este proprietarul mărcii înregistrate care apare pe eticheta asociată şi în final, poată să dispună cine are dreptul să utilizeze marca înregistrată.

În această situaŃie sunt două mari organizaŃii şi anume: • Multimedia PC Marketing Council, • Microsoft Corporation.

Aceste două organizaŃii au iniŃiat şi lansat standarde de certificare a PC-urilor şi decid dacă un sistem de calcul respectă ca atare aceste standarde. Atestarea acestei încadrări în normele impuse o constituie permisiunea ca produsul respectiv să poarte eticheta de marcă înregistrată. Pe

Page 23: CartedlComanescu Bun v1

23

de altă parte, această etichetă confirmă şi faptul că respectivul PC funcŃionează cu produsele de software impuse şi produse de cele două organizaŃii.

În acest sens, un exemplu concludent este eticheta MMX a firmei Intel care pe lângă alte aspecte ea atestă compatibilitatea hardware precum şi cea software.

OrganizaŃia Multimedia PC Marketing Council a impus primul standard de certificare a tuturor sistemelor de calcul destinate rulării programelor multimedia, în acest sens s-a impus conceptul de PC Multimedia, ca fiind un sistem de calcul într-o configuraŃie (sub aspectul perifericelor, pe de o parte), capabil să preia informaŃii sonore precum şi imagini, pe care să le prelucreze pe baza unui software specializat (pe de altă parte) conform normelor multimedia.

Deci, este firesc că pentru prelucrarea acestor informaŃii complexe sistemul de calcul respectiv să fie dotat cu un microprocesor foarte puternic precum şi cu echipamente de stocare de mare capacitate şi viteze de acces foarte mari. Toate aceste deziderate au fost cuprinse integral în standardele de certificare ale organizaŃiei MPCMC (Multimedia PC Marketing Council).

În anul 1996, organizaŃia MPCMC este înlocuită ca proprietar al specificaŃilor multimedia PC de un comitet al organizaŃiei Software Publishers Association, denumit Multimedia PC Working Group (MPCWG). O dată cu apariŃia sistemelor de operare de tip Windows, puterea de calcul a sistemelor PC a crescut vertiginos ca o cerinŃă imperios necesară impusă de aceste noi sisteme de operare. Sub acest aspect, firma Microsoft a impus un set minim de cerinŃe pe care trebuie să le îndeplinească un PC pentru a fi certificat ca atare sub sigla Windows. Acest set de cerinŃe este cunoscut sub denumirea de " Ghiduri de proiectare PC 9x " (PC 95 - PC 99). În tabelul 2.1. se prezintă comparaŃia între principalele standarde de certificare ale PC-urilor.

Tabelul 2.1

1 Data apariŃiei 1990 Mai 1993 Iunie 1995 Noiembrie1995

Ianuarie 1997

2 Tipul micro - procesorului

386 SX 486 SX Pentium Nu este specificat

Pentium

3 Viteza micro-procesorului

16 MHz 25 MHz 75MHz - 120 MHz

4 Memorie 2 MB 4 MB 8 MB 4MB 16 MB

5 Unitate de dischete 1.44 MB 1.44 MB 1.44 MB Nu este necesară

Nu este necesară

6 Disc 30 MB 160 MB 540 MB Nu este specificat

Nu este specificat

7 Viteza unităŃii CD ROM

1x 2x 4x 6x 8x

8 Timpul de acces la CD ROM

1000 ms 400 ms 250 ms 150 ms 100 ms

Port serial Un RS-232 Un RS-232 16550A Un RS-232 USB 10 Port paralel Un SPP Un SPP Un SPP Un SPP ECP

11 Port pentru jocuri Unul Unul Unul sau USB

Nu este specificat

Nu este specificat

În tabelul 2.2 se prezintă principalele cerinŃe ale standardului PC 97. Este deosebit de

interesant de remarcat că prin specificaŃiile acestui standard se evidenŃiază împărŃirea industriei de sisteme de calcul în următoarele direcŃii principale: • PC cu cerinŃe minime care rulează cu sistemul de operare Basic PC 97; • PC folosit curent în afaceri (destinat mai ales operaŃiilor economice, de management de

marketing etc.) denumit ca structură Workstation;

Page 24: CartedlComanescu Bun v1

24

• PC utilizat pentru acasă cu destinaŃii universale, aşa zisa structură Entertainment PC 97. Este de asemenea demn de remarcat că pentru structura minimală Basic PC 97, Microsoft

impune un Pentium la 120 MHz, ceea ce în urmă cu câŃiva ani ar fi reprezentat vârful unei tehnologii în acest domeniu.

Tabel 2.2

Nr. crt.

Caracteristică Basic PC-97 Workstation PC-97 Enteratinment PC-97

1 Microprocesor Pentium Pentium Pentium 2 Viteza 120 MHz 166 MH? 1G6 MHz 3 Memorie 16 MB 32 MB 16 MB 4 ACPI 24 Necesar Necesar Necesar 5 OnNow ” ” ” 6 Plug-and-Play ” ” ” 7 USB 1 port 1 port 2 porturi 8 IEEE 1394 Recomandat Recomandat Necesar 9 Magistrala ISA OpŃională OpŃională OpŃională

10 Tastatura ConvenŃională ConvenŃională USB sau tară tir

11 Dispozitiv de Indicare ” ” ”

12 InterfaŃă Recomandată Recomandată Necesară cu distanŃă

13 Audio ” ” PosibilităŃi audio

14 Modem sau ISDN ” ” Necesar

15 RezoluŃie de afişare 800x600x16 1024x768x16 1024x768x16 16 Memorie video 1 MB 2 MB 2 MB 17

Magistrala video locală

necesară necesară necesară

18

Controller principal de magistrală

” ” ”

Notă: USB - Universal Serial Bus; ACPI - Advanced Configuration and Power Interface; ISDN - Integrated Services Digital Network; ISA - Industry Standard Architecture; IEEE 1394 - Standard Signaling Melhod for a Serial Peripheral ce for Personal Computers, (standard pentru porturi seriale PI 394 );

Se observă că Microsoft a renunŃat la magistrala conversaŃională de extensie, cunoscută sub numele de ISA, propunând pentru ultimele versiuni magistrala PCI 2. l (Peripheral Component Interconnect).

DiferenŃa dintre cerinŃele de memorie ale sistemelor pentru afaceri şi pentru acasă reflectă cerinŃele de memorie ale aplicaŃiilor respective. Într-un calculator folosit pentru afaceri este mai probabilă rularea simultană a mai multor aplicaŃii şi vehicularea unor blocuri mari de date, ceea ce duce la creşterea cerinŃelor de memorie; pe de altă parte, sistemele folosite acasă au nevoie de interfeŃe de conexiune mai rapide, cum ar fi IEEE 1394 (porturi seriale) pentru a obŃine cele mai bune rezultate posibile din aplicaŃiile multimedia, un port USB suplimentar şi obligatoriu un modem şi un sistem audio de înaltă calitate.

În ianuarie 1997, firma Intel a lansat pe piaŃă microprocesoarele Pentium MMX. Aceste noi tipuri de procesoare sunt capabile în numeroase aplicaŃii multimedia, care presupun prelucrări de date audio şi video, să-şi sporească performanŃele cu 50 - 60% faŃă de cele clasice. În aceeaşi perioadă şi alte firme, cum ar fi AMD sau Cyrix lansează pe piaŃă procesoare în tehnologia MMX.

Page 25: CartedlComanescu Bun v1

25

În funcŃie de necesităŃi şi de domeniile de utilizare PC - ul se poate diferenŃia în arhitecturi cu configuraŃii diverse. Sub acest punct de vedere se pot distinge următoarele tipuri de structuri:

StaŃii de lucru (workstation) - sunt acele sisteme puternice, specializate în general pentru o singură destinaŃie; de exemplu o staŃie de lucru grafică (staŃie grafică) este un calculator puternic, proiectat pentru a prelucra cu mare viteză desene tehnice sau alte imagini complexe, în general aceste sisteme au o arhitectură diferită de cea a unui PC clasic fiind mult mai complexe sub aspectul structurii hardware.

Serverele – sunt acele sisteme care în general asigură un set de resurse ce pot fi utilizate de alte calculatoare care sunt conectate cu respectivul server. Resursele pot fi fişiere (programe, baze de date, biblioteci etc.), dispozitive de ieşire (imprimante, plottere, dispozitive de înregistrare pe film) sau dispozitive de comunicaŃii (modemuri sau facilităŃi de acces la Internet). În general un server este un calculator rapid şi desigur destul de scump. Totuşi, nu este obligatoriu ca serverul sa fie la fel de puternic ca şi PC- urile pe care le deserveşte, mai ales dacă este cazul unei reŃele de mici dimensiuni. Comparată cu efortul implicat de rularea interfeŃei grafice a sistemelor de operare moderne, preluarea unor fişiere de pe disc şi distribuirea acestora către alte PC- uri este o sarcină destul de uşoară. De obicei, un PC obişnuit este suficient. Pe de altă parte, serverul unei corporaŃii de mari dimensiuni are nevoie de un nivel înalt de securitate şi de fiabilitate, deoarece de el depind un număr mare de staŃii de lucru şi poate chiar, în final, existenŃa întregii întreprinderi, în mod ideal, un astfel de server prezintă toleranŃă la defectări, ceea ce înseamnă capacitatea de a suporta defectarea unuia sau a mai multor sisteme majore, cum ar fi o unitate de disc, sau un microprocesor, continuând să funcŃioneze fără întrerupere. Comparate cu PC - urile obişnuite, majoritatea serverelor se diferenŃiază printr-o capacitate de stocare imensă; de obicei, un server trebuie să asigure spaŃiu de stocare pentru mai mulŃi utilizatori - zeci sau chiar sute. În cea mai mare parte a timpului, serverele funcŃionează nesupravegheate; deşi interacŃionează cu mai multe PC - uri, serverul rulează rar programe în memoria proprie, pentru un singur utilizator. Programele rulate de server au ca sarcină principală citirea fişierelor şi distribuirea acestora la adresele corespunzătoare. Deci, deşi este parte a unei interacŃiuni, serverul nu este interactiv în acelaşi mod ca un PC individual.

Calculatoare personale Interactive - La începutul anului 1996, firma Microsoft impune termenul de SIPC (Simply Interactive Personal Computer - Simple Calculatoare Personale Interactive) în conceptul pe care acest gigant software îl are despre ceea ce vor deveni, în final, calculatoarele personale. De fapt, această denumire nu prea reflectă conceptul pe care îl presupune. Un calculator SIPC este departe de a fi chiar aşa de simplu. Este de fapt, un dispozitiv complex de deservire a utilizatorului fizic care în final va deveni centrul sistemului electronic casnic cotidian. PC - ul va trebui să acopere activităŃi diverse, începând de la simple jocuri distractive, şi continuând cu realizarea funcŃiilor unui sistem stereo cu posibilitatea de a crea şi a reda sunete ca şi un sintetizator, sau să redea imagini video cu rezoluŃie mai mare ca un video-casetofon etc. În contextul multiplelor funcŃii pe care un SIPC trebuie să le îndeplinească el trebuie astfel conceput încât să nu necesite intervenŃii de depanare mai complexe decât cele impuse celui mai simplu articol electrocasnic.

Calculatoare de reŃea - DirecŃia de dezvoltare opusă conceptului de PC casnic (Home PC) o constituie categoria de calculatoare de putere mai mică, concepute şi proiectate pentru utilizare interactivă, cu date şi programe furnizate de către surse externe, principala sursă, în acest sens, fiind desigur reŃeaua Internet. Acesta este motivul pentru care de multe ori aceste structuri sunt întâlnite sub denumirea de casete Internet (Internet Box). Acelaşi concept se află şi la baza denumirii de " calculator de reŃea (Network Computer) ", cunoscut în literatura de specialitate, sub denumirea abreviată de " NC ". Ca şi " caseta Internet ", un " NC " este o formă de structură de PC mai redusă, a cărei principală destinaŃie este conectarea la Internet. Ele permit căutarea în World Wide Web, trimitera şi recepŃionarea mesajelor de poştă electronică şi rularea utilitarelor Java

Page 26: CartedlComanescu Bun v1

26

distribuite prin Internet, dar le lipsesc posibilităŃile de stocare a datelor, caracteristice PC-urilor obişnuite. Bazat pe o structură similară şi având un nume asemănător dar proiectat cu intenŃii diferite şi de alte organizaŃii, "NetPC" este un PC mai convenŃional proiectat în vederea unor costuri de întreŃinere mai scăzute. AccepŃiunea revizuită de PC a calculatorului Network Computer (NC nu NetPC) reprezintă un sistem care poate lucra cu monitor propriu, sau poate lucra cu un monitor care face parte din sistemul casnic de deservire - un televizor, spre exemplu. În contrast cu aceasta, o tehnologie foarte apropiată, numită Set Top Box, realizează o legătură Internet care foloseşte ca dispozitiv de afişare televizorul. Denumirea provine de la poziŃia cea mai probabilă a acestei structuri de calcul - deasupra televizorului. În aceste concepte nu sunt noi decât denumirile - Internet Box, Set Top Box, (sau chiar NC); conceptul datează dinainte de apariŃia PC-urilor. SIPC este, de fapt, doar ceva mai mult decât un nume nou pentru ceea ce se numea "terminal inteligent (smart terminal)". De fapt, un terminal este postul de început şi de sfârşit al unui flux de date. Terminalul este format dintr-o tastatură care permite introducerea instrucŃiunilor şi a datelor, care pot fi apoi retransmise către un sistem de calcul mai puternic şi dintr-un monitor sau un alt echipament de afişare care permite vizualizarea datelor transmise de calculator. Un terminal clasic poate manipula numai textul, sau un terminal grafic (graphical terminal) are un sistem de afişare care poate genera imagini grafice, sau, în sfârşit, un terminal de tipărire (printing terminal) înlocuieşte monitorul cu o imprimantă etc. Un terminal inteligent are posibilităŃi interne de prelucrare a datelor; el poate executa programe descărcate de pe un calculator real. DiferenŃa dintre un terminal inteligent şi un PC constă în faptul că terminalul poate rula numai programe provenite din afara sistemului. În general, terminalele inteligente nu au posibilitatea de a stoca programe sau date care depăşesc spaŃiul disponibil din memorie, care de obicei este foarte mic, de câŃiva octeŃi. Deşi terminalele inteligente sunt, oarecum, rămăşiŃe ale trecutului, casetele Internet (Internet Box) au un viitor promiŃător. SusŃinătorii acestui concept subliniază faptul că spaŃiul de stocare este aproape nelimitat, având la dispoziŃie întreaga reŃea Internet, un spaŃiu de domeniul teraocteŃilor. Dar descărcarea datelor din reŃea este destul de înceată; rularea programelor sau simpla vizualizare a fişierelor prin intermediul reŃelei este implicit mai lentă decât încărcarea acestora de pe un hard-disc local. Strangularea fluxului de date este şi mai evidentă în cazul în care în structură se introduce un modem. În locul răspunsului imediat, pe care l-ar furniza un PC, timpul de aşteptare va fi mai mare până când caseta Internet va prelua din reŃea datele sau coduri de program. Până când modemurile pentru cablu şi pentru satelit vor deveni ceva uzual, atât pentru utilizatorii fizici cât şi pentru serverele Internet, performanŃele scăzute vor afecta atât interactivitea, cât şi acceptarea pe scară largă a calculatoarelor de reŃea, de tip Internet Box. Principala diferenŃă dintre un calculator de reŃea (Network Computer) propriu zis şi versiunile sale anterioare este faptul că un consorŃiu de companii, incluzând Apple, IBM, Oracle, Netscape şi Sun Microsystems, a dezvoltat un standard pentru el.

Sisteme numerice de control (NCS - numerical control system) este un PC care este proiectat pentru mediile speciale cum ar fi cele care lucrează în condiŃiile unui atelier mecanic sau într-o fabrică cu atmosferă necontrolată. Aceste structuri sunt deosebit de rezistente, fiind dotate cu carcase din tablă groasă de aluminiu sau chiar de oŃel, închise etanş pentru a fi protejate de ulei, de praf sau de câmpuri parazite. Utilizat ca sistem numeric de control, un PC controlează în general maşinile unelte tradiŃionale, cum ar fi strunguri, maşini de găurit, maşini de frezat etc. Un operator programează sistemul numeric de control şi prin aceasta, PC-ul controlează mişcările părŃilor active ale maşinii unelte şi desigur implicit ale uneltei de lucru. Nu toate sistemele numerice de control sunt PC - uri - cel puŃin nu varianta de PC cunoscută ca fiind clasică. Unele sisteme numerice de control sunt construite ca structuri de calcul specializate pentru diverse maşini unelte de diverse complexităŃi, ajungând chiar la arhitecturi mecanice de maşini unelte agregat sau chiar linii automate de fabricaŃie, sau în contextul modern al diversificării producŃiei şi încadrarea într-o dinamicitate mare de schimbare a fabricaŃiei în funcŃie de cererea pieŃelor de desfacere, celulele flexibile de fabricaŃie care includ și structuri robotizate. Dar, totuşi multe sisteme numerice de

Page 27: CartedlComanescu Bun v1

27

control sunt module de structuri PC, destinate unei game mai înguste de posibilităŃi de prelucrare a datelor. Acestea respectă standardele PC, pentru a permite proiectanŃilor de software să folosească pentru programe specializate softul compatibil PC deja adoptat internaŃional.

AsistenŃi numerici personali - Un PDA (Personal Digital Assistants) este o structură de calcul specializată, proiectată pentru un număr limitat de aplicaŃii. În cele mai uzuale situaŃii, un PDA îndeplineşte rolul unei agende sau al unui memorator. Dimensiunile foarte mici, precum şi aplicaŃiile specializate rulate de un PDA le fac dispozitive unice, care nu au nevoie să respecte aceleaşi standarde ca şi PC-urile mai mari. Fiind mult prea mici pentru a avea o tastatură uşor accesibilă, PDA-urile se bazează pe alte strategii de introducere a datelor, cum ar fi indicarea cu stilouri speciale sau recunoaşterea scrisului de mână. În loc să furnizeze imaginea completă, ecranul acestor dispozitive afişează numai informaŃiile esenŃiale. Datorită acestor restricŃii fizice şi a diferenŃelor în funcŃionare, majoritatea PDA-urilor au arhitecturi hardware şi sisteme de operare proprii, cu totul deosebite de cele folosite pentru PC-uri.

Figura 2.1 Niveluri ierarhice în studiul calculatoarelor

Calculatoare portabile şi notebook sunt structuri PC cu un mod special de asamblare. O

definiŃie mai bună a acestor tipuri de structuri de calcul este aceea prin care se specifică că un calculator laptop sau notebook este un PC portabil complet echipat. Un singur container include toate elementele de prelucrare, memoria, sistemul de afişare, tastatura şi o sursă de energie stocată (acumulatori). Toate laptopurile folosesc ca sisteme de afişare panouri plate (LCD), deoarece acestea se încadrează din punct de vedere fizic, în spaŃiul limitat, disponibil în carcasă. Cea mai mare parte a calculatoarelor notebook folosesc un sistem de containerizare numit scoică (clamshell design). Ecranul se pliază peste tastatură, astfel încât ambele să fie protejate în timpul transportului. Cele două părŃi sunt prinse în balamale în partea din spate. Acest mod de proiectare şi greutatea diferenŃiază calculatoarele laptop de modelele mai vechi de calculatoare portabile (lunchbox PC), care erau în general mai grele (5-7 Kg) şi aveau ca semn distinctiv tastatura detaşabilă de la o unitate de prelucrare verticală, care conŃinea şi panoul de afişare. PC-urile laptop au în general 2,5-5 Kg, majoritatea încadrându-se pe la jumătatea acestui interval. PC-urile care cântăresc mai puŃin de 2,5 Kg. sunt clasificate drept calculatoare sub - notebook. Primele modele de calculatoare de acest tip au ajuns la dimensiuni mai mici prin micşorarea tastaturii, de obicei cu

Page 28: CartedlComanescu Bun v1

28

20 % pe verticală şi pe orizontală. Calculatoarele sub-notebook mai noi îşi micşorează greutatea prin reducerea grosimii - ajungând la aproximativ 2,5 cm, în loc să reducă lăŃimea sau lungimea. Motivul acestei schimbări este dictat de ecranele de dimensiuni mai mari care asigura spaŃiul necesar unei tastaturi obişnuite. În plus, majoritatea calculatoarelor sub-notebook sunt folosite ca dispozitive de introducere a datelor de la distanŃă.

Calculatorul este un dispozitiv extrem de complex; pentru a putea înŃelege mai bine arhitectura sa şi modalitatea de funcŃionare, de regulă se apelează la o împărŃire ierarhică pe componente. Aceste componente ierarhice pleacă de la nivelul cel mai de jos (nivelul cel mai apropiat de structura hardware-fizică a calculatorului) şi continuă apropierea de utilizator prin considerarea elementelor nivelului mai înalt (nivelul apropiat de componenta software-programe a calculatorului). Componentele unui astfel de model ierarhic sunt prezentate în Figura 2.1.

Aşa cum se observă în acest desen, nivelurile inferioare sunt constituite de componentele hardware (tranzistori, circuite integrate, porŃi logice) ce stau la baza construcŃiei calculatorului. Urmează apoi unităŃile funcŃionale ale microprocesorului (unitatea de control ce administrează întreaga funcŃionare, unitatea aritmetico-logică ce execută operaŃiile aritmetice şi logice, memoria, magistralele de conexiune etc.) şi ne apropiem de nivelul superior al programelor de aplicaŃii (cel mai apropiat de utilizator) prin nivelul microprogramat, nivelul limbajului de asamblare şi nivelul limbajelor de programare de nivel înalt.

Din punct de vedere fizic, un calculator este constituit din patru componente de bază: • microprocesorul, denumit şi UCP (Unitatea Centrală de Procesare), este componenta care

controlează modalitatea de funcŃionare a calculatorului şi execută şi operaŃiile de procesare a datelor;

• memoria principală – necesară pentru stocarea datelor; • interfeŃele de intrare/ieşire – necesare pentru asigurarea interacŃiunii calculatorului cu mediul

extern (introducere de date/oferirea rezultatelor); • componenta de conexiune între componente – magistrala de sistem este mecanismul ce oferă

modalitatea de comunicare între componentele sistemului. Aceste componente sunt ilustrate în Figura 2.2.

Figura 2.2 Componentele arhitecturale de bază ale unui calculator

Page 29: CartedlComanescu Bun v1

29

Pentru a putea funcŃiona, un computer are nevoie, pe lângă componentele fizice din care este alcătuit, de nişte programe special scrise pentru a putea rezolva în mod automatizat anumite sarcini. Fără existenŃa unor programe speciale un calculator nu poate fi utilizat, nu se pot introduce date de la tastatură, nu se pot afişa rezultate pe ecranul monitorului şi nu se poate porni un program de aplicaŃie sau, dacă vreŃi, un joc pe calculator. Totalitatea resurselor fizice de care dispune calculatorul formează componenta hardware, pe când celelalte resurse logice, formate din diverse programe şi rutine formează componenta software.

Componenta software cuprinde două categorii distincte de programe: programele de aplicaŃii şi programele de sistem, sau, pe scurt, sistemul de operare. Sistemul de operare este constituit dintr-o serie de rutine software ce asigură interfaŃa între componenta hardware şi programele de aplicaŃii (Figura 2.3). Toate celelalte componente software sunt guvernate de către sistemul de operare şi rulează sub “îndrumarea” acestuia. Accesul la componentele hardware ale sistemului (calculatorului) se face numai prin intermediul sistemului de operare. Sistemul de operare are, deci, rolul de a asigura interfaŃa între hardware şi software; din această cauză, programarea aplicaŃiilor se face Ńinând cont de acest rol primordial al sistemului de operare. Programatorii de software de aplicaŃii pot astfel utiliza diverse rutine ale sistemului de operare pentru a avea un acces mai simplu la operaŃiile de intrare/ieşire cu partea hardware a sistemului.

Utilizator

Figura 2.3 Sistemul de operare asigură interfaŃa între hardware şi programele de aplicaŃii

Componentele unui sistem de operare oferă funcŃionalităŃi diverse, cum ar fi asigurarea

comunicării cu dispozitivele periferice (operaŃiile de intrare/ieşire) sau preluarea de comenzi de la utilizator şi execuŃia diverselor comenzi (crearea unui fişier sau director, lansarea în execuŃie a unui program, accesarea memoriei, adăugarea unei noi componente hardware calculatorului, etc.). Majoritatea acestor sarcini reprezintă cerinŃe “sine qua non” pentru toate programele de aplicaŃie.

Deoarece programele de aplicaŃie accesează partea hardware prin intermediul sistemului de operare, rolul acestuia din urmă este, prin urmare, acela al unui depozit sau biblioteci ce conŃine astfel de rutine ce asigură accesul la dispozitivele hardware ale calculatorului. ExistenŃa unei astfel de biblioteci de rutine software pentru acces la componenta hardware asigură simplificarea programării la nivelul software-ului de aplicaŃie, având în vedere că sarcinile legate de operaŃiile de intrare/ieşire nu sunt totdeauna dintre cele mai simplu de programat.

Din punct de vedere hardware, computerele provenite de la diverşi producători nu sunt compatibile între ele 100%. De aceea, un program software scris pentru un anumit calculator nu va rula pe un calculator provenit de la un producător ce utilizează un alt tip de microprocesor (denumit şi UCP – Unitatea Centrală de Procesare), spre exemplu. Este cazul şi sistemelor de operare: un sistem de operare scris pentru un calculator de tipul IBM-PC nu va rula pe un calculator SUN-Sparc şi vice-versa. Deoarece componentele hardware sunt diferite iar sistemul de operare reprezintă interfaŃa între software şi hardware, şi interfaŃa trebuie să fie diferită, drept urmare sistemul de operare trebuie să conŃină rutine diferite. Aceste rutine ale sistemului de operare ce comunică direct cu partea hardware pot fi diferite însă ele constituie o platformă de interfaŃă consistentă pentru asigurarea comunicării cu programele de aplicaŃii. Datorită acestei interfeŃe, programatorii de aplicaŃii pot ignora diferenŃele hardware şi se pot concentra asupra aplicaŃiei în sine.

Page 30: CartedlComanescu Bun v1

30

2.1. Principalele componente ale unui sistem de operare

EvoluŃia din punct de vedere hardware a computerelor a determinat şi o evoluŃie la nivel

software. Din acest punct de vedere, sistemele de operare moderne au o serie de componente principale (Figura 2.4), asigurând următoarele funcŃii de bază:

• InterfaŃa cu utilizatorul. Componenta sistemului de operare ce asigură interfaŃa cu utilizatorul (denumită în marea majoritate a cazurilor componenta shell), oferă modalităŃile prin care utilizatorul şi programele de aplicaŃii pot comunica cu sistemul de operare şi pot efectua cereri de servicii către acesta. InterfeŃele simple „la linia de comandă” din MS-DOS şi UNIX sunt exemplele clasice, în timp ce în ultimii ani s-au impus interfeŃele grafice de tip GUI (Graphical User Interface) ale sistemelor de operare Windows, Macinstosh sau interfeŃele (de asemenea grafice) de tip X-Window (KDE, Gnome, etc.) ale diverselor variante de Linux sau UNIX. Prin intermediul interfeŃelor grafice se pot selecta simboluri grafice (pictograme) cu ajutorul mouse-ului, se pot selecta opŃiuni din meniurile ferestrelor grafice, se pot lansa în execuŃie programe etc.

• Managementul memoriei este legată de administrarea resurselor de memorie principală a sistemului. Se cunoaşte faptul că pentru a putea fi lansat în execuŃie, un program are nevoie de memorie. Prin funcŃia de management al memoriei, sistemul de operare asigură în timpul funcŃionării calculatorului alocarea spaŃiului necesar aplicaŃiilor să ruleze, asigurând ca spaŃiile de memorie alocate aplicaŃiilor să nu interferează între ele sau să nu se suprapună peste spaŃiul de memorie alocat însuşi sistemului de operare. Orice sistem de operare modern, fie c ă este vorba despre UNIX, Linux s au Windows, oferă toate aceste funcŃionalităŃi. Chiar dacă acestea au fost prezentate separat, nu înseamnă că ele nu interacŃionează între ele; din contră, toate aceste componente ale unui sistem de operare conlucrează împreună pentru buna funcŃionare a sistemului de calcul.

• Managementul fişierelor care reprezintă capacitatea unui sistem de operare (întâlnită de regulă sub numele de sistem de fişiere) de a permite utilizatorilor şi programelor de aplicaŃie de a manipula (crea, modifica, redenumi, modifica, şterge, etc.) fişiere şi directoare.

Figura 2.4 FuncŃiile unui sistem de operare

Page 31: CartedlComanescu Bun v1

31

• Managementul microprocesorului; Managementul microprocesorului asigură o bună administrare a modalităŃii de utilizare a microprocesorului şi a timpului alocat de acesta diverselor programe în execuŃie. NoŃiunea de bază când este vorba de timpul alocat de procesor diverselor instanŃe ale programelor aflate în execuŃie (cunoscute sub denumirea de procese) este cea de ciclu de ceas.

• Managementul dispozitivelor periferice. Managementul dispozitivelor periferice se referă la responsabilitate a sistemului de operare de a administra comunicaŃiile cu dispozitivele periferice ale calculatorului, de exemplu cu: tastatura, mouse-ul, ecranul, imprimanta, scanner-ul, modem-ul, unitatea de CD-ROM, etc.

Spre exemplu, să considerăm cazul în care dorim să deschidem un fişier pentru a-l tipări la imprimantă. Ce operaŃii rezolvă sistemul de operare pentru acest lucru? În primul rând, sistemul de fişiere preia numele fişierului şi determină locaŃia precisă a acestuia în cadrul sistemului de fişiere de pe hard-disk. În continuare, rutinele de management al dispozitivelor periferice folosesc această locaŃie pentru a accesa hard-disk-ul şi a citi fişierul. În acest timp, managementul memoriei se ocupă cu asigurarea spaŃiului de memorie necesar pentru a stoca temporar fişierul, managementul procesorului oferă suport pentru a ghida în continuare procesorul pentru a iniŃia rutina de management a dispozitivelor periferice pentru a accesa imprimanta şi a face în final tipărirea. Toată această succesiune complicată de operaŃii se petrece de fiecare dată când deschidem un fişier pentru editare sau pentru tipărire, ne pregătim să trimitem un e-mail sau un fax, totul întâmplându-se transparent faŃă de utilizator.

2.2. Resursele fizice ale unui sistem de calcul

2.2.1. Memoria Memoria unui sistem de calcul se poate împărŃi în două clase mari de memorie: memoria

principală sau internă (pe scurt, memorie) şi memoria secundară sau externă (reprezentată de diferite medii de stocare externe, cum ar fi dischetele, hard-disk-ul, CD-ROM-ul, etc.). Pentru a putea fi executat, un program trebuie mai întâi încărcat în memoria principală. Un sistem de calcul nu poate executa un program direct de pe un suport de memorie extern (din memoria externă) şi nici nu poate manipula date stocate în memoria externă decât dacă acestea au fost încărcate în prealabil în memoria internă.

Memoria principală conŃine întotdeauna programul curent ce se execută şi datele curente ce sunt procesate. În timp ce memoria internă este o memorie volatilă, al cărui conŃinut se pierde o dată cu închiderea calculatorului, memoria externă reprezintă modalitatea de stocare a datelor pe termen lung, fiind o memorie nevolatilă. Memoria internă este de regulă identificată cu aşa-numita memorie RAM (Random Access Memory), o memorie care poate fi atât citită cât şi scrisă.

OperaŃia prin care o valoare este adusă (citită) de la o anumită adresă din memorie poartă numele de citire din memorie, pe când operaŃia de stocare a unei valori la o adresă de memorie poartă numele de scriere în memorie. OperaŃia de citire este o operaŃie nedistructivă, în sensul în care valoarea citită rămâne stocată în memorie, pe când operaŃia de scriere este o operaŃie distructivă, în sensul că valoarea anterioară din memorie se pierde, fiind înlocuită cu noua valoare scrisă în memorie. ConŃinutul memoriei RAM poate fi atât citit cât şi scris, deci modificat cu uşurinŃă. Programele utilizează memoria RAM pentru a fi executate şi a procesa date.

Un alt tip de memorie este memoria ROM (Read Only Memory) care poate fi citită, nu şi scrisă. Acest tip de memorie este folosit pentru a stoca date legate de configuraŃia hardware a calculatorului, aşa-numitul BIOS (Basic Input Output System), cipul responsabil de stocarea programului bootstrap, ce reprezintă programul iniŃial de configurare a calculatorului.

Page 32: CartedlComanescu Bun v1

32

O altă categorie de memorie internă este memoria cache (pronunŃată ca în englezescul „cash”). Pe scurt, memoria cache este o memorie intermediară utilizată pentru stocarea valorilor din memoria RAM înainte de a fi prelucrate de microprocesor. Memoria cache este o memorie foarte rapidă şi este utilizată pentru a mări viteza de procesare a datelor în drumul lor din memoria RAM spre microprocesor.

În principal, mecanismul de funcŃionare a memoriei cache este următorul: un program în execuŃia este stocat în memoria RAM, iar instrucŃiunile şi datele programului ce vor fi executate într-un timp foarte apropiat sunt aduse întâi în memoria ultrarapidă de tip cache. De aici, datele şi instrucŃiunile sunt transferate către microprocesor; în acest mod, microprocesorul va utiliza direct memoria cache care este mult mai rapidă decât memoria RAM şi, drept urmare, viteza de procesare creşte.

Singurul tip de memorie mai rapidă decât memoria cache este memoria internă a procesorului, formată din regiştrii microprocesorului. Mai multe detalii despre arhitectura internă a microprocesorului vom analiza în capitolul consacrat microprocesorului. Prezentăm în Figura 2.5 o ierarhie sub formă piramidală a memoriei, în care baza „piramidei” este alcătuită din memoria secundară de tip bandă magnetică iar vârful este format de regiştrii microprocesorului, cu cea mai scăzută capacitate de stocare dar cel mai rapid tip de memorie şi, totodată, cel mai mare preŃ. În partea din dreapta a figurii sunt prezentate dimensiunile standard ale celor şase tipuri de memorie din ierarhie. În general există două reguli valabile legate de ierarhia de memorie a unui sistem de calcul: • Memoria rapidă este scumpă; • Memoria ieftină este mai puŃin rapidă;

Figura 2.5 Ierarhia memoriei

În consecinŃă, se încearcă minimizarea r aportului preŃ/ performanŃă având în vedere

anumite costuri. Fiecare tip de memorie din ierarhie este administrat de către o unitate de control: regiştrii

microprocesorului sunt administraŃi de către „unitate de control a UCP”, memoria cache de nivel 1 (cache L1) este administrată de controller-ul primar de memorie cache iar memoria cache de nivel 2 (cache L2) este guvernată de către controller-ul secundar de memorie cache. Memoria principală

Page 33: CartedlComanescu Bun v1

33

RAM este administrată de către unitatea de management a memoriei (MMU – Memory Management Unit) iar hard-disk-ul şi banda magnetică de către utilizator. De asemenea, la fiecare din cele şase nivele din ierarhie datele sunt grupate în unităŃi de date diferite din punct de vedere al mărimii (ca număr de octeŃi - bytes), astfel: • La nivelul regiştrilor UCP unitatea de date se numeşte cuvânt (word) şi poate fi reprezentat pe

2,4 sau 8 octeŃi; • La nivelul memoriei cache L1 şi L2 datele sunt structurate în linii de memorie 32 de octeŃi; • La nivelul memoriei RAM avem de-a face cu pagini de memorie de 4 KB; • La nivelul hard-disk-ului şi al unităŃii de bandă fişierele se măsoară de regulă în MB.

Capacitatea de stocare a memoriei este reprezentată în mod uzual prin MB (Megabytes sau MegaocteŃi), unde 1 MB=1.024 KB=1.048.576 B.

OcteŃii de memorie (sau grupurile de octeŃi) au atribuite o serie de adrese de memorie pentru a putea fi accesaŃi. De regulă, octeŃii sau cuvintele (grupări de octeŃi) sunt numerotaŃi secvenŃial: 0,1,2,… În acest mod, procesorul poate avea acces la o anumită zonă de memorie specificând adresa de memorie a acelei zone. Dacă, spre exemplu, microprocesorul trebuie să utilizeze datele stocate în memorie la adresa 1000, nu are de făcut decât să acceseze memoria la adresa 1000. În funcŃie de tipul de memorie, octetul sau gruparea de octeŃi (reuniŃi sub denumirea de cuvânt - word) reprezintă unitatea fundamentală adresabilă de memorie. Astfel, datele prelucrate de către microprocesor la un moment dat pot fi sub formă de octeŃi (bytes) sau sub formă de cuvinte (words).

2.2.2. Microprocesorul Microprocesorul reprezintă componenta principală a unui calculator, fiind considerat, pe

bună dreptate, „creierul” calculatorului. Întâlnit şi sub denumirea de UCP (Unitatea Centrală de Procesare), microprocesorul are nevoie totuşi de un program pentru a putea controla şi procesa datele, de aceea „coeficientul de inteligenŃă” al său depinde într-o mare măsură şi de software. Datele stocate în memorie sunt prelucrate de către microprocesor prin intermediul unui program stocat în memorie. În esenŃă, un program reprezintă o secvenŃă de instrucŃiuni (de genul: adunare, scădere, înmulŃire, comparare, etc.) care guvernează modalitatea de prelucrare a datelor de către microprocesor. Fiecare instrucŃiune are un cod de operaŃiei şi poate avea unul sau mai mulŃi operanzi, sau nici unul. Codul operaŃiei specifică operaŃia ce va fi executată, în timp ce operanzii identifică datele din memorie asupra căror se va aplica acea operaŃie (fie că este vorba despre o adunare, scădere, înmulŃire, comparare, etc.). Mai multe detalii despre componentele şi funcŃionarea microprocesorului vom prezenta în capitolul rezervat acestuia.

2.2.3. Dispozitive de stocare (memoria secundară) Datorită faptului că memoria RAM este foarte scumpă şi este, după cum am mai spus, o

memorie volatilă, pentru stocarea pentru mai mult timp (nu numai pe parcursul funcŃionării calculatorului) a datelor s-a căutat utilizarea unui alt tip de memorie. Acest tip de memorie este memoria externă (sau memoria secundară), care este o memorie relativ rapidă, fiabilă, ieftină, de mare capacitate şi, pe deasupra, ne-volatilă. Am văzut mai înainte că un calculator nu poate executa un program decât dacă acesta este încărcat în memoria principală, din acest punct de vedere, memoria principală reprezintă memoria utilizată pentru stocarea programului ce se execută şi a datelor ce sunt prelucrate iar memoria secundară reprezintă memoria folosită pentru stocarea pe termen lung a datelor.

Page 34: CartedlComanescu Bun v1

34

2.2.4. Dispozitive de intrare/ieşire Dispozitivele de intrare/ieşire (sau dispozitivele periferice) asigură modalitatea prin care

utilizatorul are acces la calculator. Dispozitivul de intrare cel mai comun întâlnit este, desigur, tastatura. Pe măsură ce caracterele sunt tastate cu ajutorul tastelor de pe tastatură, acestea sunt stocate în memorie şi apoi copiate din memorie către dispozitivul de bază de ieşire, care este monitorul. În linii mari, ecranul monitorului reprezintă fereastra prin care utilizatorul poate vizualiza respectivul conŃinut al memoriei. Imaginea care apare pe ecranul monitorului este, evident, o imagine temporară; în momentul întreruperii alimentării cu curent a monitorului această imagine dispare; putem însă direcŃiona această imagine către o imprimantă pentru a obŃine o imagine permanentă. Imprimantele cu jet de cerneală sau imprimantele laser reprezintă principalele tipuri de imprimante folosite în practică în prezent.

Alte tipuri de dispozitive periferice de intrare/ieşire sunt reprezentate de dispozitivele magnetice sau de dispozitivele optice. Un exemplu de dispozitiv magnetic îl reprezintă cardurile cu bandă magnetică emise de bănci. Banda magnetică a cardului stochează informaŃii ca: numărul de cont al titularului, limita de debit/credit şi data de expirare a cardului, acest tip de card fiind citit într-o manieră asemănătoare cu aceea a citirii unei benzi magnetice audio. Printre dispozitivele periferice optice întâlnite în mod frecvent sunt scannerele de uz general, prin intermediul cărora imagini de pe hârtie sunt preluate şi convertite în format digital ce poate fi prelucrat cu ajutorul calculatorului. Un tip special de scannere îl reprezintă scannerele (cititoarele) pentru coduri de bare ataşate la casele de marcat din majoritatea supermarket-urilor.

2.2.5. Dispozitive de interfaŃă Datele sunt stocate în calculator sub forma unor şiruri de biŃi; în acest sens sunt utilizate

diverse codificări. La nivelul computerului, aceste reprezentări sunt unice; spre exemplu, dacă în reprezentarea internă a calculatorului caracterul Z are forma: 01011010, atunci acest şir de biŃi este folosit în mod unic pentru a reprezenta caracterul Z.

Această regulă nu este însă valabilă pentru dispozitivele periferice sau pentru memoria secundară. În cazul unei tastaturi, fiecare tastă generează un caracter. În cazul unei imprimante, caracterele sunt reprezentate sub formă unor matrice de puncte. Un dispozitiv optic citeşte informaŃia prin intermediul intensităŃii luminoase, în timp ce un dispozitiv magnetic înregistrează şi citeşte porŃiuni magnetizate. Fiecare echipament periferic foloseşte o modalitate proprie de reprezentare a datelor iar această reprezentare poate să coincidă sau nu cu reprezentarea internă a datelor în calculator. Dacă aceste reprezentări sunt diferite este necesar un dispozitiv de translatare dintr-o reprezentare în alta. Aici intervine rolul dispozitivului de interfaŃă, numit şi placa de interfaŃă.

Considerând cazul tastaturii, atunci când o tastă este apăsată, se transmite un semnal electronic către interfaŃa tastaturii. Ca răspuns la semnalul electronic primit, interfaŃa tastaturii generează codul ce reprezintă caracterul stocat în interiorul calculatorului, transferând acest cod în memoria calculatorului. În cazul unei imprimante, şirurile de biŃi transmise dinspre calculator spre imprimantă sunt preluate de interfaŃa imprimantei, care translatează aceste şiruri de biŃi în reprezentarea recunoscută de către imprimantă pentru a se putea face tipărirea. Cele două dispozitive periferice considerate aici, tastatura şi imprimanta, reprezintă două dispozitive diferite din punct de vedere al reprezentării datelor; datorită existenŃei dispozitivelor de interfaŃă, ele pot fi conectate la acelaşi calculator. La intrare, interfaŃa translatează semnalele externe într-un format ce este recunoscut de către calculator. În cazul semnalelor de ieşire, acestea sunt convertite din formatul intern al calculatorului în formatul propriu al dispozitivului de ieşire respectiv.

Page 35: CartedlComanescu Bun v1

35

Şi în cazul dispozitivelor de memorie secundară legătura dintre calculator şi acestea se face prin intermediul interfeŃelor. InterfaŃa controlează din punct de vedere fizic dispozitivul de disc, acceptând comenzi de citire, scriere, căutare din partea microprocesorului. Atribuirea unei interfeŃe fiecărui echipament conectat la un calculator este un lucru practic în cazul calculatoarelor personale.

Pentru calculatoare ce pot avea sute sau mii de echipamente periferice (cazul computerelor mainframe) conectate, modalitatea de comunicare dintre calculator şi dispozitivele periferice se schimbă: sunt utilizate canale şi unităŃi de control I/O specifice. În acest caz, fiecare dispozitiv fizic are propria unitate de control iar canalul asigură comunicaŃia cu calculatorul, în timp ce unitatea de control comunică cu echipamentul extern în limbajul acestuia din urmă. Canalul şi unităŃile de control acŃionează împreună pentru a realiza operaŃia de translatare în ambele sensuri.

2.2.6. Software Un program reprezintă o serie de instrucŃiuni ce coordonează activitatea unui calculator

într-un şir de etape. Fiecare instrucŃiune “spune” calculatorului să execute una dintre operaŃiile de bază: adunare, scădere, înmulŃire, împărŃire, comparaŃie, citire, scriere sau copiere. Pentru a realiza acest lucru, procesorul aduce o instrucŃiune din memorie pe care o execută în timpul unui ciclu maşină. De regulă, o instrucŃiune conŃine un cod al operaŃiei ce specifică funcŃia pe care trebuie să o îndeplinească şi o serie de operanzi care identifică locaŃiile de memorie sau regiştrii de memorie ce conŃin datele ce vor fi manipulate. Fiind dată instrucŃiunea: ADD 5,6, aceasta poate spune unui calculator să adune conŃinutul regiştrilor 5 şi 6. În acest caz, codul operaŃiei este ADD.

De regulă, mulŃimea de instrucŃiuni pe care le înŃelege un procesor este limitată. Pentru a aduna două numere, de fapt sunt utilizate în mod normal nu mai puŃin de patru instrucŃiuni, deoarece valorile numerelor trebuie aduse din memorie şi încărcate în regiştrii, apoi valorile din regiştrii sunt adunate şi răspunsul este stocat. În acest caz, cele patru instrucŃiuni sunt: LOAD, LOAD, ADD şi STORE.

Un calculator rulează sub controlul unui program stocat în memorie sub formă de biŃi. Din această cauză, pentru a fi executat, programul trebuie să existe sub formă de biŃi (formă binară). La începuturile programării primelor calculatoare, programatorii scriau programele chiar sub forma unor şiruri de biŃi; lucru deosebit de dificil. ApariŃia limbajelor de programare, a asambloarelor, compilatoarelor şi interpretoarelor a schimbat, din fericire, acest mod de lucru al programatorilor.

Memoria unui calculator poate fi accesată dacă se cunoaşte o adresă de memorie. În acest sens, octeŃii sunt numerotaŃi secvenŃial: 0,1,2,3, etc. Componentele hardware lucrează cu aceste adrese de memorie, cunoscute sub numele de adrese absolute. Programele software folosesc însă alt tip de adresare, adresarea relativă. O adresă relativă reprezintă o adresă de memorie exprimată relativ la o locaŃie de bază. De exemplu, o rutină a unui program poate fi scrisă astfel încât primul octet al său se află la adresa 0 (numită şi punct de intrare) iar celelalte adrese sunt exprimate ca adrese de deplasament (offset) relativ la această adresă. Atunci când rutina de program este încărcată în memorie, adresa absolută de început este stocată într-un registru, stabilindu-se o adresă de bază pentru rutina program.

Adresarea relativă are două scopuri: în primul rând, permite unei rutine să fie relocalizată în memorie (să poată fi încărcată într-o locaŃie diferită de memorie de fiecare dată când rulează). Deoarece fiecare locaŃie a rutinei este exprimată relativ la punctul de intrare, iar acesta este stocat într-un registru de bază, totdeauna este posibil să se calculeze adresa absolută prin adunarea adresei de bază cu adresa de deplasament. În al doilea rând, deoarece doar adresa de deplasament trebuie stocată în instrucŃiune, sunt necesari mai puŃini biŃi pentru a stoca fiecare adresă, acest lucru conducând la existenŃa unor instrucŃiuni de mărime mai mică.

Page 36: CartedlComanescu Bun v1

36

2.3. Structura hardware a calculatorului Calculatorul personal reprezintă un aparat electronic capabil să prelucreze informaŃia,

primită de la celelalte componente, codificată numeric în sistem de numerotaŃie binar. Dacă la început informaŃia era prelucrată doar alfanumeric, după care şi grafic în prezent s-a reuşit trecerea semnalelor video şi audio, digitale şi analogice, în sistem binar astfel că acestea pot fi procesate în prezent de un PC [51]. Acesta este alcătuit din 3 componente principale: 1) Unitatea Centrală de Prelucrare sau microprocesorul este creierul calculatorului. Ea

coordonează şi controlează întreaga activitate a calculatorului. Ea ştie să interpreteze programele, să identifice instrucŃiunile dintr-un program, să decodifice o instrucŃiune, să recunoască codul operaŃiei din instrucŃiuni, să activeze circuitul electronic (comutatoare electronice) corespunzător operaŃiei, să execute operaŃii aritmetice şi logice. Odată cu dezvoltarea electronicii şi apariŃia circuitelor integrate, construcŃia unităŃii centrale de prelucrare s-a bazat pe un singur circuit integrat numit microprocesor. Puterea unui procesor este dată în general de frecvenŃa de funcŃionare – viteza cu care face calculele – măsurată în megahertzi (MHz) sau gigahertzi (GHz). FrecvenŃa de funcŃionare este denumită de obicei „frecvenŃă de ceas”10 sau „frecvenŃă de tact” [25]. Există mai mulŃi fabricanŃi de procesoare, dar cei mai importanŃi sunt INTEL şi AMD.

2) Memoria Internă este memoria de lucru a calculatorului. Este locul de muncă al calculatorului, locul în care sunt aduse programele şi datele pentru a fi prelucrate de microprocesor. Deoarece toate instrucŃiunile şi datele (informaŃiile) sunt codificate într-o reprezentare binară, memoria va fi un loc în care se depozitează secvenŃe de biŃi. Capacitatea ei se măsoară în unităŃi de măsura a informaŃiei - Bytes; KB; MB; GB; TB [27]. Există două tipuri de memorie internă:

i) ROM (Read Only Memory) ii) RAM (Random Acces Menory) iii) ROM - este o memorie din care se poate doar citi și in care nu se poate scrie. Este

o memorie remanenta, adică la scoaterea de sub tensiune a calculatorului informaŃiile existente in aceasta memorie se păstrează. Este o memorie nevolatilă. Este folosită pentru memorarea unor programe speciale ale sistemului de operare destinate iniŃierii lucrului cu calculatorul la punerea sub tensiune a acestuia. La aceasta memorie utilizatorul nu are acces.

iv) RAM - este o memorie în care se poate scrie şi din care se poate citi în orice moment. Este o memorie nepermanentă, adică la scoaterea de sub tensiune a calculatorului informaŃiile scrise în această memorie se pierd. Este o memorie volatilă. Ea păstrează programele sistemului de operare şi ale utilizatorului Este o memorie la care utilizatorul are acces şi este o caracteristică importantă a unui calculator deoarece de ea depinde lungimea maximă a unui program care poate fi încărcat în memoria RAM şi executat de către microprocesor. Capacitatea memoriei interne se refera la aceasta memorie RAM.

3) Sistemul de Intrare-Iesire I/O asigură comunicaŃia calculatorului cu lumea înconjurătoare; prin intermediul unor echipamente specializate numite dispozitive periferice (peripheral device) [29]. Aceste dispozitive sunt:

i) dispozitive de intrare - ieşire ii) memorie externă (auxiliară) iii) Dispozitivele de intrare - ieşire I/O (input - output) sunt echipamente specializate

care asigură interfaŃa (legătura) dintre calculator şi utilizator. Ele sunt de 3 tipuri: iv) dispozitive de intrare (input device) v) dispozitive de ieşire (output device) vi) dispozitive de intrare-ieşire (I / O device)

Page 37: CartedlComanescu Bun v1

37

Dispozitivele intrare sunt dispozitive utilizate pentru a transmite sau comunica calculatorului informaŃii şi comenzi prin operaŃia de citire (read). Din această categorie fac parte tastatura, mouse-ul, scanner-ul, creionul electromagnetic, joystick-ul etc.

Dispozitivele de ieşire sunt dispozitive folosite de calculator pentru a comunica utilizatorului rezultatele operaŃiilor comandate şi informaŃii despre starea sistemului prin operaŃii de scriere (write). Din această categorie fac parte monitorul (placa video + ecranul), imprimanta, plotter-ul.

La ora actuală, piaŃa sistemelor de calcul este deosebit de diversă, majoritatea sistemelor fiind însă asemănătoare. Pe măsură ce mediile de operare de genul Windows, Linux s-au răspândit în masa utilizatorilor de sisteme, s-au impus câteva diferenŃieri importante în arhitectura şi structura calculatoarelor.

ConstrucŃiile hardware ale sistemelor compatibile PC se pot clasifica în două tipuri fundamentale: • Sisteme pe 8 biŃi (clasa PC/XT), • Sisteme pe 16/32/64 biŃi (clasa PC/AT).

Termenii utilizaŃi aici PC, XT şi AT se referă desigur la sistemele IBM originale. Tabel 2.3

ProprietăŃile sistemului

Tipul PC/XT (pe 8 biŃi)

Tipul AT (pe 16/32/64 biŃi)

Procesoare acceptate x86 sau x88 286 sau superioare

Modul de lucru al procesorului Real Real sau Protejat (Real Virtual la 386)

Dimensiunea sloiului de extensie 8 biŃi 16/32/64 biŃi

Tipul slotului ISA ISA, EISA, MCA, PC-Card, VL-Bus, PCI

Întreruperi hardware 8 16 sau mai multe Canale DMA 4 8 sau mai multe

Memorie RAM maximă IM 16 M sau 4 G

Rată de transfer a controllerului de dischete 250 KHz 250/300/500/1.000 KHz

Unitate standard de încărcare a sistemului 360 K sau 720 K 1,2 M/1,44 M/2,88 M

InterfaŃă de tastatură UnidirecŃională BidirecŃională

Memorie CMOS / ceas Nu Da

Port serial tip UART 8250 B 16450/16550 A

Astfel, sistemul XT includea în plus un hard disc faŃă de unităŃile de dischetă întâlnite

într-un PC obişnuit. Aceste sisteme aveau un procesor 8088 pe 8 biŃi şi o magistrală ISA (Industry Standard Architecture) pe 8 biŃi pentru extinderea sistemului. Aceste magistrale ISA pe 8 biŃi pot primi sau trimite într-un singur ciclu numai 8 biŃi de date. Datele dintr-o magistrală de 8 biŃi sunt trimise simultan pe 8 căi, în paralel. Sistemele PC/AT sunt cele pe care iniŃial IBM le-a dotat cu

Page 38: CartedlComanescu Bun v1

38

procesoare şi sloturi de extensie pe 16 biŃi, iar mai târziu pe 32 şi 64 de biŃi. Un sistem din clasa AT trebuie să aibă un procesor compatibil cu INTEL 286 sau procesoare mai noi (386, 486, Pentium I - Pentium IV) şi trebuie să aibă un sistem de sloturi de extensie pe 16 biŃi sau mai mult. Arhitectura magistralei este de importanŃă vitală pentru asigurarea compatibilităŃii calculatoarelor AT; sistemele de tipul PC/XT cu plăci de bază modernizate care nu conŃin sloturi de extensie pe 16 biŃi sau mai mult nu sunt considerate sisteme compatibile AT.

Deşi, iniŃial primele calculatoare din clasa AT aveau o versiune pe 16 biŃi a magistralei de tip ISA, care era o extensie a magistralei iniŃiale ISA pe 8 biŃi, mai târziu pentru aceste tipuri de sisteme au fost proiectate noi tipuri de magistrale cum sunt: • magistrala ISA pe 16 biŃi, • magistrala EISA (Extended ISA) pe 16/32 de biŃi, • magistrala PS/2 MCA (Micro Channel Architecture) pe 16/32 de biŃi, • magistrala PC - Card (PCMCIA) pe 16 biŃi, • magistrala VL - Bus (VESA Local Bus) pe 32/64 biŃi, • magistrala PCI (Peripheral Component Interconnect) pe 32/64 de biŃi.

În tabelul 2.3, se prezintă principalele diferenŃe dintre un sistem standard PC sau XT şi un sistem AT, aceste informaŃii cuprind toate modelele IBM şi cele compatibile cu acestea.

Vom descrie în continuare, pe scurt, câteva părŃi componente ale calculatorului 1) Placa de bază este piesa la care se conectează toate celelalte componente ale calculatorului,

atât din interior (procesor, placa video, hard-disk etc.) cât şi din exterior (tastatură, mouse etc.). Ea este alcătuită dintr-o placă pe care sunt gravate circuitele care permit comunicarea între componentele calculatorului. Componenta principală a unei plăci de bază este un ansamblu de microcircuite, numit chipset, a cărui funcŃie este de realizare şi optimizare a transferului de date între diferitele componente ale calculatorului (CPU, memoria RAM, placa video, hard-disk etc.).

2) Placa video este responsabilă cu afişarea imaginilor pe ecranul monitorului. Placa video conŃine un procesor specializat numit GPU (Graphics Processing Unit), care face o parte din calculele necesare pentru afişarea imaginilor, cealaltă parte a acestor calcule fiind făcută de procesorul calculatorului. PerformanŃa unei plăci video este dată de însumarea mai multor factori printre care cei mai importanŃi sunt frecvenŃa de ceas a procesorului grafic, frecvenŃa de ceas a memoriei RAM şi cantitatea ei de pe placa video, numărul de conducte de randare şi numărul de unităŃi de texturare conŃinute de fiecare conductă. Un alt factor important este tipul magistralei de memorie („memory bus”), prin care sunt transferate date între cipul grafic şi memoria RAM de pe placa video. Cele mai performante plăci au o magistrală de memorie pe 256 biŃi, plăcile cu performanŃe medii şi obişnuite au o magistrală de memorie pe 128 biŃi, iar plăcile cu performanŃe scăzute, nerecomandate pentru jocuri, au o magistrală de memorie pe 64 biŃi.[84]

3) Hard-disk-ul este componenta pe care sunt stocate datele cu care lucrează calculatorul, începând cu sistemul de operare şi terminând cu fişierele instalate de programe sau create de noi [84]. El reprezintă deci memoria durabilă, „nevolatilă“, a calculatorului, pentru că datele sunt păstrate şi după întreruperea alimentării cu curent electric. Hard-disk-ul este format de obicei din mai multe discuri de aluminiu (numite platane) suprapuse pe acelaşi ax şi acoperite cu oxid de fier. La mică distanŃă de suprafaŃă discurilor se mişcă nişte braŃe metalice ale căror capete magnetizează porŃiuni din discuri, în acest fel fiind „scrise“ şi „citite“ datele. Hard-disk-ul este una din puŃinele piese dintr-un calculator care are şi o componentă mecanică (un motor care învârte discurile şi mişcă braŃele metalice) dar asta nu înseamnă că nu este de obicei o piesă foarte fiabilă, capabilă să funcŃioneze mulŃi ani fără a cauza pierderea datelor stocate. [52] Un hard-disk este caracterizat de capacitatea de stocare de date măsurată în Giga Bytes (GB) şi de viteza de rotaŃie a platanelor (5.400, 7.200, 10.000 sau 15.000 de rotaŃii pe

Page 39: CartedlComanescu Bun v1

39

minut). Cu cât platanele se rotesc mai repede cu atât citirea şi scrierea datelor este mai rapidă, deci şi calculatorul este mai rapid.

4) UnităŃile optice sunt dispozitive care folosesc medii de stocare optice pentru citirea şi scrierea datelor. Stocarea optică este metoda prin care datele sunt inscripŃionate pe un mediu special cu ajutorul unei raze laser. Citirea datelor de pe un mediu optic se realizează tot cu ajutorul unei raze laser [84]. În funcŃie de caracteristicile lor tehnice şi de capacitatea de stocare mediile optice se împart în două categorii şi anume CD – Compact Disc şi DVD – Digital Versatile Disc. Atât CD-urile cât şi DVD-urile se prezintă sub forma unor discuri din plastic (cu diametrul de 12 cm) pe a căror suprafaŃă datele sunt inscripŃionate sub formă de adâncituri (gropiŃe - „pits“) microscopice de-a lungul unei piste care se desfăşoară în spirală [78]. Mediile de tip CD au apărut primele dar capacitatea de stocare a acestora (650MB, 700MB sau 800MB) a fost foarte rapid socotită insuficientă şi ca urmare au fost dezvoltate mediile DVD. Acestea sunt de fapt tot CD-uri însă cu o densitate mai mare de stocare a datelor, realizată prin creşterea lungimii spiralei ce conŃine adânciturile şi prin dimensiuni mai mici ale acestora. DVD-urile pot avea capacităŃi de stocare de 4,7GB; 8,5GB; 9,4GB şi 17GB. UnităŃile optice se împart după funcŃionalitatea lor în unităŃi de citire ROM (Read Only Memory), care pot doar să citească datele de pe un mediu optic) şi unităŃi de citire/scriere RW (Read/Write), care pot atât să citească cât şi să scrie date pe un mediu optic). O altă împărŃire a unităŃilor optice se realizează după mediile optice pe care le pot folosi, DVD şi/sau CD [52].

5) Unitatea de dischetă are o capacitate de stocare redusă (1,44MB) dar reprezintă un mijloc bun de transfer de date între calculatoare dacă este vorba de fişiere de dimensiuni mici, de exemplu fişiere de tip text.

6) Monitorul este echipamentul periferic de ieşire a datelor care se află obligatoriu în configuraŃia oricărui sistem de calcul compatibil PC şi care alături de tastatură (ca echipament periferic de intrare a datelor) asigură permanent dialogul între operatorul uman şi calculator; de asemenea el este acela care permite vizualizarea tuturor datelor, ca rezultat al rulării diverselor programe, precum şi a diverselor mesaje adresate de calculator operatorului. Monitorul sau afişajul video, alături de adaptorul video numit şi placa video sau placa grafică constituie subsistemul video al calculatorului electronic digital. Monitoarele cu afişaj prin cristale lichide LCD (Liquid Crystal Display) folosesc interacŃiunea dintre curentul electric şi moleculele de cristale lichide pentru a produce imaginea. Aceste monitoare au însă dezavantajul că uneori reîmprospătarea imaginii are o latenŃă sesizabilă. Monitoarele LCD au câteva avantaje faŃa de cele CRT şi anume: calitatea imaginii este mult mai bună decât cea furnizată de monitoarele CRT, sunt extrem de subŃiri (plate) fiind ideale pentru birourile companiilor şi au un consum de energie extrem de redus şi ca urmare nu degajă căldură, dar monitoarele LCD încă sunt mai costisitoare decât monitoarele CRT [86,87].

7) Tastatura, mouse-ul, joystick-ul. Una dintre componentele de bază ale sistemelor este tastatura, care reprezintă principalul dispozitiv de intrare. Tastatura este folosită pentru a introduce în sistem comenzi şi date. Tastatura şi mouse-ul sunt componente esenŃiale cu ajutorul cărora comunicăm cu calculatorul şi îi dăm instrucŃiuni. Ele se conectează prin intermediul porturilor PS/2 sau mai nou USB [78]. Joystick-ul este un dispozitiv folosit la jocuri.

8) Carcasa şi sursa de alimentare. Carcasa reprezintă „casa“ calculatorului, cea care adăposteşte toate componentele acestuia. Ea are o formă paralelipipedică şi de obicei este din metal, la care se adaugă unele elemente din plastic. Carcasa este formată dintr-o structură de susŃinere, pe care se fixează componentele calculatorului, acoperită de unul sau mai multe panouri metalice. Carcasele cele mai folosite sunt de tip turn (tower), la care componentele interne sunt dispuse pe verticală, asigurând o ventilaŃie bună a componentelor calculatorului, fără a ocupa mult spaŃiu, dar se folosesc şi carcase de tip orizontal (desktop).

Page 40: CartedlComanescu Bun v1

40

9) Placa de sunet. Componenta principală a unei plăci de sunet separate este procesorul audio, numit DSP (Digital Signal Processor), şi cu cât acesta este mai puternic cu atât placa va fi mai performantă. Placa de sunet este fie separată (standalone), fie cel mai frecvent este inclusă (integrată) în placa de bază. Plăcile de sunet separate sunt de obicei interne, adică se montează într-un slot PCI de pe placa de bază, însă există şi plăci externe care se conectează la portul USB [78].

10) Incintele acustice sau boxele sunt o componentă esenŃială a unui calculator folosit pentru aplicaŃii multimedia.

11) Microfonul este un dispozitiv periferic de achiziŃie, al cărui rol este să capteze sunetul (format analog) şi să îl transforme în semnal electric (format digital) spre a fi amplificat, prelucrat sau stocat pe diverse dispozitive.

12) Modemul şi placa de reŃea. Modemul este componenta care ne permite să folosim Internetul prin intermediul liniei telefonice. Modemul (MOdulator - DEModulator) modulează fluxurile de date digitale în aşa fel încât acestea să poată circula prin linia telefonică şi demodulează fluxurile de date primite prin linia telefonică transformându-le din format analog în format digital. Viteza modemurilor vândute în prezent este de 56 kb/s28. Modemurile se împart în interne şi externe după locaŃia lor. Modemurile interne se fixează într-un slot PCI. Modemurile externe se conectează la portul USB, sunt mai bune însă sunt în general de două ori mai scumpe decât cele interne [78]. Placa de reŃea reprezintă interfaŃa fizică între calculator şi mediul de transmitere. Rolul plăcii de reŃea este: a) pregăteşte datele din calculator pentru a fi transmise prin cablul de reŃea; b) transmite datele către alt calculator; c) controlează fluxul de date între calculator şi cablul de reŃea; d) recepŃionează datele sosite prin cablu şi le transformă în octeŃi pe care unitatea centrală a

calculatorului îi poate înŃelege. 13) Imprimanta. EvoluŃia PC-ului a fost însoŃită de o dezvoltare a vitezei şi calităŃii imprimării şi

de creşterea performanŃelor imprimantelor care asigurau suportul pentru datele procesate de calculator. Există trei tipuri de bază de tehnologii de tipărire folosite pentru PC-uri, definite de metoda prin care este produsă imaginea pe hârtie. Aceste trei tehnologii sunt următoarele: a) Laser. Imprimantele cu laser funcŃionează prin crearea unei imagini electrostatice a unei

pagini întregi pe un tambur fotosensibil, cu o rază laser. Pe tambur se aplică o pudră colorată superfină numită toner, care aderă numai la ariile sensibilizate, corespunzătoare literelor şi imaginilor de pe pagină. Tamburul se roteşte şi este presat pe o foaie de hârtie, transferând tonerul pe pagină şi creând imaginea. Această tehnologie este asemănătoare cu cea folosită de către copiatoare, chiar dacă există deosebiri în modurile de transfer al imaginii şi în temperatura internă la care lucrează dispozitivele. O tehnologie similară este şi cea folosită la imprimarea cu LED-uri; acest tip de imprimare a fost introdus de firma Oki Data, dar a fost preluat şi de Lexmark. La acest tip de imprimante, care asigură performanŃe asemănătoare, raza laser a fost înlocuită cu o matrice de LED-uri (diode electroluminiscente) pentru crearea imaginii.

b) Inkjet. Imprimantele cu jet de cerneală, după cum sugerează şi numele, folosesc duze foarte fine care pulverizează o soluŃie de cerneală (combinată după o formulă specială) asupra foii de hârtie. O variantă foloseşte cerneala încălzită (metodă folosită de familia de imprimante BubbleJet de la Canon), iar altă variantă foloseşte capete de imprimare piezoelectrice (familia de imprimante Stylus de la Epson).

c) Imprimantele cu jet de cerneală sunt folosite pe scară largă datorită calităŃii foarte bune de imprimare (rivalizând cu imprimantele laser, mai ieftine pentru tipărire de text), posibilităŃilor de tipărire color, versatilităŃii şi facilităŃilor de înglobare a mai multor funcŃionalităŃi (imprimantă, scanner şi fax) într-un singur echipament („all-in-one").

Page 41: CartedlComanescu Bun v1

41

d) Matriceale. Imprimantele matriceale folosesc un set de ace cu capete rotunjite pentru a presa o bandă impregnată cu tuş pe pagină. Acele sunt aranjate într-o grilă rectangulară (numită matrice); diferite combinaŃii de ace formează diversele caractere şi imagini. Există câteva modele de imprimante care combină capetele matriceale cu banda tuşată, sensibilă la căldură; acest tip de imprimante, care nu are o răspândire prea mare, se regăseşte, în special, în modelele pentru uz portabil.

14) Scannerul este un dispozitiv periferic, al cărui rol este să analizeze o imagine pe care să o proceseze şi să o interpreteze în funcŃie de natura acesteia – imagine fotografică sau document text – şi în cele din urmă, să permită transferul şi stocarea informaŃiei în format digital pe un calculator.

2.3.1. Magistrale de informaŃii O magistrală de date este de fapt o cale prin care pot circula informaŃiile în interiorul unui

sistem de calcul. De asemenea, această cale este utilizată pentru comunicaŃia între diferitele subansambluri ale calculatorului [229].

Un sistem de calcul compatibil PC are următoarele magistrale de date mai importante: • magistrala procesorului, • magistrata de adrese, • magistrala memoriei, • magistrala I / O (intrare / ieşire a datelor cu ajutorul căreia, prin altele, dialoghează cu

echipamentele periferice). Magistrala I / O se mai numeşte şi magistrală de extensie şi este cea mai importantă şi

încărcată cale de circulaŃie a informaŃiilor, prin ea vehiculându-se majoritatea datelor prelucrate de un sistem de calcul. Toate datele care "vin sau pleacă" din unitatea centrală de la, sau, către orice periferic ( spre exemplu: sistemul video, unităŃile de disc sau imprimanta) circulă prin această magistrală.

2.3.1.1. Magistrala procesorului

Magistrala procesorului este cea care preia circulaŃia informaŃiilor dintre CPU (unitatea

centrală de prelucrare) şi cipurile cu care lucrează direct. Ea, de asemenea, este utilizată pentru transferul datelor între CPU şi magistrala principală a sistemului, de exemplu, sau între CPU şi memoria cache [l, 2, 3].

Magistrala principal ă

Magistrala procesorului

CPU Cache extern

Figura 2.6

Page 42: CartedlComanescu Bun v1

42

În Figura 2.6 se prezintă schema de principiu a modului de încadrare a magistralei procesorului într-un sistem PC standard. Majoritatea sistemelor care utilizează cipuri 486, sau cele din familia Pentium au un cache extern pentru CPU. Scopul magistralei procesorului este transmiterea, respectiv, primirea datelor cu o viteză foarte mare de la, sau, către CPU . Viteza de transmitere a datelor a acestei magistrale este cea mai mare comparativ cu alte magistrale, fără a exista "ştrangulări" în fluxul de vehiculare a informaŃiilor. Magistrala procesorului este compusă la rândul său din: • linii pentru date, • linii pentru adrese, • linii pentru comenzi.

De exemplu, într-un sistem 486, magistrala procesorului este compusă din 32 de linii de adrese, 32 de linii de date şi câteva linii de comandă, în timp ce la un sistem Pentium, aceeaşi magistrală are 64 de linii de date, 32 de linii de adrese şi linii de comandă asociate (sistemul Pentium IV are 32 de linii de adrese, iar în rest are o magistrală similară cu cea a oricărui sistem Pentium).

unitate de dischetă

mouse

tastatură

LPT 1

COM 2

COM 1

conectoare ISA

USB 2 USB 1

conectoare PCI magistrala PCI 33 MHz

până la 266 MHz

magistrala procesorului 66 MHz

66 MHz

module EDO SIMM (16 MHz) sau SDRAM DIMM (66 MHz)

CPU Pentium

memoria cache de nivel1

memoria cahe de nivel 2

North Bridge

PCI Video

South Bridge

IDE 1

IDE 2 CMOS & RTC

Super I/O

magistrala ISA 8 MHz

ROM Flash BIOS

Figura 2.7

Page 43: CartedlComanescu Bun v1

43

Magistrala procesorului lucrează la aceeaşi frecvenŃă a ceasului de bază ca şi CPU în exterior. Dar, cele mai multe procesoare actuale utilizează o frecvenŃă de lucru internă mult mai mare decât a oricărei magistrale din sistem. Un sistem Pentium 100, spre exemplu, are desigur un procesor Pentium care lucrează intern la 100 MHz, dar în exterior lucrează la numai 66,6 MHz. Aceeaşi frecvenŃă externă de lucru, 66,6 MHz. o au şi procesoarele Pentium 133, Pentium 166, Pentium Pro 200, etc..

La sistemele moderne de calcul, frecvenŃa reală de lucru a procesorului este un multiplu (de 1,5 ori, de 2 ori, de 2,5 ori, de 3 ori etc.) al frecvenŃei magistralei procesorului.

Magistrala procesorului poate transfera un bit de date pe o linie de date la fiecare perioadă sau la două perioade ale ceasului. Astfel, un sistem 486 poate transfera 32 de biŃi de date simultan, în timp ce un sistem din clasa Pentium poate transfera 64 de biŃi de date la un moment dat.

Calculul vitezei de transfer a datelor pe magistrala procesorului se poate face prin multiplicare lăŃimii datelor (32 biŃi pentru 486, sau 64 de biŃi pentru clasa Pentium) cu frecvenŃa ceasului magistralei (aceeaşi cu frecvenŃa ceasului de bază al procesorului). Dacă se utilizează un cip din clasa Pentium de 66/100/133/166/200…. MHz care lucrează la 66 MHz şi poate transfera un bit de date la fiecare perioadă de ceas pe fiecare linie de date, se va obŃine o viteză maximă instantanee de transfer de 528 M / secundă.

Deci, pentru a calcula această viteză se va folosi relaŃia: 66 MHz x 64 biŃi = 4,224 megabiŃi / secundă, sau, 4,224 megabiŃi / secundă: 8 = 528 M / secundă. 263 Această viteză de transfer se mai numeşte şi lăŃimea de bandă a magistralei. ObŃinerea

valorii ei maxime este condiŃionată de modul de proiectare a setului de cipuri a memoriei etc. Magistrala procesorului este calea cea mai rapidă din sistem şi face parte din nucleul

setului de cipuri al plăcii de bază. Această magistrală este utilizată în principal de către procesor pentru a transmite informaŃii la, și de la memoria imediată (cache) şi memoria principală şi la secŃiunea North Bridge a setului de cipuri. În sistemele Pentium II şi superioare, magistrala procesorului funcŃionează la frecvenŃa de 66 sau 100 MHz şi are lăŃimea de bandă integrală a căii de 64 de biŃi a procesorului.

În tabelul 2.4 se prezintă principalele tipuri de magistrale uzuale sistemelor de calcul PC. Tabel 2.4

Tipul magistralei Mărimea (biŃi) FrecvenŃa (MHz) LăŃimea de bandă (M /s)

ISA pe 8 biŃi 8 4,77 2,39 ISA pe 16 biŃi 16 8,33 8,33 EISA* 32 8.33 33,3 VLB* 32 33,33 133,33 PCI 32 33,33 133,33 PCI-2x" 32 66,66 266,66 PCI pe 64 biŃi** 64 33,3 266,66 PCI-2x pe 64 biŃi** 64 66,66 533,33 AGP 32 66,66 266,66 AGP - 2x 32 66,66 533,33 AGP-4x* 32 66,66 1066.66

AGP- Accelerated Graphics Port; PCI - Peripheral Component Interconnect ISA- Industry Standard Architecture; * - Magistralele EISA şi VLB nu mai sunt utilizate în actualele modele de plăci de bază; **- Aceste tipuri de magistrale reprezintă propuneri şi nu au fost încă implementate în

sistemul PC.

Page 44: CartedlComanescu Bun v1

44

În Figura 2.7 se prezintă arhitectura tipică a unui sistem Pentium (clasa P 5), şi diferitele nivele ale magistralei din sistem.

În Figura 2.8 se ilustrează, de asemenea arhitectura unui sistem Pentium (clasa P 6), şi diferitele nivele ale magistralelor din sistem.

La sistemele Pentium Pro şi Pentium II, memoria cache a fost mutată de pe placa de bază în unitatea CPU. Prin încorporarea memoriei cache de nivel 2 în CPU, ea poate funcŃiona la o viteză mai apropiata de viteza reală a unităŃii CPU. La sistemele Pentium Pro, memoria cache de nivel 2 funcŃionează chiar la frecvenŃa integrală a unităŃii CPU, iar la Pentium II, la jumătate din viteza unităŃii CPU. Aceasta este totuşi mult mai rapidă decât memoria cache legată de placa de bază din sistemele clasa P 5 (din sistemele cu Socket 7).

½ CPU =225 MHz

unitate de dischetă

mouse

tastatură

LPT 1

COM 2

COM 1

conectoare ISA

USB 2 USB 1

conectoare PCI magistrala PCI 33 MHz

până la 450 MHz

magistrala procesorului 100 MHz

66 MHz

CPU Pentium

memoria cache de nivel 1

memoria cahe de nivel 2

North Bridge

South Bridge

IDE 1

IDE 2 CMOS & RTC

Super I/O

magistrala ISA 8 MHz

ROM Flash BIOS

AGP Video

100 MHz

100 MHz SDRAM DIMM

Figura 2.8

Page 45: CartedlComanescu Bun v1

45

2.3.1.2. Magistrala memoriei, magistrala de adrese

Magistrala memoriei este necesară pentru a realiza transferul de date între CPU şi

memoria principală - memoria RAM a sistemului. Ea este de fapt o parte din magistrala procesorului sau, de cele mai multe ori, este implementată separat cu un set special de cipuri, care efectuează transferul informaŃiilor între magistrala procesorului şi memorie (Figura 2.9).

Sistemele cu frecvenŃa plăcii de bază de 16 MHz sau mai mare lucrează la viteze care depăşesc posibilităŃile cipurilor DRAM standard (Dynamic Random Acces Memory).

În astfel de situaŃii este utilizat un set de cipuri (controllerul memoriei) care realizează interfaŃa între magistrala rapidă a procesorului şi memoria principală, mai lentă. Acelaşi set de cipuri realizează de asemenea şi gestionarea magistralei I / O.

În Figura 2.9 se prezintă modul cum se integrează magistrala memoriei într-o structură PC.

Magistrala memoriei

Magistrala principală a sistemului

Magistrala procesorului

CPU Cache extern

Cipurile controllerului de memorie

RAM

Figura 2.9

LăŃimea magistralei de memorie este întotdeauna egală cu cea a magistralei procesorului.

De exemplu, dacă un sistem are un procesor pe 32 de biŃi, magistrala memoriei va fi tot de 32 de biŃi. Pentru un sistem Pentium (cu procesor de 64 de biŃi) magistrala memoriei va avea 64 de biŃi. Aceasta va defini un " banc " de memorie . De exemplu, un procesor 486 DX 4 are o magistrală de 32 de biŃi, astfel că adăugarea memoriei într-un astfel de sistem trebuie să se facă introducând câte 32 de biŃi la un moment dat pentru fiecare banc. Dacă, se vor utiliza module SIMM (Single In-line Memory Module) cu 30 de pini (pe 8 biŃi), înseamnă că vor fi necesare 4 module pentru un banc; dacă, se utilizează module SIMM cu 72 de pini (pe 32 de biŃi), nu va fi necesar decât un modul pentru a realiza un banc. Sistemele Pentium lucrează pe 64 de biŃi , aşa că aproape întotdeauna va fi necesară adăugarea a două module SIMM cu 72 de pini (32 de biŃi fiecare). Unele sisteme

Page 46: CartedlComanescu Bun v1

46

Pentium mai recente utilizează module DIMM (Dual In-line Memory Module) cu 168 de pini, care au 64 de biŃi fiecare. Un astfel de modul poate forma un singur banc într-un sistem pe 64 de biŃi.

Magistrala de adrese este de fapt o parte a magistralei procesorului şi a celei de memorie. Magistrala de adrese este utilizată pentru a indica adresa de memorie sau adresa de pe

magistrala sistemului care va fi folosită în cadrul operaŃiei de transfer a datelor. Magistrala de adrese indică precis locul în care va avea loc următorul transfer în memorie sau pe magistrală. Dimensiunea magistralei de memorie determină mărimea memoriei pe care unitatea centrală o poate adresa direct.

2.3.1.3. Magistrala I/0 (magistrala de intrare - ieşire a datelor)

Magistrala I / O permite permanent procesorului să dialogheze cu echipamentele

periferice. De asemenea, această magistrală permite adăugarea de module suplimentare sistemului de calcul, pentru a putea să i se sporească performanŃele. În acest sens, o importanŃă mare o au, de asemenea, şi sloturile de extensie, cu ajutorul cărora se pot ataşa sistemului de calcul controllere de hard disc, plăci adaptoare video, adaptoare de reŃea, sau adaptoare gazdă SCSI (Small Computer System Interface) etc. [229].

În sistemele moderne de calcul, numeroase dispozitive periferice de bază sunt incluse pe placa de bază. Majoritatea calculatoarelor au acum pe placa de bază cel puŃin două controllere IDE (primar şi secundar), (Integrated Drive Electronics), un controller de dischete, două porturi seriale şi un port paralel. De obicei, toate acestea sunt incluse într-un singur cip, numit cipul Super I / O [ 146].

În unele sisteme, pe placa de bază sunt incluse şi alte elemente, cum ar fi un port de mouse integrat, un adaptor video, un adaptor gazdă SCSI sau un adaptor de reŃea; într-un astfel de sistem probabil că nici nu mai sunt necesare sloturi de extensie pe magistrala I / O. Totuşi, aceste controllere şi porturi folosesc magistrala I / O pentru comunicarea cu procesorul. Deci, chiar dacă sunt interne, ele acŃionează ca şi cum ar fi plăci introduse în conectori de extensie. De la apariŃia primului PC s-au folosit mai multe tipuri de magistrale I/O. Aceste magistrale au evoluat ca expresie a necesităŃii permanente de creştere a vitezelor de intrare/ieşire a datelor, necesitate care vizează trei direcŃii principale, şi anume: • utilizarea de procesoare cat mai rapide, • utilizarea unui software cât mai evoluat, • utilizarea unor dispozitive video cât mai evoluate.

Acesta este motivul pentru care la ora actuală, majoritatea sistemelor de calcul compatibile PC, folosesc o magistrală locală de mare viteză de tipul VL - Bus sau PCI, care oferă un nivel de performanŃă mai ridicat pentru adaptoarele care necesită aşa ceva.

Totuşi, procesul de diversificare a magistralelor I / O a evoluat destul de încet din cauza problemei compatibilităŃii între diverse standarde. Acesta este motivul pentru care, s-au făcut eforturi susŃinute pentru standardizarea acestor tipuri de magistrale, dând posibilitatea şi altor firme să se ocupe de diversificarea totală a producŃiei. La ora actuală există mii de tipuri de magistrale I / O, astfel perfecŃionate încât să fie compatibile cu primele tipuri apărute pe piaŃă, dar cu performanŃe mult superioare.

Principalele tipuri de magistrale I / O sunt: • ISA, • Micro Channel Architecture (MCA), • EISA, • VESA Local Bus (VL - Bus), • PCI, • PC - Card (fosta PCMCIA).

Page 47: CartedlComanescu Bun v1

47

Au existat două tipuri de magistrale ISA, versiunea mai veche care era capabilă să transfere simultan 8 biŃi de date şi versiunea mai modernă capabilă să

transfere 16 biŃi. Versiunea pe 8 biŃi lucra la o frecvenŃă de 4,77 MHz, iar cea pe 16 biŃi la 6-8 MHz, ulterior la 8,33 MHz. Rata teoretică maximă de transfer a magistralei ISA este de 8 M / secundă conform relaŃiei:

8 MHZ x 16 biŃi = 128 megabiŃi / secundă, 128 megabiŃi / secundă: 2 perioade = 64 megabiŃi / secundă, 64 megabiŃi / secundă: 8 = 8 M / s. LăŃimea de bandă a unei magistrale pe 8 biŃi va fi la jumătate din această valoare, adică

de 4 M / S. Ulterior, ca expresie a apariŃiei unor procesoare superioare, s-au produs şi magistrale ISA

pe 32 de biŃi, dar special pentru procesoarele pe 32 de biŃi s-au realizat magistralele MCA, superioare celor ISA din toate punctele de vedere.

Magistralele EISA ( Extended Industry Standard Architecture) au apărut în septembrie 1988, standardul ei fiind pus la punct de către firma Compaq, ca expresie a unor conflicte cu firma IBM. EISA utilizează o tehnologie numită bus mastering (control total al magistralei) pentru a mări viteza sistemului. În esenŃă, o placă bus master este un adaptor cu propriul său procesor care poate executa operaŃii independent de CPU. Pentru a funcŃiona corect, tehnologia bus mastering se bazează pe un circuit de arbitrare EISA numit de obicei cip ISP (Integrated System Peripheral). Acest cip dă posibilitatea unei plăci bus master să preia controlul exclusiv al sistemului, ca şi cum placa ar fi însuşi sistemul.

Cipul ISP decide care dispozitiv primeşte controlul printr-un sistem de patru nivele de prioritate:

1. reîmprospătarea memoriei sistemului, 2. transferurile DMA (Direct Memory Acces), 3. unitatea centrală de prelucrare (CPU), 4. plăcile bus master.

Magistrala memoriei (Viteză mare)

Magistrala procesorului (viteză mare)

CPU

Cache extern

Cipurile controllerului de magistrală

RAM

Plăci adaptoare I/O

Magistrala I/O (viteză redusă)

Dispozitive I/O interne

Page 48: CartedlComanescu Bun v1

48

Figura 2.10 Magistralele prezentate până în prezent (I/O), ISA, MCA şi EISA sunt totuşi caracterizate

printr-o viteză relativ scăzută. O rezolvare a acestei probleme este mutarea unora dintre extensiile I / O într-o zonă unde pot avea acces la viteza sporită a magistralei procesorului, la fel cum beneficiază şi cache-ul extern. În Figura 2.10 se poate observa schema bloc de principiu a magistralelor unui sistem de calcul, iar în Figura 2.11 se prezintă această nouă dispunere. Această dispunere a componentelor este cunoscută sub denumirea de magistrală locală (local bus). În jurul anului 1991, performanŃele video deveniseră principalele limitări ale celor mai multe sisteme compatibile PC. Pentru a depăşi aceste impedimente, Video Electronics Standard Association (VESA) a dezvoltat o specificaŃie de magistrală locală cunoscută sub denumirea de VESA Local Bus, sau mai simplu VL - Bus.

Pe lângă toate avantajele pe care le aduce tehnologia VL - Bus, şi în general toate magistratele locale, acestea au şi o serie de dezavantaje cum sunt: • dependenŃa de procesorul 486, • limitare de viteză, • limitări legate de posibilităŃile de conectare electrică, • limitare legată de plăci (numărul de plăci VL - Bus este limitat de încărcarea electrică a

sistemului). La începutul anului 1992, Intel a realizat un grup de lucru pentru realizarea magistralelor

PC care, să rezolve dezavantajele celor produse până la acea dată. Astfel au fost lansate magistralele PCI (Peripheral Component Interconnect Bus).

Magistrala memoriei (Viteză mare)

Magistrala procesorului (viteză mare)

CPU

Cache extern

Cipurile controllerului de magistrală

RAM

Plăci adaptoare I /O

Plăci adaptoare I/O

Magistrala I/O (viteză redusă)

Dispozitive I/O interne

Figura 2.11

Magistralele PCI lansate în iunie 1992 şi modificate în aprilie 1993, au intercalat o altă

magistrală între CPU şi magistrala I / O existentă la celelalte tipuri, prin intermediul unor cipuri de legătură. S-a preferat ca în loc să se intre direct pe magistrala procesorului, ceea ce ar conduce la probleme dificile de sincronizare (ca în cazul magistralelor locale şi VL - Bus), să se pună la punct un nou tip de cipuri controller pentru a extinde magistrala, aceasta fiind necesară mai ales pentru microprocesoarele din clasa Pentium (Figura 2.12).

Magistrala PCI este numită adesea şi magistrală mezanin deoarece ea adaugă un alt nivel configuraŃiei tradiŃionale de magistrală ocolind magistrala standard I / O, ea foloseşte magistrala

Page 49: CartedlComanescu Bun v1

49

sistemului pentru a creşte viteza ceasului şi foloseşte toate avantajele căilor de date ale unităŃii procesorului CPU. Pe o magistrală PCI, informaŃiile se transferă la 33 MHz utilizând toată lungimea cuvântului procesorului. Când magistrala este utilizată cu un procesor pe 32 de biŃi, lăŃimea de bandă este de 132 M / s aşa cum se poate observa din relaŃiile:

33 MHz x 32 biŃi = 1.056 megabiŃi / secundă, 1.056 megabiŃi / secundă: 8 = 132 M / s. Când magistrala este folosită cu o unitate CPU pe 64 de biŃi, lăŃimea de bandă se

dublează, adică devine 264 M / s. Magistralele PCMCIA (PC - Card) au fost realizate pentru calculatoarele laptop şi notebook, pentru a conferi şi acestei game de sisteme de calcul aceleaşi posibilităŃi de dezvoltare ca şi celor de tip desktop [226].

Figura 2.12

Astfel, Personal Computer Memory Card InternaŃional Association (PCMCIA) a stabilit

câteva standarde pentru plăcile de extensie de dimensiunea cărŃilor de credit care se potrivesc în sloiurile mici ale calculatoarelor laptop şi notebook.

Magistralele de PC - Card au fost realizate în următoarea gamă de tipuri [l, 2,3, 4]: • PCMCIA Tip I, admit plăci de 3,3 mm grosime, • PCMCIA Tip II, admit plăci de 5 mm grosime, • PCMCIA Tip III,admit plăci de 10,5 mm grosime fiind destinate în principal calculatoarelor

cu unităŃi de hard disc (HDD) amovibile, • PCMCIA Tip IV, admit plăci cu grosimi mai mari de 10,5 mm.

2.4. Echipamente periferice PerformanŃele unui sistem informaŃional de prelucrare a datelor sunt dictate nu numai de

construcŃia şi arhitectura hardware a unităŃii centrale, ci şi de complexitatea şi performanŃele echipamentelor periferice [146]. Astfel, pe lângă rolul lor de a păstra un dialog bilateral între operatorul uman şi sistemul de calcul, echipamentele periferice sunt cele care în final asigură pe de o parte, prelevarea informaŃiilor la intrarea în sistemul informaŃional cu o rezoluŃie şi o productivitate corespunzătoare, iar, pe de altă parte o prezentare sub o formă accesibilă

Page 50: CartedlComanescu Bun v1

50

operatorului uman a rezultatelor prelucrate de sistemul informaŃional cu o rezoluŃie şi o productivitate deosebită.

O utilizare eficientă a unui sistem informaŃional presupune totodată şi o corelare perfectă între productivităŃile tuturor subsistemelor echipamentului de calcul, pentru a justifica în final efortul moral şi financiar de achiziŃie din punctul de vedere al utilizatorului care doreşte un mijloc de lucru şi investigare performant, uşor de exploatat, fără un impact psihic deosebit, mijloc de lucru care trebuie de asemenea, să se adreseze unei game foarte largi de utilizatori din toate clasele sociale cu pregătiri şi calificări deosebit de diverse.

Desigur că, pentru realizarea tuturor acestor deziderate un rol major îl joacă periferia sistemelor de calcul. În marea lor diversitate constructivă şi funcŃională, atât sub aspect hardware cât şi software, există o unitate de concepŃie şi proiectare în funcŃie de scopul şi destinaŃia pentru care au fost realizate aceste echipamente periferice.

Astfel, după destinaŃia lor, ele se pot clasifica în: • echipamente periferice pentru intrarea datelor; • echipamente periferice pentru ieşirea datelor, • echipamente periferice de stocare şi depozitare a datelor, cunoscute şi sub denumirea de

memorii externe, • echipamente periferice conversaŃionale, • echipamente periferice pentru teleprelucrarea şi teletransmisia datelor.

2.4.1. Echipamente periferice pentru intrarea datelor Echipamentele periferice pentru intrarea datelor sunt destinate, după cum sunt de fapt şi

denumite, pentru introducerea sau citirea informaŃiilor stocate într-un anumit cod pe diverşi suporŃi fizici informaŃionali.

Pentru introducerea datelor direct de către operatorul uman se pot utiliza următoarele echipamente: • tastaturile alfa-numerice, • mouse-ul, • adaptorul de jocuri (joystick).

Echipamentele enumerate au rolul ca prin intermediul lor operatorul să introducă direct datele (prin tastare, spre exemplu) dar în acelaşi timp să poată păstra un dialog cu sistemul de calcul, deci sub acest aspect ele se pot considera şi echipamente conversaŃionale (desigur şi cu ajutorul unui dispozitiv de afişare video).

Dacă, informaŃiile sunt stocate pe diverşi suporŃi fizici informaŃionali, ca rezultat al unor prelucrări anterioare pe alte sisteme de calcul, datele pot fi introduse din nou spre prelucrare cu ajutorul clasei mari de echipamente denumite cititoare sau lectori.

O scurtă clasificare a cititoarelor se poate face luând în considerare şi suportul după care se face citirea, după cum urmează: • cititoare grafice, care preiau informaŃiile direct de pe documente sau desene industriale etc.;

acestea sunt cunoscute sub denumirea de scannere, • cititoare de bandă magnetică, • cititoare de discuri magnetice, • cititoare de compact discuri.

În general toate unităŃile de memorii externe pe suporŃi magnetici sau pe compact disc pot să citească sau să scrie informaŃiile, pe aceste suporturi fizice informaŃionale, deci, sub acest aspect ele pot fi considerate ca echipamente de intrare - ieşire a datelor.

Page 51: CartedlComanescu Bun v1

51

TendinŃele actuale în concepŃia echipamentelor de intrare sunt de a realiza astfel de construcŃii care să poată prelua informaŃiile mult mai uşor sub aspectul vitezei de preluare şi al acurateŃei lor.

În acest sens, sunt cunoscute cercetările întreprinse de diverse firme producătoare pentru a realiza echipamentele de intrare vocale, care să recunoască vocea umană, sau cele care să poată introduce datele ca urmare a fluxului de biocurenŃi primit de la sistemul central nervos al operatorului uman în urma unei simple inspecŃii senzoriale a realităŃii înconjurătoare, etc..

2.4.2. Echipamente periferice pentru ieşirea datelor Echipamentele periferice de ieşire a datelor sunt destinate extragerii şi înregistrării

informaŃiilor pe diverse suporturi fizice. Astfel, după destinaŃie, precum şi după suportul fizic informaŃional folosit, ele se pot

clasifica în: echipamente care extrag datele într-un cod accesibil operatorului uman, deci, livrează

datele într-o formă finală realizând diverse documente care vor fi folosite în diverse activităŃi ulterioare, din această categorie făcând parte:

imprimantele, care realizează tipărirea datelor pe hârtie, ca suport fizic, realizând documente,

plotterele sau trasatoarele grafice, care, realizează diverse desene destinate unei activităŃi ulterioare industriale, sau grafice, diagrame sau caractere alfanumerice stilizate etc.

echipamente care extrag datele în vederea unor reprelucrări ulterioare pe alte sisteme de calcul, cum ar fi:

• inscriptoarele de bandă magnetică, • inscriptoarele de discuri magnetice, • inscriptoarele de compact discuri, • inscriptoarele de microfilme.

TendinŃele viitoare în acest domeniu sunt concentrate în jurul realizării echipamentelor de mai mare productivitate şi rezoluŃie precum şi de mare fiabilitate, necesare mai ales în domeniul prelucrărilor imaginilor grafice; de asemenea, în producerea de echipamente pentru prelucrarea informaŃiilor sonore necesare sistemelor complexe informaŃionale de birotică şi multimedia.

2.4.3. Echipamente periferice de stocate o datelor (memorii externe)

Aceste echipamente au rolul de a extinde capacitatea de memorare a sistemelor de calcul,

pe de o parte, iar pe de alta, de a asigura posibilitatea de prelucrare dinamică a informaŃiilor prin introducerea sau extragerea datelor din aceste unităŃi în timpul procesului de prelucrare a informaŃiilor, de asemenea, de stocare îndelungată a fişierelor de date.

După modul cum se poate asigura accesul la informaŃiile stocate, memoriile externe se pot clasifica în: • memorii externe cu acces secvenŃial, din care fac parte unităŃile cu bandă magnetică şi cu

compact disc, • memorii externe cu acces aleatoriu, care cuprind unităŃile cu discuri magnetice elastice

(floppy disk), sau cele cu discuri magnetice rigide (hard-disk). • După suportul fizic informaŃional folosit, echipamentele periferice de stocare a datelor sunt: • echipamente cu bandă magnetică, • echipamente cu discuri magnetice,

Page 52: CartedlComanescu Bun v1

52

• echipamente cu discuri optice, • echipamente cu discuri magneto-optice.

O altă clasificare a unităŃilor de memorii externe se poate face după tipul interfeŃei capete de citire-scriere - disc şi anume: • unităŃi cu contact cap-disc (memoriile floppy disk, memoriile cu bandă magnetică), • unităŃi fără contact între cap-disc (memoriile externe cu discuri rigide - hard-disk, memoriile

cu compact disc optic). Memoriile externe au o dinamică de dezvoltare uluitoare, atât sub aspectul creşterii

capacităŃii de stocare a informaŃiilor (care practic la fiecare doi ani se dublează, o dată cu miniaturizarea de înaltă densitate a suportului fizic) cât şi al îmbunătăŃiri timpilor de acces.

Echipamentele periferice conversaŃionale asigură un dialog permanent şi uşor între operatorul uman şi sistemul de calcul, în acest sens cel mai bun exemplu este cuplul dintre o tastatură alfa-numerică şi un dispozitiv de afişare grafică (monitor).

Echipamentele de teleprelucrare a datelor au rolul de a asigura posibilitatea prelucrării la distanŃă a informaŃiilor, atât sub aspectul transmiterii cât şi al recepŃiei acestora. Necesitatea lor în societatea modernă informatizată a devenit preponderentă.

Conceptul modern în domeniul echipamentelor periferice este de a se asigura structuri complexe necesare biroticii şi multimediei. Spre exemplu, un copiator este de fapt un echipament complex format dintr-un scanner şi o imprimantă cu laser, sau un tele-fax, este de fapt format dintr-o imprimantă, un scanner, şi un modul de teletransmitere a informaŃiilor prin linia telefonică.

O dată cu apariŃia conceptului de birotică, tendinŃa în proiectarea şi realizarea echipamentelor periferice, în general, s-a modificat, orientându-se mai pregnant către modularizare. Aceasta a avut ca efect, asamblarea modulelor în diverse arhitecturi complexe şi realizarea structurilor de tip box-office.

2.5. Sisteme informaŃionale portabile de prelucrare o datelor

2.5.1. GeneralităŃi Sistemele informaŃionale portabile, la fel ca şi cele de birou, au evoluat foarte mult din

momentul în care termenul portabil se putea referi la o carcasă cu dimensiunile celei de birou, dar cu un mâner, pentru a putea fi uşor transportate.

În prezent sistemele portabile pot rivaliza cu performanŃele celor de birou, sub aproape toate aspectele. S-a ajuns chiar ca multe sisteme să fie comercializate ca "înlocuitoare ale sistemelor desktop", pe care companiile le asigură angajaŃilor care călătoresc foarte mult [20].

Primele sisteme informaŃionale portabile au fost de dimensiunea unei valize, care erau diferite de sistemele de birou prin faptul că aveau aproape toate componentele, inclusiv monitorul, instalate într-o singură carcasă.

Firma Compaq a fost printre primele care au comercializat, din anii "80", astfel de calculatoare portabile şi, în ciuda dimensiunii, a greutăŃii şi a aspectului lor, ridicole în comparaŃie cu a celor actuale, ele reprezentau vârful tehnologiei de la acea vreme. Componentele nu erau foarte diferite de cele utilizate în calculatoarele standard, în prezent majoritatea sistemelor portabile au aproximativ dimensiunea unei agende (notebook) şi sunt realizate în sistem " scoică ", ce a devenit un standard industrial, aproape toate componentele lor fiind special proiectate pentru sisteme mobile.

Calculatoarele portabile s-au împărŃit în câteva categorii disponibile.

Page 53: CartedlComanescu Bun v1

53

Utilizatorii care călătoresc au cerinŃe specifice de la calculatoarele portabile, iar mărirea greutăŃii şi a cheltuielii prin adăugarea unor caracteristici suplimentare nu sunt agreate de utilizatorul care trebuie să transporte un sistem mai puternic decât este necesar.

2.5.2. Tipodimensiuile sistemelor informaŃionale mobile (portabile)

Există trei tipodimensiuni de bază care descriu majoritatea sistemelor informaŃionale

portabile existente: • sisteme laptop; • sisteme notebook; • sisteme subnotebook.

DefiniŃiile celor trei tipuri sunt flexibile, opŃiunile disponibile în unele sisteme făcând ca anumite modele să treacă bariera dintre două categorii.

Categoriile sunt definite în primul rând prin dimensiune şi greutate, dar aceşti factori sunt în relaŃie directă cu capacităŃile sistemului, deoarece o carcasă mai mare poate evident încorpora mai multe componente în ea.

Laptop-uri - Purtând numele original atribuit sistemului informaŃional portabil în carcasă de tip " scoică ", laptop-ul este tipodimensiunea cea mai mare. De obicei un sistem laptop cântăreşte trei kilograme sau mai mult şi are aproximaŃie 9”x12”x2”, deşi ecranele cu dimensiuni mai mari, care au apărut în prezent pe piaŃă, fac să crească dimensiunile tuturor sistemelor portabile.

IniŃial sistemele cu cele mai mici dimensiuni, laptop-urile au devenit în prezent echipamente cu performanŃe mari, oferind capacităŃi comparabile cu ale unui sistem de birou.

De fapt multe laptop-uri se comercializează pe piaŃă ca sisteme care pot înlocui calculatoarele de birou sau ca echipamente multimedia, potrivite pentru prezentările făcute în deplasare.

Datorită greutăŃii lor mai mari, laptop-urile sunt utilizate de obicei de agenŃii comerciali şi de alŃi călători care au nevoie de facilităŃile oferite de astfel de sisteme. Cu toate acestea, multe dintre laptop-urile de mare performanŃă sunt atribuite utilizatorilor drept unic sistem, chiar dacă aceştia călătoresc doar de acasă până la birou şi înapoi. Display-urile cu diagonale satisfăcătoare, 256-512 MB sau mai multă memorie RAM, hard-discuri de 20-30 GB şi mai mari sunt omniprezente, multe sisteme dispunând frecvent de unităŃi CD-ROM, difuzoare şi opŃiuni de conectare care permit utilizarea unui display extern, a unor sisteme externe de stocare şi a sistemelor externe de sunet.

Pentru a fi utilizate ca înlocuitoare ale sistemelor de birou, se pot echipa multe laptop-uri cu staŃii de extensie, care funcŃionează ca "bază" pentru utilizator, permiŃând conectarea la o reŃea, utilizarea unui monitor cu dimensiuni normale sau a unei tastaturi externe.

Pentru o persoană care călătoreşte frecvent, acest aranjament este mai avantajos decât un sistem portabil şi unul de birou, la care datele trebuie menŃinute în continuă corelaŃie. Evident că, se va plăti în plus pentru această funcŃionalitate. Sistemele laptop de vârf pot costa de la 3000 la 4500 de dolari sau chiar mai mult, de cel puŃin două ori mai mult decât un sistem de birou cu capacităŃi comparabile.

Notebook-uri - Un sistem notebook a fost conceput mai mic decât unul laptop, din aproape toate punctele de vedere: dimensiuni, greutate, caracteristici şi preŃ. Cântărind între două şi cinci kilograme, notebook-urile au display-uri mai mici şi mai puŃin performante şi sunt lipsite de funcŃiile multimedia de foarte bună calitate ale laptop-urilor, dar nu trebuie, totuşi, considerate echipamente slabe. Multe notebook-uri au configuraŃii de memorie şi de hard-disc comparabile cu cele ale laptop-urilor, iar unele sunt echipate cu unităŃi de CD-ROM şi cu dispozitive audio.

Page 54: CartedlComanescu Bun v1

54

Conceput să funcŃioneze ca un adjuvant al unui sistem de birou, nu în locul acestuia, un notebook probabil că nu va impresiona prea mult utilizatorii, dar va putea fi un excelent echipament portabil. Notebook-urile dispun de o gamă cuprinzătoare de opŃiuni, datorita faptului că se adresează unui segment larg de utilizatori, de la utilizatorul profesionist care nu îşi poate permite un laptop de primă calitate la cel care are nevoie numai de servicii de bază. PreŃurile de achiziŃie pot varia de la 1200 la 3000 de dolari.

Subnotebook-uri - Subnotebook-urile sunt mult mai mici decât notebook-urile şi laptop-urile şi sunt dedicate utilizatorilor care trebuie să introducă date şi să lucreze în timp ce călătoresc, precum şi să se conecteze la reŃeaua de la birou. Cântărind cam două kilograme, şi având uneori mai puŃin de un inci grosime, subnotebook-ul este dedicat călătorului care se simte copleşit de echipamentele mai mari şi nu are nevoie de capacităŃile lor performante. De obicei, prima componentă omisă într-un subnotebook este unitatea de dischete, deşi unele unităŃi dispun de unităŃi externe. De asemenea, ele nu sunt dotate cu unităŃi de CD-ROM sau alte componente hardware masive. Totuşi, multe subnotebook-uri conŃin display-uri mari, de foarte bună calitate, hard-discuri de mare capacitate şi tastaturi cu dimensiuni normale (după standardele portabilelor). Unele subnotebook-uri sunt realizate pentru piaŃa sistemelor performante, ca de pildă pentru conducătorii care folosesc sistemul doar pentru a-şi Ńine agenda de lucru şi a transmite mesaje e-mail, dar care doresc un sistem uşor, elegant şi uşor de manipulat. Unele subnotebook-uri pot costa aproximativ 3500 de dolari, altele sunt mult mai ieftine.

2.5.3. Hardware - ul sistemelor portabile (mobile) Sistemele portabile au fost proiectate să fie mai mici şi mai uşoare decât cele de birou şi o

mare parte din activitatea de cercetare efectuată asupra componentelor sistemelor de birou a contribuit cu siguranŃă în acest scop.

Hard-discurile de 2 1/2 inci utilizate în portabilele actuale sunt un rezultat direct al reducerii dimensiunilor tuturor unităŃilor de hard-disc în decursul ultimilor ani. Totuşi, alte două aspecte au condus la necesitatea dezvoltării unor noi tehnologii, specifice sistemelor portabile: consumul de energie şi încălzirea.

Grija faŃă de mediu a dus la dezvoltarea unor tehnologii cât mai eficiente de gestionare a consumului de energie, dar funcŃionarea unui calculator alimentat de la o baterie impune anumite limitări, la care proiectanŃii sistemelor de birou nu au fost nevoiŃi să se gândească înaintea apariŃiei sistemelor portabile. Şi, mai mult, cererea de caracteristici suplimentare, ca unităŃi de CD-ROM, display-uri mai mari şi chiar şi procesoare mai rapide a mărit foarte mult consumul de energie al unui sistem obişnuit. Problema conservării energiei şi a măririi duratei de viaŃa a bateriei sistemului este de obicei abordată în trei moduri:

Componente cu consum redus de energie - Aproape toate componentele din sistemele portabile actuale sunt proiectate special pentru a consuma mai puŃină energie decât sistemele de birou staŃionare.

EficienŃă sporită a bateriei - Tehnologiile mai noi pentru baterii, ca litiu ion, chiar dacă nu Ńin pasul cu cererea de energie a sistemelor din ce în ce mai încărcate, fac sursele de alimentare să fie mai constante şi mai fiabile.

Gestionarea energiei - Sistemele de operare şi utilitarele care opresc funcŃionarea anumitor componente, de exemplu unităŃile de disc atunci când nu sunt folosite, pot mări mult durata de viaŃă a bateriei.

O problemă a sistemelor portabile, poate şi mai importantă decât durata de viaŃă a bateriei, este încălzirea şi evacuarea gradientului sporit de energie calorică degajată în timpul funcŃionării sistemului. PărŃile aflate în mişcare dintr-un calculator, de exemplu unităŃile de disc, generează prin frecare energie calorică, care trebuie disipată într-o manieră deosebit de eficientă, în sistemele de birou, această operaŃie se face cu ajutorul radiatoarelor active (cu suprafeŃe radiante

Page 55: CartedlComanescu Bun v1

55

şi ventilatoare), care evacuează permanent energia calorică disipată şi asigură o ventilaŃie eficientă a tuturor spaŃiilor goale ale sistemului.

Componenta care disipează cea mai mare cantitate de energie calorică este procesorul sistemului, care la ora actuală este dotată cu radiatoare active în diverse soluŃii constructive în funcŃie de generaŃia procesorului. Deoarece, multe sisteme portabile sunt în prezent proiectate ca înlocuitoare ale sistemelor de birou, utilizatorii nu sunt dispuşi să facă nici un compromis în ceea ce priveşte puterea de calcul. Chiar şi cele mai noi şi mai rapide procesoare proiectate pentru sistemele de birou, de exemplu Pentium III-IV, sunt adaptate rapid pentru a fi utilizate în sistemele portabile, însă, din motive de consum de energie, zgomot şi spaŃiu, ventilatoarele din calculatoarele portabile trebuie să fie mai mici sau să lipsească, iar în carcasă există foarte puŃin spaŃiu pentru ventilaŃie.

Pentru a rezolva această problemă, Intel a dezvoltat metode speciale de încapsulare a procesoarelor mobile, concepute să dezvolte mai puŃină căldură. Şi alte componente sunt proiectate să micşoreze energia calorică disipată într-un calculator portabil, care de obicei este mai mare decât într-un calculator de birou.

Din punct de vedere tehnic, unele dintre componentele utilizate în sistemele portabile se aseamănă foarte mult cu cele din sistemele de birou, în timp ce altele sunt complet diferite, în cele ce urmează se vor prezenta componentele ce diferă de sistemele uzuale de birou.

Display-urile - Poate că cea mai evidentă diferenŃă dintre un sistem portabil şi unul de birou este display-ul. Display-ul pentru sistemele portabile (mobile) au ecrane plate, cu grosime mai mică de o jumătate de inci, numite LCD sau display cu cristale lichide.

Figura 2.13

Un display LCD constă din două folii de material flexibil, ce poate polariza, având între

ele un strat de soluŃie de cristale lichide. Dacă se apasă uşor un ecran LCD în timp ce este aprins, se poate vedea deplasarea lichidului din interior. Când curentul electric trece prin lichid, cristalele se aliniază şi devin "semi - permisibile" la lumină. Display-ul este de obicei cea mai scumpă componentă a unui sistem portabil, având un cost în jur de 600 de dolari.

Display-ul LCD al unui sistem portabil a fost conceput să funcŃioneze la o anumită rezoluŃie, deoarece dimensiunea pixelilor nu poate fi schimbată.

În cazul unui sistem de birou, semnalul provenit de la adaptorul video poate modifica rezoluŃia monitorului, schimbând astfel numărul de pixeli generaŃi pe ecran.

Pe de altă parte, un panou LCD trebuie imaginat ca o grilă pentru o anumită rezoluŃie, cu tranzistoare care controlează culoarea afişată de fiecare pixel.

Aranjamentul tranzistoarelor defineşte cele două tipuri principale de display-uri LCD utilizate de sistemele portabile actuale:

Page 56: CartedlComanescu Bun v1

56

• cu baleiere dublă; • cu matrice activă.

Display-ul cu baleiere dublă - (matrice pasivă) - Display-ul cu baleiere dublă, denumit uneori şi display cu matrice pasivă, conŃine o matrice de tranzistoare plasate pe axele OX şi OY ale ecranului. De exemplu, un display cu baleiere dublă cu 640 de tranzistoare pe axa OX şi cu 480 pe axa OY creează o grilă ca cea din Figura 2.13.

Fiecare pixel de pe ecran este controlat de două tranzistoare reprezentând coordonatele sale pe axele OX şi OY. Dacă un tranzistor dintr-un astfel de display se defectează, o întreagă linie de pixeli va fi dezactivată, făcând sa apară o linie neagră care traversează ecranul (fie pe orizontală, fie pe verticală). Singurele soluŃii pentru rezolvarea acestei probleme este înlocuirea display-ului sau acceptarea situaŃiei de fapt. Termenii baleiere dublă provin de la modul în care procesorul retrasează ecranul, câte o jumătate o dată, fapt care accelerează întrucâtva procesul de reîmprospătare. Display-urile cu baleiere dublă sunt în general inferioare celor cu matrice activă. Ele tind să fie prea estompate, deoarece pixeli funcŃionează prin modificarea proprietăŃilor luminii reflectate (fie ea lumină din interior sau mai curând o sursă de lumină în spatele ecranului), nu generând ei lumină. Panourile cu baleiere dublă sunt predispuse şi la apariŃia imaginilor fantomă şi sunt dificil de privit dintr-o parte, ceea ce face ca doi sau mai mulŃi operatori să nu poată vedea bine acelaşi ecran.

Cu toate acestea, noile tehnologii de realizare a matricilor pasive, de exemplu ecranele color Super-Twist Nematic (CSTN), Double-Layer Super-Twist Nematic (DSTN) şi mai ales High-Performance Addressing (HPA), au parcurs un drum lung şi au făcut din display-urile cu matrice pasivă o alternativă viabilă, ieftină, la nivelul tehnologiei matricei active. Aceste display-uri asigură rate mai bune şi un contrast mai bun; probleme foarte grave prezentate de modelele mai vechi; dar nu sunt la fel de clare şi de rapide ca ecranele cu matrice activă.

Desigur, display-urile cu matrice pasivă sunt de departe cele mai ieftine în comparaŃie cu cele cu matrice activă. Dezavantajele unui display cu matrice pasivă ies cel mai bine în evidenŃă în aplicaŃii ce se bazează puternic pe video, cum ar fi prezentările, grafica în multe culori, secvenŃele video sau jocuri care se desfăşoară rapid. Pentru procesarea textelor sau a programelor pentru e-mailuri, display-ul cu matrice pasivă reprezintă o soluŃie foarte bună, chiar pentru perioade mari de timp. Dimensiunea standard a unui display cu baleiere dublă este 10 1/2 inci (măsurata pe diagonală), permiŃând o rezoluŃie de 640x480, dar există şi sisteme cu display-uri de 12,1 inci, care acceptă rezoluŃia de 800x600.

Fig. 3.2

Figura 2.14

Display-ul cu matrice activă - Display-ul cu matrice activă diferă de unul cu baleiere dublă deoarece conŃine cel puŃin un tranzistor pentru fiecare pixel de ecran, nu doar două axe de

Page 57: CartedlComanescu Bun v1

57

tranzistori pe margini. Tranzistoarele sunt aşezate într-o grilă din material conductiv, fiecare fiind conectat pe orizontală şi pe verticală (Figura 2.13).

Din Figura 2.14 se poate observa că, în cazul unui display cu matrice activă fiecare pixel de pe ecran are destinat câte un tranzistor, pixelii generând ei înşişi lumină (realizând totodată, o lumină mai strălucitoare). Tensiunile selectate sunt aplicate în perimetrul grilei prin intermediul unor electrozi şi se adresează individual fiecărui pixel.

Majoritatea display-urilor cu matrice activă folosesc o matrice de tranzistoare peliculare (TFT). TFT este o metodă de încapsulare pentru unu până la patru tranzistoare pentru fiecare pixel într-un material flexibil care are aceeaşi dimensiune şi formă cu display-ul, astfel încât tranzistoarele fiecărui pixel se găsesc exact în spatele celulei cu cristale lichide pe care o controlează.

La baza majorităŃii display-urilor cu matrice activă de pe piaŃă stau două procese deosebite de fabricare a matricei TFT: • siliciu amorf hidrogenat (a-Si); • polisiliciu obŃinut la temperatură scăzută (p-Si).

Aceste procese diferă în primul rând prin cost. La început majoritatea display-urilor TFT erau produse folosind procesul a-Si, deoarece acesta necesita temperaturi mai scăzute (sub 400 de grade Celsius) decât procesul p-Si de la acea vreme.

În prezent procesele de fabricaŃie p-Si cu temperatură mai mică fac din această metodă o variantă economică viabilă.

Deşi un display TFT are mult mai multe tranzistoare - de la 480 000 la l 920 000, pentru un display 800x600 de puncte - fiecare pixel nu are propria sa conexiune de semnal, ci tensiunile sunt aplicate prin conexiunile fiecărei linii şi ale fiecărei coloane, asemenea tranzistoarelor dintr-un display cu matrice pasivă.

Deoarece fiecare pixel este alimentat individual, fiecare generează lumină de culoarea corespunzătoare, creând o imagine mult mai strălucitoare şi mai clară decât un panou cu baleiere dublă. Unghiul sub care poate fi privit ecranul este şi el mai mare, permiŃând mai multor persoane să vadă în acelaşi timp imaginea, reîmprospătarea se face mai rapid şi mai accentuat, fără neclaritatea ecranelor cu baleiere dublă, chiar şi în cazul jocurilor sau al filmelor.

Pe de altă parte, nu trebuie să pară surprinzător faptul că, având 480 000 de tranzistoare sau mai multe, în loc de l 400 (pe un ecran 800x600 de puncte), un display cu matrice activă are nevoie de mai multă putere decât unul cu baleiere dublă. El consumă mai rapid bateriile şi costă şi mult mai mult. Cu atât de multe tranzistoare, nu sunt neobişnuite defectările, rezultând display-uri cu unul sau mai mulŃi " pixeli morŃi ", datorită tranzistoarelor defecte.

Spre deosebire de un display cu baleiere dublă, unde defectarea unui singur tranzistor conduce la un defect evident şi imediat, un singur pixel negru este mult mai puŃin vizibil. Totuşi mulŃi dintre utilizatori au sentimentul că un calculator care costă mii de dolari ar trebui să fie perfect şi au încercat să returneze sistemele producătorului, doar pentru acest unic motiv.

Deoarece toate tranzistoarele unui ecran TFT sunt integrate într-o singură componentă, nu există nici o posibilitate de a repara un pixel defect, cu excepŃia înlocuirii întregii matrici de tranzistoare. Deoarece aceasta este una dintre cele mai scumpe componente ale unui sistem portabil, mulŃi producători de calculatoare portabile refuză să accepte returnarea sistemelor pentru un număr de pixeli defecŃi mai mic decât o anumită valoare stabilită. Aceasta este o altă regulă de vânzare, care ar trebui să fie bine verificată înainte de cumpărarea unui sistem cu display cu matrice activă.

Ecranul cu matrice activă de 12,1 inci (pe diagonală) a devenit un standard pentru multe sisteme portabile, care permit rezoluŃii de 800x600 sau chiar de 1024x768 de puncte. Sistemele foarte performante conŃin ecrane TFT de 14,1 inci. Multe sisteme portabile (mobile) au în dotare acum şi adaptoare video PCI cu 2 MB de RAM, furnizând viteză mai mare şi chiar adâncimi de culoare de 16 sau 24 de biŃi.

Page 58: CartedlComanescu Bun v1

58

Un display TFT de calitate şi un adaptor PCI portabil pot rivaliza cu performanŃele unui monitor de calitate şi ale unui adaptor video dintr-un sistem de birou. De fapt, un display TFT de 12,1 inci (care, spre deosebire de majoritatea monitoarelor convenŃionale, descrie dimensiunea reală a imaginii) are în general imagini de calitate mai bună decât un display de tip CRT, cu aceeaşi dimensiune.

O altă tehnologie pentru ecrane plate, denumite ecrane cu plasmă, a fost utilizată pentru display-urile mari şi pentru câteva tipuri de portabile.

Display-urile cu plasmă - asigură imagini cu o calitate asemănătoare celei oferite de display-urile CRT, pe un ecran plat, subŃire, folosind doar panouri de sticlă între care se găseşte un amestec de neon / xeon.

Din păcate, display-ul necesită mult mai multă energie decât display-ul LCD şi nu a devenit o variantă practică pe piaŃa calculatoarelor portabile.

RezoluŃia display-ului unui sistem portabil poate fi un factor important în decizia de achiziŃie. Unele portabile pot utiliza un ecran virtual, care asigură un ecran de 800x600 (sau mai mare) pe un ecran de 640x480 de puncte.

Display-ul mai mare este păstrat în memoria video, în timp ce ecranul real afişează numai porŃiunea care încape într-o fereastră de 640x480 de puncte (Figura 2.15)

Când se mută cursorul la marginea ecranului, imaginea este panoramată, fereastra de 640x480 de puncte mutându-se în cadrul display-ului de 800x600 de puncte. Efectul este greu de acceptat, la fel ca un film pe ecran lat. Cea mai serioasă problemă este însă faptul că unii producători anunŃă acest display ca fiind 800x600 de puncte, fără să explice natura lui. Deci, un ecran virtual permite să se utilizeze un display mai mic pentru a vedea o porŃiune a unui ecran mai mare. Pe de altă parte, adâncimea de culoare este afectată de cantitatea de memorie din sistem, la fel ca în cazul unui sistem de birou. Pentru ca un ecran LCD să funcŃioneze în modul de culoare cu 16 sau 24 de biŃi, trebuie să existe suficientă memorie video disponibilă. Portabilele au de obicei adaptorul video instalat permanent pe placa de bază, speranŃele pentru realizarea unei măriri a memoriei video fiind foarte reduse. Există totuşi câteva adaptoare video PC Card, care se pot folosi pentru a se conecta un monitor extern, mărind astfel capacităŃile vido ale sistemului.

Figura 2.15

Procesoare - La fel ca în cazul sistemelor de birou, majoritatea portabilelor folosesc

procesoare Intel, iar proiectarea cipurilor pentru sistemele portabile reprezintă o parte importantă a efortului de dezvoltare al companiilor.

Intel are o linie completă de procesoare Pentium optimizate pentru utilizare în sistemele moderne mobile încă de la modelul 386 SL şi a extins foarte mult tehnologia şi caracteristicile

Page 59: CartedlComanescu Bun v1

59

procesoarelor mobile o dată cu modelele Pentium şi Pentium II şi desigur Pentium III-IV. Principalele probleme legate de procesoarele moderne mobile, la fel ca şi ale celor mai multe dintre componentele sistemelor portabile, sunt reducerea dimensiunilor, a consumului şi a căldurii generate. Aproape toate sistemele portabile noi vândute în prezent conŃin unul dintre procesoarele familiei Pentium. Versiunile mobile ale acestor procesoare au aceleaşi caracteristici şi aceeaşi arhitectură cu versiunile normale, ele diferă în principal prin capsulă şi prin consumul de energie.

Încapsularea procesorului defineşte tipul de capsulă folosită pentru a proteja circuitele interne, precum şi tipul de conector care asigură interfaŃa procesorului cu placa de bază.

În tabelul 2.5 se prezintă caracteristicile procesoarelor Intel utilizate în sistemele portabile actuale.

Tabelul 2.5 Tipul procesorului Viteza Tehnologie Tensiune Bufere l/O Pentium 75 MHz 0,35 microni 2,9 V 3,3 V ” 100 MHz ” ” ' 1 ” 120 MHz 0,35 microni 2,9 V 3,3 V ” 133 MHz ” ” ” ” 150MHz ” 3,1 V 3,3 V Pentium MMX 120 MHz ” 2,45 V ” ” 133 MHz ” ” ” ” 150 MHz ” ” ” ” 166 MHz ” ” ” ” 166 MHz 0,25 microni 1,8 V 2,5 V ” 200 MHz ” ” ” ” 300 MHz ” ” ” ” 266 MHz ” 2,0 V 2,5 V Pentium II 233 MHz 0,25 microni 1,7 V 1,8 V ” 266 MHz ” ” ” Pentium III 500 MHz 0,18 microni 1,6 V 1,7 V “ 600 MHz “ “ “ “ 650 MHz “ “ “ “ 700 MHz “ “ “ “ 750 MHz “ “ “ “ 800 MHz “ “ “ “ 1000 MHz “ “ “ “ 1,2 GHz “ “ “ Pentium IV 1,4 GHz 0,13 microni 1,5 V 1,6 V “ 1,5 GHz “ “ “ “ 1,6 GHz “ “ “ “ 1,7 GHz “ “ “ “ 1,8 GHz “ “ “ “ 2,0 GHz “ “ “ “ 2,2 GHz “ “ “ “ 2,4 GHz “ “ “

Căldura disipată de procesoarele Pentium a fost o problemă încă de la apariŃia primului

cip. La sistemele de birou, problema căldurii este rezolvată de producătorii de carcase pentru calculator.

Page 60: CartedlComanescu Bun v1

60

Utilizarea mai multor ventilatoare şi un mai bun aranjament intern pot menŃine circuitul aerului prin sistem, răcind procesorul, care este de obicei echipat cu propriul său radiator şi cu ventilator.

Însă pentru dezvoltarea sistemelor mobile aceste rezolvări nu sunt posibile, din cauza carcasei. Aşa că firma Intel a trebuit să rezolve problema încapsulării cipului. În acelaşi timp, utilizatorii au devenit din ce în ce mai puŃin dornici să piardă din viteza procesoarelor din sistemele portabile. Un Pentium la 133 MHz sau la 166 MHz (spre exemplu), are nevoie de mai multă putere şi chiar mai multă căldură decât cipurile Pentium la 75 MHz care au fost special concepute pentru utilizare în sistemele mobile. SoluŃia firmei Intel la problemele procesoarelor Pentium legate de dimensiune şi de căldura degajată este împachetarea pe bandă purtătoare (TCP) o metodă pentru sistemele portabile care reduce dimensiunea, puterea consumată şi căldura generată de cip.

Un Pentium montat pe o placă folosind metoda TCP este mult mai mic și mai uşor decât procesoarele Pentium în capsulă SPGA folosite în sistemele de birou.

Pătratul de 49 mm al capsulei SPGA este redus la 29 mm, în cazul procesorului TCP, grosimea la aproximativ l mm, iar greutatea de la 55 g la sub l g. În locul pinilor de metal inseraŃi într-un soclu de pe placa de bază, un procesor TCP este în fond o plachetă brută, închisă într-o peliculă poliamidică supradimensionată. Pelicula se aseamănă cu pelicula fotografică. Placheta este ataşată pe peliculă printr-un proces numit lipire automată pe bandă (TAB), acelaşi procedeu utilizat la realizarea conexiunilor electrice ale panourilor LCD.

Pelicula, denumită bandă, este laminată cu folie de cupru, care este corodată pentru a forma pinii care vor conecta procesorul la placa de bază (Figura 2.16).

Fig. 3.4

Procesor pini pini

Bandă

Figura 2.16

Procesul este similar celui prin care conexiunile electrice sunt gravate pe o placă de circuit imprimat.

Placă de bază

Conectoare

Procesor

Pastă conductivă termic

Radiator

Figura 2.17

Page 61: CartedlComanescu Bun v1

61

După formarea pinilor, ei sunt auriŃi, pentru a permite lipirea de placheta de siliciu şi

protecŃia împotriva coroziunii. În continuare ei sunt lipiŃi de procesor, iar apoi întreg ansamblul este acoperit cu o răşină poliamidică protectoare şi montat pe o bandă de peliculă în scopul montării pe maşină. Dimensiunile sale se pot compara cu cele ale unei pioneze. Din Figura 2.17 se poate observa modul în care banda Ńine conexiunile procesorului de pe placa de bază departe de cip şi permite părŃii inferioare a procesorului să fie în contact termic cu placa de bază.

Figura 2.18

După testare procesorul este livrat în această formă producătorului de plăci de bază.

Rolele cu cipuri TCP sunt încărcate pe maşini speciale, care le lipesc, precum un timbru, direct pe placa de bază a sistemului portabil. În acest fel instalarea este permanentă; un procesor TCP nu poate fi înlăturat niciodată de pe placă, pentru reparaŃii sau modernizări. Deoarece nu există vreun radiator sau vreun container fizic ataşat direct de procesor, placa de bază devine ea însăşi traseul către un radiator montat sub procesor, utilizându-se astfel pentru evacuarea căldurii degajate saşiul sistemului portabil. Unele sisteme portabile mai rapide conŃin ventilatoare controlate prin termostat, care ajută şi ele la evacuarea căldurii degajate de procesor. Montarea cipului TCP pe placa cu circuite a sistemului necesită dispozitive speciale, disponibile de la toŃi furnizorii principali de plăci.

Figura 2.19

Page 62: CartedlComanescu Bun v1

62

Fig. 3.8

Figura 2.20

Un dispozitiv special taie la dimensiunile potrivite banda care conŃine procesorul şi

îndoaie capetele care conŃin pini sub forma unei aripi de pescăruş, care face contactul cu placa cu circuite, lăsând procesorul suspendat deasupra plăcii (Figura 2.20).

Un alt dispozitiv împrăştie pe placa cu circuite o pastă conductivă termic, sub banda care conŃine procesorul. Această operaŃie se face pentru a disipa căldura prin intermediul unui radiator de pe spatele plăcii de bază, menŃinând-o în acelaşi timp departe de conexiunile lipite. În sfârşit, un dispozitiv de lipire de forma unei bare conectează pinii de pe bandă la placa de circuite.

Întreg sistemul TCP formează un contact termic eficient între plachetă şi placa de bază, permiŃând procesorului să funcŃioneze între limitele sale termice, chiar şi în această stare brută. Eliminând capsula şi lipind placheta direct pe placa de bază se face o reducere importantă în ceea ce priveşte atât greutatea, cât şi dimensiunea.

Producătorii de sisteme mobile pot cumpăra procesoare Pentium într-o formă TFT brută şi le pot monta pe plăcile lor de bază. Intel a introdus şi o altă formă de încapsulare a procesoarelor, denumită modul mobil sau MMO.

Modulul mobil constă dintr-un procesor Pentium sau Pentium II în forma TCP, montat pe o mică placă "fică", împreună cu sursa de alimentare cu tensiunea unică necesară procesorului, memoria cache de nivel 2 şi cipul North Bridge din setul de cipuri de pe placa de bază. Aceasta este logica de bază care conectează procesorul la magistralele de sistem standard care conŃin partea South Bridge din setul de cipuri.

Termenii North Bridge şi South Bridge descriu ceea ce a devenit o metodă acceptată de divizare a funcŃiilor setului de cipuri în jumătăŃi montate în module separate. Într-un sistem portabil tipic producătorul cumpără de la Intel modulul mobil (ce cuprinde şi cipul North Bridge) şi foloseşte o placă de bază, proiectată de o altă companie, care conŃine cipul South Bridge.

Ansamblul MMO este, din multe puncte de vedere, similar modulului Pentium II Single Edge Cartridge (SEC) ceea ce permite familiilor superioare ca memoria cache să funcŃioneze la viteze mai mari pe o magistrală separată de restul sistemului. Modulul se conectează electric la

Page 63: CartedlComanescu Bun v1

63

sistemul gazdă prin intermediul magistralei PCI de 3,3 V, al unei magistrale de memorie de 3,3 V, iar setul de cipuri Intel controlează trecerea semnalelor din jumătatea setului de cipuri aflată în modul spre cealaltă jumătate, de pe placa de bază. Modulul mobil Intel încorporează şi o singură conexiune termică, ce transportă toate informaŃiile termice de la modul spre mecanismele principale de răcire ale PC-ului mobil.

Modulul mobil simplifică foarte mult procesul de instalare a procesoarelor Pentium sau Pentium II într-un sistem portabil, permite producătorilor să standardizeze mai multe modele de sisteme portabile şi elimină necesitatea investiŃiei în dispozitive speciale necesare montării procesoarelor TCP pe plăcile de circuit proprii.

Modulul asigură şi o modalitate viabilă de modernizare a procesorului, inexistentă în cazul unul procesor TCP lipit permanent pe placa de bază. IBM a adoptat sistemul MMO în sisteme sale ThinkPad, ceea ce le-a permis să realizeze mai repede modele noi, deoarece partea MMO a sistemului a rămas un standard industrial. Dimensiunea ansamblului MMO împiedică folosirea lui în unele notebook-uri foarte subŃiri, astfel încât IBM şi alŃii au utilizat în continuare versiunea TCP pentru multe alte modele de sisteme portabile.

Mini-cartuş - Versiunile mobile ale procesorului Pentium II au fost disponibile în varianta modulului mobil, care conŃine şi porŃiunea North Bridge a setului de cipuri Intel 440 BX AGP. Dar Intel a introdus pentru Pentium II şi un alt tip de capsulă, denumit mini-cartuş. Acesta era conceput special pentru a fi utilizat în calculatoarele portabile foarte uşoare, unde greutatea şi mărimea modulului mobil nu s-ar fi potrivit cu modelul de sistem. El conŃinea numai nucleul procesorului şi 512 KB de memorie cache de nivel 2 într-o carcasă de oŃel inoxidabil, care lasă să se vadă conectorul şi placheta de procesor.

Mini-cartuşul are dimensiunile aproximative de 51x47 mm şi o înălŃime de 4,5 mm. Comparativ cu un procesor Pentium II în cartuş SEC, pentru sistemele de birou, mini-cartuşul cântăreşte doar un sfert, are dimensiuni care reprezintă doar o şesime din cele ale cartuşului SEC şi consumă doar două treimi din puterea acestuia. Pentru a se conecta la soclul de pe placa de bază mini-cartuşul are un conector de 240 de pini la unul dintre capetele părŃii inferioare, pinii fiind aranjaŃi într-o matrice ovală 8x30 (BGA).

Seturi de cipuri - La fel ca pentru piaŃa sistemelor de birou, Intel a ajuns să domine industria de seturi de cipuri pentru sistemele mobile, creând produse care acceptă caracteristicile avansate ale fiecărui nou model de procesor. Modele de procesoare Pentium II mobile au fost însoŃite de lansarea setului de cipuri Mobile 440 BX AGP-set, care asigură suporturi pentru portul grafic accelerat (AGP), magistrale de sistem şi de memorie de 100 MHz şi capacităŃi de gestionarea consumului de energie al procesorului concepute să lungească viaŃa bateriei. Alte seturi de cipuri Intel realizate pentru sistemele mobile sunt 430 TX PCI-set pentru Pentium MMX şi 430 MX PCI-set pentru Pentium. O altă inovaŃie a firmei Intel în domeniul seturilor de cipuri a fost concepută să accepte ansamblul modului mobil pentru procesoarele Pentium MMX şi Pentium II. La acest model cele două jumătăŃi ale setului de cipuri, denumite North Bridge şi South Bridge, se găsesc în modulul mobil, respectiv pe placa de bază. De exemplu, în setul de cipuri 440 BX AGP-set, controllerul de sistem al bridge-ului gazdă constă din două dispozitive VLSI. Primul dintre ele, 443 BX Host Bridge (North Bridge), este parte a modulului mobil. Celălalt dispozitiv este bridge-ul PII X4 PCI/ISA, pe care, pentru sistemele mobile, producătorul trebuie să-1 încorporeze pe placa de bază. Acesta este circuitul South Bridge. Modulul mobil se conectează la placa de bază printr-o magistrală PCI de 3,3 V, printr-o magistrală de memorie de 3,3 V şi prin câteva semnale de control ale circuitului 443 BX Host Bridge. Aceste semnale sunt cele care combină circuitele North Bridge şi South Bridge într-un set de cipuri funcŃional unitar.

Evident că inovaŃiile de tipul modulului mobil accentuează legătura dintre procesorul unui calculator şi setul său de cipuri de pe placa de bază. În prezent, deoarece ciclurile de dezvoltare a noilor procesoare tind să fie măsurate în luni, nu în ani, este o concluzie clară că,

Page 64: CartedlComanescu Bun v1

64

pentru a atinge performanŃele maxime ale celui mai recent procesor Intel, va trebui folosit tot un set de cipuri Intel.

Sub aspectul memoriei, sistemele portabile nu sunt foarte diferite de cele de birou. Portabilele folosesc aceleaşi tipuri de memorie DRAM şi SDRAM inclusiv noile tehnologii de memorie ca EDO (Enhanced Data Out) şi SDRAM (Synchronous DRAM) precum şi DDR SDRAM (cu capacităŃi mai mari de 1 GB).

La un moment dat sistemele portabile se părea că vor fi fără memorie cache, deoarece cipurile SRAM, utilizate în mod obişnuit, generau multă căldură. Dezvoltarea sistemului de gestionarea căldurii a minimizat această problemă.

Ca memorii externe, desigur sunt uzuale unităŃile de hard-disc care în mare măsură nu diferă substanŃial faŃă de cele utilizate la sistemele de birou, cu excepŃia dimensiunii discurilor şi a modului de împachetare. UnităŃile de hard-disc interne folosesc de obicei platane de 2 1/2 inci şi au o înălŃime de 12,5 mm sau de 19 mm, în funcŃie de dimensiunea sistemului.

În afară de unităŃile de hard-disc, sistemele portabile sunt în prezent echipate cu alte tipuri de unităŃi cu alte medii de stocare a informaŃiilor, care pot asigura accesul la capacităŃi mai mari de date. UnităŃile de CD-ROM sunt disponibile acum în diverse sisteme laptop şi notebook, iar destul de des includ echipamente cu cartuş amovibil, ca de exemplu unitatea Iomega Zip. Acest lucru a devenit posibil datorită specificaŃiilor EIDE, care permit şi altor surse de dispozitive să partajeze aceeaşi interfaŃă cu unitatea de hard-disc.

O altă problemă importantă o reprezintă unitatea de dischete. Micile sisteme notebook nu au de obicei, pentru economie de spaŃiu, o unitate de dischete, incluzând eventual una externă. Alte sisteme permit înlocuirea unităŃii de dischete cu un al doilea hard-disc sau cu o baterie suplimentară. Recent, pentru mărirea capacităŃii de stocare şi a miniaturiza şi mai mult construcŃia sistemelor mobile (se pot elimina complet unităŃile de discuri flexibile) se utilizează curent memorii de tip pen-flash cuplate pe USB (cu capacităŃi de 64, 128, 256, 512 MB sau chiar 1 GB).

Dezavantajul acestor memorii de tip pen-flash drive este costul destul de ridicat (tabelul 2.6).

Tabelul 2.6

Nr. Capacitate Pen-flash Drive (MB) Cost (USD)

1 32 29 2 64 40 3 128 75 4 256 145

PC Card - În efortul de a da calculatoarelor laptop şi notebook extensibilitatea cu care

utilizatorii s-au obişnuit în sistemele de birou, asociaŃia Personal Computer Memory Card International Association (PCMCIA) a stabilit mai multe standarde pentru plăci de extensie de dimensiunea cărŃilor de credit, care încap într-un mic slot al laptop-urilor şi al notebook-urilor. Dezvoltarea interfeŃei PC Card este una din reuşitele standardizării pe o piaŃă dominată de modele brevetate. Standardele PC Card, dezvoltate de un consorŃiu de peste 300 de producători (între care IBM, Toshiba şi Apple), au fost considerate o etapă revoluŃionară în dezvoltarea tehnicii de calcul mobile. Sloturile PC Card ale sistemelor laptop şi notebook permit să se adauge la sistem plăci de extensie de memorie, fax/modemuri, adaptoare SCSI, adaptoare de reŃea şi multe alte tipuri de echipamente.

O versiune a standardului, publicată în martie 1997, include multe caracteristici proiectate să mărească viteza şi eficienŃa interfeŃei, ca de exemplu: • suport DMA (acces direct la memorie); • funcŃionare la 3,3 V; • suport pentru APM (Advanced Power Management);

Page 65: CartedlComanescu Bun v1

65

• suport Plug-and-Play; • standardul PC Card ATA, care permite producătorilor să folosească pentru implementarea

hard-discurilor PC Card protocoalele AT Attachment; • suport pentru mai multe funcŃii pe o singură placă (de exemplu un modem şi un adaptor de

reŃea); • interfaŃă Zoomed Video (ZV), o conexiune directă a magistralei video între adaptorul PC Card

şi controllerul VGA al sistemului, permiŃând display-uri foarte rapide pentru aplicaŃiile de videoconferinŃe şi pentru decodoarele MPEG;

• un sistem de evaluare termică, care poate fi folosit pentru a avertiza utilizatorii de încălzirea sistemului în exces;

• card Bus, o interfaŃă de 32 biŃi, care funcŃionează la 33 MHz şi asigură căi de date de 32 de biŃi către sistemele de I/O şi de memorie ale calculatorului, precum şi un nou conector ecranat, care împiedică inserarea dispozitivelor Card Bus în sloturi care nu acceptă ultima versiune a standardului. Aceasta este o îmbunătăŃire majoră faŃă de magistrala de 8 sau 16 biŃi şi de viteza de 8 MHz a interfeŃei PC Card originale. Dacă se conectează portabilul la o reŃea de 100 Mbps, interfaŃa Card Bus poate asigura viteza pe care, într-un sistem de birou, ar asigura-o magistrala PCI (costul unei plăci PCMCIA de tipul Ez PC Card SMC8035TX de 32 biŃi 10/100 Mbps cu port UTP este de 64 USD).

Placa PC Card are de obicei o carcasă metalică solidă şi este sigilată, exceptând, la un capăt, interfaŃa către adaptorul PCMCIA din calculator, care constă din 68 de mici pini de tip priză. Celălalt capăt al plăcii poate conŃine un conector pentru un cablu care se conectează la linia telefonică, la reŃea sau la alt echipament extern.

Bateriile - Fiabilitatea bateriilor este una dintre cele mai mari probleme pe care le au utilizatorii sistemelor portabile. În acest sens, tehnologia bateriilor are un rol important în problema consumului sistemelor portabile.

Majoritatea sistemelor portabile actuale folosesc • baterie Nichel-Cadmiu (Ni-Cd); • baterie Nichel Metal-Hidrură (NiMH); • baterie Litiu-lon (Li-lon); • baterie Polimer Litiu-lon.

Majoritatea calculatoarelor portabile dispun de moduri de sistem de economisire a energiei, care suspendă funcŃionarea întregului sistem atunci când nu este folosit. Ele funcŃionează, de obicei, în două stări, care diferă prin faptul că într-una memoria RAM continuă să fie alimentată, în timp ce în cealaltă nu. Modul " suspendare " opreşte aproape tot sistemul, cu excepŃia memoriei, după o perioadă de inactivitate prestabilită. El necesită numai o cantitate mică de energie şi permite sistemului să revină în starea de funcŃionare normală aproape instantaneu. Sistemele portabile au de obicei şi un mod de " hibernare ", care scrie într-un fişier special pe hard-disc conŃinutul curent al memoriei de sistem şi apoi opreşte sistemul, ştergând şi memoria. Când calculatorul este reactivat, el citeşte conŃinutul fişierului din memorie şi activitatea poate continua. Procesul de reactivare durează în acest caz mai mult timp, dar sistemul economiseşte mai multă energie oprind şi memoria.

Unele sisteme portabile pot funcŃiona şi cu panouri LCD pentru retroproiector. Un astfel de echipament este asemănător ecranului LCD, dar este transparent. Tehnologiile de afişare şi opŃiunile de rezoluŃie sunt aceleaşi ca ale display-urile LCD din sistemele portabile, deşi majoritatea produselor de pe piaŃă folosesc display-uri cu matrice activă. Panoul LCD se foloseşte prin plasarea lui pe un retroproiector obişnuit, ceea ce face ca imaginea de pe el să fie proiectată pe ecran (sau pe perete). Deoarece nu au fost concepute pentru a fi folosite numai în sistemele portabile, aceste dispozitive includ de obicei un cablu de transfer, permiŃând o conectare la un monitor extern standard, precum şi la panou.

Page 66: CartedlComanescu Bun v1

66

Tabelul 2.7 T

ipu

l

Gre

uta

te (K

g)

Afişa

j

Rez

. re

ală

Stră

luci

re

(lu

men

i)

Lam

(W)

Fac

ilităŃi

Dia

go

nală

(m

)

D.

p.

(m)

VPLCS5 Sony

2,7 3xLCD 800x600

1800 165- zoom: 1,3x

IA, comp. video, S-video, VGA, USB, Telecom

1-3,8 1,5-7,2

VPLHS1 Sony

3,9 “ “ 700 120- zoom: 1,2x

IA,V.Comp S-video, Slot-Memory Stick, Telecom

3,8 1,6-6.8

VPLCX5 Sony

2,4 TFT 1024x768

1800 165 “

VGA, USB 1-3,8 1,5-7,2

VPDMX 10 Sony

2 DLP “ 1000 130 “

“ 1-5,1 1,5-9,4

VPL CX 11 Sony

3,3 3xLCD TFT

“ 1500 132 UHP

“ 7,6 1-13,6

VPL VW 11 HT Sony

8 “ 1366x768

1000 200 UHP “

“ “ 1,5-11,5

VPL PX 15 Sony

5,3 “ 1024x768

2000 “ “ 1-7,5 1,4-7

VPL PX 32 Sony

7,2 “ “ 3000 “ “ 7,6 1,4-7,1

Ez Pro 730 Optoma

1,5 DLP 800x600

1100 130“ “ 0,5-7,5

1-12

“ 750

2,9 “ “ 1600 200 UHP “

“ 0,5-7,7

1,1-12,5

“ 735

1,5 “ 1024x768

1100 130 P-VIP “

“ “ 1-12

“ 753

2,9 “ “ 1600 200 UHP“

“ “ 1-12,5

“ 755

“ “ “ 2000 200 UHP“

“ “ “

Notă: Diagonală - diagonala reală a imaginii; D.P.-distanŃa maximă de proiectare; IA - Intrări audio; Comp. Video-video complex, control mouse, laser pointer.

Page 67: CartedlComanescu Bun v1

67

Un alt echipament proiectat special pentru a substitui retroproiectorul este proiectorul LCD; el este o combinaŃie între un display transparent şi un retroproiector. El se conectează la un jack VGA, la fel ca un monitor obişnuit, şi include, în mod frecvent, difuzoare care se conectează printr-un cablu separat.

Nu toate proiectoarele LCD sunt portabile; unele sunt special create pentru instalaŃii staŃionare. Modelele de proiectoare portabile sunt diverse ca greutate, tehnologia folosită pentru afişare şi strălucirea lămpii (măsurată în lumeni). În tabelul 2.7 se prezintă câteva tipuri existente curent pe piaŃă de astfel de proiectoare.

Una dintre cele mai simple soluŃii de afişare este reprezentată de o caracteristică încorporată în mai multe sisteme performante aflate în prezent pe piaŃă. Aceasta permite conectarea calculatorului la un televizor standard. Denumită TV- Out, această caracteristică este acceptată de multe sisteme, care asigură suport fie pentru sistemul de televiziune standard NTSC sau PAL.

După conectare, un program software permite calibrarea imaginii pe ecranul televizorului. Una dintre principalele funcŃii ale sistemelor de calcul portabile este asigurarea contactului cu biroul central al utilizatorului, în timpul călătoriilor, prin intermediul unui modem. Din această, cauză multe hoteluri şi aeroporturi au început să asigure jack-uri telefonice pentru utilizarea modemurilor.

În cele ce urmează se vor prezenta câteva considerente privitoare la alegerea şi configurarea unei plăci de bază pentru obŃinerea unui nivel de performanŃă suficient pentru a rula în condiŃii optime aplicaŃiile software moderne.

Cantitatea de memorie - Pentru funcŃionarea în condiŃii acceptabile a unui PC sub sistemul de operare Windows, este ca acesta să dispună de un minim de 16 MB RAM.

Memoria cache de nivel secund (Level 2 cache) - Această memorie are ca efect o creştere considerabilă a vitezei sistemului de calcul, lipsa ei poate conduce la o frânare a acestuia cu 15-30% în special în aplicaŃiile care necesită lucru intensiv cu memoria. Este bine să se aleagă o placă de bază care are deja instalată cantitatea de memorie cache maximă suportată de chipset-ul din dotarea acesteia. Se recomandă ca tipul memoriei utilizate la fabricarea L2 cache-ului să fie pipeline-burst. De fapt, singura posibilitatea de adăugare a unui supliment de memorie cache L2 este inserarea unui modul de tip COAST într-un slot de culoare “ maron “, aflat undeva în zona sloturilor PCI. Se poate trage concluzia că un placă de bază este dotat cu valoarea maximă a memoriei cache suportată atunci când pe placa de bază se poate observa situaŃia din tabelul 2.7.

Din Figura 2.21 se observă situaŃia care indică faptul că pe placa de bază (placă de bază) este instalată cantitatea maximă de memorie cache L 2 ( se observă lipsa soclului pentru modulul COAST).

Fig. 4.3

Figura 2.21

În cazul anumitor chipset-uri produse de Intel pentru procesoarele Pentium (FX, VX, TX)

se cunoaşte faptul că maximul de memorie RAM ce poate fi adresat (mapat) de către L2 cache este de 64 MB. În cazul particular al chipset-ului Intel HX (care printre altele deŃine şi suport pentru sisteme multiprocesor), se pot întâlni următoarele situaŃii: • memoria RAM maximă ce poate fi mapată este de 512 MB. Acest lucru poate fi recunoscut

uşor după prezenŃa unei componente ce poartă numele de Tag RAM (Figura 2.21). Totuşi,

Page 68: CartedlComanescu Bun v1

68

această componentă era necesară numai atunci când în socket-ul procesorului era instalat un cip fabricat de Intel. Pentru procesoarele (K6-2/3) acesta nu este necesar.

• memoria RAM ce poate fi mapată în L2 cache este de maxim 64 MB. Se remarcă acest fapt prin lipsa cip-ului din Figura 2.22.

Fig.4.4

Figura 2.22

De asemenea, se observă din Figura 2.21 că Tag RAM-ul este o componentă ce dă

posibilitatea cip-setului Intel HX să lucreze cu o memorie RAM de până la 512 MB. Pentru procesoarele de tip K6-2/3 acest cip nu mai este necesar.

Acest exemplu particular a fost prezentat, în special, din dorinŃa de a atrage atenŃia utilizatorilor asupra cercetării posibilităŃilor de extindere a dotării unor plăci de bază.

DetecŃia erorilor memoriei - Dacă sistemul nu suportă detectarea erorilor la nivelul memoriei, atunci orice anomalie în funcŃionarea acesteia va trece nesesizată, rezultatul final constând în date corupte sau căderi ale sistemului (crashes). Deşi toate sistemele de calcul ar trebui să suporte această detecŃie a erorilor, totuşi majoritatea modulelor de memorie mai recente nu oferă această opŃiune. Se pare că acest lucru se întâmplă deoarece prin dezactivarea funcŃiei de detecŃie a erorilor se câştigă performanŃă, însă în detrimentul siguranŃei datelor, din păcate. Totuşi, pentru sistemele pe care se rulează aplicaŃii de mare răspundere, cum ar fi serverele, se impune utilizarea de module de memorie ECC (Error Correction Code).

Numărul sloturilor de memorie - Este recomandat ca numărul sloturilor în care se pot insera module de memorie să fie cât mai mare posibil, pentru a permite utilizatorilor upgrade-ul la capacităŃi mai mari de memorie. Se va încerca evitarea achiziŃionării unei plăci de bază cu mai puŃin de 4 sloturi pentru module SIMM sau cu 2 sloturi pentru module de memorie DIMM. Este bine să se ocupe aceste sloturi cu module de memorie de capacitate cât mai mare, astfel încât să se permită instalarea unei capacităŃi cât mai mari de RAM în acelaşi număr de sloturi.

Bus-ul memoriei - Este o caracteristică de care trebuie să se Ńină seama atunci când se achiziŃionează un placă de bază pentru un nou calculator.

Nu se recomandă achiziŃionarea unei plăci de bază care să nu suporte o viteză a bus-ului memoriei de cel puŃin 100 MHz.

De asemenea este de remarcat tendinŃa firmei Intel de a introduce un nou standard de memorie şi anume RDRAM (RambusDRAM). Cea mai importantă caracteristică a acestui tip de memorie este lăŃimea de bandă crescută în comparaŃie cu celelalte tipuri (SDRAM, EDO).

Capacitatea modulelor de memorie - Se recomandă completarea sloturilor pentru memorie cu module de o capacitate cât mai mare, astfel încât, în cazul unui eventual upgrade să nu fie nevoie de schimbarea modulelor de memorie existente cu altele de capacitate mai mare - operaŃie costisitoare în general.

Controller-ul USB - Există posibilitatea ca unele echipamente moderne, conectabile pe port-ul USB, să fie inutilizabile atunci când sunt utilizate în conjuncŃie cu o versiune veche de

Page 69: CartedlComanescu Bun v1

69

controller. Tot în sensul eliminării problemelor de compatibilitate se recomandă instalarea celor mai noi versiuni de drivere USB pentru sistemul de operare folosit.

Bus-ul AGP - La achiziŃionarea unei plăci de bază care deŃine un slot AGP se recomandă înlocuirea vechii plăci grafice (PCI) cu una instalabilă în slotul AGP. Prin această înlocuire se obŃine o creştere semnificativă a performanŃelor în special în lucrul cu aplicaŃii de prelucrare grafică 3D şi la rezoluŃii crescute ale imaginii (ex. 1600x1200).

Viteza de lucru cu memoria RAM - În multe cazuri, producătorii placă de bază-urilor manifestă preferinŃa alegerii unor valori conservatoare pentru elementele ce influenŃează performanŃa memoriei RAM (stări de aşteptare, timing, timp de acces, etc.). Acest lucru are un impact negativ asupra vitezei generale de lucru a sistemului de calcul. Pentru înlăturarea acestui neajuns se recomandă modificarea acestora folosind programul de SETUP al PC-ului. Aceste setări sunt întâlnite de obicei în meniuri de genul Advanced BIOS settings (pentru AMI BIOS) sau Chipset Features (pentru AWARD BIOS). Aici se vor selecta valori de 8 ns în cazul în care în calculator se află module de memorie capabile de acest timp de acces. Se poate încerca şi descreşterea timing-ului memoriei: de la x444 la x333 sau chiar x222 (CAS 2 în loc de CAS 3 pentru modulele SDRAM). Este posibil ca modificarea acestor valori să afecteze stabilitatea în funcŃionare a sistemului de calcul, de aceea este bine ca aceste modificări să se efectueze pe rând; după orice modificare se va testa stabilitatea funcŃionării sistemului.

Monitorizarea temperaturii - Este bine ca la achiziŃionarea unei noi plăci de bază să se aleagă un model care dispune de posibilitatea monitorizării valorilor temperaturii atinse de către aceasta în timpul lucrului. Această precauŃie trebuie respectată în special atunci când calculatorul care va beneficia de respectivul placă de bază va avea un regim de lucru non-stop.

Viteza bus-ului PCI - Aceasta nu trebuie să depăşească în nici un caz viteza de 36 MHz. Acest lucru se întâmplă în cazul folosirii de valori non -standard pentru FSB (75, 112, 124 MHz etc.). Chiar dacă majoritatea plăcilor de extensie conectabile la magistrala PCI vor suporta această viteză, există posibilitatea ca anumite unităŃi de hard disc, CD-ROM sau plăci de reŃea să funcŃioneze eronat.

Dacă chipset-ul plăcii de bază suportă lucrul asincron al bus-ului PCI se va activa această opŃiune, lucrul la frecvenŃe non - standard devenind astfel posibil.

Viteza bus-ului AGP - Viteza magistralei AGP nu trebuie să fie mai mare de 75 MHz. Mai sus de această viteză, majoritatea card-urilor AGP vor refuza să lucreze, sau vor funcŃiona numai în modul AGP 1x. Pentru eliminarea acestor probleme rămân valabile considerentele expuse la paragraful anterior, dedicat magistralei PCI.

Tipul memoriei RAM - Pentru sisteme de calcul care folosesc viteze mari ale magistralei memoriei (100, 133 MHz) este indicată folosirea modulelor SDRAM sau RDRAM. Dacă se intenŃionează folosirea totuşi a unor module mai vechi de memorie, trebuie verificat dacă este posibilă folosirea acestora la viteza bus-ului AGP (66 MHz).

În orice caz, acest lucru nu este recomandat, din cauza scăderii performanŃei generale. Din motive de securitate a integrităŃii datelor nu se recomandă folosirea modulelor de memorie la viteze ce depăşesc specificaŃiile lor standard.

Viteza magistralei ISA/DMA - În majoritatea cazurilor, viteza magistralei ISA nu trebuie să depăşească 10 MHz (standard 8 MHz), în timp ce pentru DMA nu trebuie să depăşească 5 MHz (standard 4 MHz). Pentru corectarea acestor viteze se poate acŃiona în programul de SETUP al calculatorului (BIOS) asupra multiplicatorului PCI/ISA (de exemplu de la 1/2 la 1/3) sau se poate modifica viteza de lucru a magistralei PCI.

Page 70: CartedlComanescu Bun v1

70

3. Plăci de bază

3.1. Definire, caracteristici, soluŃii constructive O componentă importantă a unui sistem de calcul PC este placa de bază, deoarece de

această componentă depind foarte mult performanŃele şi capacitatea sistemului de calcul. În general, la proiectarea unei plăci de bază trebuie avute în vedere o serie de aspecte,

cum ar fi : • procesorul care va echipa această placă, • tipurile de socluri pentru procesor, • viteza plăcii de bază, • memoria cache, • memoria SIMM, • tipul de magistrală, • BIOS, • tipodimensiunea, • interfeŃe interne, • gestionarea alimentării, • setul de cipuri al plăcii de bază, • compatibilitatea ROM-BIOS. • Cele mai frecvente tipuri de plăci de bază se pot clasifica astfel: • placă AT standard, • placă Baby-AT, • placă LPX, • placă mini ATX • placă ATX.

Figura 3.1 - Placa de bază Baby - AT

Page 71: CartedlComanescu Bun v1

71

Placa AT standard reproduce modelul original de placă de bază IBM /AT, ea are o lungime de 13,8 inch şi o lăŃime de 12 inch. Acest tip de placă se foloseşte numai în carcase AT standard sau Tower. În carcasele de tip Baby - AT și Mini - Tower realizate în tehnologia miniaturizată, plăcile de bază de tip AT standard nu se pot folosi. Placa Baby - AT se pot folosi la toate tipurile de carcase cu excepŃia celor de tip extraplate (low profile sau slimline). Datorită flexibilit ăŃilor, acestea sunt acum cele mai obişnuite tipo - dimensiuni de placa de bază. În Figura 3.1 se prezintă o astfel de placă.

Placa LPX şi mini LPX a fost realizată de Western Digital pentru a fi utilizată în carcasele cu low profile, care astăzi sunt utilizate pe o scară foarte largă. Cea mai importantă calitate a acestei plăci este aceea că are pe ea sloturile de extensie pe o placă Bus Riser (multi - extensie ), înfiptă în placa de bază. O astfel de placă în cele două variante constructive se prezintă în Figura 3.2.

Figura 3.2 – Placă de bază LPX

Placa ATX este o apariŃie mai recentă pe piaŃa sistemelor de calcul. Ea este incompatibilă

fizic cu plăcile Baby – AT şi LPX. Placa ATX aduce o serie de îmbunătăŃiri faŃă de modelele Baby –AT cum ar fi:

• panoul intern are înălŃimea dublă pentru conectorii I/O externi, • are un singur conector intern de alimentare cu cheie, • altă amplasare a procesorului şi a memoriei, • altă amplasare a conectorilor I/O. • îmbunătăŃirea răcirii, • un preŃ de producŃie mai redus.

Page 72: CartedlComanescu Bun v1

72

Figura – 3.3 ConfiguraŃia şi caracteristicile sistemului ATX

În Figura 3.3 se prezintă configuraŃia şi caracteristicile sistemului ATX, iar în Figura 3.4 tipo – dimensiunea ATX şi mini ATX. Dinamica plăcii de bază reprezintă componenta evolutivă a sistemelor compatibile PC, deoarece de ea depind majoritatea performanŃelor calculatorului.

Figura 3.4 - Tipo – dimensiunea ATX şi mini ATX

Placa de bază NLX reprezintă o evoluŃie în tehnologia plăcilor de bază pentru sistemele

desktop şi s-ar putea dovedi a fi forma constructivă ideală pentru sistemele cu preŃ redus, de clasă inferioară, sau chiar pentru sistemele desktop Slimline viitoare. Este o formă constructivă de înălŃime redusă, aparent asemănătoare cu forma LPX, dar cu un număr de îmbunătăŃiri prevăzute pentru a permite integrarea deplină a ultimelor tehnologii. NLX, este, în principiu, o versiune îmbunătăŃită a modelului LPX brevetat. În afară de îmbunătăŃirile din proiectare, această placă este integral standardizată, ceea ce înseamnă că se poate înlocui o placă NLX cu alta de la un alt producător, lucru care nu era posibil la placa LPX. O altă limitare a plăcilor LPX o reprezintă

Page 73: CartedlComanescu Bun v1

73

dificultăŃile de acomodare cu dimensiunile fizice ale procesoarelor Pentium III şi IV şi cu regimurile termice mai dure ale acestora. Principalele avantaje ale formei constructive NLX sunt:

• compatibilitate cu tehnologiile curente privind procesoarele; • flexibilitate faŃă de tehnologiile în schimbare rapidă ale procesoarelor; • compatibilitate cu alte tehnologii în curs de dezvoltare.

În Figura 3.5 se prezintă schema de principiu a sistemului NLX, iar dimensiunile plăcii de bază ale aceluiaşi sistem se prezintă în Figura 3.6.

Figura 3.5 - Schema de principiu a sistemului NLX

O soluŃie constructivă modernă de placă de bază este sistemul brevetat cu fund de sertar.

Sistemele dotate cu aceste tipuri de plăci, au avantajul că toate componentele care în mod normal sunt dispuse pe placa de bază se află pe o placă adaptoare de extensie care se introduce într-un conector. În aceste sisteme, placa cu conectoare este numită fund de sertar şi înlocuieşte placa de bază.

Page 74: CartedlComanescu Bun v1

74

Sistemele care folosesc această construcŃie sunt numite sisteme cu fund de sertar. Sistemele cu fund de sertar există în două variante principale:

• pasive • active.

Un fund de sertar pasiv înseamnă că placa principală a fundului de sertar nu conŃine nici un fel de circuite, cu excepŃia conectoarelor de magistrală şi eventual a unor circuite buffer şi driver. Toate circuitele care se găsesc pe o placă de bază convenŃională sunt dispuse pe una sau mai multe plăci de extensie introduse în conectoarele fundului de sertar. Unele sisteme cu fund de sertar folosesc o concepŃie pasivă care incorporează toate circuitele sistemului într-o singură cartelă de bază. Cartela de bază este, în esenŃă, o placă de bază completă, proiectată astfel încât să poată să fie introdusă într-un conector al fundului de sertar pasiv. Conceptul fund de sertar pasiv / cartelă de bază permite ca întregul sistem să fie modernizat cu uşurinŃă prin schimbarea uneia sau mai multor plăci de extensie. Datorită costului cartelei multifuncŃionale de bază, acest tip de sistem este rareori folosit în sistemele PC. SoluŃia cu fund de sertar pasiv este răspândită în sistemele industriale, care sunt montate, adeseori, în rack-uri. Unele servere de fişiere de clasă superioară folosesc de asemenea, această soluŃie. Un fund de sertar activ înseamnă că placa principală fund de sertar conŃine circuitele de comandă ale magistralei şi, în mod obişnuit, alte circuite.

Figura 3.6 - Dimensiunile plăcii de bază al sistemului NLX

Majoritatea sistemelor cu fund de sertar activ conŃin toate circuitele care se găsesc pe o

placă de bază tipică, cu excepŃia complexului procesorului. Complexul procesorului este denumirea plăcii cu circuite care conŃine procesorul principal al sistemului şi orice alte circuite legate direct de acesta, cum sunt cele pentru controlul frecvenŃei de tact, pentru memoria cache şi altele.

SoluŃia adoptată pentru complexul procesorului permite utilizatorului modernizarea ulterioară a sistemului cu un nou tip de procesor, prin înlocuirea unei singure cartele. În esenŃă este vorba de o placă de bază modulară cu o secŃiune de procesor care poate fi înlocuită. Majoritatea sistemelor PC moderne cu fund de sertar folosesc o combinaŃie fund de sertar activ / complex procesor. De exemplu, atât IBM cât şi Compaq au folosit această soluŃie în unele din sistemele lor de clasă superioară (servere).

Page 75: CartedlComanescu Bun v1

75

3.2. Componentele plăcilor de bază O placă de bază modernă are mai multe componente incorporate, printre care diferite

socluri, conectoare, cipuri şi altele. Cele mai multe plăci de bază moderne sunt prevăzute cu următoarele componente:

• setul de cipuri; • soclul sau conectorul procesorului; • cipul super I/O; • memoria BIOS; • soclurile SIMM/DIMM; • conectoarele de magistrală; • regulatorul de tensiune al unităŃii CPU; • bateria.

În plus, unele plăci de bază încorporează circuite video, audio, de reŃea, SCSI, conectoare Audio Modem Riser (AMR) şi Communications and Networking Riser (CNR) sau alte interfeŃe opŃionale, în funcŃie de placa specifică pe care o alegeŃi.

3.2.1. Seturile de cipuri Nu putem vorbi despre plăcile de bază moderne fără să discutăm despre seturile de cipuri.

Setul de cipuri defineşte chiar placa de bază. Ca urmare, două plăci de bază cu acelaşi set de cipuri sunt identice din punct de vedere funcŃional. Setul de cipuri conŃine interfaŃa cu magistrala procesorului (front-side bus sau FSB), controllerele de memorie, controllerele de magistrală, controllerele de intrare/ieşire şi multe altele. Toate circuitele de pe placa de bază sunt conŃinute în setul de cipuri. Dacă asemănăm procesorul din PC cu motorul din maşina dumneavoastră, setul de cipuri reprezintă şasiul. Acesta este cadrul în care se instalează motorul şi reprezintă conexiunile lui cu lumea exterioară. Setul de cipuri reprezintă cadrul, suspensiile, sistemul de direcŃie, roŃile şi cauciucurile, transmisia, arborele, cutia de viteze, diferenŃialele şi frânele. Şasiul maşinii este cel care pune în practică puterea motorului, permiŃând vehiculului să pornească, să se oprească şi să vireze. Într-un PC, setul de cipuri reprezintă conexiunea dintre procesor şi restul calculatorului. Procesorul nu poate să comunice cu memoria, plăcile adaptoare, dispozitivele şi toate celelalte elemente fără să treacă prin setul de cipuri. Setul de cipuri este axa principală şi sistemul nervos central al PC-ului. Dacă asemănaŃi procesorul cu creierul uman, atunci setul de cipuri este măduva spinării şi sistemul nervos central.

Deoarece setul de cipuri controlează interfaŃa sau conexiunile dintre procesor şi restul calcula¬torului, setul de cipuri este cel care dictează în final tipul de procesor pe care îl puteŃi avea, viteza cu care va rula acesta, viteza magistralelor, viteza, tipul şi cantitatea de memorie pe care o puteŃi folosi şi multe altele. De fapt, setul de cipuri poate fi cea mai importantă componentă a sistemului, posibil chiar mai importantă decât procesorul. Am văzut sisteme cu procesoare mai rapide depăşite ca performanŃă de sisteme cu procesoare mai lente, dar cu un set de cipuri mai bun, la fel cum o maşină mai puŃin puternică poate câştiga o cursă datorită virajelor şi frânărilor mai bune.

3.2.1.1. EvoluŃia seturilor de cipuri

Când IBM a creat primele plăci de bază PC, a folosit mai multe cipuri discrete (separate)

pentru a completa proiectul. În afară de procesor şi de coprocesorul matematic opŃional, pentru completarea sistemului erau necesare multe alte componente. Aceste componente cuprindeau:

Page 76: CartedlComanescu Bun v1

76

generatorul de tact, controllerul de magistrală, temporizatorul sistemului, controllerele de întreruperi şi DMA, memoria şi ceasul CMOS şi controllerul de tastatură. De asemenea, existau unele cipuri logice simple, utilizate pentru completarea circuitelor plăcii de bază, precum şi, desigur, elemente ca procesorul propriu-zis,. coprocesorul matematic (unitatea de calcul în virgulă mobilă), memoria şi alte componente. Tabelul 3.1 prezintă cipurile componente iniŃiale utilizate pe primele plăci de bază PC/XT şi AT.

Tabelul 3.1 – Cipurile componente iniŃiale utilizate pe primele plăci de bază PC/XT şi AT FuncŃia cipului Versiunea PC/XT Versiunea AT Procesor 6088 80286 Coprocesor matematic (unitate în virgulă mobilă) 8087 80287 Generator de tact 8284 82284 Controller de magistrală 8288 82288 Temporizator de sistem 6253 8254 Controller de întreruperi de ordin inferior 82S9 8259 Controller de întreruperi de ordin superior - 8259 Controller DMA de ordin inferior 8237 8237 Controller DMA de ordin superior - 8237 Memorie RAM CMOS şi ceas de timp real - MC146818 Controller de tastatură 8255 8042

Pe lângă procesor/coprocesor, în primele sisteme PC şi XT era folosit un set de şase cipuri pentru implementarea circuitelor principale ale plăcii de bază. În sistemele AT şi ulterioare, IBM a îmbunătăŃit acest model, trecând la un set de nouă cipuri, în principal prin adăugarea mai multor cipuri pentru controllerele de întreruperi şi DMA şi a unui cip pentru memoria RAM CMOS şi ceasul de timp real. Toate aceste componente erau fabricate de Intel sau de producători cu licenŃă de la această firmă, cu excepŃia cipului CMOS/ceas, care era produs de Motorola.

Pentru a construi o clonă (copie) a unuia din aceste sisteme IBM, ar fi fost necesare toate aceste cipuri şi, în plus multe alte cipuri logice discrete mai mici - în total, 100 sau mai multe cipuri individuale. Aceasta menŃinea preŃul unei plăci de bază la un nivel ridicat şi lăsa puŃin spaŃiu pe placă pentru integrarea altor funcŃii.

În anul 1986, o firmă numită Chips and Technologies a prezentat o componentă revoluŃionară, cu indicativul 82C206, care era partea principală a primului set de cipuri pentru o placă de bază PC. Acesta era un cip care integra într-o singură capsulă toate funcŃiile principalelor cipuri de pe placa de bază a unui sistem compatibil AT. Acest cip includea funcŃiile următoarelor cipuri: generatorul de tact 82284, controllerul de magistrală 82288, temporizatorul de sistem 8254, două controllere de întreruperi 8259, două controllere DMA 8237 şi chiar cipul CMOS/ceas MC 146818. Cu excepŃia procesorului, practic toate cipurile importante de pe o placă de bază PC puteau fi înlocuite cu un singur cip. Alte patru cipuri susŃineau cipul 82C206, acŃionând ca buffere şi controllere de memorie, completând practic întreaga schemă a plăcii de bază cu un total de cinci cipuri. Firma Chips and Technologies a denumit acest prim set de cipuri CS8220.

Este de prisos să spunem că aceasta a constituit o concepŃie revoluŃionară în producerea plăcilor de bază PC. Această concepŃie nu numai că a redus în mod drastic costurile necesare pentru a produce o placă de bază PC, dar a simplificat mult proiectarea unei plăci de bază, iar reducerea numărului de componente a făcut ca plăcile să aibă mai mult spaŃiu pentru integrarea unor elemente care, până atunci, se găseau pe plăci de extensie. Ulterior, cele patru cipuri care susŃineau cipul 82C206 au fost înlocuite cu un nou set, de numai trei cipuri, iar întregul set a fost denumit New EnhancedAT (NEAT) CS 8221. Acesta a fost urmat de setul de cipuri Single Chip AT 82C836 (SCAT), care, în final, a condensat toate cipurile într-un singur cip.

Ideea setului de cipuri a fost copiată rapid de alŃi producători. Firme ca Acer, Erso, Opti, Suntac, Symphony, UMC Ńi VLSI au câştigat o parte importantă a acestei pieŃe. Din nefericire pentru multe dintre ele, piaŃa seturilor de cipuri a avut un caracter temporar şi multe din aceste

Page 77: CartedlComanescu Bun v1

77

firme au ieşit de mult din această afacere. În 1993, firma VLSI devenise forŃa dominantă pe piaŃa seturilor de cipuri, deŃinând cea mai mare pondere. În anul următor, ca mai toate firmele din acest domeniu, VLSI (care ulterior a fuzionat cu Philips Semiconductors) se lupta pentru a supravieŃui. Aceasta deoarece apăruse pe scenă un nou producător de seturi de cipuri, care, în decurs de circa un an, avea să domine în totalitate piaŃa. Această firmă este Intel, care, începând din 1994, deŃine practic monopolul pe piaŃa seturilor de cipuri. Dacă aveŃi o placă de bază produsă după 1994, care foloseşte sau acceptă un procesor Intel, este foarte probabil ca aceasta să aibă şi un set de cipuri Intel.

Intel a avut ceva probleme legate de seturile de cipuri, din cauza faptului că s-a bazat pe memoria RDRAM. La început, în 1996, Intel a semnat cu firma Rambus un contract prin care se angaja ca suportul pentru memoria produsă de această firmă să fie o caracteristică principală a seturilor de cipuri destinate PC-urilor desktop până în anul 2001. Bănuiesc că aceasta a fost o decizie pe care Intel o regretă în prezent. Memoria RDRAM are un preŃ semnificativ mai mare decât memoria SDRAM — deşi preŃurile au mai scăzut în ultimul timp — şi oferă unele avantaje de performanŃă atunci când este folosit în modul de lucru cu canal dublu.

În ultima vreme, piaŃa calculatoarelor manifestă un interes special pentru acceptarea memoriilor SDRAM cu rată dublă de date (DDR-SDRAM). Ca urmare, Intel a lansat setul de cipuri 845 (cu numele de cod Brookdale) care permite folosirea memoriilor DDR-SDRAM pentru procesoarele Pentium 4.

CâŃiva producători de seturi de cipuri s-au menŃinut într-o nişă de piaŃă prin oferirea unor produse compatibile cu procesoarele AMD. În prezent, aceste firme sunt în principal: ALi (Acer Laboratories, Inc.), VIA Technologies, NVIDIA şi SiS (Silicon integrated Systems). Împreună cu seturile de cipuri furnizate chiar de AMD, aceste firme oferă produse compatibile cu procesoarele Athlon şi Duron (anterior şi AMD K6). VIA, AMD şi NVIDIA par să domine piaŃa seturilor de cipuri pentru procesoarele Athlon/Duron.

Este interesant de reŃinut că firma Chips and Technologies a supravieŃuit prin trecerea la proiectarea şi producŃia cipurilor video şi a găsit în această piaŃă nişa seturilor de cipuri video destinate calculatoarelor laptop şi notebook. Firma a fost cumpărată de Intel în 1998, ca un mijloc pentru aceasta din urmă de a intra pe piaŃa seturilor de cipuri video.

3.2.1.2. Seturile de cipuri Intel

În prezent, nu putem vorbi despre seturile de cipuri fără a discuta despre cele produse de

firma Intel, deoarece aceasta deŃine cea mai mare parte din piaŃa seturilor de cipuri. Este interesant de reŃinut că, probabil, trebuie să-i mulŃumim firmei Compaq că a „împins" firma Intel în domeniul seturilor de cipuri. Punctul de pornire l-a constituit introducerea magistralei EISA, proiectată de Compaq în 1989. În acea perioadă, Compaq a produs această magistrală în colaborare cu alte firme, încercând să o promoveze ca standard de piaŃă. Compaq a refuzat însă să împartă cu aceste firme setul său de cipuri pentru magistrala EISA, un set de cipuri personalizate, necesar pentru implementarea acestei magistrale pe placa de bază.

A intrat în joc firma Intel, care a decis să livreze seturile de cipuri care le lipseau celorlalte firme producătoare de calculatoare şi care doreau să cumpere plăci de bază cu magistrale EISA. După cum se ştie foarte bine acum, magistrala EISA nu a devenit un succes de piaŃă, cu excepŃia unei scurte perioade de dominaŃie în domeniul serverelor.

O dată cu introducerea procesoarelor 286 şi 386, Intel a devenit nerăbdătoare văzând cât de mult timp le trebuia celorlalte firme pentru a crea seturile de cipuri destinate noului procesor, întârziind astfel introducerea plăcilor de bază corespunzătoare. De exemplu, au trecut mai bine de doi ani între lansarea procesorului 286 şi apariŃia primelor plăci de bază 286. La fel, a fost nevoie de mai mult de un an pentru apariŃia primelor plăci de bază 386 după lansarea procesorului 386.

Page 78: CartedlComanescu Bun v1

78

Intel nu îşi putea vinde procesoarele în cantităŃi suficiente până nu existau plăcile de bază compatibile cu acestea, astfel încât s-a gândit că, prin dezvoltarea în paralel cu un nou procesor a seturilor de cipuri pentru placa de bază corespunzătoare, va putea impulsiona afacerea plăcilor de bază prin livrarea unor seturi de cipuri complete, care puteau fi folosite imediat de producătorii de plăci de bază.

Intel a testat această strategie prin lansarea în aprilie 1989, a seriei 420 de seturi de cipuri împreună cu procesorul 486. Astfel, producătorii de plăci de bază au putut să înceapă imediat lucrul şi nu au trecut decât câteva luni până la apariŃia primelor plăci de bază 486. Desigur, ceilalŃi producători de seturi de cipuri nu au fost mulŃumiŃi. Intel devenise un concurent şi, evident, Intel putea lansa întotdeauna pe piaŃă primele seturi de cipuri pentru noile procesoare!

Intel şi-a dat apoi seama că produce atât procesoarele, cât şi seturile de cipuri, ceea ce însemna 90% dintr-o placă de bază tipică. Ce cale mai bună putea exista de a asigura disponibilitatea plăcilor de bază pentru procesorul Pentium la lansarea acestuia decât producerea propriilor plăci de bază până la data respectivă? În momentul apariŃiei primului procesor Pentium, în 1993, Intel a lansat atât setul de cipuri 430LX, cât şi o placă de bază completă. Acum, pe lângă firmele producătoare de seturi de cipuri, Intel a supărat şi producătorii de plăci de bază. Nu numai că Intel era principalul furnizor de componente pentru producerea plăcilor de bază complete (procesoare şi seturi de cipuri), dar acum construia şi vindea plăci de bază complete. În 1994, Intel domina piaŃa procesoarelor şi seturilor de cipuri, dar pătrunsese puternic şi pe piaŃa plăcilor de bază.

Acum, pe măsură ce dezvoltă noi procesoare, firma dezvoltă simultan noi seturi de cipuri şi chiar plăci de bază complete, ceea ce înseamnă că acestea pot fi lansate şi livrate în mod corelat. Se elimină astfel decalajul dintre prezentarea de noi procesoare şi apariŃia plăcilor de bază şi a sistemelor capabile să le utilizeze, aşa cum se întâmpla la începuturile acestei industrii. Pentru consumator, aceasta înseamnă că nu mai trebuie să aştepte apariŃia noilor sisteme. De la lansarea primului procesor Pentium în 1993, putem cumpăra sisteme complete chiar în ziua în care este lansat un nou procesor.

Intel nu comercializează un calculator sub nume propriu, astfel încât nimeni nu crede că ar avea un calculator marca Intel. Dar dacă placa dumneavoastră de bază a fost produsă de Intel, atunci, aveŃi un calculator marca Intel, cel puŃin din punct de vedere al componentelor. Este oare important dacă Dell, Gateway sau Micron a fost firma care a instalat aceeaşi placă de bază Intel într-o carcasă cu un aspect uşor diferit şi pe care şi-a scris numele? Dacă vă uitaŃi sub capac, veŃi vedea că multe, dacă nu cele mai multe dintre sistemele oferite de producătorii importanŃi sunt identice, deoarece folosesc, în principiu, aceleaşi componente. Deşi din ce în ce mai mulŃi producători importanŃi oferă sisteme bazate pe procesoare Athlon şi Duron, ca alternativă la cele produse de Intel, nici un producător nu domină piaŃa plăcilor de bază AMD în maniera în care domină Intel vânzările OEM către principalii producători de sisteme.

Tabelul 3.2. Sistem de numerotare a seturilor de cipuri Intel Numărul setului de cipuri Familia de procesoare 420xx P4 (486) 430xx P5 (Pentium) 440xx P6 (Pentium Pro/Pentium ll/Pentium III) 8xx P6 (Pentium ll/Pentium lll/Pentium 4) cu arhitectura

centralizată 450xx P6 Server (Pentium Pro/Pentium ll/Pentium III Xeon)

Pentru a menŃine preŃurile la un nivel scăzut, multe sisteme bazate pe plăci de bază micro-

ATX, din domeniul de intrare al preŃurilor, folosesc plăci care nu sunt produse de Intel. Totuşi, chiar dacă multe firme produc plăci de bază compatibile Intel pentru modernizări ulterioare sau

Page 79: CartedlComanescu Bun v1

79

firme locale care asamblează calculatoare. Intel încă domină piaŃa OEM principală a sistemelor de nivel mediu şi ridicat.

Începând cu procesoarele 486, în 1989, Intel a introdus un sistem de numerotare a seturilor sale de cipuri. Pentru exemplificare prezentăm tabelul 3.2:

Numerele seturilor de cipuri din acest tabel reprezintă o abreviere a numerelor propriu-zise ale seturilor de cipuri, imprimate pe fiecare cip în parte. De exemplu, unul din cele mai răspândite seturi de cipuri Pentium II/III este 440BX, care este format, de fapt. din două componente: North Bridge 82443BX şi South Bridge 82371EX. La fel, setul de cipuri 850 este compatibil cu procesoarele Pentium 4 şi este format din două părŃi principale: 82850 Memory Controller Hub (MCH) şi 82801BA I/O Controller Hub (ICH2). Citind emblema firmei (Intel sau alta) şi combinaŃia de numere şi litere de pe cipurile mai mari de pe placa dumneavoastră de bază, de obicei puteŃi identifica rapid setul de cipuri folosit.

Intel a folosit două arhitecturi distincte pentru seturile de cipuri: o arhitectură cu punŃi de nord şi de sud (North/South Bridge) şi o arhitectură centralizată (hub) mai recentă. Toate seturile de cipuri mai recente, din seria 800, folosesc arhitectura centralizată.

3.2.1.3. Seturile de cipuri AMD Athlon/Duron

AMD şi-a asumat un mare risc în privinŃa procesoarelor Athlon şi Duron. Prin lansarea

acestor procesoare, AMD a decis pentru prima dată să creeze un cip compatibil Intel din punct de vedere software, dar nu şi direct ca hardware sau din punct de vedere al configuraŃiei pinilor. În timp ce procesoarele din seria K6 pot fi instalate în soclurile Socket 7 proiectate de Intel pentru linia de procesoare Pentium, procesoarele AMD Athlon şi Duron au configuraŃia pinilor diferită de a cipurilor Pentium II/III şi Celeron. Aceasta a însemnat şi faptul că, la lansarea procesoarelor Athlon şi Duron, AMD nu putea folosi seturile de cipuri şi plăcile de bază existente: era necesar fie să creeze seturi de cipuri şi plăci de bază proprii, fie să găsească firme care să facă acest lucru.

Se pare că riscul a meritat. AMD a reuşit să pătrundă pe piaŃă cu un set de cipuri propriu, numit AMD-750 (şi având numele de cod Irongate). Setul de cipuri AMD 750 este format din două componente: 751 System Controller (North Bridge) şi 756 Peripheral Bus Controller (South Bridge). Ulterior AMD a lansat pentru procesoarele Athlon/Duron setul de cipuri AMD-760, care este primul set de cipuri important compatibil cu memoria DDR SDRAM. Este format din două cipuri - AMD-761 System Bus Controller (North Bridge) şi AMD-766 Peripheral Bus Controller (South Bridge). Şi alte companii, cum ar fi VIA Technologies, NVIDIA şi SiS, au lansat seturi de cipuri proiectate special pentru procesoarele Socket/Slot A produse de AMD. Aceasta a permis producătorilor de plăci de bază să asigure compatibilitatea cu aceste cipuri, iar procesoarelor Athlon şi Duron să cucerească o parte semnificativă din piaŃa dominată anterior de Intel.

3.2.1.4. Arhitectura North/South Bridge

Cele mai multe dintre primele seturi de cipuri Intel (şi practic toate seturile de cipuri

produse de alte firme) sunt împărŃite într-o arhitectură pe mai multe straturi, cuprinzând secŃiunile North Bridge (puntea de nord), South Bridge (puntea de sud) şi cipul Super I/O.

Puntea de nord (North Bridge) este numită astfel deoarece face legătura dintre magistrala de mare viteză a procesorului (400/266/200/133/100/66 MHz) şi magistralele mai lente AGP (533/266/133/66 MHz) şi PCI (33 MHz). Componentele secŃiunii North Bridge sunt cele care dau denumirea setului de cipuri. Aceasta înseamnă că, de exemplu, ceea ce numim setul de cipuri 440BX provine din faptul că numărul de reper al cipului North Bridge pentru acest set este 82443BX.

Page 80: CartedlComanescu Bun v1

80

Puntea de sud (South Bridge) este numită astfel deoarece face legătura dintre magistrala PCI (66/33 MHz) şi magistrala ISA, şi mai lentă (8 MHz).

Cipul Super I/O. Acesta este un cip separat ataşat la magistrala ISA şi nu este considerat o parte componentă a setului de cipuri, deseori provenind de la un producător terŃ, cum ar fi National Semiconductor sau Standard MicroSystems Corp (SMSC). Cipul Super I/O conŃine elemente periferice frecvent folosite care au fost combinate într-un singur cip.

Seturile de cipuri au evoluat de-a lungul anilor, asigurând compatibilitatea cu diferite procesoare, viteze de magistrală, conexiuni periferice şi alte caracteristici.

Puntea de nord (North Bridge) este numită uneori PAC (PCI/AGP Controller). SecŃiunea North Bridge este, în esenŃă, componenta principală a plăcii de bază şi, în afară de procesor, este singurul circuit al plăcii de bază care funcŃionează în mod normal la viteza integrală a plăcii de bază (magistrala procesorului). Majoritatea seturilor moderne de cipuri folosesc o secŃiune North Bridge formată dintr-un singur cip. Unele din seturile mai vechi de cipuri erau însă compuse din până la trei cipuri separate pentru a forma întregul circuit North Bridge.

SecŃiunea South Bridge este componenta mai lentă a setului de cipuri şi a fost întotdeauna formată dintr-un singur cip. SecŃiunea South Bridge este o componentă oarecum interschimbabilă, în sensul că diferite seturi de cipuri North Bridge sunt proiectate adeseori pentru a utiliza aceeaşi componentă South Bridge. Această concepŃie modulară a setului de cipuri permite costuri mai reduse şi o mai mare flexibilitate pentru producătorii de plăci de bază. SecŃiunea South Bridge se conectează la magistrala PCI de 33 MHz şi conŃine interfaŃa cu magistrala ISA de 8 MHz. De asemenea, în mod normal, South Bridge conŃine interfeŃele duble de controller de hard-disc, I DE, una sau două interfeŃe USB şi, în modelele mai recente, funcŃiile CMOS RAM şi de ceas. SecŃiunea South Bridge conŃine toate componentele care formează magistrala ISA, inclusiv controllerele de întreruperi şi DMA.

A treia componentă a plăcii de bază, cipul Super I/O, este conectat la magistrala ISA de 8 MHz şi conŃine toate perifericele standard încorporate într-o placă de bază. De exemplu, cele mai multe cipuri Super I/O conŃin porturile seriale, portul paralel, controllerul de dischetă şi interfaŃa cu mouse-ul şi tastatura. OpŃional, pot conŃine circuitele CMOS RAM/Ceas, controllerele IDE şi interfaŃa pentru portul de jocuri. Sistemele care integrează porturi IEEE-1394 şi SCSI folosesc cipuri separate pentru aceste tipuri de porturi.

Unele plăci includ o componentă Super-South Bridge, care încorporează funcŃiile punŃii de sud şi ale cipului Super I/O pe un singur cip.

3.2.1.4.1. Arhitectura centralizat ă (hub)

Cipurile mai noi din seria 800 folosesc o arhitectură centralizată (hub architecture), în

care cipul fostei punŃi de nord (North Bridge) se numeşte acum Memory Controller Hub (MCH), iar fosta punte de sud (South Bridge) se numeşte acum I/O Controller Hub (ICH). În loc să conecteze componentele prin magistrala PCI, aşa cum se întâmpla în modelul North/South Bridge standard, acestea sunt conectate printr-o interfaŃă de distribuŃie (hub interface) dedicată, care este de două ori mai rapidă decât magistrala PCI. Modelul centralizat oferă câteva avantaje faŃă de modelul North/South Bridge convenŃional:

Este mai rapid. InterfaŃa de distribuŃie cu tact cvadruplu (4X), la 66 MHz, pe 8 biŃi (4 x 66 MHz x 1 octet - 266 MB/sec), care are un randament de două ori mai mare decât interfaŃa PCI (33 MHz x 32 biŃi - 133 MB/sec).

Reduce încărcarea magistralei PCI. InterfaŃa de distribuŃie este independentă de magistrala PCI şi nu partajează sau ocupă lărgimea de bandă a acesteia pentru traficul setului de cipuri sau al cipului Super I/O. În acest fel se îmbunătăŃesc performanŃele celorlalte dispozitive conectate la magistrala PCI, deoarece magistrala PCI nu mai este implicată în tranzacŃiile setului de cipuri.

Page 81: CartedlComanescu Bun v1

81

Reduce cablarea pe placă. Deşi de două ori mai rapidă decât magistrala PCI, interfaŃa de distribuŃie are o lăŃime de numai 8 biŃi şi are nevoie de numai 15 semnale cablate pe placa de bază. Prin comparaŃie, magistrala PCI are nevoie de nu mai puŃin de 64 de semnale pe placă, ceea ce cauzează creşterea nivelului de interferenŃe electromagnetice (EMI), o mai mare susceptibilitate la degradarea semnalelor şi apariŃia zgomotelor şi creşterea costurilor de fabricare a plăcilor de bază.

InterfaŃa centralizată permite atingerea unei rate mai mari de transfer pentru dispozitivele PCI, deoarece la magistrala PCI nu mai este conectat cipul South Bridge (care transferă şi traficul cipului Super I/O). Prin ocolirea magistralei PCI, arhitectura centralizată permite atingerea unei rate de transfer mai mari şi pentru dispozitivele conectate la cipul I/O Controller Hub (anterior South Bridge), cum ar fi noile unităŃi de mare viteză ATA-100 şi interfeŃele USB 2.0.

InterfaŃa centralizată este şi foarte economică, având lăŃimea de numai 8 biŃi. Deşi această lăŃime pare prea mică pentru a fi utilă, are un motiv bine întemeiat. Dacă interfaŃa are o lăŃime de numai 8 biŃi, foloseşte numai 15 semnale, în comparaŃie cu cele 64 de semnale necesare interfeŃei cu magistrala PCI pe 32 de biŃi folosită de modelul North/South Bridge. Numărul mai mic de pini înseamnă şi mai puŃine trasee de circuit pe placă, mai puŃine zgomote şi interferenŃe. De asemenea, cipurile au mai puŃini pini, ceea ce înseamnă că sunt mai mici şi mai ieftine.

Deşi transferă numai 8 biŃi la un moment dat, interfaŃa de distribuŃie execută patru transferuri în fiecare ciclu, la o frecvenŃă de 66 MHz. Aceasta înseamnă un randament real de 4 x 66 MHz x 1 octet - 266 MB/secundă, adică de două ori mai mult decât lărgimea de bandă a magistralei PCI, care are lăŃimea de 32 de biŃi, dar execută un singur transfer în fiecare ciclu, la o frecvenŃi de 33 MHz, ceea ce înseamnă o lărgime totală de bandă de 133 MB/secundă. Ca urmare, prin folosirea unui model cu lăŃime mică, dar viteză foarte mare, interfaŃa de distribuŃie obŃine performanŃe mai bune cu costuri mai scăzute şi integritate mai bună a semnalelor decât vechiul model cu punŃi de nord şi de sud.

Circuitul MCH realizează interfaŃa dintre magistrala de mare viteză a procesorului (400/133/ 100/66 MHz), interfaŃa de distribuŃie (66 MHz) şi magistrala AGP (533/266/133/66 MHz), în timp ce circuitul ICH realizează interfaŃa între interfaŃa de distribuŃie (66 MHz), porturile ATA (IDE) (66/100 MHz) şi magistrala PCI (33 MHz).

În plus, circuitul ICH include o nouă magistrală cu număr redus de pini (low-pin-count sau LPC), reprezentând, în esenŃă, o versiune cu lăŃimea de 4 biŃi a magistralei PCI, destinată conectării cipurilor ROM BIOS şi Super I/O de pe placa de bază. Folosind aceleaşi patru semnale pentru date, adrese şi comenzi, sunt necesare numai nouă semnale suplimentare pentru implementarea magistralei, ceea ce înseamnă un total de 13 semnale. În acest fel este redus drastic numărul de trasee necesare pentru conectarea cipurilor ROM BIOS şi Super I/O dintr-un sistem, în comparaŃie cu cele 96 de semnale ale magistralei ISA necesare seturilor de cipuri North/South Bridge care foloseau magistrala ISA ca interfaŃă pentru aceste dispozitive. Magistrala LPC are o lărgime maximă de bandă de 6,67 MB/sec, care este apropiată de lărgimea de bandă a magistralei ISA şi mai mult decât suficientă pentru dispozitive precum cipurile ROM BIOS şi Super I/O.

3.2.2. Soclurile sau sloturile procesoarelor Unitatea centrală de prelucrare (CPU) este instalată într-un soclu sau într-un slot.

Începând cu procesoarele 486, Intel a proiectat procesorul astfel încât acesta să fie o piesă care să poată fi instalată şi înlocuită de utilizator şi a dezvoltat standarde pentru soclurile şi sloturile CPU care permit instalarea unor modele diferite ale aceluiaşi procesor de bază. Aceste specificaŃii au primit o etichetă care, de obicei, este tipărită sau gravată pe conector sau pe placă.

IniŃial, toate procesoarele erau montate în socluri (sau lipite direct pe placa de bază). O dată cu apariŃia procesoarelor Pentium II şi a primelor procesoare Athlon, atât Intel, cit şi AMD au trecut la modele bazate pe sloturi, deoarece procesoarele includeau memoria cache de nivel 2 (L2), cumpărată ca cipuri de memorie statică (Static RAM sau SRAM) de la terŃi producători de

Page 82: CartedlComanescu Bun v1

82

memorie. Ca urmare, unitatea centrală de prelucrare nu mai era formată dintr-un singur cip, ci din mai multe cipuri, montate pe o placă fiică inserată într-un slot din placa de bază. Metoda a funcŃio-nat bine, dar implica unele costuri suplimentare pentru cipurile suplimentare de memorie cache, placa fiică în sine, slotul, capsula sau caseta procesorului, mecanismele de susŃinere Ńi de fixare fizică şi radiatorul. łinând seama de toate aceste aspecte, producerea procesoarelor bazate pe sloturi era mai scumpă decât a versiunilor anterioare, montate în socluri.

O dată cu apariŃia celei de-a doua generaŃii de procesoare Celeron, Intel a integrat memoria cache de nivel 2 pe aşchia de siliciu a procesorului, adică în circuitele principale ale unităŃii centrale de prelucrare, fără să mai fie necesare cipuri suplimentare. De asemenea, procesoarele Pentium III din a doua generaŃie (cu numele de cod Coppermine) au fost echipate cu cache L2 pe cip, ca şi procesoarele K6-3, Duron (cu numele de cod Spitfire) şi procesoare Athlon din a doua generaŃie (cu numele de cod Thunderbird), produse de AMD (unele dintre primele versiuni ale unităŃilor centrale de prelucrare Thunderbird Athlon au fost produse şi în configuraŃia pentru Slot A). După integrarea memoriei cache L2 pe cip, procesoarele au revenit la un singur cip, ceea ce însemna că montarea acestora pe o placă separată, inserată într-un slot, era scumpă şi inutilă. Datorită folosirii cache-ului L2 integrat pe cip, tendinŃa de încapsulare a procesoarelor s-a îndreptat din nou către socluri şi probabil va rămâne astfel în viitorul previzibil. Toate procesoarele moderne sunt în prezent bazate pe socluri. Pe lângă faptul că permite revenirea la încapsularea pentru socluri, memoria cache L2 pe cip rulează la viteza procesorului, nu la jumătate sau o treime din aceasta, aşa cum se întâmplă în cazul memoriei cache L2 integrată pe placă, nu pe cip.

Totuşi, procesorul Intel Itanium pe 64 de biŃi este încapsulat într-un cartuş, care include memoria cache de nivel 3, dar se montează într-un soclu, nu într-un slot.

Toate sistemele până la procesoarele din familia Pentium inclusiv au unitatea CPU instalată într-un soclu. Procesoarele Pentium II şi cele următoare utilizează un conector în care se introduce cartela sau cartuşul procesorului. Pe o placă de bază modernă, există o mare varietate de conectoare diferite. Unele dintre aceste conectoare, cum sunt conectoarele de alimentare, porturile seriale şi paralele şi conectoarele pentru tastatură şi mouse sunt uzuale pe majoritatea plăcilor de bază ce se află deja în exploatare.

Tabelul 3.3 Numărul soclului

Număr de pini

Dispunerea pinilor Tensiunea Procesoare admise

Socket 1 169 17x17 PGA 5V 486 SX/SX 2, DX/DX 2*, DX 4 OverDrive

Sockel 2 238 19x19 PGA 5 V 486 SX/SX 2, DX/DX 2*, DX 4 Over Drive, 486 Pentium OverDrive.

Socket 3 237 19x19 PGA 5V/3,3 V 486 SX/SX 2, DX/DX 2, Dx 4, 486 Pentium Over Drive, 5x86.

Socket 4 273 21x21 PGA 5V Pentium 60/66, OverDrive. Socket 5 320 37x37 SPGA 3,3 V/3,5 V Pentium75-133, OverDrive.

Socket 6** 235 19x19 PGA 3,3 V 486 DX 4, 486 Pentium OverDrive.

Socket 7 321 37x3 SPGA VRM Pentium 75-266+, MMX, OverDrive, 6x86, K 6.

Socket 8 387 SPGA dublă matrice Auto VRM Pentium Pro

Slotl 212 SEC/SEPP AutoVRM Pentium II MMX, Pentium II, Celeron.

Slot 2 Conector SEC Auto VKM Pentium II Xeon. * Se poate monta şi DX 4 non-OverDrive prin adăugarea unui adaptor regulator de

tensiune de 3.3 V.

Page 83: CartedlComanescu Bun v1

83

** Socket 6 a fost numai o propunere de standard şi nu a fost implementat în nici un fel de sistem. PGA=Pin GridArray (matrice de pini).

Tabelul 3.4

Numărul setului de cipuri Familia de procesoare

420xx P4(486)

430xx P5 (Pentium)

440xx P6 (Pentium Pro/Pentium II)

450xx P6 Server (Pentium Pro/Pentium II-Xeon)

Figura – 3.7 Amplasarea conectoarelor pe o placă de Intel SE440BX

În figură s-a notat cu: A-activare prin apel telefonic; B-conectoare PCI (J4D2, J4D1, J4C1,J4B1); C-tehnologie opŃională de activare prin LAN (J1C1); D-ventilatorul 3 (J3F2); E-intrare audio auxiliară opŃională (J2F2); F-opŃiune telefonie (J2F1); G-opŃiune audio CD-ROM (J1F1); H-opŃiune de protecŃie împotriva pătrunderii în carcasă (J3F1); J-ventilatorul 2 (J4M1): K-ventilatorul 1 (J8M1);

Page 84: CartedlComanescu Bun v1

84

L-unitate de dischetă (J8K1); M-alimentare (J7L1); N-opŃiune LED SCSI (J8J1) O-panou frontal (J8C2); P-IDE primar şi secundar (J7G1, J7J1); Q-module DIMM (J6J1, J6J2,J7J1); R-A.G.P. (J4E1); S-PC/PCI (J6D1); T-conectoare ISA (J4B1, J4A1). În tabelele 3.4, 3.5, 3.6 se prezintă caracteristicile celor mai uzuale socluri pentru

procesoare, respectiv principalele seturi de cipuri Intel utilizate drept componente pentru plăcile de bază.

Tabelul 3.5

Setul de cipuri

430 LX 430 NX 430 FX

430 MX

430 HX

430 VX 430 TX

Denumirea de cod

Mercury Neptune Triton Mobile Triton

Triton II

Triton III -

Data lansării

03.1993 03.1994 01.1995

10.1996

02.1996

02.1996 02.1997

FrecvenŃa magistralei

66 MHz 66 MHz 66 MHz

66 MHz

66MHz 66 MHz 66 MHz

Procesoare compatibile

P60/66 P75+ P75+ P75+ P75+ P75+ P75+

SMP (două procesoare)

Nu Da Nu Nu Da Nu Nu

Tipuri de memorie

FPM FPM FPM/ EDO

FPM/ EDO

FPM/ EDO

FPM/ EDO SDRAM

FPM/ EDO SDRAM

Paritate sau ECC

Paritate Paritate Nici una

Nici una

Ambele Nici una Nici una

Memoria Maximă

192 M 512 M 128 M 128 M 512 M 128 M 256 M

Memoria maximă accesibilă prin cache

192 M 512 M 64 M 64 M 512 M 64 M 64 M

Tipul memoriei Cache de nivel 2

Asin-cronă

Asin-cronă

Asin-cronă / Pburst

Asin-cronă / Pburst

Asin-cronă / Pburst

Asin-cronă / Pburst

Asin-cronă / Pburst

Compatibilitate PCI

2.0 2.0 2.0 2,0 2.1 2.1 2.1

Compatibilitate AGP

Nu Nu Nu Nu Nu Nu Nu

South Bridge

SIO SIO PIIX MPIIX PIIX3 PIIX3 PIIX4

SMP - Symmetric Multiprocessing;

Page 85: CartedlComanescu Bun v1

85

FPM- Fast Page Mode; EDO- Extended Data Out; Bedo - Burst EDO; SDRAM - Synchronous Dynamic RAM Pburst - Pipeline Burst (sincron); PCI - Peripheral Component Interconnect; AGP - Accelerated Graphics Port; SIO - System I/O; PIIX - PCIISA IDE Xcelerator. În tabelul 3.6 se prezintă tipurile de cipuri Intel South Bridge. Tabelul 3.6

Denumirea procesorului

SIO PIIX PIIX3 PIIX4 PIIX4E

Număr reper 823781 B /ZB

82371FB 82371SB 82371AB 82371EB

Compatibilitate IDE Nu BMIDE BMIDE UDMA UDMA Compatibilitate USB Nu Nu Da Da Da CMOS/ceas Nu Nu Nu Da Da Gestionarea energiei SMM SMM SMM SMM ACPI 1.0

SIO - System I/O; PIIK - PCI ISA IDE Xcelerator; USB - Universal Serial Bus; IDE - Integrated Drive Electronics (AT Attachment); BMIDE - Bus Master IDE; UDMA - Ultra-DMA IDE; SMM - System Management Mode; ACPI - Advanced Configuration and Power Interface Specification În tabelul 3.7 se prezintă seturile de cipuri utilizate pe plăcile bază Pentium Pro. Tabelul 3.7

Setul de tipuri 450KX 450GX 440FX Denumirea de cod Orion Workstation Orion Server Natoma

Data lansării 11.1995 11.1995 05.1996 FrecvenŃa magistralei 66 MHz 66 MHz 66 MHz SMP (două procesoare) Da Da (4 CPU) Da

Tipuri de memorie FPM FPM FPM/EDO/ BEDO

Paritate sau ECC Ambele Ambele Ambele Memoria maximă 8G 1G 1 G

Memoria maximă accesibilă prin cache 1G 1G 1G Tipul memoriei cache de nivelul 2 În CPU În CPU În CPU Compatibilitate PCI 2.0 2.0 2.1 Compatibilitate AGP Nu Nu Nu

Viteză AGP necunoscută necunoscuta Necunoscută South Bridge Diverse Diverse PIIX3

SMP - Symmetric Multi-Processing(două procesoare)

Page 86: CartedlComanescu Bun v1

86

FPM- Fast Page Mod; EDO- Extended Data Out; BEDO- Burst EDO; PCI - Peripheral Component Interconnect; AGP - Accelerated Graphics Port; PIIX- PCI ISA IDE Xcelerator. Pentru Pentium II, firma Intel oferă seturile de cipuri prezentate în tabelul 3.8. Tabelul 3.8

Seturi de cipuri 440FX 440LX 440EX 440BX Denumirea de cod Natoma Nu există Nu există Nu există Data lansării 05.1996 08.1997 04.1998 04.1998 FrecvenŃa magistralei 66 MHz 66 MHz 66 MHz 66/100 MHz SMP (două procesoare) Da Da Nu Da

Tipuri de memorie FPM/EDO/ BEDO

FPM/EDO/ SDRAM

FPM/EDO/ SDRAM

FPM/ EDO/ SDRAM

Paritate sau ECC Ambele Ambele Nici una Ambele

Memoria maximă 1G 1G EDO/ 512 M SDRAM

256 M 1G

Memoria maximă accesibilă prin cache

1 G 1 G 1 G 1G

Tipul memoriei cache de nivelul 2

În CPU În CPU În CPU În CPU

Compatibilitate PCI 2.1 2.1 2.1 2.1 Compatibilitate AGP Nu AGP-lx AGP-lx AGP-2x Viteza AGP Necunoscută 266 M/s 266 M/s 533 M/s South Bridge PIIX3 PIIX4 PIIX4E PIIX4E

3.3. Plăci de bază actuale

3.3.1. Plăci de bază cu chipset Intel din seria x965 Chipset-urile din familia Intel x965 sunt companioane de nădejde pentru procesoarele din

generaŃia Core 2 Duo. Aceste chipset-uri furnizează suport pentru memoriile DDR2 şi pentru interfaŃa PCI Express, oferind în acelaşi timp capabilităŃi de overclocking cu care predecesoarele lor nu s-au putut lăuda. În acest fel, pe baza chipset-urilor Intel x965 sunt concepute numeroase plăci de bază care au devenit extrem de populare printre amatorii de performanŃe extreme.

Totuşi, cum nimic nu este veşnic în dinamica lume a IT-ului, din comunicatul făcut prin intermediul unui document oficial, pe 28 martie 2008 a fost iniŃiată acŃiunea de scoatere din producŃie a chipset-urilor desktop Intel P965, Intel Q963, Intel Q965, Intel G965, Intel 946GZ şi Intel 946P. Concomitent cu această acŃiune, Intel a anulat şi southbridge-ul ICH8DH. În ceea ce priveşte northbridge-ul Intel Q965 şi southbridge-urile ICH8, ICH8R, ICH8DO, acestea îşi vor găsi în continuare utilizare pe segmentul produselor cu tehnologie built-in. Conform promisiunilor făcute de Intel, supravieŃuitoarele southbridge-uri din seria ICH8 vor livrate atât timp cât va exista pe piaŃă chipsetul Intel G35.

Pentru chipset-urile cu grafică integrată, Intel a încercat să le atribuie acestora (chiar şi produsului G965) compatibilitate cu Api-ul Microsoft DirectX 10. Cum G965 a devenit recent un candidat la uitare, suportul total pentru DirectX 10 rămâne o prerogativă a chipset-ului Intel G35.

Page 87: CartedlComanescu Bun v1

87

Pe de altă parte, conform versiunii oficiale, G35 a fost lăsat să aştepte sosirea unor drivere speciale pentru a se putea lăuda cu suportul pentru DirectX 10.

Site-ul HKEPC Hardware menŃionată ne informează că suportul pentru DirectX 10 este asigurat chipset-urilor Intel G35, GM965 şi GL960 de driverele cu versiunea 15.9. În cazul chipset-urilor destinate platformelor mobile GM965 şi GL960, suportul pentru DirectX 10 va fi numai parŃial. Noile drivere vor îmbunătăŃi algoritmii de decodare la nivel hardware a fluxului video în formate AVC, VC1 şi MPEG2, asigurând, de asemenea, suport pentru aşa-numita funcŃie Non-linear Anamorphic Scaling. Chipset-urile pentru platformele mobile vor obŃine specificaŃii mai avansate şi moduri de operare care vor permite reducerea consumului.

3.3.2. Plăci de bază cu chipset Intel p43 Placa de bază realizată în jurul viitorului northbridge Intel P43 (în tandem cu southbridge-

ul ICH10) tocmai şi-a făcut apariŃia pe internet. Destinat să devină parte integrantă a plăcilor de bază mainstream, P43 ar trebui să ofere suport numai pentru un singur slot PCI Express x16 2.0 şi nu pentru două astfel de slot-uri (fie ele cablate şi în x8), aşa cum este cazul chipset-ului P45.

Placa de bază în discuŃie, un produs botezat ASL P43T, ne dezvăluie fără echivoc existenŃa a două slot-uri PCI Express 16x. De asemenea, sunt prezente şi două slot-uri PCI Express x1, precum şi două porturi PCI. HaideŃi să ne reamintim că P43 a fost anunŃat ca fiind compatibil atât cu memoriile DDR2-1066, cât şi cu modulele DDR3-1066, în timp ce chipset-ul P45 ar trebui să fie capabil să se înŃeleagă numai cu memoriile DDR3 (maximum 1333 MHz). Ei bine, pentru a mări şi mai mult confuzia, placa de bază P43T dispune de patru slot-uri DIMM compatibile numai cu memoriile RAM de tip DDR2.

Figura 3.8. Placă de bază cu chipset Intel P43

ASL P43T este în stadiul de proiect, cuplul P43-ICH10 fiind lipsit de orice fel de sisteme

de răcire. Platforma dispune de un etaj de alimentare în patru faze şi de un număr destul de mare de condensatori cu dielectric solid, specificaŃii care ne face sa credem că procesorul va beneficia de o putere constantă şi de un aport imediat de curent. Dotat cu şase porturi S-ATA, produsul de faŃă oferă acces, pe panelul din spate, la şase porturi USB, la o conexiune pentru reŃea şi la

Page 88: CartedlComanescu Bun v1

88

obişnuiŃii conectori audio. In acest moment, placa de bază ASL P43T urmează să apară la un preŃ nedivulgat, dar, chipset-ul P43 este facturat de Intel cu un preŃ angro de 34 USD/bucată.

Figura 3.9 SpecificaŃii tehnice ale chipset-urilor Intel P45 şi Intel P43

În fapt, P43 este o versiune puŃin mai slabă a inovaŃiei P45. Chipset-urile Intel P45 şi P43

vor fi obŃinute dintr-un singur wafer de siliciu, numai pentru ultimul fiind impuse restrângeri artificiale de funcŃionalitate. Deoarece, prin sortare, pentru producŃia de chipset-uri P43 vor fi reŃinute copiile mai puŃin potente, n-ar trebui ca, economisind 5-6 dolari, overclockerii să se aştepte la miracole.

Acest chipset, de asemenea lipsit de circuit grafic integrat, va pierde posibilitatea de a opera cu două slot-uri PCI Express x16 în acord cu schema "PCI Express x8 + PCI Express x8", în vreme ce pentru memorii frecvenŃa va fi limitată la regimul DDR3-1066. Pe de altă parte, P43 va conserva compatibilitatea cu memoriile de tip DDR2-1066. Este important de reŃinut faptul că plăcile de bază concepute cu ajutorul chipset-ului Intel P43 vor putea fi echipate cu patru slot-uri DIMM, în condiŃiile utilizării unor module cu capacitatea individuală de 2 GB, cantitatea totală de memorie fiind posibil să atingă 8 GB.

3.3.3. Plăci de bază cu chipset Intel p45 Potrivit informaŃiilor provenind de la principalii producători de plăci de bază,

promiŃătorul chipset Intel P45 are şansa de a se bucura de o popularitate fără precedent. Motivul care ar justifica o asemenea situaŃie constă în faptul că această colecŃie de circuite logice, ne referim la P45, va fi ultima dedicată platformelor mainstream pe Socket LGA775.

În consecinŃă, durata de viaŃă a chipset-ului P45 va fi mai mare decât a predecesoarelor sale. În acelaşi timp, P45 va fi singurul dintre toate chipset-urile Intel pentru socket-ul LGA775 care va fi în măsură să ofere cea mai bună combinaŃie între funcŃionalitate şi preŃ.

La sfârşitul anului 2008 sau începutul anului 2009, procesoarele Socket LGA775 urmează să fie înlocuite de cele compatibile cu Socket - urile LGA1366 şi LGA1160, tehnologii menite să faciliteze instalarea procesoarelor din familia Nehalem. Totuşi, aşa cum este de aşteptat, procesul

Page 89: CartedlComanescu Bun v1

89

de tranziŃie nu va fi foarte rapid, iar acest fapt va permite larga răspândire a produselor bazate pe chipset-ul Intel P45.

P45 a apărut în primele zile ale lunii iunie în 2008. Aşadar, acesta a fost momentul la care diferiŃii producători de plăci de bază au fost capabili să anunŃe oficial propriile lor produse concepute în jurul chipset-ului P45. Livrările masive de asemenea plăci de bază au fost amânate cu câteva săptămâni după data prezentării oficiale, întrucât a intervenit necesitatea corectării unor erori la nivelul bus-ului PCI Express, neajunsuri descoperite şi reparate la timp de compania din Santa Clara.

Legat de chipset-urile cu grafică integrată din "seria a patra" de la Intel, platformele concepute pe baza acestora au fost livrate ceva mai târziu, atunci când Intel a optimizat complet circuitul grafic încorporat.

Figura 3.10 Plăci de bază cu chipset Intel P45 produse de ASUS

P45 a introdus o serie de inovaŃii, cum ar fi suportul nativ pentru standardul PCI Express 2.0, compatibilitate cu FSB-ul de 1333 MHz, deşi toŃi implementatorii propun, prin overclocking, FSB1600, sau ineditul southbridge ICH10. Pe lângă toate acestea, chipset-ul Intel P45 va putea fi asezonat cu un controller de memorie DDR2 sau DDR3.

Dar iată câteva soluŃii constructive de placi de bază cu chipset P45: Asus a prezentat nu mai puŃin de şase modele diferite de plăci de bază P45. Dintre acestea

amintim despre varianta simplă P5Q şi modelul mai bine echipat P5Q Deluxe, precum şi despre P5Q3 Deluxe şi variantele sale alternative P5Q-E şi P5Q-C. Interesant este produsul P5Q Deluxe, o placă de bază care reuşeşte să adune împreună patru slot-uri DIMM pentru memorii DDR2, trei porturi PCI, două slot-uri PCI Express x16 şi două slot-uri PCI Express x1. Beneficiind de răcire silenŃioasă, P5Q Deluxe îşi adjudecă tehnologia EPU, o inovaŃie pusă la punct de inginerii de la Asus şi care are ca scop reducerea consumului electric al platformei. Având în dotare şase porturi Serial-ATA, această placă de bază poate administra modulele DDR2 în modul DDR2-1600, în timp ce funcŃia ExpressGate permite accesul rapid la Internet fără a avea pornit Windows-ul. În fine, chipset-ul P45 a fost adoptat de Asus şi în cazul modelului Maximus II Extreme, o placă de bază de top din seria Republic Of Gamers. Capabil să se descurce cu FSB-ul de 1600 MHz, acest produs îşi adaugă atât compatibilitatea cu memoriile DDR3-1600, cât şi trei slot-uri PCI Express full format.

Page 90: CartedlComanescu Bun v1

90

De la Abit se distinge IP45-GT3, o placă de bază ATX echipată cu două porturi PCI, două slot-uri PCI Express x16 şi două slot-uri PCI Express x1. Bucurându-se de cunoscutul sistem de răcire Silent OTES, produsul Abit este propus aici în versiune DDR3 (până la DDR3-1600) şi este anunŃat cu suport pentru tehnologia AMD CrossFireX. De asemenea, Abit va propune şi o ediŃie pregătită pentru memoriile DDR2 (DDR2-1200), variantă care va putea fi regăsită sub denumirea de IP45 Pro. Prin intermediul unor afişaje cu LED-uri, plăcile de bază vor putea returna utilizatorilor codurile de diagnostic necesare pentru identificarea componentelor cu probleme în cazul în care sistemul nu porneşte.

Figura 3.11 Plăci de bază cu chipset Intel P45 produse de Abit

Figura 3.12 Placă de bază cu chipset Intel P45 produse de Biostar

Biostar a preluat Intel P45 este preluat şi de Biostar în modelul TPower I45. Cu patru

slot-uri DIMM pentru memoriile DDR2 (este asigurată compatibilitatea cu DDR2-1066), placa de bază mai dispune de două slot-uri PCI Express x16, alături de doi conectori PCI Express x1 şi doi PCI. Şi Biostar TPower I45 asigură suport pentru tehnologia AMD CrossFireX, în vreme ce răcirea este una convenabilă amatorilor de silenŃiozitate.

Page 91: CartedlComanescu Bun v1

91

Placa de bază produsă ECS, P45T-A, utilizează cuplul P45 + ICH10 şi propune toate funcŃionalităŃile standard care sunt aşteptate de la o asemenea placă de bază. Cu un PCB colorat în violet, placa de bază ECS, permite utilizarea memoriilor DDR2, şi se mulŃumeşte cu un singur slot PCI Express x16, prin urmare, este "imună" la tehnologia AMD CrossFire.

Figura 3.13 Plăcă de bază cu chipset Intel P45 produse de ECS

Foxconn cu P45A-S reŃine în continuare tandemul Intel P45 şi ICH10R. Este vorba

despre o placă de bază care poate exploata memoriile DDR2-1066 şi care este compatibilă cu FSB-ul de 1600 MHz. Cu două slot-uri PCI Express x16 de a doua generaŃie, P45A-S este, certificată pentru configuraŃiile AMD CrossFireX. Exceptând sistemul de răcire cu un design destul de original, Foxconn P45A-S dispune de două controllere audio care permit, prin intermediul conexiunilor digitale şi analogice, repartizarea sunetului unor surse diferite.

Gigabyte a prezentat două modele de plăci de bază concepute în jurul amintitului chipset: GA-P45-DS3R şi GA-P45-DS4. În vreme ce primul model se mulŃumeşte cu un sistem simplu de răcire pasivă, al doilea produs adoptă o răcire mult mai elaborată, bazată pe tuburi termice. Compatibilă cu memoriile DDR2-1200, GA-P45-DS4 îşi adaugă suport pentru FSB1600 şi dispune de trei slot-uri PCI Express x16, conformându-se astfel cerinŃelor impuse de funcŃia AMD CrossFireX.

Figura 3.14 Plăcă de bază cu chipset Intel P45 produse de Foxconn

Page 92: CartedlComanescu Bun v1

92

Figura 3.15 Plăci de bază cu chipset Intel P45 produse de Gigabyte

MSI a prezentat patru plăci de bază Intel P45: P45 Diamond, P45 Neo3, P45D3 Platinum

şi P45 Platinum. Modelul P45 Diamond utilizează în construcŃia sa northbridge-ul P45 şi varianta de southbridge ICH10R, suportă DDR3-1333 şi propune avantajele oferite de tehnologia CrossFireX. Placa este dotată cu trei slot-uri PCI Express x16 în format full, MSI recurgând la un controller PCI Express suplimentar, şi se doreşte a deveni o gazdă primitoare pentru ultimele procesoare Intel litografiate pe 45 nm. Pe această placă de bază se mai găsesc un circuit audio Creative X-Fi şi o colecŃie de 13 conectori Serial-ATA. În plus, MSI propune pentru P45 Diamond beneficiul tehnologiei proprietare DrMOS, inovaŃie care, prin intermediul unor noi circuite electrice, are ca scop îmbunătăŃirea randamentului platformei şi diminuarea căldurii degajate. De partea sa, P45 Neo3 posedă un singur slot PCI Express 16x şi se mulŃumeşte să accepte memorii DDR2. P45D3 Platinum vine echipată cu doi conectori PCI Express x16 Gen. 2.0, operabili după formula "x8 + x8", se împacă lejer cu tehnologia CrossFireX, cu procesoarele Intel dual- şi quad-core pe 45 nm şi cu memoriile DDR3.

Figura 3.16 Plăci de bază cu chipset Intel P45 produse de MSI

3.3.4. Plăci de bază cu chipset Intel X48 Procesul care urma să se încheie cu apariŃia pe piaŃă a chipset-ului Intel X48 a fost atât de

lent şi de întins în timp, încât majoritatea utilizatorilor a încetat deja să mai considere acest produs o noutate. Testând o mulŃime de plăci de bază cu chipset Intel X48, am constat că multe dintre acestea beneficiază de bune capabilităŃi pentru overclocking.

DiferenŃele fundamentale dintre "noul" X48 şi predecesorul său (X38) constau în suportul oficial pentru FSB-ul de 1600 MHz, în compatibilitatea cu memoriile de tip DDR3-1600 dual-channel (prin intermediul tehnologiei Intel XMP), precum şi, de ce nu, în preŃul mai mare (Intel facturează ultima sa colecŃie de circuite logice cu 70 USD, în vreme ce pentru X38 solicită numai

Page 93: CartedlComanescu Bun v1

93

50 USD). Fireşte că zvonurile apărute pe Internet atribuie chipset-ului Intel X48 un potenŃial de start superior, iar unele plăci de bază confirmă aceste speranŃe, însă trebuie să spunem că această calitate depinde de un număr însemnat de alŃi factori.

Pe baza acestui chipset vor fi create platforme speciale, cu BIOS-uri bogate în setări şi cu posibilităŃi sporite de overclocking, însă Intel nu-şi adjudecă deloc toate meritele în această privinŃă. Când performanŃele vor fi limitate de posibilităŃile procesorului, atunci placa de bază, indiferent cât de bine este concepută, nu va fi de mare ajutor.

Figura 3.17 Schema bloc a Chipsetului Intel X48 express

Figura 3.18 Tabelul cu specificaŃiile tehnice ale Chipset-urilor Intel X48 şi Intel X38

Page 94: CartedlComanescu Bun v1

94

În mod formal, Intel neagă faptul că chipset-ul X48 ar suporta memoriile DDR2, însă nu o dată am putut vedea plăci de bază dotate cu chipset-ul amintit şi pregătite să accepte memorii RAM de tip DDR2. Mai mult decât atât, printre specificaŃiile chipset-ului X48, există o serie de inadvertenŃe, gigantul din Santa Clara menŃionând accidental şi compatibilitatea cu modulele DDR2-667 şi DDR2-800.

De asemenea, conform tabelului cu specificaŃii propus de Intel mai sus prezentat, nici modulele de memorie cu funcŃie ECC nu sunt suportate. Ar putea fi doar o aluzie la orientarea directă către platformele desktop a acestui chipset. Pe piaŃă se comercializează deja plăci de bază Intel X48 semnate de DFI, Abit sau Gigabyte.

3.3.5. Plăci de bază cu chipset Intel X58 În urmă cu ceva vreme, au apărut pe internet o serie de imagini care dezvăluia exteriorul

unei plăci de bază Socket LGA 1366, platformă destinată să opereze cu viitoarele procesoare Intel Bloomfield. Se consideră că o astfel de placă de bază va fi concepută în jurul chipset-urilor din familia Tylersburg în combinaŃie cu southbridge-urile din seria ICH10. Aşa cum se ştie, ICH10 este menit să facă pereche şi cu chipset-urile Intel din seria a patra (P45 şi G45), inovaŃii apărute in iunie 2008. În măsura în care controller-ul de memorie triple-channel va fi încorporat de către procesor, posibilităŃile funcŃionale ale northbridge-ului se vor simplifica.

Recent, pe paginile site-ului Expreview au apărut noi informaŃii despre unul dintre primii membrii ai familiei de chipset-uri Tylersburg. Întrucât procesoarele quad-core Bloomfield, chip-uri care au legătură cu generaŃia Nehalem, îşi vor face debutul în ultimul trimestru al anului 2008, chipset-ul Intel X58 ar putea fi prezentat în acelaşi timp. Plăcile de bază animate de acest chipset vor suporta memoria de tip DDR3 în triple-channel, iar slot-urile PCI Express 2.0 vor putea opera fie după formula "PCI Express x16 + PCI Express x16", fie după formula "4 x PCI Express x8".

Figura 3.19 Intel x58 chipsetul pentru procesoarele Bloomfield

Southbridge-ul rămâne acelaşi ca şi în cazul chipset-urilor desktop din seria a patra. Ulterior, procesoarele din generaŃia Nehalem vor renunŃa la serviciile unui northbridge

dedicat, iar întregul chipset va fi reprezentat de un singur microcircuit, fapt care va simplifica în mod considerabil layout-ul plăcilor de bază.

Deşi debutul chipset-ului Intel P45, a avut loc in luna iunie 2008, va mai rămâne suficient timp până când actualul chipset P35 va fi scos din producŃie. Conform Expreview, acest lucru se va întâmpla în luna noiembrie a anului curent. Înlocuirea apare ca absolut normală dacă ne gândim că, din punct de vedere al funcŃionalităŃilor, Intel P45 diferă foarte puŃin de P35, iar primul este condamnat să devină ultimul chipset pentru platforma LGA 775 înainte de trecerea la socket-ul B (LGA 1366).

Page 95: CartedlComanescu Bun v1

95

4. Procesorul, tipuri de procesoare Componenta cea mai importantă dintr-un sistem electronic de calcul, compatibil PC, este

procesorul. El este cel care de fapt execută calculele matematice cele mai complexe şi prelucrarea datelor, în general, iar, în funcŃie de parametrii lui se pot stabili performanŃele întregului sistem. Procesorul, sau unitatea centrală de prelucrare (CPU - Central Processing Unit) este cea mai costisitoare componentă din sistem. Procesorul este “creierul” întregului sistem,viteza sa (frecvenŃa) este măsurată în MHz sau GHz dar performanŃa totala nu depinde în mod fundamental de procesor. Astfel, un sistem Pentium 4 poate fi mai lent decât unul Pentium 2, dacă componentele celui dintâi sunt slabe.

Denumirea de unitate centrală de prelucrare provine din următoarele consideraŃii: • procesor, deoarece prelucrează datele; • central, deoarece este centrul de prelucrare a datelor din sistem; • unitate, deoarece, de cele mai multe ori, este un circuit integrat care conŃine zeci sau sute de

milioane de tranzistoare. • Microprocesorul conŃine: • unitatea aritmetico-logică (UAL); • unitatea de control; • un ansamblu de registre.

Unitatea aritmetico-logică execută operaŃii aritmetice şi funcŃii logice. Unitatea centrală de procesare coordonează activitatea din calculator în vederea prelucrării datelor. Pentru aceasta, ea primeşte şi transmite date în mod continuu. Datele pentru prelucrare vin de la memorie şi diversele dispozitive periferice din calculator (tastatură, hard-disc etc.) iar după procesare vor fi trimise către memorie sau alte unităŃi. Transmisia se face prin intermediul magistralelor.

Toate calculatoarele PC folosesc procesoare compatibile proiectate şi fabricate de diferite companii, dintre care cele mai importante fi: INTEL AMD, IBM, Cyrix, Nexgen etc.

PiaŃa procesoarelor este împărŃită în prezent între INTEL şi AMD. Principalele avantaje şi dezavantaje ale principalilor 2 producători sunt următoarele :

Avantajele Intel: 1) renume, marketing uriaş, punct de referinŃă,confort psihologic; 2) lipsite de probleme de supraîncălzire; 3) pot fi cuplate cu chipset-uri fabricate tot de Intel să oferă o stabilitate optimă; 4) disponibilitate în versiunea BOX (cooler original inclus) la noi în tară; 5) overclockabilitate mai mare.

Dezavantajele Intel: 1) preŃ de multe ori nejustificat de mare; 2) performanŃe mai mici decât procesoarele AMD la aceeaşi frecvenŃa (numai seria AMD K7

Athlon); 3) plăcile de bază cu chipset Intel sunt de asemenea mai scumpe.

Avantajele AMD: 1) cel mai bun raport performantă/preŃ; 2) preŃ întotdeauna mai mic decât un echivalent Intel.

Dezavantajele AMD: 1) disipare mai mare de căldură, fiind necesară o soluŃie de răcire performantă; 2) predispoziŃia la mici probleme de instalare datorate chipset-urilor altor producători (SIS, VIA,

NVIDIA) în anumite configuraŃii. În continuare principalele caracteristici ce trebuiesc cunoscute la achiziŃionarea sau

testarea unui CPU:

Page 96: CartedlComanescu Bun v1

96

• Tipul procesorului - În general, procesoarele sunt disponibile sub formă OEM (Original Equipament Manufacturer) şi sunt distribuite ca şi componente de sine stătătoare sau împreună cu un PC nou. Există şi o varietate de procesoare destinate actualizării (upgrade) unor sisteme mai vechi: procesoarele OverDrive de la Intel sau kit-urile de upgrade provenite de la PowerLeap.

• Performance Rating (PR) - Acest termen este orientativ pentru utilizator şi reprezintă viteza la care trebuie să ruleze un procesor Intel Pentium clasic pentru a asigura o performanŃă echivalentă cu cea a procesorului testat. Evident, acest lucru nu se aplică procesoarelor 486 şi inferioare. În general, scorul este obŃinut prin rularea unui program de evaluare a performanŃelor (benchmark) devenit standard: WinStone.

• Coprocesor - Este o unitate aritmetică specială care are capacitatea de a realiza calcule în virgulă mobilă mult mai rapid decât procesorul. În trecut era livrat sub forma unui cip separat care putea fi achiziŃionat de utilizatorii care foloseau programe ce aveau nevoie de calcule matematice intensive (foi de calcul, aplicaŃii inginereşti, CAD). Astăzi, el este inclus în orice procesor.

• Clasa CPU - Se referă la clasa din care procesorul face parte. Pentru exemplificare se va considera că un procesor 286 face parte din generaŃia a 2-a, un procesor Pentium, K5 sau 6x86 fac parte din generaŃia a 5-a, iar Pentium II, K6, 6x86MII sunt reprezentanŃi ai generaŃiei a 6-a.

• Revizia CPU - dă informaŃii privind modelul şi versiunea procesorului (model & stepping). Este de preferat ca la alegerea unui procesor să fie evitate primele versiuni dintr-o serie, deoarece s-a demonstrat de-a lungul timpului că acestea conŃin erori (bug-uri). Este de preferat alegerea unei versiuni mai vechi dar verificate sau aşteptarea certificării unei versiuni noi. Exemple în acest sens pot fi considerate atât prima versiune a procesorului Pentium cât şi ultima variantă de Pentium III la 1,13 GHz.

• CPU Stepping/Mask - reprezintă versiunea măştii de siliciu care a fost utilizată pentru fabricarea procesorului. Acest detaliu este important de cunoscut, ştiindu-se că primele procesoare dintr-o serie anume suferă de o serie de bug-uri inerente.

• Memoria internă - cache de nivel 1 (L1 cache) - Aceasta este împărŃită în două: cache pentru date şi cache pentru cod. Este o arhitectură specifică procesoarelor Pentium, existând şi procesoare din aceeaşi clasă (de ex. 6x86) care prezintă o memorie cache L1 unificată, atât pentru cod cât şi pentru date. Rolul acestei memorii este de a reŃine datele recent accesate, iar dimensiunea ei poate varia între 8-128 KB. În general, cu cât dimensiunea L1-cache este mai mare, cu atât este mai bine, acest lucru depinzând însă şi de procesorul ce o foloseşte. Cache-ul L1 rulează la viteza procesorului.

• Memoria cache de nivel 2 (L2 cache) - Este o caracteristică prezentă în procesoarele avansate (Pentium II/III, AMD Athlon, etc.), acestea având integrată și acest tip de memorie, spre deosebire de procesoarele pentru Socket 7 (cu excepŃia lui AMD K6-III). Dimensiunea acestei memorii poate varia între 64 KB (AMD Duron) şi 2 MB (Pentium III XEON) sau mai mare. De asemenea, ea poate fi tactată la jumătate din viteza procesorului (ex. Pentium II) sau la întreaga viteză a acestuia (Celeron, K6-III, Pentium III, etc.). Se recomandă ca aceasta să fie cât mai rapidă.

• Caracteristicile procesorului (Features Flags) - Sunt caracteristici ale procesorului care se referă la îmbunătăŃirile aduse acestuia pentru lucrul cu anumite aplicaŃii specifice. În continuare se prezintă aceste caracteristici. S-au folosit denumirile în limba engleză, deoarece aşa sunt identificate de toate programele de test.

• Co-procesor built-in - Arată atunci când coprocesorul matematic este înglobat în procesor sau este prezent într-un cip separat. Această caracteristică trebuie să fie inclusă în toate procesoarele moderne.

Page 97: CartedlComanescu Bun v1

97

• Virtual Mode Extensions (VME) - Procesorul suportă extensiile pentru modul V86, fapt ce sporeşte în mod normal lucrul cu maşinile virtuale sub mediul Windows.

• Debugging Extensions (DE) - Procesorul suportă puncte de oprire (breakpoints) în spaŃiul de adrese de intrare/ieşire (I/O).

• Page Size Extensions (PSE) - Mărimea standard a unei pagini de memorie este de 4 KB. Unele procesoare (Pentium sau mai puternice sau echivalente), pot suporta diferite mărimi ale paginii. Acest lucru poate fi avantajos atunci când în sistem este instalată mai multă memorie fizică.

• Time Stamp Counter - Este un contor intern al procesorului care este incrementat la fiecare ciclu al procesorului, fiind permise astfel măsurători de înaltă precizie.

• Model Specific Registers (MSR) - Este o caracteristică a unor procesoare de a avea regiştrii interni caracteristici.

• Physical Address Extension (PAE) - Procesorul suportă adrese fizice mai mari de 32 biŃi. • Machine Check Exception (MCE) - Indică suportarea excepŃiei 18. • CMPXCHG8B (CX8) - Este o instrucŃiune care permite compararea şi schimbarea a 8 bytes. • APIC Built-in (APIC) - Acesta este un controler avansat de întreruperi foarte rapid şi care

poate fi utilizat pentru sisteme multi-procesor. • Fast System Call (FSC) - Se referă la prezenŃa suportului pentru instrucŃiunile SYSCALL şi

SYSRET. • Memory Type Range Registers (MTRR) - Sunt nişte regiştrii special concepuŃi pentru a

îmbunătăŃi performanŃele memoriei cache. • Page Global Enable (PGE) - Indică faptul că procesorul suportă activarea/dezactivarea globală

a paginării. • Machine Check Architecture (MCA) - Presupune existenŃa posibilităŃii procesorului de a

efectua un test intern. • Conditional Move Instruction (CMOV) - Permite execuŃia condiŃională a instrucŃiunilor fără

salturi. • Unique Serial Number (PSN) - Procesorul cu această proprietate deŃine un număr de serie

unic; acesta poate fi determinat prin software. A fost inclus în CPU-urile Intel Pentium III în scopul de a facilita identificarea unui utilizator în operaŃiile de tip e-commerce, etc. Totuşi, această caracteristică nu a fost primită cu entuziasm de către utilizatori, fiind înŃeleasă ca o măsură ce introduce lipsa de confidenŃialitate într-o tranzacŃie de acest fel. Astfel, în cele mai multe cazuri, se preferă dezactivarea acestei opŃiuni.

• MMX Technology - Reprezintă un set de instrucŃiuni introduse de Intel cu scopul de a accelera aplicaŃiile multimedia. Totuşi, simpla prezenŃa a acestor instrucŃiuni nu are posibilitatea de a accelera aceste aplicaŃii, fiind nevoie de scrierea aplicaŃiilor astfel încât să beneficieze de aceste 57 noi instrucŃiuni. Filozofia pe care se bazează conceptul MMX se numeşte SIMD (Single Instruction Multiple Data), astfel fiind permisă prelucrarea de date multiple cu ajutorul apelării unei singure instrucŃiuni. Aceste instrucŃiuni MMX au constituit un succes relativ; datorită faptului că ele se referă la operarea cu întregi, ele şi-au găsit întrebuinŃarea în aplicaŃii pentru prelucrarea grafică. Totuşi, procesoarele capabile să beneficieze de avantajele tehnologiei MMX sunt mai rapide decât cele care nu au această posibilitate, deoarece deŃin o memorie cache de o dimensiune mai mare decât în mod normal: 32 KB pentru procesoarele de la Intel şi 64 KB pentru cele de la AMD şi Cyrix.

• Extended MMX Technology - Extensii adăugate setului de instrucŃiuni MMX de către fabricantul de procesoare Cyrix.

• 3DNow! Technology - Set de instrucŃiuni adăugate de AMD procesoarelor K6-2 şi superioare, în scopul accelerării aplicaŃiilor multimedia ce necesită prelucrări 3D intensive. Spre

Page 98: CartedlComanescu Bun v1

98

deosebire de instrucŃiunile MMX, 3D, lucrează cu date în virgulă mobilă. Suportul pentru aceste instrucŃiuni este inclus în versiunea 6 a DirectX şi în cele superioare.

• Streaming SIMD (SSE) Technology - Constituie un set adiŃional de instrucŃiuni MMX adăugate de Intel în procesoarele Pentium III şi superioare. Acestea sunt implementate în scopul accelerării aplicaŃiilor multimedia (ca şi cele 3DNow! de la AMD), suportul pentru utilizarea acestora regăsindu-se în versiunea 6.1 a DirectX şi în cele superioare. Şi aceste instrucŃiuni operează cu date în virgulă mobilă, putându-se ajunge la executarea a 4 astfel de instrucŃiuni pe ciclu de procesor, lucru valabil şi pentru procesoarele de la AMD ce suportă 3D. Problema care apare în această situaŃie se referă la aplicaŃiile software care nu sunt întotdeauna optimizate pentru ambele seturi de instrucŃiuni utilizatorul urmând să aleagă un procesor în funcŃie de aplicaŃia cu care lucrează cel mai mult. Astfel s-a ajuns la o separare a pieŃei în funcŃie de software-ul ce poate fi rulat în condiŃii optime pe anumite procesoare.

4.1. Procesoare PENTIUM I În general, un procesor are următoarele caracteristici mai importante:

• mărimea magistralei de date și de adrese, • mărimea memoriei cache, • mărimea registrelor interne, • viteza de lucru a procesorului.

Pentru a se asigura compararea adecvată a performanŃelor globale, INTEL a dezvoltat o serie de teste de evaluare a acestor performanŃe pentru cipurile sale, ca instrument de etalonare. Această etalonare se numeşte indice ICOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance).

În tabelele 4.1 şi 4.2 se prezintă principalele caracteristici ale procesoarelor fabricate de INTEL de la modelul 8088 până la Pentium Pro.

Tabelul 4.1 Principalele caracteristici ale procesoarelor fabricate de INTEL

Procesor Ceas CPU

Tensiunea de alimentare

Mărime registre interne

LăŃime magistrală de date

LăŃime magistrala adrese

Memorie maximă

8088 1x 5V 16 biŃi 8 biŃi 20 biŃi 1M 8086 1x 5V 16 biŃi 16 biŃi 20 biŃi 1M 286 1x 5V 16 biŃi 16 biŃi 24 biŃi 16M 386SX 1x 5V 32 biŃi 16 biŃi 24 biŃi 16M 386SL 1x 5V 32 biŃi 16 biŃi 24 biŃi 16M 386DX 1x 5V 32 biŃi 32 biŃi 32 biŃi 4G 486SX 1x 5V 32 biŃi 32 biŃi 32 biŃi 4G 486SX2 2x 5V 32 biŃi 32 biŃi 32 biŃi 4G 487SX 1x 5V 32 biŃi 32 biŃi 32 biŃi 4G 486DX 1x 5V 32 biŃi 32 biŃi 32 biŃi 4G 486SL 1x 3,3V 32 biŃi 32 biŃi 32 biŃi 4G 486DX2 2x 5V 32 biŃi 32 biŃi 32 biŃi 4G 486DX4 2-3x 3,3V 32 biŃi 32 biŃi 32 biŃi 4G PentiumOD 2,5x 5V 32 biŃi 32 biŃi 32 biŃi 4G Pentium 60/66 1x 5V 32 biŃi 64 biŃi 32 biŃi 4G Pentium 75 1,5-3x 3,3V 32 biŃi 64 biŃi 32 biŃi 4G Pentium PRO 2-3x 2,9V 32 biŃi 64 biŃi 36 biŃi 64G

Page 99: CartedlComanescu Bun v1

99

386 SL conŃine un controller intern de cache. dar memoria cache trebuie adăugată în exterior; pentru procesoarele Pentium există mai multe versiuni de alimentare; ceea ce INTEL numeşte VRE (3,465 V) şi VR (3,3 V), precum şi noile versiuni de 2,9 V şi 2,5 V;

Pentium Pro lucrează la 2.9 V sau mai puŃin. În tabelul 4.3 se prezintă capacitatea procesoarelor INTEL de adresare a memoriei. În tabelul 4.4 se prezintă comparativ indicii ICOMP pentru diverse procesoare. Tabelul 4.2 - Principalele caracteristici ale procesoarelor fabricate de INTEL

Procesor Tip cache

Cache intern

Mod burst

FPU intern

Număr tranzistoare

Data apariŃiei

8088 nu - nu nu 29.000 iunie 79 8086 nu - nu nu 29.000 iunie 78 286 nu - nu nu 134.000 februarie 82 386SX nu - nu nu 265.000 iunie 88 386SL OK WT nu nu 855.000 octombrie 90 386DX nu - nu nu 275.000 octombrie 85 486SX 8k WT da nu 1.185.000 aprilie 91 486SX2 8k WT da nu 1.185.000 aprilie 94 487SX 8k WT da da 1.200.000 aprilie 91 486DX 8k WT da da 1.200.000 aprilie 89 486SL 8k WT da optional 1.400.000 noiembrie

92 486DX2 8k WT da da 1.100.000 martie 92 486DX4 16k WT da da 1.600.000 februarie

94 PentiumOD 2x16k WB da da 3.100.000 ianuarie 95 Pentium 60/66 2x8k WB da da 3 100.000 martie 93 Pentium 75 2x8k WB da da 3.300.000 martie 94 Pentium PRO 2x8k WB da da 5.500.000** septembrie 95

de la modelul 8088 până la Pentium Pro. ** Această cifră nu include cache-ul de nivel 2 de 256 K sau 512 K încorporat în CPU.

Acest cip de cache conŃine un număr suplimentar de 15,5 milioane sau 31 milioane de tranzistoare. FPU - Floating Point Unit (unitate de calcul în virgulă mobilă), WT - Write Through cache (cache cu scriere directă), WB - Write Back cache (cache cu rescriere).

Tabelul 4.3 Tabelul cu capacităŃile procesoarelor INTEL de adresare a memoriei.

Familia de procesoare

Magistrala de adrese

OcteŃi KiloocteŃi MegaocteŃi GigaocteŃi

8088/8086 20 biŃi 1.048.575 1.024 1 - 286/386 SXJ 24 biŃi 16.777.216 16.384 16 - 386DX. 486, Pentium

32 biŃi 4.294.967.296 4.194.304 4.096 4

Pentium Pro 36 biŃi 68.719.476.736 67.108.864 65.536 64 Sistemele din generaŃia prezentată mai sus utilizau un circuit de sinteză a frecvenŃei, care

de obicei este inclus în setul principal de cipuri al plăcii de bază şi cu care se stabileşte frecvenŃa de lucru a acesteia. Cele mai multe plăci de bază 486 sau Pentium permiteau selectarea a trei sau patru frecvenŃe de lucru. Procesoarele erau disponibile în diferite versiuni, ce lucrau la diferite

Page 100: CartedlComanescu Bun v1

100

frecvenŃe de ceas, determinate de frecvenŃa de lucru a plăcii de bază. Cele mai multe cipuri 486 şi Pentium foloseau o frecvenŃă care este un multiplu al frecvenŃei plăcii de bază.

Tabelul 4.4 Indicii ICOMP pentru diverse procesoare din familia INTEL

Procesor Indice INCOMP 386 SX-16 22 386SX-20 32 386SX-25 39 386SL-25 41 386 DX-25 49 386SX-33 56 486SX-16 63 386DX-33 68 486SX-20 78 486SX-25 100 486 DX-25 122 486SIM 122 486SX-33 136 486DX-33 166 486SL-33 166 486SX2-50 180 486 DX2-40 182 486 DX2-50 231 486DX-50 249 486DX2-66 297 486DX4-75 319 486 Pentium Over DrIve-63 380 (443 cu cache cu rescriere) 486 DX4-100 435 486 Pentium Over Drtve-83 500 (575 cu cache cu rescriere) Pentium 60 510 Pentium 66 567 Pemtium 75 610 Pentium 90 735 Pentium 100 815 Pentium 120 1000 Pentium 133 1110 Pentium 150 1176 Pentium 166 1308 Pentium Pro 180 Valoarea nu este disponibilă Pentium Pro 200 Valoarea nu este disponibilă

În tabelul 4.5 prezentăm frecvenŃele de ceas maxime ale procesorului 486. Tabelul 4.5 FrecvenŃele de ceas maxime ale procesorului 486 Tip procesor FrecvenŃa maximă (MHz) 486 SX 16,20,25,33,40,50 486DX 25,33,50 486DX2 40,50,66,80 486 DX 4 75,100,120

Page 101: CartedlComanescu Bun v1

101

În tabelul 4.6 se prezintă frecvenŃele de lucru pentru procesoarele Pentium. Tabelul 4.6 FrecvenŃele de lucru pentru procesoarele Pentium 60 – Pentium 200

Tip procesor Ceas CPU FrecvenŃa plăcii de bază Pentium 60 1x 60 Pentium 66 lx 66 Pentium 75 1.5 x 50 Pentium 90 1.5 x 60 Pentium 100 1.5 x 66 Pentium 120 2x 60 Pentium 133 2x 66 Pentium 150 2.5 x 60 Pentium 166 2.5 x 66 Pentium 180 3x 60 Pentium 200 3x 66

În tabelul 4.7 s-au sintetizat principalele caracteristici ale procesorului Pentium. Tabelul 4.7 - Principalele caracteristici ale procesorului Pentium Lansat pe piaŃă : 22 martie 1993 (prima generaŃie);

7 martie 1994 (a doua generaŃie) Gama frecvenŃelor maxime : 60,66 MHz (prima generaŃie); 75,90,100 MHz (a

doua generaŃie) Multiplicarea frecvenŃei de ceas:

1 x (prima generaŃie); 1,5 x - 2 x (a doua generaŃie)

Dimensiunea registrelor: 32 biŃi Magistrala de date externă : 64 biŃi Magistrala memoriei: 32 biŃi Memoria maximă: 4G Dimensiunea cache-ului intern:

8 K pentru instrucŃiuni şi 8 K pentru date

Tipul cache-ului intern: Asociativ pe seturi cu 2 căi, cu rescriere Transferuri în modul burst : Da Număr de tranzistoare: 3,1 milioane (60/66 MHz). 3,3 milioane (75 MHz şi

mai mare) Dimensiunea traseelor: 0.8 microni (60/66 MHz). 0,6 microni (74-100

MHz). 0.35 microni (120/133 MHz şi mai mare) Capsula : PGA cu 273 de pini, SPGA cu 296 de pini, Tape

Carrier Coprocesor matematic : Unitate de calcul în virgulă mobilă (FPU) internă Gestionarea consumului: SMM (System Management Mode), îmbunătăŃit la a

doua generaŃie Tensiunea de alimentare: 5 V (prima generaŃie);

3.465 V. 3.3 V. 2,9 V (a doua generaŃie) PGA – Pin Grid Array; SPGA – Staggered Pin Grid Array.

Page 102: CartedlComanescu Bun v1

102

Tabelul 4.8 - SpecificaŃii privind procesoarele din generaŃia Pentium I Tip procesor

Producător SpecificaŃie Tensiunea alimentare

FrecvenŃă de bază

RaŃia vitezei

P54C-75 Intel - 3.3 50 X 1.5 P54C-90 Intel

QO653 3.3 60 X 1.5

P54C-90 Intel QO655 3.3 60 X1.5 P54C-90 Intel SZ978 3.3 60 X1.5 P54C-90 Intel SX957 3.3 60 X1.5 P54C-90 Intel

SX959 3.3 60 X1.5

P54C-90 Intel QO654 3.1 60 X1.5 P54C-90 Intel SX958 3.4 60 X1.5 P54C-90 Intel - 3.5 60 X1.5 P54C-120 Intel

QO708 3.3 60 X2

P54C-120 Intel - 3.5 60 X2 P54C-150 Intel - 3.5 60 X2.5 PS4C-180 Intel - 3.5 60 X3 P54C-100 Intel

QO656 3.3 66 X1.5

P54C-100 Intel QO657 3.4 66 X1.5 P54C-100 Intel - 3.5 66 X1.5 P54C-133 Intel

- 3.5 66 X 2

P54C-166 Intel - 3.5 66 X2.5 P54C-200 Intel - 3.5 66 X3 6 x 86 –P120-100 MHz Cyrix 028 3.5 50 X2 6x86-P133-100 MHz Cyrix 028 3.5 55 X2 6x86-P150-120 MHz Cyrix 028 3.5 60 X2 6x86 P166-133 MHz Cyrix 028 3.5 66 X2 K5-PR75 AMD ABQ 3.5 50 X1.5 K5-PR90 AMD ABQ 3.5 60 Xl.5 K5-PR100 AMD ABQ 3.5 66 X1.5

În Figura 4.8 se poate observa construcŃia unui procesor Pentium Pro, iar în tabelul 4.9 se

prezintă performanŃele şi indicii globali SPECint95 şi SPECfp95 ai acestui procesor. Tabelul 4.9 - PerformanŃele şi indicii globali SPECint95 şi SPECfp95 ai procesorului

Intel Pentium Pro FrecvenŃa de bază (MHz)

Tensiunea de alimentare (V)

Mărimea Cache (K)

Dimensiunea cache pentru instrucŃiuni/ pentru date (K/K)

Exec. dinamică

SPEC int95

SPEC fp95

150 3.1 256 K 8/8 da 6,08 5,42 166 3.3 512 K 8/8 da 7,11 6,21 180 3.3 256 K 8/8 da 7,29 6,08 200 3.3 256K 8/8 da 8,09 6,75 200 3.3 512 K 8/8 da - - 200 3.3 1 M 8/8 da - -

Page 103: CartedlComanescu Bun v1

103

Pentru domeniul multimedia, INTEL a lansat procesorul Pentium cu tehnologie MMX. Acest tip de procesor, are performanŃele sporite cu 20% şi o viteză de lucru cu 60% mai mare faŃă de un procesor Pentium obişnuit.

Figura 4.1- Arhitectura internă a procesorului Pentium.

Figura 4.2 - Placă de bază destinată procesoarelor din generaŃia Pentium I

În tabelul 4.10 se prezintă indicele global ICOMP prin compararea procesoarelor Pentium

normale cu cele Pentium MMX.

Page 104: CartedlComanescu Bun v1

104

Tabelul 4.10 - Compararea procesoarelor Pentium normale cu cele Pentium MMX Compararea familiei de procesoare

PENTIUM Indicele ICOMP

2.0 Pentium MMX 233 MHz 203 Pentium MMX 200 MHz 182 Pentium MMX 166 MHz 160

Pentium 200 MHz 142 Pentium 166 MHz 127 Pentium 150 MHz L14 Pentium 133 MHz 111 Pentium 120 MHz 100

În Figura 4.2 se prezintă o placă de bază destinată procesoarelor din generaŃia Pentium I:

Figura 4.3 – Procesor Intel Pentium Pro

4.2. Procesoare PENTIUM II Ulterior, pe piaŃă a fost lansat procesorul Pentium II cu gama de frecvenŃe de lucru de:

233/266/300/333/350/400 MHz, realizat în tehnologie MMX. Din figurile 4.4, 4.5 şi 4.6 se poate observa prin comparaŃie construcŃia procesorului Pentium II faŃă de Pentium MMX sau unul Pentium Pro, iar din tabelul 4.11 se pot studia performanŃele acestui procesor.

Figura 4.4 - Procesor Intel Pentium MMX

Page 105: CartedlComanescu Bun v1

105

Tabelul 4.11 – PerformanŃele procesorului Pentium II FrecvenŃa ceasului (MHz)

233 266 300 333 350 400

FrecvenŃa de bază (MHz) 66 66 66 66 100 100 Cache I 16K pentru instrucŃiuni - 16K pentru date Viteza cache I 233 266 300 333 350 400 Cache II 512 K 512 K 512 K 512 K 512 K 512 K Viteza cache II 17 133 150 166 175 200 Tensiunea de alim. (V) 2,8 2,8 2,8 2 2 2 SpaŃiul virtual de adrese 64 de Terabytes SpaŃiul fizic de adese 64 de Gigabytes Număr de tranzistoare 7,5 milioane de tranzistori Co-procesor matematic inclus

Figura 4.5 - Procesor Intel Pentium Pro

Figura 4.6 - Procesor Intel Pentium II

În Figura 4.7 se prezintă un cip Intel Pentium MMX văzut din partea superioară şi inferioară (vederea pastilei).

Procesoarele sunt livrate într-un număr mare de capsule, dar cele mai obişnuite sunt: Pin Grid Array (PGA), Tape Carrier Package (TCP) şi Single Edge Cartridge (SEC). Capsulele PGA şi SEC sunt utilizate, în general, la sistemele desktop. Capsula TCP este specifică sistemelor mobile.

Page 106: CartedlComanescu Bun v1

106

Capsula PGA a fost cea mai uzuală formă de prezentare a cipurilor. Ea a fost utilizată începând cu procesorul 286, în anii "80" şi este încă folosită pentru procesoarele Pentium şi Pentium Pro. Denumirea provine de la faptul că cipul are o matrice de pini în formă de grilă pe partea inferioară a capsulei. Cipurile PGA se montează în socluri care. adeseori, sunt de tipul ZIF (cu forŃă de inserare zero). Un soclu ZIF este prevăzut cu o manetă pentru instalarea şi scoaterea uşoară a cipului. Multe din procesoarele Pentium folosesc o variantă a capsulei PGA obişnuite, numită SPGA (Staggered Pin Grid Array) la care pinii sunt decalaŃi pe faŃa inferioară a cipului în loc să fie dispuşi în linii şi coloane standard. Această soluŃie a fost adoptată pentru a apropia pinii între ei şi a reduce dimensiunile cipului atunci când este necesar un număr mare de pini.

Figura 4.7- Cip Intel Pentium MMX văzut din partea superioară şi inferioară

SEC (Single Edge Cartridge) reprezintă soluŃia constructivă cu cip-în-soclu, folosită

practic la toate procesoarele de până acum, ea fiind înlocuită în cazul procesoarelor Pentium II cu cartuşul cu conector unic de margine. Procesorul, împreună cu câteva cipuri de memorie imediată (cache) de nivelul 2, este montat pe o mică placă cu circuite (asemenea unui modul SIMM supradimensionat), care este apoi închisă etanş într-un cartuş din metal şi material plastic. Cartuşul este apoi conectat la placa de bază printr-un conector de margine numit Slot 1, care este foarte asemănător cu un conector pentru plăci de extensie. Slot 1 reprezintă legătura la placa de bază şi are 242 pini.

Figura 4.8 – Procesor Intel Pentium II pe Slot 1

Page 107: CartedlComanescu Bun v1

107

Tabelul 4.13 - Modelele de procesoare Pentium II, precum şi caracteristicile lor. Procesorul Pentium II MMX (350 şi 400 MHz)

Data lansării : 15 aprilie 1998

FrecvenŃele de tact : 350 MHz (100 MHz x 3,5), şi 400 MHz (100 MHz x 4)

Indicele ICOMP 2.0 : 86 (350 MHz) și 440 (400 MHz)

Numărul de tranzistoare : 7,5 milioane (tehnologie de 0,25 microni) plus 31 de milioane în memoria cache de nivel 2 de 512 K

Memoria RAM utilizabilă prin cache : 4GB

Conectorul : Slot 2 Dimensiunile pastilei : 10,2 x 10,2 mm

Procesorul Pentium II MMX (333 MHz) Data lansării : 26 ianuarie 1998 FrecvenŃele de tact : 333 MHz (66 MHz x 5) Indicele ICOMP 2.0 : 366

Numărul de tranzistoare : 7,5 milioane (tehnologia de 0,25 microni) plus 31 de milioane în memoria cache de nivel 2 de 512 K

Memoria RAM utilizabilă prin cache: 512 MB

Conectorul : Slot l Dimensiunile pastilei : 10,2 x 10,2 mm

Procesorul Pentium II MMX (300 MHz) Data lansării : 7 mai 1997 FrecvenŃele de tact : 300 MHz (66 MHz x 4,5) Indicele ICOMP 2.0 : 332

Numărul de tranzistoare : 7,5 milioane ( tehnologia 0,35 de microni) plus 31 de milioane în memoria cache de nivel 2 de 512 K

Memoria RAM utilizabilă prin cache: 512 MB

Conectorul : Slot 1

Dimensiunile pastilei : 14,2 x 14,2 mm Procesorul Pentium II MMX (266 MHz)

Data lansării : 7 mai 1997 FrecvenŃele de tact : 266 MHz (66 MHz x 4) Indicele ICOMP 2.0 : 303

Numărul de tranzistoare : 7,5 milioane ( tehnologia 0,35 de microni) plus 31 de milioane în memoria cache de nivel 2 de 512 K

Memoria RAM utilizabilă prin cache: 512 MB

Conectorul : Slot l Dimensiunile pastilei : 14,2 x 14,2 mm

Procesorul Pentium II MMX (233 MHz) Data lansării : 7 mai 1997 FrecvenŃele de tact : 233 MHz (66 MHz x 3,5) Indicele ICOMP 2.0 : 267

Numărul de tranzistoare : 7,5 milioane ( tehnologia 0,35 de microni) plus 31 de milioane în memoria cache de nivel 2 de 512 K

Memoria RAM utilizabilă prin cache: 512 MB

Conectorul : Slot l Dimensiunile pastilei : 14,2 x 14,2 mm

Page 108: CartedlComanescu Bun v1

108

În tabelul 4.13 se prezintă modelele de procesoare Pentium II, precum şi caracteristicile lor.

În tabelul 4.12 sunt arătate caracteristicile generale ale procesoarelor Pentium II. Tabelul 4.12 Caracteristicile generale ale procesoarelor Pentium II.

Vitezele magistralei : 66 MHz, 100 MHz Factorii de multiplicare a tactului CPU : 3,5 x, 4 x, 4,5 x, 5 x

FrecvenŃa CPU : 233, 266, 300, 333, 350, 400, 450 MHz

Memoria cache : 16Kx2(32 K) de nivel 1, 512 K de nivel 2 la 1/2 din viteză

Registre interne : 32 biŃi

Magistrala externă de date : magistrala de sistem de 64 de biŃi cu ECC; magistrală cache cu ECC opŃional

Magistrala adreselor de memorie : 36 biŃi Memoria maxima adresabilă : 4G Memoria virtuală : 64 T

Capsula ; cartuş cu conector unic de margine (SEC) cu 242 pini

Coprocesor matematic : FPU (unitate în virgulă mobilă) încorporat

Gestionarea consumului : SMM (System Management Mode)

4.2.1. Procesoarele PENTIUM III Procesorul Pentium III a fost anunŃat în ianuarie 1999 iar, lansarea lui oficială a avut loc

pe data de 26 februarie 1999. Pentium III este primul reprezentant al noii generaŃii de procesoare P6 produse de Intel. Având numele de cod Katmai pe durata elaborării proiectului său, acest nou cip s-a remarcat în special prin caracteristica SSE, pe care Intel şi-a propus să o adauge noilor sale procesoare. SSE este un acronim compus, care înseamnă Streaming SIMD Extension, SIMD, la rândul său, fiind un alt acronim, pentru Single Instruction Multiple Data.

Tehnologia SIMD permite unei singure instrucŃiuni de microprocesor să opereze asupra mai multor octeŃi sau cuvinte (ori chiar blocuri mai mari de date). În cazul procesorului Pentium III, SSE (numită anterior Katmai New Instructions, sau KNI) reprezintă un set de 70 de coduri SIMD care permit programelor să definească funcŃii de procesare tridimensionale printr-o singură comandă.

Spre deosebire de extensiile MMX, care nu implică adăugarea unor noi registre structurii de bază a procesorului Pentium, ci doar reproiectarea registrelor din unitatea de calcul în virgulă mobilă pentru a se executa funcŃia multimedia, SSE presupune introducerea unor registre suplimentare, ceea ce a dus la creşterea numărului de tranzistoare ale logicii interne la peste 9,5 milioane.

Pentru a adăuga caracteristica SSE produselor server, Intel a lansat la 17.05.1999 procesorul Pentium III Xeon. Ca şi în cazul procesorului Pentium III propriu-zis, principala modificare o reprezintă noile instrucŃiuni, dar acestea sunt completate cu trecerea la o tehnologie mai fină. Ca urmare, primele procesoare Xeon lucrează la 500 - 550 MHz şi beneficiază de un cache secundar la viteza internă, cu dimensiunea de 512 KB, 1MB sau 2 MB.

În tabelul 4.14 se prezintă principalele date tehnice ale procesorului Pentium III comparativ cu alte tipuri de procesoare.

Page 109: CartedlComanescu Bun v1

109

Tabelul 4.14 - Principalele date tehnice ale procesorului Pentium III comparativ cu alte tipuri de procesoare.

Tipul procesorului Viteza FSB (MHz)

Multiplicare

Cache L1 (KB) Total - instrucŃiuni - date

Multiplicare cache LI (faŃă de viteza nucleului)

Cache L2 (KB)

Intel Pentium III Katmai 450 100 4,5 x 32-16-16 1,0 x 512-off chip 500 100 5x 32-16-16 1,0 x ” 533 B 133 4x ” ” ” 550 100 5.5 x ” ” ” 600 100 6x ” ” ” 600 B 133 4,5 x ” ” ” Coppermine 500 E 100 5x 32-16-16 1,0 x 256-on chip 533 EB 133 4x ” ” ” 550 E 100 5,5 x ” ” ” 600 E 100 6x ” ” ” 600 EB 133 4,5 x ” ” ” 650 E 100 6,5 x ” ” ” 667 EB 133 5x ” ” ” 700 E 100 7x ” ” ” 733 EB 133 5,5 x ” ” ” 800 EB 133 6x ” ” ” Intel Celeron Covington 266 66 4x 32-16-16 1,0 x 0 300 66 4,5 x ” ” ” Mendocino 300 66 ” ” 128-on chip 333 ” 5x ” ” ” 366 ” 5,5 x ” ” ” 400 ” 6x ” ” ” 400 100 4x ” ” ” 433 66 6,5 x ” ” ” 450 100 5x ” ” ” 466 66 7x ” ” ” 500 66 7,5 x ” ” ” 500 100 5x ” ” ” 550 100 5,5 x ” ” ” Intel Pentium II Klamath 233 66 3,5 x 32-16-16 1,0 s 512-off chip 266 ” 4x ” ” ” 300 ” 4,5 x ” ” ” Deschutes 333 66 5x ” ” ” 350 100 3,5 x ” ” ” 400 100 4x ” ” ” 450 100 4,5 x ” ” ” AMD K 6-III

AMD K 6-III 400 100 4x 64-32-32 1,0 x 256-on chip

Page 110: CartedlComanescu Bun v1

110

Tipul procesorului Viteza FSB (MHz)

Multiplicare

Cache L1 (KB) Total - instrucŃiuni - date

Multiplicare cache LI (faŃă de viteza nucleului)

Cache L2 (KB)

450 100 4,5 x ” ” ” AMD K 6-2

266 66 4x 64-32-32 1,0 x pe placa de bază

300 66 4,5 x 64-32-32 1,0 x pe placa de bază

300 100 3x ” ” ” 333 66 5 x ” ” ” 333 95 3,5 x ” ” ” 366 66 5,5 x ” ” ” 380 95 4x ” ” ” 400 100 4x ” ” ” 450 100 4,5 x ” ” ” 475 95 5 x ” ” ” 500 100 5 x ” ” ” AMD Athlon

500 200 (200 x 100)

5x 128-64-64 l,0x 512-off chip

550 ” 5,5 x ” ” ” 600 ” 6x ” ” ” 650 ” 6,5 x ” ” ” 700 ” 7x ” ” ” 750 ” 7,5 x ” ” ” 800 ” 8x ” ” ” (Pe cupru) 1000 ” 10x ” ” ”

În tabelul 4.15 se prezintă caracteristicile tehnice ale procesorului Pentium III, în

comparaŃie cu alte tipuri de procesoare (ca o continuare a tabelului de mai sus). Tabelul 4.15 - Caracteristicile tehnice ale procesorului Pentium III, în comparaŃie cu alte

tipuri de procesoare.

Tipul procesorului

Multiplicatorul cache-ului L2 (faŃă de viteza nucleului sau a FSB-ului)

Microni

Număr de tranzistori (în nucleu) (milioane)

Form factor Tensiune internă

Intel Pentium III Katmai 450 0,5 x 450 0,25 9,5 Slot 1 2,00 500 0,5x500 ” ” ” ” 533 B 0,5x533 0,18 ” ” 1,60 550 0,5 x 550 0,25 ” ” 2,00 600 0,5 x 600 0,25 ” ” 2,05 600 B 0,5 x 600 0,18 ” ” 1,60

Coppermine 500 E 1,0x500 0,18 28 Socket 370/FCPGA

Page 111: CartedlComanescu Bun v1

111

Tipul procesorului

Multiplicatorul cache-ului L2 (faŃă de viteza nucleului sau a FSB-ului)

Microni

Număr de tranzistori (în nucleu) (milioane)

Form factor Tensiune internă

533 EB 1,0x533 ” ” Slot 1 550 E 1,0x550 ” ” Socket ” 370/FCPGA 600 E 1,0x600 ” ” Slot 1 ” 600 EB 1,0x600 0,18 28 Slot 1 1,60 650 E 1,0x650 ” ” ” ” 667 EB 1,0x667 ” ” ” ” 700 E 1,0x700 ” ” ” ” 733 EB 1,0x733 ” ” ” ” 800 EB 1,0x800 ” ” ” ” Intel Celeron Covington 266 1,0x266 0,25 7.5 Slot 1 2,00 300 1,0x300 ” ” ” ”

Mendocino 300 1,0x300 ” 19 Slot 1/Socket 370

333 1,0x333 ” ” ” ” 366 1,0 x 366 ” ” ” ” 400 1,0x400 ” ” ” ” 400 1,0x400 ” ” Socket 370 ”

433 1,0x433 ” ” Slot 1 / Socket 370

450 1,0x450 ” ” ” ” 466 1,0x466 ” ” Socket 370 500 1,0 x 500 ” ” ” ” 550 1,0x550 7,5 ” ” Intel Pentium II Klamath 233 0,5 x 233 0,35 7,5 Slot 1 2,80 266 0,5 x 266 ” ” ” ” 300 0,5 x 300 ” ” ” ” Deschutes 333 0,5 x333 0,25 7,5 ” 2,00 350 0,5 x 350 ” ” ” ” 400 0,5 x 400 ” ” ” ” 450 0,5 x 450 ” ” ” ” Timna 450 1,0x450 0,18 22 ” ” AMD K6-III AMD K 6 -III 1 ,0 x 400 0,25 21,3 Super 7 2,40 450 1,0x450 0,25 ” ” ” AMD K6-2 266 1,0x66 0,25 9,3 Super 7 2,20 300 ” ” ” ” ” 300 1,0x100 ” ” ” ” 333 1,0x66 ” ” ” ” 333 1,0x95 ” ” ” ”

Page 112: CartedlComanescu Bun v1

112

Tipul procesorului

Multiplicatorul cache-ului L2 (faŃă de viteza nucleului sau a FSB-ului)

Microni

Număr de tranzistori (în nucleu) (milioane)

Form factor Tensiune internă

366 1,0x66 ” ” ” ” 380 1,0 x 95 0,25 9,3 Super 7 2,20 400 1,0x100 ” ” ” ” 450 ” ” ” ” ” 475 1,0x95 ” ” ” ” 500 1,0x100 ” ” ” ” AMD Athlon K 7 – 500 ” 0,25 22 Slot A 1,60 550 ” ” ” ” ” 600 ” ” ” ” ” 650 ” ” ” ” ” 700 ” ” ” ” ” 750 ” 0,18 ” ” ” 800 ” 0,18 ” ” ” (Pe cupru) 1000 ” 0,18 ” ” ”

În cele 2 tabele de mai sus s-au folosit următoarele prescurtări şi simboluri:

• FC - PGA - Flip Chip Grid Array, tipul de capsulă în care se produc CPU- uri Coppermine. Spre deosebire de PGA - ul clasic, la Flip Chip procesorul este aşezat cu faŃa în sus, iar radiatorul se aşează direct pe cip, ceea ce are ca efect o răcire mai eficientă.

• FSB - Front Side Bus, magistrala de date ce leagă procesorul de memoria RAM. Pentru procesoarele Slot 1 şi Socket 370, se referă la bus-ul dintre CPU și RAM, pe când la cele Socket 7 ( cu excepŃia K 6 - III) se referă la bus-ul dintre cache-ul L 1 şi cel L 2 respectiv RAM. În cazul lui K6-III, se referă la bus-ul dintre cache-ul L 2 şi cel L 3, respectiv RAM. La unele arhitecturi, există şi o magistrală dedicată, numită Backside Bus, foarte rapidă, care leagă cache-ul L 2 de nucleul procesorului.

• Level 2 (L 2), cache - un tampon de date și instrucŃiuni aflat între memoria principală (RAM) şi procesor ( de fapt între RAM și cache-ul Level 1 al procesorului).

• PGA-Pin Grid Array, un format tic de împachetare a cipurilor, în capsulă ceramică de obicei, dar și în plastic (PPGA -Plastic PGA), de formă pătrată şi cu pinii aliaŃi toŃi pe o singură parte. Este formatul în care apar o mulŃime de CPU-uri, inclusiv Celeron şi K 6.

• Slot - conectorul de pe placa de bază folosit pentru procesoarele livrate sub formă de cartuş : Pentium III-2, Pentium III şi Athlon. În general, "slot" se referă la un conector de formă dreptunghiulară (de exemplu, slot AGP, PCI , etc.)

• Socket – conectorul de pe placa de bază folosit pentru procesoarele PGA, care au formă aproximativ pătrată şi dispun de pini.

• SSE - Streaming SIMD (Single Instruction - Multiple Data). Extensions, nume ce desemnează cele 70 de noi instrucŃiuni multimedia din Pentium III. Numite şi ISSE sau SSEI, unde I vine de la Internet.

• Wafer - o placă de material semiconductor, de obicei cu grosimea de 0,08 mm și cu diametrul de circa 20 m pe care se realizează prin diverse procedee circuitele integrate. La final acestea se taie de pe wafer la dimensiunile cunoscute.

În 1995, Intel lansa un procesor numit Pentium Pro, care avea o nouă arhitectură la vremea respectivă, numită P 6, spre deosebire de P5, prezentă în Pentium.

Page 113: CartedlComanescu Bun v1

113

De atunci, arhitectura P6 a fost folosită în alte procesoare, numite Pentium II, Pentium III, Celeron și Xeon. Pentium Pro, fiind dedicat staŃiilor de lucru şi serverelor, nu s-a bucurat de succesul unui Pentium sau Pentium II, dar urmaşii săi continuă să-i folosească structura logică şi o vor face până când Intel va abandona procesoarele pe 32 de biŃi. Pe 25 octombrie 1999, Intel a prezentat ultimul membru al familiei P 6, tot sub numele de Pentium III., dar care are un nume de cod deosebit, şi anume Coppermine (Figura 4.9). Procesorul Coppermine se deosebeşte semnificativ de celelalte Pentium III prezente deja pe piaŃă, şi care au nume de cod Katmai. Prima deosebire se referă la dimensiunea tranzistorilor care formează un procesor; la Katmai un tranzistor are 0,25 microni, în timp ce la Coppermine are 0,18 microni. Această micşorare a dimensiunii are avantajul că permite o viteză de ceas mai mare.

În Figura 4.9 se prezintă CPU-ul Pentium III (Coppermine) fabricat în tehnologia de 0,18 microni, în capsulă FC-PGA.

Figura 4.9– Procesorul Intel Pentium III (Coppermine)

Procesorul Coppermine se deosebeşte semnificativ de celelalte Pentium-uri III prezente

pe piaŃă şi care au nume de cod Katmai. Prima deosebire se referă la dimensiunea tranzistorilor care formează un procesor; la Katmai un tranzistor are 0,25 microni, în timp ce la Coppermine are 0,18 microni. Această micşorare a dimensiunii are avantajul că permite o viteză de ceas mai mare. CPU-urile Katmai merg până la 600 MHz (500 MHz la lansare), în timp ce Coppermine urcă încă de la lansare la 733 MHz. având potenŃialul de a atinge 1000 MHz (l GHz). Astfel, Pentium III a depăşit din nou cel mai rapid procesor AMD, Athlon-ul la 700 MHz, ca frecvenŃă de ceas.

Cea mai importantă diferenŃă priveşte cache-ul Level 2 din Coppermine. Acesta este acum integrat pe aceeaşi pastilă de siliciu cu Celeron. La Katmai, cache-ul L 2 se află separat pe plăcuŃa pe care se găseşte şi CPU-ul şi care intră în slotul numit Slot 1. DiferenŃa dintre Celeron şi Coppermine este dimensiunea cache-ului: 128 KB pentru Celeron şi 256 pentru Coppermine. Desigur, lui Celeron îi lipsesc şi instrucŃiunile specifice Pentium-urilor III (SSE). Katmai are 512 KB, dar la jumătate din viteza nucleului. Probabil că Intel a ajuns la concluzia că nu este atât de importantă mărimea cache-ului, cât viteza sa. Din faptul că a fost integrat cache-ul L 2 pe cip, nu mai este nevoie de încă o placă pentru a susŃine memoriile cache, aşa că procesorul se poate folosi şi în socket-uri, nu doar în sloturi. Coppermine este deci disponibil în două variante. Prima, specifică procesoarelor mai lente (la 500 şi 550 MHz) este PGA (Pin Grid Array), mai exact FCPGA (FC de la Flip-Chip) şi are 370 de pini, deci se potriveşte fizic în plăcile de bază Socket 370 (fizic, dar nu şi logic, deoarece Coppermine nu va rula în plăcile de bază actuale Socket 370). Cea de a doua formă este clasicul SECC, ce are avantajul că poate fi montat în orice placă de bază Slot 1. FrecvenŃele de ceas specifice celei de a doua variante sunt de la 500 la 733 MHz .

Intel a reglat puŃin şi modul de folosire al acestui L 2 cache. Asociativitatea sa a fost crescută la 8 căi, de la 4, ceea ce duce la câştigarea câtorva (foarte importante) procente în eficienŃa cache-ului (care era de peste 90% la Katmai), iar latenŃa sa a fost mult redusă. LatenŃa este critică pentru cache-ul L 2 (la fel ca şi pentru orice altă memorie), deoarece reprezintă timpul scurs între momentul apariŃiei cererii de date din partea procesorului și momentul când aceste date

Page 114: CartedlComanescu Bun v1

114

sunt disponibile. Alături de lăŃimea de bandă (cantitatea de date transferabilă pe secundă), latenŃa este un factor definitoriu pentru o memorie. Acesta este motivul pentru cea de a treia îmbunătăŃire pe care a suferit-o cache-ul; creşterea lăŃimii de bandă, prin lăŃirea bus-ului de date dintre cache-ul L2 şi cel Ll la 256 KB, în loc de 64, câŃi sunt la Katmai.

La CPU-urile Pentium III, indiferent de model, cache-ul L 2 transferă câte o linie o dată, linie formată din 32 de octeŃi. După cum se vede, Coppermine transferă o linie de date într-un singur tact, pe când Katmai are nevoie de opt cicluri de tact de procesor (patru pentru lăŃimea liniei ori doi pentru faptul că L 2 cache-ul are frecvenŃa la jumătate din tactul nucleului). Intel a denumit aceste îmbunătăŃiri Advanced Transfer Cache. Încă o denumire caracterizează Coppermine-ul: Advanced System Buffering. Prin creşterea numărului unor buffere, se obŃine şi o creştere a utilizării l ăŃimii de bandă a FSB-ului. În Figura 4.10 se prezintă wafer-ul cu procesoare Coppermine.

Figura 4.10 - Wafer-ul cu procesoare Coppermine

Figura – 4.11 Capsula procesorului Coppermine

Se cunoaşte că Athlon-ul are un FSB la 200 MHz. Intel a mărit, la rândul său, viteza FSB-

ului, la 133 MHz, pentru unele procesoare Pentium III. Interesant este faptul că nu doar cele din gama Katmai, şi pe deasupra nu toate Coppermine-urile sunt la 133 MHz, unele rămânând la 100. Astfel a fost nevoie de o notaŃie pentru a prezenta două familii de procesoare Pentium III. În consecinŃă, s-au introdus litere după frecvenŃa CPU-ului. Procesoarele Coppermine sunt notate cu E. iar cele care au FSB-ul la 133 MHz au primit în denumire şi litera B. De exemplu un Pentium III 533 EB, semnifică: E-uI specifică faptul că este un Coppermine, iar B-ul ca are FSB-ul la 133 MHz. Pentium III 533 B este Katmai-ul cu bus la 133 MHz.

În Figura 4.11 se prezintă capsula procesorului Coppermine (zonele deschise la culoare din partea stângă reprezintă memoria cache Level 2).

Deşi numele său (mina de cupru) ar sugera folosirea cuprului la realizarea legăturilor între elementele active în CPU, Coppermine este în acest sens un procesor clasic, cu legături din aluminiu. Tehnologia pe cupru, a fost inventată de IBM despre care s-a vorbit mult în ultima

Page 115: CartedlComanescu Bun v1

115

vreme, nu va fi aplicată deocamdată în CPU-urile Pentium III. După versiunea la 733 MHz, Intel va continua să crească frecvenŃa de tact, aşa că s-a realizat Pentium III la 800 MHz, apoi cele de l GHz. Fiecare creştere de performanŃa aduce după sine şi o scădere a preŃurilor la generaŃia anterioară (este vorba de Pentium III la 450, 500 şi 533 MHz). La această scădere va contribui şi concurenŃa acerbă cu AMD-ul. Intel a mai lansat pentru PC-urile desktop procesorul Celeron. Dedicat sistemelor ieftine, Celeronul se aseamănă mult cu Coppermine. Celeronul poate lucra, cel puŃin, la frecvenŃa de 500 MHz, principalele sale dezavantaje faŃă de Coppermine fiind cache-ul L 2 redus la jumătate şi lipsa instrucŃiunilor SSE.

Desigur, că în dinamica de dezvoltare, Intel nu măreşte viteza de procesare doar prin creşterea frecvenŃei de tact, ci şi prin optimizarea nucleului P 6. Procesorul cu numele de cod Willamette, are o viteză cu 30-40 % mai mare decât un Pentium II la aceeaşi frecvenŃă. FrecvenŃa sa internă depăşeşte 1GHz, fiind fabricat la 0,18-0,13 microni. În paralel cu arhitectura IA-32 (procesoare pe 32 de biŃi), Intel lansează structura IA-64 EPIC (Expticitly Parallel Instruction Computing), această familie este cunoscută sub denumirea de procesoare Merced, devenite Itanium. El este destinat mai ales serverelor. Deşi dispune de o arhitectură extrem de avansată, Itanium este ceva mai lent decât Coppermine la aceeaşi frecvenŃă de tact. Ajuns, deocamdată, doar la câŃiva mari producători de PC-uri, parteneri strategici ai lui Intel, Itanium a inundat rapid piaŃa având în vedere calităŃile sale. Itanium dispune de trei niveluri de cache, primele două fiind integrate pe cip, iar al treilea în carcasa procesorului; cache-ul de nivelul 3 (L 3) este de 4 MB; viteza de ceas este de 800 MHz până la l GHz; bus-ul pe care schimbă datele cu sistemul este de 200 MHz, iar slotul în care se introduce este pe 128 de biŃi, numit Slot M. Se cunosc date şi despre McKinley, urmaşul lui Itanium. Ca şi acesta din urmă, este proiectat de Intel în colaborare cu HP cu scopul de a dubla performanŃele lui Itanium. Are 1GHz frecvenŃă de lucru; în 2002 urmează Madison, un CPU bazat pe McKinley, dar pe tehnologia cuprului, iar în 2003 apare un CPU din familia IA-64 care atinge 3 GHz, frecvenŃa de ceas .Trebuie remarcat că, firma Intel a văzut oportunitatea unui "PC pe un cip". În acest sens a apărut un procesor denumit Timna ce integrează pe cip (alături de un nucleu Pentium II) cache-ul L 2, placa grafică şi controlerul de memorie. Practic, va mai fi nevoie pe placa de bază doar de sloturi de memorie şi de cele PCI. Tehnologia de 0,18 microni permite acest nivel de integrare, şi acest gen de soluŃii este ideal pentru piaŃa PC-urilor ieftine, cât şi pentru cele mobile.

4.2.2. Procesoare PENTIUM IV Bazat pe micro-arhitectura Net Burst (TM), procesorul Intel Pentium IV oferă

performanŃe mai ridicate, cu o procesare mai bună a datelor, decât până în prezent. El este construit cu tehnologia Hyper-Threading de 0,13 microni care permite

utilizatorilor să răspundă mult mai eficient cererilor actuale de prelucrare a informaŃiilor, în condiŃiile exploziei uluitoare a conceptului de multimedia (software-uri mult mai mari şi mai puternice, extinderea sistemelor de calcul atât în afaceri cât şi în divertisment).

Superioritatea acestui procesor faŃă de cele precedente sunt sintetizate prin următoarele: Viteze disponibile:

• 533 MHz system bus:3,06 GHz, 2,8 GHz, 2,66 GHz, 2,53 GHz, 2,4 GHz, 2,26 GHz; • 400 MHz system bus:2,6 GHz, 2,5 GHz, 2,4 GHz, 2,2 GHz, 2,1 GHz, 2 GHz, 1,9 GHz, 1,8

GHz, 1,7 GHz. Tehnologia de realizare: Procesoarele din familia Intel Pentium IV sunt realizate în tehnologia Hyper-Threading

de 0,13 microni. Această tehnologie presupune un sistem de calcul cu procesor Pentium IV chiar la 3,06 GHz cu chipset-uri şi BIOS în consecinŃă.

Chipset:

Page 116: CartedlComanescu Bun v1

116

533/400 MHz system bus: Intel Chipset-845 PE, 845 GE, 845 GV, 845 E, 845 G. Chipset-ul 850 I suportă canal dual cu memorie RDRAM HI-speed şi USB 2.0. Chipset-urile 845 G, 845 GE şi 845 PE pot lucra cu plăci grafice AGP 4x (Acceleration Grafic Port), cu integrarea graficelor externe la viteze de 266 MHz, memorii DDR 333/266. Sunt realizate în arhitectură Intel-Hub.

Micro - arhitectura NetBurst a procesoarelor Pentium 4 are următoarele avantaje: • Bus-ul sistemului la 400 MHz – utilizând noua tehnologie – quad pumped, cu o

lăŃime a magistralei de 64 biŃi şi ceas de 100 MHz, se ajunge la o rată de transfer între procesor şi memorie de 3200 MB/s, de trei ori mai mare ca cea a procesoarelor Pentium III;

• Advanced Transfer Cache – se concretizează în mărirea ratei de transfer a datelor între memoria cache L2 şi nucleul procesorului. Dimensiunea memoriei cache L2 este de 256 KB. La schimbul de date cu sistemul (memorie, AGP,PCI) se folosesc blocuri de 64 bytes, ceea ce asigură o performanŃă mare pentru transferurile în rafală, iar conexiunea cu nucleul se face prin intermediul unei interfeŃe de 256 biŃi, care poate transfera date la frecvenŃa procesorului. Se obŃine o lăŃime de bandă de 44,8 GB/s pentru un Pentium 4 la 1,4 GHz, aproximativ de 3 ori mai mult ca un Pentium III la 1 GHz;

• Advanced Dynamic Execution – optimizări ale arhitecturii de prelucrare şi stocare temporară a instrucŃiunilor – mod speculativ şi arbitrar de execuŃie care împiedică procesorul să aibă stări de stagnare când instrucŃiunile aşteaptă rezolvarea dependenŃelor, cum ar fi de exemplu încărcarea de date din memorie. Pot fi rulate astfel până la 126 de instrucŃiuni în curs de rulare, faŃă de 42 în cazul micro-arhitecturii Pentium III. “ Execution Trache Cache “ – în cazul procesorului Pentium 4 nivelul 1 de cache pentru instrucŃiuni este poziŃionat după unitatea de decodare. În acest caz nu mai este necesară redecodarea instrucŃiunilor repetitive odată ce ele se află în acest cache, în plus sunt mai uşor de dedus dependenŃele în procesul de predicŃie. Poate conŃine până la12 000 de micro - instrucŃiuni (comparativ este de 6 ori mai mare ca nivelul L1 de cache al uni Pentium III) şi oferă spre execuŃie 3 micro - instrucŃiuni la frecvenŃa procesorului. Un nou algoritm de predicŃie a instrucŃiunilor “ Enhanced Branch Prediction “, cu un buffer în care se pot stoca 4096 de alternative, de 8 ori mai multe ca la un Pentium III, eliminându-se astfel 33 % din predicŃiile greşite în cazul procesorului menŃionat anterior.

Hyper Pipelined Technology – dublarea faŃă de arhitectura Pentium III a numărului de stadii pe care le parcurge o instrucŃiune între momentul intrării în execuŃie şi obŃinerea rezultatelor. Se obŃine astfel o creştere de performanŃă, dar avantajul principal este scalabilitatea în frecvenŃă, procesoarele Pentium 4 putând funcŃiona la frecvenŃe mult mai mari decât cele ale procesoarelor cu arhitecturi curente.

Rapid Execution Engine – combinând inovaŃii ale arhitecturii interne şi proiectării fizice ale circuitelor, s-a reuşit ca cele 4 unităŃi logice aritmetice simple (ALU) care execută micro - instrucŃiunile simple, să ruleze la de două ori frecvenŃa procesorului. Se încarcă astfel două micro - instrucŃiuni la fiecare ceas procesor rezultând o durată totală de execuŃie a unei instrucŃiuni mult mai mică.

Streaming SIMD Extension 2 (SSE2) – existând posibilităŃile MMXTM şi SSE de la generaŃiile anterioare de procesoare cu 144 de noi instrucŃiuni (SSE2) care pot opera cu pachete de date de 123 biŃi numere întregi sau în virgulă mobilă cu dublă precizie. Aceste noi instrucŃiuni reduc timpul necesar execuŃiei programelor optimizate pentru ele. Ele accelerează în special aplicaŃiile video, audio, procesările de imagini, aplicaŃiile tehnice şi ştiinŃifice.

Page 117: CartedlComanescu Bun v1

117

Un alt mare producător de procesoare este AMD care este unul dintre principalii concurenŃi ai Intel-ului. Astfel, AMD a lansat la acea vreme procesorul Athlon cu care reuşeşte să depăşească Intel-ul. Acest procesor evoluează spre frecvenŃe mai mari de lucru fără însă a-şi modifica substanŃial arhitectura. În figurile de mai jos se prezintă procesorul AMD Athlon fără cooler.

Se observă, de o parte şi de cealaltă a microprocesorului, cipurile memorie cache Level 2. Figurile prezintă cartuşul SECC al procesorului AMD Athlon. AMD a produs procesorul K 8 denumit şi Sledgehammer cu o frecvenŃă de ceas de peste l GHz, care este capabil să concureze cu Itanium şi Willamette.

Figura 4.12 – Procesoare AMD Athlon pe slot A

Figura 4.13 – ComparaŃie intre Intel Pentium 4 și AMD Duron pe Socket A

Figura 4.14 – Procesorul AMD Athlon XP

Este important de ştiut ca nu procesorul este responsabil de instabilitatea sistemului, ci temperatura sa de funcŃionare şi mai ales chipset-ul plăcii de bază.

Page 118: CartedlComanescu Bun v1

118

În funcŃie de banii disponibili şi de destinaŃia calculatorului se va alege un procesor din gama high-end sau low-end. Deşi numele sunt simplu de reŃinut, se pot produce totuşi unele confuzi de ordin tehnic.

În oferta AMD, o posibilitate de neînŃelegere o constituie notaŃia RP la modelul Athlon XP (procesorul rulând la o frecvenŃa mai joasă dar oferind performanŃe comparabile cu un Pentium 4 la a cărui frecvenŃă se adaugă semnul “+”). Astfel, Athlon XP 1500+ are o frecvenŃă reală de 1333MHz iar un Athlon XP 2000+ o frecvenŃă de 1667MHz. Este vorba de o strategie de marketing, procesoarele AMD Athlon depind, cum am mai menŃionat, o putere de procesare superioară unui Pentium 4 la aceeaşi frecventă. Este exact opusul situaŃiei de acum 5 ani, când un Pentium 2 avea o putere de procesare net superioară unui AMD K6 cu frecvenŃa identică, dovedind cât de uşor se poate “întoarce roata” în lumea IT. Procesoarele Duron sunt marcate la frecvenŃa reală de funcŃionare, dar rămâne valabil principiul depăşirii în performanŃa a unui Celeron cu o frecvenŃa superioară.

În cazul procesoarelor Intel, există trei modele diferite de Pentium 4 şi trei de Celeron. Astfel, Pentium 4 exista în variantele Willamette (0.18 microni, 256 KB L2 cache, bus de 400MHz) şi Northwood (0.13 microni, 512 KB L2cache, bus de 400,533 şi din aprilie 2003 de 800MHz). Daca vă orientaŃi către un Pentium 4 mai performant, va trebui să vă orientaŃi către Northwood. În cazul unui Celeron, mai poate fi găsit în cazuri excepŃionale modelul veteran cu 128 KB L2 cache (până la 1100 MHz), înlocuit cu Celeron Tualatin, cu 256 KB L2 cache (1000-1400 MHz) şi prin acesta mult mai performant (fiind practic un Pentium 3 cu bus de 100 MHz).

4.3. Procesoarele DUAL-CORE Ideea de procesor cu mai multe nuclee este o consecinŃă a efectelor, din punct de vedere

al performanŃei, pe care le are folosirea unui PC cu mai multe procesoare în locul unuia singur. Dar un sistem bazat pe o placă de bază multiprocesor devine foarte scump şi neatractiv pentru majoritatea utilizatorilor. Folosirea mai multor nuclee pe aceeaşi pastilă de siliciu permite creşterea performanŃei cu costuri minime, deoarece liniile de comunicare între cele două nuclee sunt mult mai scurte, deci mai rapide, în acelaşi timp dispărând şi necesitatea construirii unei infrastructuri pentru interconectarea nucleelor.

IniŃial, această idee era foarte greu de pus în practică din cauza procesului de fabricaŃie a cip-urilor, ce presupunea creşterea dimensiunilor pastilei de siliciu prin folosirea unui număr mai mare de tranzistori, implicit şi a consumului. Odată cu micşorarea dimensiunilor tranzistorilor a devenit posibilă introducerea unui număr mai mare de tranzistori în acelaşi spaŃiu pe pastilă, păstrându-se în acelaşi timp şi caracteristicile termice.

Primul procesor dual-core a fost conceput şi construit de IBM în anul 2000, odată cu lansarea celei de-a patra generaŃii de procesoare PowerPC: Power 4. Acesta aducea, în premieră, mai multe nuclee pe aceeaşi pastilă, fiind vorba în fapt de două nuclee pe 64 biŃi PowerPC AS. Memoria cache Level 2 era împărŃită în trei părŃi egale, fiecare nucleu având acces la oricare dintre ele. Primul procesor dual-core, Power4, a fost urmat în scurt timp de PA-RISC, Sun UltraSPARC IV, Power5 și AMD Opteron. Majoritatea sunt folosite în servere, unde costul ridicat este justificat prin creşterea productivităŃii.

În segmentul desktop au fost lansate relativ recent Pentium D și Athlon64 x2, ambele dotate cu câte două nuclee. În cazul Intel există şi Pentium D 840EE care, pe lângă cele două nuclee, beneficiază şi de tehnologia Hyper Threading, rezultatul fiind un procesor cu patru nuclee, două fizice şi două logice (sau virtuale).

Din cauza consumului ridicat, căldură disipată este extrem de mare, necesitând un sistem de răcire performant şi o carcasă cu o ventilaŃie foarte bună. FrecvenŃa de funcŃionare este de 3.2GHz (pentru comparaŃie, cel mai rapid procesor Intel single-core, Pentium 4 840, rulează la

Page 119: CartedlComanescu Bun v1

119

3.8GHz). Aceasta face ca Pentium D 840EE să fie mai lent în aplicaŃiile single-threaded decât 840 single-core.

În ce priveşte AMD, Athlon64 x2 oferă maximum 2.4GHz, la acelaşi nivel cu modelele single-core. În schimb, trecerea la procesul de fabricaŃie pe 0.09µm a permis scăderea consumului de curent faŃă de procesoarele construite pe 0.13µm. Datorită consumului mai redus de curent, căldura disipată este mai mică, aceste procesoare nefiind dependente de sisteme sofisticate de răcire.

În cazul arhitecturii single-core există mai multe optimizări cu scopul de a creşte viteza de execuŃie a unui program şi vizează, de obicei, paralelismul la nivel de instrucŃiune, ce presupune executarea simultană a cât mai multor instrucŃiuni. Acest lucru este posibil atâta timp cât o instrucŃiune nu depinde de rezultatul alteia ce se doreşte executată în paralel.

În cazul arhitecturii multi-core se urmăreşte optimizarea paralelismului la nivel de thread. Un thread este un fir de execuŃie al unui program, program care poate avea mai multe fire de execuŃie, fiecare cu setul său de instrucŃiuni ce pot fi şi ele rulate în paralel. Viteza unei arhitecturi multi-core depinde de modul în care sunt scrise programele şi de compilatorul care furnizează date procesorului.

Ca specific al arhitecturii multi-core, fiecare nucleu execută un flux independent de instrucŃiuni din cadrul unei zone comune de memorie. ConŃinutul acestei zone este administrat prin arbitrare, în funcŃie de conŃinutul memoriei cache a fiecărui nucleu. Nivelurile de cache pentru fiecare nucleu se justifică prin structura procesoarelor actuale, optimizate pentru creşterea lăŃimii de bandă a interfeŃei cu memoria. Fără aceste niveluri de cache locale, fiecare nucleu ar rula la maximum jumătate din potenŃial. Managementul conŃinutului memoriilor cache este realizat prin intermediul unui protocol de asigurare a coerentei datelor stocate. Celelalte avantaje constau în localizarea mai precisă a datelor, comunicarea mai rapidă între unităŃile de procesare, economisirea spaŃiului şi consumului de curent şi un raport cost/performanŃă mai bun decât în cazul unui procesor single-core.

4.3.1. AMD ATHLON 64 X2 DUAL-CORE Dezvoltatorii de noi tehnologii au muncit din greu pentru a introduce arhitectura dual-

core (nucleu dual) dintr-un singur motiv: toate încercările de a creşte performanŃele procesorului s-au epuizat deja.

Pe data de 9 mai 2005, AMD urmând paşii făcuŃi de cei de la Intel, au scos pe piaŃă primul procesor dual-core pentru desktop-uri. Familia procesoarelor dual-core de la AMD poartă denumirea de Athlon 64 X2. Acest nume nu reflecta doar soluŃia dual-core pe care se bazează arhitectura AMD 64 ci şi faptul că sunt proiectate fizic cu două nuclee.

Figura 4.15 – Procesor AMD dual-core Athlon 64 X2

Page 120: CartedlComanescu Bun v1

120

Din această familie de procesoare fac parte 11 tipuri, şi anume: 4200+, 4400+, 4600+ , 4800+, 5000+, 5200+, 5400+, 5600+, 5800+, 6000+ şi 6400+ .

Implementarea proiectului dual-core în procesoarele AMD este diferită faŃă de ce se poate vedea la Intel. Deşi Athlon 64 X2 este de fapt o combinaŃie de două procesoare Athlon 64 încapsulate într-o singură pastilă de siliciu, modul în care aceste nuclee comunică în tehnologia dual-core diferă faŃă de ce oferă Intel cu ale sale procesoare Pentium D şi Pentium Extreme Edition.

Intel a plasat două nuclee Prescot în acelaşi chip, dar în acest caz nu există nici un mecanism special de comunicaŃii între nuclee. Cu alte cuvinte, nucleele Smithfield comunică (de exemplu pentru a rezolva probleme de coerenŃă legate de cache) prin magistrala sistemului la fel cum o face un sistem Xeon dual-procesor. Astfel magistrala de comunicaŃii este partajată de cele două nuclee când acestea lucrează cu memoria, conducând astfel la latenŃe mari în momentul în care ambele nuclee se adresează memoriei din sistem. Inginerii de la AMD au Ńinut cont de parcursul viitor pe care îl va avea proiectul dual-core, încercând să evite câteva probleme legate de aşa zisele "gâtuiri". În primul rând resursele sunt duplicate în noile procesoare AMD.

Deşi fiecare din cele două nuclee dispune de seturi de instrucŃiuni şi memorie cache Level 2, controller-ul de memorie şi controller-ul Hyper-Transport sunt la fel la ambele nuclee. Cele două nuclee comunică cu celelalte resurse partajate printr-un comutator special şi o interfaŃă sistem de gestionare a cererilor.

Figura 4.16 – Modul de comunicare a celor două nuclee ale procesorului AMD dual-core cu

controller-ul de memorie şi controller-ul Hyper-Transport ComunicaŃia între nuclee se face la acelaşi nivel, motiv pentru care carenŃele în

funcŃionarea cache-ului pot fi rezolvate fără a se încărca magistrala de date a sistemului şi magistrala de memorie. Singura problemă care rămâne pentru arhitectura Athlon 64 X2 este partajarea lăŃimii de banda a memoriei din subsistem (6,4 Gb/s) între cele două nuclee. Totuşi trecerea la utilizarea memoriilor dual-channel DDR2, în opinia celor de la AMD are o influenŃă pozitivă asupra performanŃelor procesoarelor dual-core.

La început noile procesoare dual-core nu suportau tipurile de memorie existente ce au lăŃimi de bandă ridicate, din dorinŃa celor de la AMD de a păstra compatibilitatea cu platformele existente pe piaŃă. De aceea Athlon 64 X2 a fost gândit iniŃial pentru socket-ul 939, controler de memorie dual-channel ce suporta memorii DDR 400 şi care lucrează cu Hyper-Transport la 1 GHz. Singurul lucru care trebuia avut în vedere pentru a fi siguri că platformele Socket 939 suportă noile procesoare AMD este un update de BIOS. Comparativ, procesorul Intel dual-core

Page 121: CartedlComanescu Bun v1

121

bazat pe nucleul Smithfield a fost compatibil iniŃial doar cu noile chipset-uri I955X şi NVIDIA nForce4 (Intel Edition) şi cereau un regulator de tensiune mai puternic pe placa de bază.

Procesoarele Athlon 64 X2 sunt bazate pe nucleele cu nume de cod Toledo şi Manchaster, fiind asemănătoare în funcŃionare cu procesoarele Athlon 64 pe nuclee San Diego şi Venice, cu excepŃia faptului că primele au abilitatea de a procesa două pipeline-uri simultan.

De asemenea, Athlon 64 X2 (Toledo) dispune de două nuclee cu câte 1Mb memorie cache Level 2 pe fiecare nucleu şi 233,2 milioane de tranzistori pe o suprafaŃă de 199 mm2. În timp ce modulele la 4800+ şi 4400+ ale procesoarelor cu nume de cod Toledo au un cache Level 2 de 1 MB pe nucleu, cele cu nume de cod Manchaster dispun de un cache Level 2 de doar 512 MB pe fiecare nucleu.

AMD dual-core lucrează la frecvenŃe ceva mai ridicate: 2,2 GHz și 2,4 GHz. Puterea maximă disipată este de 110 W, faŃă de 89 W cum este la procesoarele AMD cu un singur nucleu, iar intensitatea curentului a crescut la 80A, faŃă de cei 57,4 A ai procesoarelor standard. Totuşi, dacă se compară specificaŃiile electrice ale unui Athlon 64 X2 cu cele ale unui Athlon 64 FX-55, puterea maximă disipată este cu 6 W mai mare în primul caz, iar valoarea de vârf a curentului este aproximativ aceeaşi.

4.3.2. Studiu de caz: testarea procesorului AMD ATHLON 64 X2 4800+

În următoarea sesiune de test sunt comparate performanŃele procesorului dual-core

Athlon 64 X2 4800+ cu cele ale procesoarelor Athlon 64, Athlon 64 FX, Pentium 4 şi Pentium 4 Extreme Edition. Nu s-au efectuat comparaŃii cu procesorul dual-core de la Intel.

Platformele de test au inclus următoarele componente: Procesoare:

• AMD Athlon 64 X2 4800+ (Socket 939; 2,4 GHz; 2x1024Kb cache L2; Core revision E6 = Toledo);

• AMD Athlon 64 FX-55 (Socket 939; 2,6 GHz; 1024Kb cache L2; Core revision CG = Clawhammer);

• AMD Athlon 64 4000+ (Socket 939; 2,4 GHz; 1024Kb cache L2; Core revision CG = Clawhammer);

• AMD Athlon 64 3800+ (Socket 939; 2,6 GHz; 1024Kb cache L2; Core revision E3 = Venice); • Intel Pentium 4 Extreme Edition 3,7 GHz (LGA 775; 3,736 GHz; 2048Kb cache L2); • Intel Pentium 4 660 (LGA 775; 3,6 GHz; 2048Kb cache L2); • Intel Pentium 4 570 (LGA 775; 3,8 GHz; 1024Kb cache L2). • Placi de bază: • Asus A8N SLI Deluxe (Socket 939, NVIDIA nForce 4 SLI); • NVIDIA C19 CRB DemoBoard (LGA 775, nForce 4 SLI Intel Edition). • Memorii: • 2x512 MB DDR 400 SDRAM (Corsair CM2X512 - 3200 XL Pro, 2-2-2-10); • 2x512 MB DDR 400 SDRAM (Corsair CM2X512A - 5400 VL, 4-4-4-12); • Placa Video: • Power Color Radeon X800 XT (PCI-E x16). • Hard-disk: • Maxtor MaxLine III (250 Gb, SATA 150); • Sistem de operare: • Microsoft Windows XP SP2.

Page 122: CartedlComanescu Bun v1

122

Pentru testarea performanŃelor în sistemele Office s-au folosit programele SysMark 2004 şi Business WinStone 2004. Testul Business WinStone a simulat lucrul utilizatorilor cu următoarele aplicaŃii: Microsoft Access 2002, Microsoft Excel 2002, Microsoft FrontPage 2002, Microsoft Outlook 2002, Microsoft PowerPoint 2002, Microsoft Project 2002, Microsoft Word 2002, Norton Antivirus Professional Edition 2003 şi Winzip.

Figura 4.17 – Rezultatele măsurării performanŃelor utilizând pachetul Microsoft Office 2002,

Norton Antivirus Professional Edition 2003 şi Winzip. Din grafic se poate observa că procesorul Athlon 64 X2 este cu puŃin mai rapid decât

Athlon 64 4000+. Plusul de performanŃă pare să fi venit datorită controler-ului de memorie al nucleului Toledo. Având în vedere că munca de birou, mai precis cea pe un calculator, presupune utilizarea simultană a mai multor aplicaŃii, s-au măsurat performanŃele în Microsoft Outlook şi Internet Explorer în timp ce în background se copiau fişiere.

Figura 4.18 – Rezultatele măsurării performanŃelor în Microsoft Outlook şi Internet Explorer

în timp ce în background se copiau fişiere. Din diagrama alăturată remarcăm aşadar că arhitectura dual-core nu aduce nimic deosebit

în comparaŃie cu celelalte procesoare. În următorul test s-au arhivat în background un număr de fişiere cu Winzip în timp ce utilizatorul folosea simultan aplicaŃiile Word și Excel. De data aceasta arhitectura dual-core şi-a arătat puterea.

Cu cât sarcinile în background devin mai complexe, cu atât mai mult îşi dovedeşte eficienŃa arhitectura dual-core. S-a simulat utilizarea mai multor aplicaŃii Microsoft Excel, Project, Acces, PowerPoint, FrontPage şi Winzip în timp ce un program antivirus rula în background. În

Page 123: CartedlComanescu Bun v1

123

aceasta situaŃie rezultatele au arătat ca procesorul dual-core este de 1,5 ori mai rapid decât cel single-core la aceeaşi frecvenŃă de lucru.

Figura 4.19 – Rezultatele măsurării performanŃelor în timpul arhivării în background a unui număr

de fişiere cu Winzip şi a folosirii simultan a aplicaŃiilor Word şi Excel. AplicaŃia SysMark 2004 - communication a simulat cazul în care un utilizator primeşte în

Outlook 2002 un e-mail la care sunt ataşate câteva arhive zip. În timp ce fişierele sunt scanate cu VirusScan 7.0 , utilizatorul citeşte e-mail-urile şi scrie câteva notiŃe în Outlook Calendar.

După acestea, SysMark 2004 caută un site web şi câteva documente folosind Internet Explorer 6.0.

Figura 4.20 - Rezultatele testării folosind aplicaŃia SysMark 2004 – Communication

Acest model de lucru al utilizatorului implică algoritmi cu mai multe fire de execuŃie

(multi-threaded). Chiar dacă Pentium 4 suportă virtual tehnologia Hyper-Threading din test s-a dovedit că Athlon 64 X2 s-a comportat cel mai bine. În SysMark 2004 - document creation s-a considerat următoarea situaŃie: un utilizator foloseşte Word 2002 pentru editare de text şi Dragon Naturally Speaking 6 pentru conversia unui fişier audio în document text. Apoi documentul este convertit în format .pdf cu Acrobat 5.0.5. Partea finală se foloseşte pentru a crea o prezentare în PowerPoint 2002. Din nou, cel mai bine s-a comportat Athlon 64 X2. Marea majoritate a jocurilor de pe piaŃă nu suportă multi-threading. Aşa cum se observă din rezultatele din teste procesorul dual-core nu a avut o comportare strălucită. Atât timp cât procesorul Athlon 64 FX a câştigat în

Page 124: CartedlComanescu Bun v1

124

toate testele putem trage concluzia că atunci când vine vorba de un sistem de jocuri nu are nici un sens un update spre un procesor dual-core.

Figura 4.21 - Rezultatele testării folosind aplicaŃia SysMark 2004 – Document creation

La codare audio mp3 cu aplicaŃia (codec) Lame 3.97 alpha 2 (care ştie să lucreze multi-

threading), procesoarele Pentium 4 s-au dovedit a fi mai rapide decât Athlon 64 şi Athlon 64 X2 4800+.La codare MPEG-4 cu popularul codec DivX se observă o schimbare faŃa de cum au stat lucrurile la codarea audio. Al doilea nucleu a făcut din Athlon 64 X2 cel mai rapid procesor.

Figura 4.22 - Rezultatele testării folosind codec-ul DivX

Cu siguranŃă se poate spune însă că Windows Media Encoder este cel mai adecvat codec

pentru procesoarele dual-core. Athlon 64 X2 4800+ a codat datele de 1,7 ori mai repede decât procesorul single-core Athlon 64 4000+.In testele de prelucrare de imagini şi editare video folosind aplicaŃii de la Adobe (suportă Hyper-Threading) procesorul dual-core s-a dovedit cel mai competitiv (performant). Utilizarea procesorului dual-core în sistemele desktop poate îmbunătăŃii semnificativ performanŃele într-un număr de aplicaŃii care suportă tehnologia multi-threading. Printre aplicaŃiile unde soluŃia dual-core a asigurat o îmbunătăŃire clară de performanŃă putem reaminti utilitarele de codare audio şi video, cele de modelare, randerizare 3D, aplicaŃiile de editare foto şi video. Alături de acestea sunt însă şi aplicaŃiile ce nu suportă multi-threading (aplicaŃii Office, browserele web, clienŃii de e-mail, playerele media şi jocurile), dar în care

Page 125: CartedlComanescu Bun v1

125

procesorul dual-core de la AMD s-a comportat onorabil. Athlon 64 X2 4800+ este mult mai rapid şi de aceea este cea mai bună alegere din cadrul familiei de procesoare Athlon 64.

4.3.3. INTEL PENTIUM D (DUAL CORE) Pentru noul procesor dual-core de la Intel este necesară achiziŃionarea unei noi plăci de

bază deoarece acest procesor necesită o secvenŃă de boot modificată pentru a determina dacă se va desfăşura un singur nucleu sau un nucleu dual în procesul de funcŃionare. Din păcate un update de BIOS nu este suficient datorită modificării dispunerii pinilor. Procesorul dual-core poartă denumirea de Pentium D.

În acelaşi timp există un nou Pentium Extreme Edition (ce nu se va mai numi ca înainte Pentium 4) bazat pe nucleul cu nume de cod Smithfield. Singura diferenŃă pentru acest procesor va fi existenŃa tehnologiei Hyper Threading, însemnând ca sistemul de operare Windows XP va avea acces la patru procesoare logice. Pentru prima dată Intel a renunŃat la specificarea frecvenŃei în denumirea modelului de procesor atât la Pentium Extreme Edition cât şi la Pentium D.

De asemenea Intel va continua să folosească socket-ul 775 cu modificări minore. Puterea termică disipată va creşte la 130W de la 115W în cazul procesorului Pentium D 840 şi Extreme Edition 840 în timp ce versiunile 830 și 820 vor opera la o valoare maximă de 95W. Intern procesorul dual-core conŃine două nuclee Prescot, cu 1MB cache L2 pentru fiecare nucleu şi având 230 milioane de tranzistoare pe o suprafaŃă de 206mm2. Nucleele comunică unul cu celălalt printr-o interfaŃă specială. Asta înseamnă că nucleele pot fizic să-şi acceseze unul altuia cache-ul L2 prin aceasta interfaŃă sau prin FSB.

Toate procesoarele bazate pe nucleul Smithfield suportă opŃiunea XD (Execute Disable Bit) prin care se pot opri atacurile de tip buffer overflow, EM64T tehnologie pe 64 de biŃi (Extended Memory 64 Technology) cât şi posibilitatea de reducere a frecvenŃei la o valoare de 2,8GHz pentru modelele ultrarapide oricând se cere o utilizare mai puŃin intensă. Toate aceste aspecte tehnice se pot vedea în tabelul 4.16.

Tabelul 4.16 – Aspecte tehnice ale procesoarelor Pentium D şi Pentium Extreme Edition

PROCESOR MODEL VITEZA CACHE Hyper hreading Pentium D 820 2.8 GHz (FSB800) 2x1MB Nu Pentium D 830 3.0 GHz (FSB800) 2x1MB Nu Pentium D 840 3.2 GHz (FSB800) 2x1MB Nu Pentium Extreme Edition

840 3.2 GHz (FSB800) 2x1MB Da

Cu suport HyperThreading şi multiplicator ce permite valori peste x14 Intel Pentium

Extreme Edition 840 dă oportunitatea de overclocking multor utilizatori. Nu este nevoie decât de o placă de bază care să permită din BIOS modificarea vitezei de lucru. Cu toate acestea, acest procesor nu va fi în topul performanŃelor în ceea ce priveşte aplicaŃiile ce nu sunt optimizate pentru multi-threading. La acest capitol cel mai rapid va rămâne Pentium 4 Extreme Edition la 3,73 GHz şi FSB 1066MHz.

Datorită consumului şi a căldurii disipate de noile procesoare, Intel a modificat şi cooler-ele. Astfel, pentru o mai bună disipare a căldurii a mărit suprafaŃa de cupru ce vine direct în contact cu procesorul iar aripioarele din aluminiu din care este constituit radiatorul sunt mai multe şi mai fine.

S-a testat potenŃialul de overclocking până la 4 GHz pentru Pentium D ce rulează nativ la 3,2 GHz. La frecvenŃa de 4 GHz pentru a menŃine stabil sistemul a fost necesar utilizarea unui cooler masiv. La 3,8 şi 4 GHz nu a fost posibil decât prin utilizarea unei răciri cu apă.

Pentium Extreme Edition a strălucit aici datorită faptului că este singurul procesor de la Intel care are multiplicatorul deblocat peste valori de x14. La frecvenŃa de 3,4 GHz (6% peste

Page 126: CartedlComanescu Bun v1

126

frecvenŃa de bază) nu s-a remarcat nici o problemă, 3,8 GHz fiind valoarea maximă atinsă pentru o răcire cu un radiator cu ventilator. A funcŃionat şi la 4 GHz dar nu se poate spune că a rulat stabil. La testele care efectuate, parametrii procesoarelor se pot observa Figura 4.23.

Figura 4.23 – Parametrii procesoarelor Intel Pentium Extreme Edition

Din familia procesoarelor AMD dual-core ne vom referi în continuare la modelul Athlon

64 X2 4800+. Procesorul este unul obişnuit pentru Socket 939 şi Socket AM2 şi ar trebui sa fie compatibil cu marea majoritate a plăcilor de bază pe Socket 939, însă nu funcŃionează pe unele modele de plăci de bază datorită BIOS-ului neadecvat. Pe toate tipurile de plăci de bază cu Socket AM2 procesorul funcŃionează fără a avea nevoie de vreo adaptare sau setare. Trebuie menŃionat faptul ca noul procesor Athlon 64 X2 merge perfect în modul single-core pe orice placă de bază ce suportă procesoare Athlon 64 fără a mai face un update de BIOS. În acest caz procesorul a funcŃionat precum un Athlon64 4000+.

Pentru a se observa parametrii termici şi electrici s-a comparat temperatura unui Athlon 64 X2 4800+ cu a altor procesoare pe Socket 939. În experiment s-a folosit un cooler AVC

Page 127: CartedlComanescu Bun v1

127

Z7U7414001. Celorlalte procesoare li s-a mărit temperatura prin intermediul aplicaŃiei S&M 1.6.0 apropiind caracteristicile lor de cele ale procesorului Athlon 64 X2.

Figura 4.24 – Grafic comparativ al temperaturilor procesoarelor single-core şi dual-core

Cum reiese din grafic, în modul neutilizat, procesorul Athlon 64 X2 a avut o temperatură

puŃin mai mare decât procesoarele Athlon 64 (Core Venice). În ciuda faptului că dispune de 2 nuclee, temperatura sa nu a depăşit-o pe cea a procesoarelor single-core în pe tehnologie de 130nm.

În modul intens de folosire (încărcare 100%) procesorul Athlon 64 X2 se comportă din punct de vedere termic mai bine decât Athlon 64 sau Athlon 64 FX pe tehnologie de 130nm.

La investigarea puterii consumate, s-a luat decizia de a compara rezultatele procesorului Athlon 64 X2 nu doar cu rezultatele procesoarelor AMD single-core ci şi cu procesoarele de la Intel recunoscute a fi în topul vânzărilor.

Rezultatele pot fi observate în Figura 4.25.

Figura 4.25 – Grafic comparativ al puterii consumate de către procesoarele produse de AMD şi

Intel aflate în topul vânzărilor

Page 128: CartedlComanescu Bun v1

128

4.3.3.1. Studiu de caz: procesorului INTEL PENTIUM D

Testul de sistem s-a bazat pe o placă de bază cu chipset Intel 955X. Placa are suport pentru memorii DDR2-667, RAID 5 şi Serial ATA II şi opŃiune pentru dual PCI Express. Sursa de alimentare a fost una de 550W de la Enermax. S-au utilizat memorii CL5. Setările de teste şi cele din benchmark-uri au fost cele prezentate în Figura 4.26.

Figura 4.26 – ConfiguraŃia hardware supusă testelor şi benchmarking-ului

Figura 4.27 – Graficul numărului de cadre pe secundă în jocul FarCry rulat pe câteva procesoare

Intel, la o rezoluŃie de 1280x1024 şi 32 biŃi

Ca o concluzie finală la cele de mai sus observăm ca Pentium D funcŃionează la fel de rapid ca şi Pentium 4 single-core când vine vorba de aceeaşi frecvenŃă. Testele sintetice au scos la

Page 129: CartedlComanescu Bun v1

129

iveală o micşorare a lărgimii de bandă pentru memorii în cazul lui Pentium D datorită încercării celor două nuclee de a accesa în acelaşi timp cacheul L2. Multe aplicaŃii actuale nu se bucură de beneficiile noului procesor dual-core. Astfel, jocuri populare cum ar fi Doom 3, Far Cry, Unreal Tournament 2004, Quake III Arena sau Return To Castle Wolfenstein vor rula la viteza unui procesor single-core. Însă sunt şi unele aplicaŃii care sunt considerabil mai rapide pe un Pentium D 840 decât pe un Pentium 4.

În aplicaŃia Pinnacle Studio 9 se economiseşte 15% din timpul unei randerizări video, codarea cu DivX și Xvid este cu 20% mai rapidă, 3D Studio Max 7 beneficiază de un plus de 55%. Codarea audio MP3 cu versiunea ce suportă multi-threading de la Lame este la fel de rapidă în cazul dual-core ca şi cea realizată pe un model de vârf Pentium 4. Un alt avantaj remarcat la Pentium D este abilitatea de a lucra în multitasking.

Figura 4.28 – Graficul numărului de cadre pe secundă în jocul Unreal Tournament 2004 rulat pe

câteva procesoare Intel, la o rezoluŃie de 1280x1024 şi 32 biŃi

4.4. INTEL şi procesoarele cu mai mult de 2 nuclee În 2006 Intel a Ńinut capul de afiş mai tot timpul anului cu a sa nouă generaŃie de

procesoare Core. Dacă prima jumătate de an a fost rezervată speculaŃiilor şi prezentării arhitecturii pe baza celor relatate de Intel, ce-a de-a doua a fost ceva mai agitată începând cu lansarea efectivă în iulie a procesoarelor controversate, ascunse sub numele Core 2 sau Conroe. Succesul a fost pe măsura aşteptărilor, însă Intel nu s-a opri aici, cele două nuclee (dual-core) prezente în prima generaŃie Core 2 nefiind suficient de puternice în viziunea companiei. Astfel se face că, la mai puŃin de şase luni de la apariŃie, familia Core 2 primeşte doi noi membri de data aceasta dotaŃi cu patru nuclee (quad-core) şi ascunse în spatele numelui de cod Kentsfield.

Intel a realizat că direcŃia în care se îndreaptă cu generaŃia Net Burst (arhitectura ce stă la baza procesoarelor Pentium D) este una greşită, evident relativ la performanŃele etalate de produsele concurenŃei. Era la fel de evident că un alt semieşec din partea Intel ar fi fost un dezastru, distanŃa dintre ei şi AMD ar fi crescut şi mai mult. Astfel, au preferat să nu se grăbească

Page 130: CartedlComanescu Bun v1

130

şi să pregătească încet o nouă arhitectură revoluŃionară, mult mai performantă decât cea precedentă.

Centrino, un nume des vehiculat în domeniul notebook-urilor, defineşte practic platforma Intel pentru sistemele portabile (notebook-uri). În ceea ce priveşte performanŃa şi autonomia aceasta a fost imbatabilă în ultimii ani. Procesoarele care stau la baza ei sunt denumite Pentium M (cel mai probabil de la „mobile”) şi ofereau performanŃe comparabile cu cele ale modelelor pentru desktop Pentium D. Astfel se face că, noua arhitectură, denumită Core, cea pe care Intel îşi punea bazele, îşi are originile în Pentium M plus mici idei din Net Burst.

Prima generaŃie Core adresată doar calculatoarelor portabile, ascunsă şi sub numele de cod Yonah, a etalat un nivel al performanŃelor ridicat, nu ieşit din comun, dar situat deasupra a tot ce exista în domeniul notebook-urilor la momentul respectiv. Cu ajutorul anumitor producători de plăci de bază a fost posibilă montarea procesoarelor Yonah pe calculatoare desktop. Ajutate de memoriile DDR2 cu 240 de pini (cele obişnuite pentru desktop-uri), dar mai mult, cu aportul puterii grafice a acceleratoarelor 3D de ultimă generaŃie, modelele de procesoare Core au reuşit să se impună.

La mai puŃin de un an de la apariŃia primei generaŃii Core, Intel a lansat Core 2, de data aceasta şi pentru segmentul desktop, dar şi server, cu care şi-au surclasat concurenŃa fără drept de apel. Core 2 sunt procesoare cu două nuclee în aceeaşi pastilă de siliciu, cu frecvenŃe cuprinse între 1,86 şi 2,93GHz (în momentul lansării), ascunse şi sub denumirea Conroe.

4.4.1. Procesorul cu patru nuclee - KENTSFIELD La sfârşitul anului 2006, Intel a prezentat lumii întregi primul procesor cu patru nuclee.

Pentru început, din noua gamă Core 2 fac parte două modele: Core 2 Quad Q6600 respectiv Core 2 Extreme Quad-core QX6700, ascunse sub numele de cod Kentsfield. Sub învelişul de metal protector al procesoarelor (heat spreader) se află practic două pastile Conroe alăturate, deci nu putem vorbi de o structură nouă, dar de noi performanŃe da.

Figura 4.29 - SpecificaŃii ale procesoarelor Core 2 cu 2 și 4 nuclee de la Intel

Figura 4.30 – Procesorul Kentsfield cu protecŃia de metal înlăturată, dispune fizic de două pastile

de siliciu, fiecare cu câte 2 nuclee

Page 131: CartedlComanescu Bun v1

131

Din punct de vedere al aspectului cele două generaŃii Core 2, sunt asemănătoare, doar la

înlăturarea protecŃiei de metal lucrurile stau diferit, observându-se două pastile de siliciu care funcŃionează în paralel şi nu doar una ca în cazul Conroe. Aşa cum se poate observa în tabelul din Figura 4.29, alături de cele trei modele cu nuclee Conroe, se regăsesc şi trei cu miez Allendale care poartă generic tot denumirea Conroe.

Ca mod de împachetare, Kentsfield se prezintă sub acelaşi standard utilizat de Intel în ultimii ani, LGA775. Socket-ul LGA775 este primul care a mutat pinii de pe spatele procesorului pe placa de bază, conectarea fiind făcută prin 775 de mini discuri metalice. Noile procesoare pot fi folosite doar pe plăcile de bază compatibile însă nu pe toate cele care suportă prima generaŃie Core 2 şi, cu atât mai mult, nu sunt suportate de modele mai vechi corespunzătoare generaŃiei Pentium D.

Pentru a explica tehnologia din spatele Kentsfield este aproape suficient a analiza nucleul Conroe care stă la baza lui.

Figura 4.31 – Arhitectura internă a procesoarelor Core 2

La prezentarea arhitecturii Core 2, Intel a pus accentul pe tehnologiile încorporate de

aceasta, cele mai importante, în număr de cinci, fiind: Intel Advanced Smart Cache, Intel Advanced Digital Media Boost, Intel Intelligent Power Capability, Intel Smart Memory Access şi Intel Wide Dynamic Execution. Dar, să le luăm pe rând:

• Intel Advanced Smart Cache Unul dintre marile atuuri ale procesoarelor Core 2 îl reprezintă memoria cache L2 integrată în pastila de siliciu şi care e la comun pentru cele două nuclee. Astfel, fiecare din cele două nuclee poate accesa datele celuilalt fără ca transferul să se facă prin northbridge, fapt ce ar duce la încărcarea inutilă a bus-ului (linii de comunicaŃie). De asemenea, un alt aspect pozitiv îl reprezintă alocarea dinamică a cantităŃii de memorie cache L2 celor două nuclee în funcŃie de necesarul fiecăruia.

• Intel Advanced Digital Media Boost Încă de pe vremea apariŃiei procesorului Pentium, atât Intel cât şi AMD au început să integreze în procesoarele lor instrucŃiuni speciale de prelucrare a materialului multimedia. Acestea ajută la procesarea mult mai rapidă a datelor video şi audio. S-a ajuns astfel ca Core 2 să integreze un lung şir de instrucŃiuni predefinite: MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSE4, ultimul fiind introdus odată cu noua arhitectură. Alături de utilizarea a celei de-a patra versiuni SSE s-a optimizat şi modalitatea de prelucrare a datelor folosind aceşti algoritmi predefiniŃi, dublându-se practic viteza de execuŃie faŃă de generaŃia precedentă de procesoare.

Page 132: CartedlComanescu Bun v1

132

• Intel Intelligent Power Capability Practic cu această tehnologie s-a intervenit asupra consumului de curent al procesoarelor şi implicit al cantităŃii de căldură degajate, altă problemă cu care s-a confruntat Intel la seria Pentium D. Astfel, Core 2 este capabil de a-şi reduce frecvenŃa în momentele când capacitatea sa de procesare nu este folosită la maxim şi, mai mult, îşi poate chiar dezactiva anumite părŃi care nu sunt folosite la un moment dat.

• Intel Smart Memory Access Un mare neajuns al gamei Pentium D a fost dependenŃa prea mare de RAM-ul sistemului, lăŃimea de bandă a acesteia fiind insuficientă în multe cazuri, procesorul având în acest caz timpi morŃi până când datele cerute ajung efectiv la el. Intel a rezolvat problema nu prin mărirea lăŃimii de bandă a memoriei cu placa de bază , ci prin optimizarea transferului de date şi prin scăderea timpilor de acces a datelor. Algoritmi speciali de predicŃie transferă date din RAM în cache-ul L2 înainte ca procesorul să aibă nevoie de ele facilitând astfel accesul mai rapid la informaŃia cerută.

• Intel Wide Dynamic Execution Tehnologia permite procesoarelor Core 2 să execute până la patru instrucŃiuni pe fiecare ciclu de tact (2 GHz înseamnă 2 miliarde de cicli) faŃă de trei de cât sunt capabile procesoarele Pentium D. Prin alăturarea a două nuclee Core 2, Kentsfield dispune astfel de un total de 582 de

milioane de tranzistoare în pastila de siliciu, incluzând aici şi totalul de 8 MB memorie cache L2 împărŃiŃi în două de data aceasta şi nu la comun pentru cele patru nuclee. În acelaşi timp s-a dublat şi cantitatea de căldură degajată de procesoare (specificată de Intel) la 130 W în cazul modelului Core 2 Extreme Quad-core QX6700.

Un mare neajuns al generaŃiei actuale quad-core de la Intel îl reprezintă modalitatea de comunicare între cele două pastile Conroe efectuată exclusiv prin intermediul northbridge-ului încărcând astfel canalele de comunicaŃie cu acesta, dar şi cu RAM-ul. Nu se poate vorbi astfel de o platformă quad-core pură ci mai degrabă de una „double dual-core”.

Dezvoltatorii de software nu oferă încă aplicaŃii care să beneficieze de pe urma a patru nuclee. Există întradevăr programe precum cele de arhivare, comprimare video sau modelare 3D optimizate pentru procesare multiplă, dar acestea nu sunt printre aplicaŃiile utilizate zilnic.

Aşa se face că, în unele jocuri, un Core 2 Duo cu frecvenŃa mai mare decât a unuia din gama quad-core, va fi mai rapid. AplicaŃiile se creează destul de greu necesitând timp şi cel puŃin totul începe cu un sistem de operare competent, iar Windows Vista nu a intrat pe piaŃă în măsura aşteptată. În momentul de faŃă procesoarele dual-core ajută utilizatorul într-o anumită măsură, mai ales pe cei care folosesc multe aplicaŃii rezidente în fundal cum ar fi un firewall, un antivirus etc.

4.4.1.1. Procesorul destinat platformelor server cu şase nuclee

Pe măsură ce apar noi informaŃii despre procesorul pentru servere Intel Dunnigton, deja celebra variantă "six-core", devine tot mai clar faptul că toate cele şase nuclee de execuŃie din generaŃia Penryn vor fi integrate într-o singură pastilă de siliciu, produsă cu ajutorul tehnologiei pe 45 nm. Astfel, cele trei perechi de nuclee vor dispune fiecare de câte 3 MB de memorie cache L2, în timp ce memoria cache L3 va contabiliza 16 MB şi va fi partajată între nuclee.

Foarte recent, site-ul german Computer Base a publicat prima imagine care ne dezvăluie miezul procesorului Dunnigton, imagine care ne convinge şi mai mult de materialitatea acestui produs. Aşa cum se poate observa are trei perechi de nuclee, fiecare pereche cu propriul cache L2, ce sunt plasate în trei colŃuri ale die-ului, în timp ce întreaga cantitate de memorie cache L3 ocupă cel de-al patrulea colŃ.

Dunnigton poate fi considerat primul procesor multi-core realizat de Intel prin folosirea unei structuri monolitice. Ulterior acestui moment, ar trebui să-şi facă intrarea procesoarele quad-core Bloomfield, inovaŃii care vor beneficia, de asemenea, de o singură împachetare fizică. Acestea vor aparŃine generaŃiei Nehalem şi vor dobândi o arhitectură mult mai evoluată.

Page 133: CartedlComanescu Bun v1

133

Dunnigton, cu toate cele şase nuclee ale sale, va fi lansat pe piaŃă sub marca Xeon, în cursul celui de-al doilea semestru din 2008. Destinate platformelor de tip server, variantele Dunnigton nu vor avea un echivalent pe segmentul procesoarelor pentru sisteme desktop.

Figura 3.32– Miezul procesorului Dunnington

În momentul de faŃă a devenit destul de clar faptul că unul dintre primele procesoare Intel

cu un design nativ multi-core va fi Bloomfield, un produs aparŃinând generaŃiei Nehalem. Din moment ce procesoarele Dunnigton vor conserva suportul pentru clasicul FSB (Front Side Bus), chiar dacă vor fi concepute cu ajutorul tehnologiei pe 45 nm, este uşor de ghicit că acestea vor fi obŃinute prin alăturarea unor nuclee din generaŃia Penryn. În fapt, Intel va combina într-o singură împachetare trei chip-uri dual-core Wolfdale, iar această construcŃie va fi înzestrată aşa cum am spus mai sus cu 16 MB de memorie partajată cache L3. Dezvoltat de specialiştii indieni, Dunnigton va putea fi utilizat pe platformele animate de două până la patru procesoare. Aşadar, pe un server cu patru procesoare Dunnigton vor putea fi exploatate până la 24 de nuclee de execuŃie. Împreună cu chipset-urile Clarksboro, procesoarele Dunnigton vor intra în compoziŃia platformei Caneland. Să mai spunem că sunt planificate mai multe variante Dunnigton, procesoare tactate la frecvenŃe diferite, iar TDP-ul celui mai puternic model nu va depăşi 120W.

4.4.2. AMD şi procesoarele cu mai mult de 2 nuclee

4.4.2.1. AMD şi potenŃialul procesoarelor STEPPING B3

ReprezentanŃii companiei din Sunnyvale au declarat vor mări gama frecvenŃelor de funcŃionare ale procesoarelor Phenom. Deşi comentarii clare referitoare la modificarea vitezei de operare nu au fost făcute, devine perceptibil faptul că îmbunătăŃirea potenŃialului în privinŃa frecvenŃelor de operare va depinde de ivirea procesoarelor bazate pe stepping-ul B3. Din dezvăluirile anterioare făcute pe marginea viitorului roadmap AMD se poate deduce că, procesoarele quad-core Phenom stepping B3 vor doborî limita de 2.5 GHz, într-un asemenea caz nivelul TDP al modelului Phenom 9850 (2.5 GHz) va fi egal cu 125 W.

Vicepreşedintele AMD, domnul Kevin Knox, a precizat despre planurile companiei referitoare la lansarea pe piaŃă a procesoarelor Barcelona bazate pe stepping-ul B3. AMD Barcelona foloseşte 4 (quad) centre de calcul (core) pe o singură placă de silicon, o tehnologie pe care corporaŃia o numeşte “quad-core nativ”. Potrivit reprezentanŃilor AMD, Barcelona va întrece

Page 134: CartedlComanescu Bun v1

134

gama Xeon 5300, a celor de la Intel. Chiar dacă discuŃiile s-au purtat în legătură cu procesoarele dedicate platformelor de tip server, trebuie să spunem că acest trend de dezvoltare se va reflecta, în acelaşi timp, şi în proliferarea variantelor desktop Phenom.

Kevin Knox a confirmat că livrările de procesoare Barcelona stepping B3 au început la sfârşitul lunii martie 2008, urmând ca sistemele bazate pe acestea să ajungă la consumatori în maxim o luna. Totodată, reprezentantul AMD a spus că procesoarele stepping B3 vor lucra la frecvenŃe de până la 2.3 GHz, specificaŃia TDP nefiind mai mare de 75W. Modele cu o frecvenŃă de 2.5 GHz şi un TDP de până la 105W îşi vor face apariŃia în următorul trimestru. Deşi aceste specificaŃii termice sunt proprii procesoarelor pentru servere, ele ne sugerează că varianta desktop Phenom 9850 (2.5 GHz) nu va fi chiar atât de fierbinte, mai ales dacă Ńinem seama că va fi certificată cu un TDP de 125 W.

Prima generaŃie de procesoare AMD pe 45 nm este obŃinută printr-o metodă de litografiere prin imersiune, fără utilizarea tranzistorilor de tip "high-k metal gate", aceştia din urmă fiind deja adoptaŃi de Intel pentru realizarea propriilor procesoare pe 45nm. Oricum, tranzitorii "high-k metal gate" reprezintă o opŃiune de care AMD ar putea să Ńină seama odată cu pregătirea procesoarelor pe 45 nm din a doua generaŃie (în 2009, probabil) sau în momentul trecerii la tehnologia pe 32 nm.

Figura 4.33 – Procesorul pe 45nm Deneb

AMD a fost în măsură să prezinte un sistem funcŃional bazat pe procesorul quad-core

Deneb (45nm). Site-ul PC Games Hardware este cel care ne oferă primele capturi de ecran care au ca subiect procesorul pe 45nm Deneb, varianta pentru Socket AM2+. Chiar dacă screenshot-ul din imaginea de mai jos nu ne oferă informaŃii despre frecvenŃe, iar tensiunea de alimentare a nucleului pare înfricoşător de înaltă, celelalte caracteristici ale amintitului procesor pot fi observate cu destulă claritate. Fiecare dintre cele patru nuclee de execuŃie beneficiază de câte 512 KB de memorie cache L2, în timp ce cantitatea de memorie partajată cache L3 creşte de la 2 MB la 6 MB. Mai mult decât atât, procesorul Deneb se bazează pe stepping-ul C0.

Aşadar, primele procesoare Phenom pe 45 nm, modele bazate pe nucleele Deneb (cu 6 MB de memorie cache L3) şi Propus (fără cache L3), au fost prezentate în semestrul al doilea al anului 2008 şi vor fi compatibile cu plăcile de bază Socket AM2+. Site-ul HKEPC Hardware ne oferă informaŃii că începând chiar din trimestrul al treilea al anului 2008 AMD va începe să lărgească gama modelelor experimentale de procesoare Phenom pe 45 nm, produse ale căror caracteristici vor fi apropiate de cele ale variantelor de serie, iar primele procesoare Deneb vor fi propuse amatorilor în octombrie-noiembrie, urmând ca mult mai accesibilele procesoare Propus, lipsite de memoria cache L3, să-şi facă intrarea în luna decembrie.

Legat de generaŃia de procesoare pe 45 nm Shanghai (nucleu rezervat viitoarelor Opteron), site-ul Hexus ne anunŃă că acestea vor fi cu 10% mai performante decât modele pe 65 nm cu frecvenŃe egale. Partenerii AMD vor recepŃiona în curând exemplare de procesoare pe 45

Page 135: CartedlComanescu Bun v1

135

nm, aşa că noile informaŃii care se vor scurge pe Internet ne vor permite să ne familiarizăm cu aceste produse înainte de apariŃia lor.

Figura 4.34 - Procesorul Phenom 9100e

Figura 4.35 – SpecificaŃiile tehnice ale procesorului AMD Phenom 9100 Imaginile procesorului Phenom 9100e (1.8 GHz), ne permit să ne familiarizăm cu

marcajul şi caracteristicile acestui produs AMD. În primul rând, la fel ca toate modelele din familia Phenom, varianta Phenom 9100e este compatibilă cu plăcile de bază Socket AM2+. Apoi, un aspect deosebit de interesant, s-ar părea că modelul de faŃă este realizat în săptămâna 51 a anului 2007.Marcajul de forma HD9100OBJ4BGD ne permite să înŃelegem că procesorul Phenom 9100e dispune de 4x512 KB de memorie cache L2 şi că se bazează pe revizia B2. La rândul său, screenshot-ul din Figura 4.35 ne dezvăluie că acest procesor beneficiază de 2 MB de memorie partajată cache L3, iar tensiunea nominală de alimentare este de aproximativ 1,1 - 1,15V.

Page 136: CartedlComanescu Bun v1

136

4.4.3. Procesoarele OPTERON cu 6 şi 12 nuclee AMD şi-a updatat roadmap-ul pentru lansarea de procesoare la serverele cu două

procesoare: un procesor cu 6 nuclee şi unul cu 12 nuclee de procesare. Noile procesoare vor fi fabricate în tehnologie de 45 nm, ce va fi introdusă odată cu noul procesor Quad-core Shanghai, bazat pe tehnologia Barcelona folosită şi acum. Procesorul va aduce beneficii de performanŃă şi reducerea consumului.

Din declaraŃiile vicepreşedintelui Randy Allen, Shanghai va aduce un plus de 20 % viteză faŃă de Barcelona. Cu toate ca, chipul rămâne compatibil cu platforma actuală Socket F(1207) , cache Level 3 va fi triplat la 6 MB, suport 3 linii HT3 va fi integrat şi frecvenŃa memoriilor DDR RAM va fi extinsă la 800 MHz. AMD pretinde ca noul consum în stare idle al procesorului va fi cu 20 % sub cel al unui procesor fabricat în tehnologie 65 nm.

ProducŃia de procesoare în tehnologie de 45 nm, care au fost deja date spre testare producătorilor de server, este preconizată să înceapă la sfârşitul acestui an, apariŃia lor pe piaŃa fiind aşteptată în primul trimestru din 2009. În a doua parte a anului 2009, AMD plănuieşte să lanseze un procesor 6-core Socket F cu nume de cod Istambul. Oferit la sisteme şi sau patru Socket, acest chip va fi setat la o viteză de ceas inferioară modelelor quad-core.

Figura 4.36 – SpecificaŃii tehnice AMD Opteron

O platformă complet nouă (diferită de Socket F) este plănuită sa fie lansată în 2010. Numită "Maranello", noua platformă AMD va face tranziŃia către memorii DDR 3 şi 4 linii HT3. Procesoarele multi - Socket vor include, monoliticul 6-core "Sao Paolo" cu 6 MB cache Level 3, noi capacităŃi hardware şi management mai avansat al consumului de curent, la fel şi procesorul dual-die Magny Cours 12-core, cu 12 MB cache Level 3. Ambele procesoare vor fi construite în tehnologia de 45 nm. Cel puŃin la acest moment dat, AMD nu anticipează nici un chipset Nvidia care să suporte această platformă şi spune că va cupla această platformă de procesoare cu northbridge-urile RD890S şi RD870S şi southbridge-ul SB700S, proprii.

Intel plănuieşte introducerea tehnologiei de 32 nm pentru procesoarele sale la sfârşitul anului 2009, iar AMD indică Sao Paolo Si Magny Cours începute în 45 nm la începutul lui 2010, dând impresia că tehnologia pe 32 nm va apare la ei, în a doua jumătate a lui 2010. Randy Allen a precizat întrebat în această problemă, ca deducŃia nu e neapărat adevărată de vreme ce procesoarele pentru servere nu reflectă întreaga gama de produse AMD.

Page 137: CartedlComanescu Bun v1

137

Allen susŃine că procesorul AMD de 75 W, Opteron 2356 este cu 20 % mai econom în materie de energie în stare idle, 14 % la încărcare 75 % şi 10 % la încărcare maximă decât procesorul Intel (45nm) 80 W, Seon 5540. Acesta a mai precizat ca procesoarele Opteron aduc în medie 13 % plus de performanŃa faŃă de concurenŃii de la Intel.

4.4.4. AMD SHANGHAI, procesorul cu 12 nuclee

Figura 4.37 - Procesorul Shanghai cu 12 nuclee

Figura 4.38 SpecificaŃii Intel Quad Core Nehalem şi AMD Quad Core Shanghai

Page 138: CartedlComanescu Bun v1

138

Dacă în urmă cu câŃiva ani, companiile producătoare de procesoare se întreceau în numărul de MHz, acum se tinde către “cine are cele mai multe nuclee”. AMD pregăteşte o surpriză de proporŃii, viitorul CPU AMD nume de cod Shanghai va deŃine 12 nuclee pe aceeaşi plăcuŃă de silicon. Procesorul va fi construit pe arhitectura de 45nm şi va include tehnologia Hypertransport 3.0.

4.4.5. Procesoare pentru platforme de calcul mobile FaŃă de un sistem desktop PC, un laptop are următoarele avantaje:

• mobilitate • rezistenŃă la şocuri • accesul rapid la reŃea (fie locală sau internet) • Dintre dezavantaje, cele mai importante sunt: • durată de funcŃionare continuă mică • performanŃe de calcul scăzute faŃă de cele ale sistemelor de tip desktop PC

Există multe firme care asamblează laptop-uri dar de-a lungul timpului numai câteva firme au produs procesoare destinate specific sectorului mobil. Acestea sunt Intel, AMD – Advanced Micro Devices, VIA, Cyrix şi Transmeta. În acest moment Intel este cel mai mare producător, dar trebuie menŃionat că pentru a se ajunge aici şi-au adus aportul şi alte companii dintre care unele nu mai există acum (Cyrix).

Atunci când au apărut, procesoarele pentru platforme mobile erau pur şi simplu procesoare pentru sisteme desktop care erau subalimentate şi foloseau tehnologia de împachetare TCP (Tape Carrier Package). Mai târziu Cyrix a introdus conceptul de System-On-A-Chip în lumea laptop-urilor, apoi mult mai târziu s-a ajuns la proiectarea aproape de la zero a procesoarelor destinate laptop-urilor.

Însă nu ne propunem să abordăm acum întreaga evoluŃie a procesoarelor dedicate platformelor mobile. Prin urmare vom spune doar câteva cuvinte despre noutăŃile pe piaŃă din acest segment şi mai precis vom preciza câteva aspecte teoretice legate de procesoarele dual core Atom și despre Centrino 2.

Până mai deunăzi se considera că producŃia de procesoare dual-core Intel Atom va începe în trimestrul al treilea al anului 2008, pentru ca ulterior să apară zvonuri care susŃineau posibilitatea ca un asemenea eveniment să fie amânat pentru ultimul trimestru al acestui an. Mai mult, persoane mai puŃin bine intenŃionate nu au pierdut ocazia de a distribui informaŃii legate de un eventual deficit de procesoare din familia Intel Atom, serie care se pare că suferă tocmai din cauza propriei popularităŃi. Cât de periculoasă va fi această tendinŃă vom afla atunci când vor începe livrările de produse bazate pe procesoare Atom.

ProducŃia de serie a versiunilor bi - nucleu Intel Atom a fost iniŃiată în lua iulie 2008. Primul model dual-core Atom operează la o frecvenŃă de 1.6 GHz şi continua să ofere suport pentru o tehnologie similară cu HyperThreading, inovaŃie care permite sporirea numărului de nuclee virtuale. Totuşi, în combinaŃie cu chipset-ul i945GC, specificaŃia TDP a respectivului procesor Intel Atom va creşte de la 12 W la 16 W. O valoare suficient de elevată în cazul unei platforme mobile; prin urmare, procesoarele dual core Atom din prima generaŃie îşi găsesc mult mai frecvent utilizarea pe segmentul dedicat soluŃiilor desktop ieftine.

Versiunile single core şi dual core Atom îşi păstrează compatibilitatea între ele, astfel încât, pentru a trece la folosirea unui model dual core, este de ajuns un upgrade de BIOS pentru placa de bază. Cu toate acestea, pentru utilizatorul final, o asemenea proprietate nu va fi chiar atât de utilă, din moment ce procesoarele Atom vor fi prinse direct de placa de bază. Creşterea specificaŃiei TDP va impune utilizarea unor sisteme de răcire mai serioase, chiar dacă în cea mai mare parte va fi vorba de radiatoare (răcire pasivă). Scurtarea perioadei dintre anunŃurile vizând lansarea procesoarelor Intel Atom cu un număr diferit de nuclee de execuŃie îi va forŃa pe

Page 139: CartedlComanescu Bun v1

139

producătorii de sisteme să acorde o mai mică atenŃie produselor bazate pe soluŃiile single core. Totuşi, în sectorul dedicat device-urilor mobile această tendinŃă nu ar trebui să fie atât de pregnantă.

Şi dacă gigantul din Santa Clara se grăbeşte cu versiunile dual core Atom, nu acelaşi lucru se poate spune despre mult-aşteptata platformă mobilă Centrino 2 (sau Montevina). Cu toate că, Montevina era preconizată luna iunie 2008 şi chiar dacă pe internet existau la acea vreme o mulŃime de descrieri ale notebook-urilor corespunzătoare acestei generaŃii, Intel a decis că este mai bine să întârzie anunŃul platformei mobile Centrino 2 prezentând-o abia în iulie 2008.

Motivele pentru care Intel a hotărât că este oportună o amânare constau într-o serie de probleme introduse de chipset-urile cu grafică integrată şi de adaptoarelor wireless. De altfel, nu este un secret faptul că Intel s-a chinuit multă vreme să pună la punct drivere corespunzătoare pentru unele dintre chipset-urile sale cu grafică integrată, aşa că nu este greu de crezut că această situaŃie a contribuit la întârzierea lansării platformei Centrino 2. În ceea ce priveşte adaptoarele fără fir, compania din Santa Clara a solicitat un răgaz suplimentar pentru testare şi certificare. Controller-ele WiFi 802.11 a/b/g constituie o parte fundamentală a specificaŃiilor stipulate pentru notebook-urile din generaŃia Centrino 2, iar pentru standardele 802.11n şi WiMAX s-ar părea că nu a sosit încă timpul.

De partea sa, compania AMD şi-a inaugurat platforma mobilă Puma în iunie 2008. Procesorul mobil Griffin, care face parte din configuraŃia platformei Puma, a primit numele de "Turion Ultra", iar chipset-ul cu circuit grafic încorporat RS780M (780G) este capabil să se apropie de plăcile grafice discrete Mobility Radeon 3450/3650/3850. Adaptoarele WiFi sunt propuse de producători tradiŃionali, ca Atheros, Broadcom sau Marvell, iar opŃional unele calculatoare portabile din generaŃia Puma vor fi echipate cu drive-uri solid-state (SSD-uri). Gama de notebook-uri din generaŃia Puma au dimensiuni cuprinse între limitele de 12.1" şi 17 ".

Figura 4.39 – Procesorul dual core Atom

În acest moment oferta software nu include foarte multe aplicaŃii optimizate pentru

procesoarele multi-core, iar cele care necesită rularea a două task-uri simultane sunt şi mai puŃine. Nici dezvoltatorii de software nu se înghesuie să lanseze aplicaŃii optimizate pentru noile procesoare, în prezent fiind extrem de puŃine cele care sunt optimizate chiar şi numai pentru Hyper Threading-ul de la Intel, nu mai vorbim pentru dual-core. Nici jocurile nu sunt într-o situaŃie mai bună, neexistând nici măcar unul optimizat pentru procesoare multi-core. E adevărat că asta ar necesita schimbarea totală a modului de programare al aplicaŃiilor, ceea ce ar costa enorm şi ar duce la creşterea, oarecum artificială, a preŃului aplicaŃiilor respective şi aşa scumpe, în marea lor majoritate. Acest aspect influenŃează foarte mult rata de adoptare a procesoarelor multi-core, care dacă ar beneficia şi de suportul software aferent, şi-ar dezvălui adevărata putere.

Page 140: CartedlComanescu Bun v1

140

4.5. Performanțele microprocesoarelor După cum se cunoaşte, procesorul (CPU) este componenta principală a unui sistem de

calcul, acesta fiind responsabil de rularea aplicaŃiilor de pe PC-ul respectiv. Se vor reda în continuare principalele caracteristici ce trebuiesc cunoscute la achiziŃionarea sau testarea unui CPU.

Tipul procesorului - În general, procesoarele sunt disponibile sub formă OEM (Original Equipament Manufacturer) şi sunt distribuite ca şi componente de sine stătătoare sau împreună cu un PC nou. Există şi o varietate de procesoare destinate actualizării (upgrade) unor sisteme mai vechi: procesoarele OverDrive de la Intel sau kit-urile de upgrade provenite de la PowerLeap.

Performance Rating (PR) - Acest termen este orientativ pentru utilizator şi reprezintă viteza la care trebuie să ruleze un procesor Intel Pentium clasic pentru a asigura o performanŃă echivalentă cu cea a procesorului testat. Evident, acest lucru nu se aplică procesoarelor 486 şi inferioare. În general, scorul este obŃinut prin rularea unui program de evaluare a performanŃelor (benchmark) devenit standard: WinStone.

Coprocesor - Este o unitate aritmetică specială care are capacitatea de a realiza calcule în virgulă mobilă mult mai rapid decât procesorul. În trecut era livrat sub forma unui cip separat care putea fi achiziŃionat de utilizatorii care foloseau programe ce aveau nevoie de calcule matematice intensive (foi de calcul, aplicaŃii inginereşti, CAD). Astăzi, el este inclus în orice procesor.

Clasa CPU - Se referă la clasa din care procesorul face parte. Pentru exemplificare se va considera că un procesor 286 face parte din generaŃia a 2-a, un procesor Pentium, K5 sau 6x86 fac parte din generaŃia a 5-a, iar Pentium II, K6, 6x86MII sunt reprezentanŃi ai generaŃiei a 6-a.

Revizia CPU - dă informaŃii privind modelul şi versiunea procesorului (model & stepping). Este de preferat ca la alegerea unui procesor să fie evitate primele versiuni dintr-o serie, deoarece s-a demonstrat de-a lungul timpului că acestea conŃin erori (bug-uri). Este de preferat alegerea unei versiuni mai vechi dar verificate sau aşteptarea certificării unei versiuni noi. Exemple în acest sens pot fi considerate atât prima versiune a procesorului Pentium cât şi ultima variantă de Pentium III la 1,13 GHz.

CPU Stepping/Mask - reprezintă versiunea măştii de siliciu care a fost utilizată pentru fabricarea procesorului. Acest detaliu este important de cunoscut, ştiindu-se că primele procesoare dintr-o serie anume suferă de o serie de bug-uri inerente.

Memoria internă - cache de nivel 1 (L1 cache) - Aceasta este împărŃită în două: cache pentru date şi cache pentru cod. Este o arhitectură specifică procesoarelor Pentium, existând şi procesoare din aceeaşi clasă (de ex. 6x86) care prezintă o memorie cache L1 unificată, atât pentru cod cât şi pentru date. Rolul acestei memorii este de a reŃine datele recent accesate, iar dimensiunea ei poate varia între 8-128 KB. În general, cu cât dimensiunea L1-cache este mai mare, cu atât este mai bine, acest lucru depinzând însă şi de procesorul ce o foloseşte. Cache-ul L1 rulează la viteza procesorului.

Memoria cache de nivel 2 (L2 cache) - Este o caracteristică prezentă în procesoarele avansate (Pentium II/III, AMD Athlon, etc.), acestea având integrată și acest tip de memorie, spre deosebire de procesoarele pentru Socket 7 (cu excepŃia lui AMD K6-III). Dimensiunea acestei memorii poate varia între 64 KB (AMD Duron) şi 2 MB (Pentium III XEON) sau mai mare. De asemenea, ea poate fi tactată la jumătate din viteza procesorului (ex. Pentium II) sau la întreaga viteză a acestuia (Celeron, K6-III, Pentium III, etc.). Se recomandă ca aceasta să fie cât mai rapidă.

Caracteristicile procesorului (Feature Flags) - Sunt caracteristici ale procesorului care se referă la îmbunătăŃirile aduse acestuia pentru lucrul cu anumite aplicaŃii specifice. În continuare se prezentă aceste caracteristici. S-au folosit denumirile în limba engleză, deoarece aşa sunt identificate de toate programele de test.

Page 141: CartedlComanescu Bun v1

141

Co-procesor built-in - Arată atunci când coprocesorul matematic este înglobat în procesor sau este prezent într-un cip separat. Această caracteristică trebuie să fie inclusă în toate procesoarele moderne.

Virtual Mode Extensions (VME) - Procesorul suportă extensiile pentru modul V86, fapt ce sporeşte în mod normal lucrul cu maşinile virtuale sub mediul Windows.

Debugging Extensions (DE) - Procesorul suportă puncte de oprire (breakpoints) în spaŃiul de adrese de intrare/ieşire (I/O).

Page Size Extensions (PSE) - Mărimea standard a unei pagini de memorie este de 4 KB. Unele procesoare (Pentium sau mai puternice sau echivalente), pot suporta diferite mărimi ale paginii. Acest lucru poate fi avantajos atunci când în sistem este instalată mai multă memorie fizică.

Time Stamp Counter - Este un contor intern al procesorului care este incrementat la fiecare ciclu al procesorului, fiind permise astfel măsurători de înaltă precizie.

Model Specific Registers (MSR) - Este o caracteristică a unor procesoare de a avea regiştrii interni caracteristici.

Physical Address Extension (PAE) - Procesorul suportă adrese fizice mai mari de 32 biŃi. Machine Check Exception (MCE) - Indică suportarea excepŃiei 18. CMPXCHG8B (CX8) - Este o instrucŃiune care permite compararea şi schimbarea a 8

bytes. APIC Built-in (APIC) - Acesta este un controler avansat de întreruperi foarte rapid şi care

poate fi utilizat pentru sisteme multi-procesor. Fast System Call (FSC) - Se referă la prezenŃa suportului pentru instrucŃiunile SYSCALL

şi SYSRET. Memory Type Range Registers (MTRR) - Sunt nişte regiştrii special concepuŃi pentru a

îmbunătăŃi performanŃele memoriei cache. Page Global Enable (PGE) - Indică faptul că procesorul suportă activarea/dezactivarea

globală a paginării. Machine Check Architecture (MCA) - Presupune existenŃa posibilităŃii procesorului de a

efectua un test intern. Conditional Move Instruction (CMOV) - Permite execuŃia condiŃională a instrucŃiunilor

fără salturi. Unique Serial Number (PSN) - Procesorul cu această proprietate deŃine un număr de serie

unic; acesta poate fi determinat prin software. A fost inclus în CPU-urile Intel Pentium III în scopul de a facilita identificarea unui utilizator în operaŃiile de tip e-commerce, etc. Totuşi, această caracteristică nu a fost primită cu entuziasm de către utilizatori, fiind înŃeleasă ca o măsură ce introduce lipsa de confidenŃialitate într-o tranzacŃie de acest fel. Astfel, în cele mai multe cazuri, se preferă dezactivarea acestei opŃiuni.

MMX Technology - Reprezintă un set de instrucŃiuni introduse de Intel cu scopul de a accelera aplicaŃiile multimedia. Totuşi, simpla prezenŃa a acestor instrucŃiuni nu are posibilitatea de a accelera aceste aplicaŃii, fiind nevoie de scrierea aplicaŃiilor astfel încât să beneficieze de aceste 57 noi instrucŃiuni. Filozofia pe care se bazează conceptul MMX se numeşte SIMD (Single Instruction Multiple Data), astfel fiind permisă prelucrarea de date multiple cu ajutorul apelării unei singure instrucŃiuni. Aceste instrucŃiuni MMX au constituit un succes relativ; datorită faptului că ele se referă la operarea cu întregi, ele şi-au găsit întrebuinŃarea în aplicaŃii pentru prelucrarea grafică. Totuşi, procesoarele capabile să beneficieze de avantajele tehnologiei MMX sunt mai rapide decât cele care nu au această posibilitate, deoarece deŃin o memorie cache de o dimensiune mai mare decât în mod normal: 32 KB pentru procesoarele de la Intel şi 64 KB pentru cele de la AMD şi Cyrix.

Extended MMX Technology - Extensii adăugate setului de instrucŃiuni MMX de către fabricantul de procesoare Cyrix.

Page 142: CartedlComanescu Bun v1

142

3DNow! Technology - Set de instrucŃiuni adăugate de AMD procesoarelor K6-2 şi superioare, în scopul accelerării aplicaŃiilor multimedia ce necesită prelucrări 3D intensive. Spre deosebire de instrucŃiunile MMX, 3DNow! lucrează cu date în virgulă mobilă. Suportul pentru aceste instrucŃiuni este inclus în versiunea 6 a DirectX şi în cele superioare.

Streaming SIMD (SSE) Technology - Constituie un set adiŃional de instrucŃiuni MMX adăugate de Intel în procesoarele Pentium III şi superioare. Acestea sunt implementate în scopul accelerării aplicaŃiilor multimedia (ca şi cele 3DNow! de la AMD), suportul pentru utilizarea acestora regăsindu-se în versiunea 6.1 a DirectX şi în cele superioare. Şi aceste instrucŃiuni operează cu date în virgulă mobilă, putându-se ajunge la executarea a 4 astfel de instrucŃiuni pe ciclu de procesor, lucru valabil şi pentru procesoarele de la AMD ce suportă 3DNow!. Problema care apare în această situaŃie se referă la aplicaŃiile software care nu sunt întotdeauna optimizate pentru ambele seturi de instrucŃiuni (3DNow! de la AMD sau SSE de la Intel), utilizatorul urmând să aleagă un procesor în funcŃie de aplicaŃia cu care lucrează cel mai mult. Astfel s-a ajuns la o separare a pieŃei în funcŃie de software-ul ce poate fi rulat în condiŃii optime pe anumite procesoare.

În continuare se prezentă o serie de considerente de care trebuie să se Ńină seama atunci când se procedează la asamblarea, depanarea sau întreŃinerea unui sistem de calcul. Considerentele se referă la condiŃiile pe care trebuie să le îndeplinească un sistem de calcul pentru a face faŃă aplicaŃiilor moderne.

SMBIOS/DMI (System Management sau Desktop Management Interface). Aceasta este o opŃiune a BIOS-ului inclus în ultimele versiuni de plăci de bază care face posibilă reglarea sistemului pentru obŃinerea nivelului optim de performanŃă prin mijlocirea sistemului de operare. Dacă totuşi, această posibilitate nu este implementată în versiunea actuală a unei plăci de bază de fabricaŃie recentă, se poate încerca reactualizarea versiunii de BIOS.

BIOS Date. În principiu, este bine ca BIOS-ul de pe placa de bază să nu fie mai vechi de 3 ani. În cazul în care acest lucru se întâmplă totuşi, este recomandată actualizarea acestuia.

Performance. Sistemul de operare Windows 95 (sau mai nou) necesită un procesor de clasă 5x86 (Pentium) pentru a rula la parametrii optimi.

Plug & Play. Pentru funcŃionarea şi configurarea optimă a hardware-ului actual este necesară existenŃa unei componente BIOS care să suporte modul de configurare automată a unei plăci de extensie în momentul instalării acesteia în PC (Plug & Play). Din nou, un update de BIOS poate rezolva situaŃia şi în acest caz, cu condiŃia ca placa de bază să facă parte dintr-o generaŃie relativ recentă (ex. ultimele sisteme 486 şi Pentium).

CPUID. Procesoarele mai vechi (386, 486) nu suportă instrucŃiunea de identificare a procesorului (CPUID). Aceasta este necesară pentru rularea anumitor aplicaŃii. În această situaŃie este recomandat un upgrade al procesorului. De asemenea, procesoarele Cyrix 6x86 au această problemă, în acest caz fiind necesară aplicarea unui patch (petec software) pentru a determina o anumită aplicaŃie să-l recunoască în mod corect.

MMX. Majoritatea jocurilor moderne precum şi aplicaŃiile multimedia de ultimă generaŃie au posibilitatea de a rula mai rapid (cu 10-20%) pe un procesor care dispune de tehnologie MMX. Acest lucru se întâmplă chiar şi atunci când programul respectiv nu este optimizat pentru folosirea instrucŃiunilor MMX, creşterea de performanŃă în acest caz fiind generată de arhitectura nouă a procesoarelor capabile de execuŃia instrucŃiunilor MMX. Pentru obŃinerea acestor îmbunătăŃiri se recomandă upgrade-ul la o versiune de procesor ce suportă acest set de instrucŃiuni. Dacă placa de bază (obligatoriu pentru Pentium, deci cu Socket 7) suportă alimentarea duală (dual-voltage), atunci se poate cumpăra un procesor normal, în caz contrar (single-voltage) se impune achiziŃionarea unui procesor din seria OverDrive.

Pentium Bug. Sub acest nume se ascunde defectul de coprocesor matematic întâlnit în primele versiuni ale procesorului Pentium. Pentru înlăturarea acestui neajuns se recomandă evitarea achiziŃionării unui procesor Pentium 60 (66) MHz. Pentru remedierea sistemelor de calcul

Page 143: CartedlComanescu Bun v1

143

care deŃin acest procesor se recomandă contactarea Intel Corp. în vederea unei înlocuiri gratuite a cipului defect.

Enhanced Disk Drive Specification. Aceasta este o specificaŃie implementată în modelele mai noi de BIOS-uri şi care aduce un suport pentru unităŃi de hard disc de capacitate mai mare de 8 Gb. În cazul în care BIOS-ul prezent într-un sistem dat nu suportă aceste hard discuri se poate proceda la actualizarea acestuia prin procedeul flash.

Processor Performance. Această noŃiune se referă la posibilitatea de a instala procesoare moderne pe o placă de bază existentă. De exemplu, pe anumite plăci de bază cu Socket 7 se pot instala anumite procesoare din gama K6-2; se obŃine astfel un nivel de performanŃă superior fără a fi necesară o investiŃie suplimentară într-o nouă placă de bază.

BIOS Shadowing. Shadowing-ul este o tehnică prin care se permite copierea conŃinutului BIOS-ului din memoria E(E)PROM lentă în mai rapida memorie RAM; se obŃine astfel o performanŃă mai mare pentru anumite programe ce apelează direct funcŃiile BIOS-ului (în special cele DOS).

BIOS update. Posibilitatea de a folosi funcŃii noi cu acelaşi chipset al aceleiaşi plăci de bază, cum ar fi recunoaşterea unor tipuri noi de procesoare sau îmbunătăŃirea performanŃelor, poate fi realizată prin procedeul de actualizare a BIOS-ului. Însă, în cazul în care componenta BIOS este lipită direct pe placa de bază (nu este montată într-un soclu specific) există pericolul de a fi distrusă iremediabil în urma unei proceduri de actualizare nereuşite. De asemenea, conŃinutul BIOS-ului mai poate fi distrus şi de către anumite tipuri de viruşi, cum ar fi cei din familia CIH. Dacă în urma unei distrugeri cauzată de un virus nu se mai poate face nimic, în cazul unui update nereuşit se poate încerca folosirea opŃiunii de auto - recuperare prezentă în unele versiuni de BIOS (în special în cele produse de compania AWARD). Dacă se doreşte realizarea unui update de BIOS cu un risc cât mai redus se poate folosi opŃiunea de evitare a programării blocului de boot.

CPU temperature. Este bine ca placa de bază să aibă implementat un senzor pentru monitorizarea temperaturii procesorului. În cazul în care acesta există, este bine să se realizeze programarea acestuia (prin utilitarul software aferent sau direct din BIOS) astfel încât să atenŃioneze utilizatorul atunci când procesorul atinge în timpul funcŃionării temperaturi prea mari (de exemplu peste 70°C). Dacă placa de bază nu dispune de un astfel de senzor, supraîncălzirea unui procesor poate fi suspectată atunci când apar blocări repetate ale sistemului de calcul. Acest fenomen poate avea mai multe cauze: • funcŃionare defectuoasă a sistemului de răcire al procesorului - (cooler blocat sau descentrat); • procesor supraturat - operaŃia prin care se realizează acest lucru poartă numele de

overclocking şi se realizează în scopul determinării unui procesor să ruleze la o frecvenŃă de tact mai mare decât cea care a fost specificată de către fabricantul acestuia, în scopul îmbunătăŃirii performanŃelor întregului sistem. Există astfel posibilitatea ca într-un sistem de calcul dat să existe un astfel de procesor supraturat; acesta prin încălzirea excesivă să conducă la blocarea sistemului de calcul;

• procesor supra- alimentat - de obicei, acest lucru se întâmplă tot atunci când se recurge la overclocking, în speranŃa că procesorul astfel forŃat va face mai bine faŃă situaŃiei. Se recomandă în acest caz readucerea procesorului la regimul de funcŃionare prescris de producător.

• alimentare deficitară a procesorului - acest lucru apare în unele cazuri, atunci când pe placa de bază se folosesc regulatoare de tensiune liniare. Procesoare foarte sensibile la fluctuaŃiile tensiunii de alimentare (ex. 6x86, K5, K6) au nevoie de o placă de bază dotată cu regulatoare de tensiune în comutaŃie (switching regulators).

ECC for L2 cache - Procesoarele moderne (Celeron, Pentium II/III) dispun de o memorie cache de nivel 2 cu posibilitatea de corectare a erorilor prin procedeul ECC. Se recomandă activarea acestei opŃiuni de corecŃie pentru câştigarea unui plus de stabilitate în funcŃionare a sistemului de calcul.

Page 144: CartedlComanescu Bun v1

144

În vederea identificării şi testării diverselor procesoare instalate în sistemele de calcul stau la dispoziŃie o serie de utilitare. Se prezintă câteva dintre acestea. 1) SiSoft Sandra

Acest program utilitar deŃine un modul foarte bine pus la punct pentru identificarea procesoarelor precum şi a capabilităŃilor acestora. În afară de acest lucru, sunt oferite şi câteva sugestii aplicabile în vederea îmbunătăŃirii performanŃelor. Acelaşi modul este capabil de a oferi informaŃii referitoare la componenta BIOS a plăcii de bază; aceste informaŃii sunt utile atunci când se doreşte identificarea versiunii de BIOS în vederea realizării unei actualizări. În Figura 4.40 este prezentat un exemplu de rezultat obŃinut cu acest utilitar.

Figura 4.40

Figura 4.41

Page 145: CartedlComanescu Bun v1

145

2) DR. Hardware (Peter Gebhard) Acest utilitar este un program specializat în diagnoza hardware-ului instalat în

calculatoarele personale de tip PC. Varianta shareware a acestuia poate fi descărcată de la adresa: http://www.shareit.com. Include module pentru testarea verificării funcŃionării componentelor, pentru culegerea de informaŃii legate de modelul şi tipul acestora precum şi module de evaluare a performanŃelor (benchmarks) obŃinute de către componentele de bază ale unui PC: procesor, memorie, cache, hard disc, CD-ROM, placă grafică, etc. În Figura 4.41 este arătat rezultatul obŃinut cu acest program în urma investigării facilit ăŃilor suportate de procesorul aflat într-un sistem de calcul. În Figura 4.41 este prezentat rezultatul investigării modelului componentelor BIOS ce aparŃin atât plăcii de bază cât şi plăcii grafice. Este necesară cunoaşterea caracteristicilor acestor componente prin prisma unei eventuale actualizări în scopul suportării mai multor facilităŃi sau pentru corectarea funcŃionării defectuoase a unor caracteristici deja existente.

Figura 4.42

În Figura 4.42 este arătat rezultatul obŃinut cu acest program în urma investigării

facilităŃilor suportate de procesorul aflat într-un sistem de calcul.. În Figura 4.43 este prezentat rezultatul investigării modelului componentelor BIOS ce aparŃin atât plăcii de bază cât şi plăcii grafice. Este necesară cunoaşterea caracteristicilor acestor componente prin prisma unei eventuale actualizări în scopul suportării mai multor facilităŃi sau pentru corectarea funcŃionării defectuoase a unor caracteristici deja existente.

Este de remarcat faptul că acest program deŃine şi o variantă ce rulează sub sistemul de operare MS-DOS, care îşi află utilitatea atunci când în sistemul de calcul nu este instalată nici o versiune de Microsoft Windows.

Pe Internet se pot găsi o serie întreagă de utilitare freeware sau shareware destinate identificării procesorului existent într-un sistem de calcul. Ele nu au funcŃionalitatea întâlnită la programele profesionale destinate diagnosticării hardware, însă au avantajul de a fi disponibile la un preŃ mult mai mic decât acestea. În Figura 4.43 este prezentat un exemplu de astfel de program care poate fi folosit cu succes la determinarea procesoarelor până la generaŃia a 6-a (inclusiv Pentium II, Cyrix 6x86MX, AMD K6).

În Figura 4.43 se poate observa că acest utilitar, în particular şi cele concepute să ruleze sub sistemul de operare MS-DOS în general, pot oferi informaŃii eronate atunci când sunt executate sub sistemul de operare Windows, în acest caz se poate observa detectarea incorectă atât

Page 146: CartedlComanescu Bun v1

146

a modelului procesorului (K 6-2), cât şi a frecvenŃei interne a acestuia (959,9 MHz în loc de 500 MHz).

ObservaŃie: Pentru testarea procesoarelor şi a componentelor hardware moderne se recomandă folosirea de utilitare destinate folosirii sub sistemul de operare Windows 9x/Me. Nu se recomandă de asemenea testarea acestor componente sub sistemul de operare Windows NT, deoarece, datorită măsurilor de protecŃie folosite de acesta pentru a asigura o stabilitate crescută a sistemului în funcŃionare, este interzis accesul direct la componentele hardware, situaŃie ce poate conduce la generarea de rezultate cu o slabă acurateŃe. În mod normal, se obişnuieşte folosirea câtorva programe utilitare pentru testarea aceleiaşi caracteristici, deoarece unele dintre acestea se pot afla în imposibilitatea de a identifica în mod corect anumite componente hardware de fabricaŃie mai recentă, etc.

Fig. 4.8

Figura 4.43

Page 147: CartedlComanescu Bun v1

147

5. Sisteme de răcire a componentelor din cadrul sistemelor de calcul

În unitatea centrală a unui sistem de calcul, fie desktop fie notebook, o multitudine de

componente (procesorul, chipsetul, placa grafică şi hard-disk-ul) produc cantităŃi mari de căldură în timpul funcŃionării. Această căldură trebuie să fie disipată pentru a menŃine componentele în limite corespunzătoare de temperatură. În acest scop sunt utilizate diferite metode constructive de răcire şi în plus se pot adăuga diverse componente adiŃionale. Acest lucru este în mare parte îndeplinit folosind radiatoare (pentru a mări suprafaŃa pe care se disipă căldura), ventilatoare (pentru a mări /accelera schimbul aerului încălzit de componentele calculatorului cu aerul mai rece din mediul înconjurător) iar în unele cazuri (în special la procesoare) utilizarea de „softcoolers” (răcire Software).

Componentele supraîncălzite au o viaŃă mai scurtă şi pot produce erori aleatoare ce conduc la blocarea sau chiar defectarea sistemului.

În trecut, microprocesoarele puteau să funcŃioneze fără ajutorul unui radiator pentru răcire. O dată cu introducerea de către Intel a primelor procesoare Pentium, acestea degajau o cantitate considerabilă de căldură comparativ cu procesoarele anterioare, dar specificaŃiile acestora permiteau să funcŃioneze fără nici un element special de disipare a căldurii. După ceva timp, procesoarele aveau nevoie de cel puŃin un element de răcire pasivă, şi anume de un radiator pentru a funcŃiona fără probleme.

În ultimii 4-5 ani, utilizarea unui sistem de răcire compus dintr-un radiator şi un ventilator pentru a asigura un flux de aer rezonabil prin lamelele radiatorului, a devenit o necesitate pentru buna funcŃionare a procesoarelor moderne,

Motivul acestei tranziŃii este simplu. Creşterea frecvenŃei de lucru a procesoarelor, frecvenŃă ce nu mai este măsurată în hertz sau megahertz, ci în gigahertz, a condus spre necesitatea disipării unei cantitatea mari de căldură (50-150 W). Pentru a putea disipa această cantitate enormă de energie termică generată de procesor, acesta are nevoie de sisteme de răcire voluminoase sau extrem de sofisticate. Aceste sisteme de răcire trebuie să fie montate pe procesor, cât mai aproape de acesta, deoarece întreruperea legăturii de transfer a căldurii dintre procesor şi sistemul de răcire duce la incapacitatea disipării căldurii generate de acesta, iar procesorul se va supraîncălzi, fapt ce poate duce chiar la distrugerea acestuia.

5.1. Cauzele acumulării de căldur ă Cantitatea de căldură generată de un circuit integrat (ex. procesor sau procesor grafic),

este principala cauză a acumulării de căldură în calculatoarele moderne. Această cantitate este funcŃie de eficienŃa proiectării, tehnologia folosită în fabricare, frecvenŃa şi voltajul la care operează.

Figura 5.1 - Praful acumulat pe radiatorul unui notebook după 4 ani de utilizare, a dus la

imposibilitatea utilizării acestuia datorită întreruperilor cauzate de supraîncălzire

Page 148: CartedlComanescu Bun v1

148

În timpul funcŃionării, nivelul temperaturii componentelor unui calculator va creşte până când gradientul de temperatură dintre componente şi mediul înconjurător este suficient de mare, încât fluxul de căldură din interior este egal cu cel generat, iar temperatura componentelor calculatorului ating un echilibru termic.

Pentru o funcŃionare optimă, temperatura de echilibru trebuie să fie suficient de mică, astfel încât structura circuitelor din calculator să nu se supraîncălzească.

Figura 5.2 - Zona de acumulare a căldurii intr-un sistem notebook - imagine realizată cu ajutorul

unei camere cu infraroşu - Acumularea de căldură poate fi cauzată de un sistem de răcire ineficient dar şi de

obstrucŃionarea sistemului de răcire din cauze cum ar fi: • praful depus pe componente - are efectul unui izolator termic sau poate împiedica curgerea

aerului, fapt ce reduce performanŃele radiatorului şi a ventilatorului. • o ineficientă curgere a aerului - datorită frecării aerului asociată cu o curgere turbulentă se

reduce cantitatea de aer ce traversează o carcasă, putând chiar forma vârteje de aer cald în anumite zone. Acest lucru este în general cauzat de o proiectare necorespunzătoare a carcasei sistemului de calcul.

• lipsa spaŃiului în jurul sistemului de răcire - poate duce la incapacitatea ventilatorului de a prelua volumul de aer necesar pentru o răcire corespunzătoare. Cea mai frecventă problemă este aceea a lipsei spaŃiului în faŃa ventilatorului (în special în cazul sistemelor notebook).

IneficienŃa sistemelor de răcire, poate fi datorată şi din cauza utilizării unei soluŃii de răcire neadecvate cum ar fi: • un ventilator cu turaŃie şi volum de aer redus va reduce performanŃa unui sistem de răcire

indiferent de soluŃia aleasă şi de mărimea acestuia, deoarece un astfel de ventilator nu este capabil de a împinge un volum de aer suficient de mare (acest lucru este valabil în cazul componentelor ce generează o cantitate mare de căldură).

• utilizarea unui radiator de mărimi reduse nu poate face faŃă în cazul unei componente ce generează o cantitate mare de căldură încălzindu-se rapid, chiar prin utilizarea unui ventilator puternic

• aplicarea unei paste de contact cu coeficient mic de transfer de căldură poate duce la supraîncălzirea componentei indiferent de performanŃa ansamblului radiator-ventilator; datorită transferului slab de căldură de la componentă către ansamblul radiator-ventilator.

Page 149: CartedlComanescu Bun v1

149

5.2. Cauzele tipice defectării sistemului de răcire Nu toată lumea îşi asamblează calculatorul ei însăşi, în special sistemele notebook. Unele

persoane nici nu s-ar gândi în a deschide carcasa calculatorului pentru a da o privire în interior. Aceşti utilizatori de calculatoare îşi cumpără în general sisteme complete fie de la un magazin specializat, un supermarket sau prin comanda online. În toate aceste situaŃii, calculatorul trebuie să fie transportat acasă, fie de cumpărător fie de un curierat. Sunt multe cazuri în care, în timpul unui transport impropriu, radiatorul fiind fixat prost pe procesor, se desprinde din locaş şi cade în carcasă. Rezultatul este un ecran negru când sistemul este pornit pentru prima dată. În unele cazuri această problemă se poate rezolva uşor prin repunerea radiatorului pe procesor, dar în multe cazuri procesorul nu a supravieŃuit acestei prime porniri a sistemului. În această situaŃie, procesorul trebuie schimbat, fapt ce poate cauza multe dispute în cazul în care magazinul nu acceptă schimbarea gratuită a acestuia.

Desprinderea radiatorului este o întâmplare rară în cazul sistemelor notebook, dar nu este inexistentă. În general desprinderea radiatorului de pe procesorul unui sistem notebook se produce în cazuri extreme, de exemplu scăparea sistemului pe jos. O altă cauză poate fi o proastă prindere la asamblarea notebook-ului, şi desprinderea să se producă în timpul transportului sau chiar în timpul utilizării la o mişcare bruscă. Procesorul unui notebook este conceput de a-şi modifica frecvenŃa în funcŃie de utilizare şi temperatură, de aceea posibilitatea distrugerii acestuia în cazul desprinderii radiatorului este aproape nulă.

Utilizatorii înfocaŃi ai calculatoarelor, nu le este teamă să umble în calculatorul lor. MulŃi dintre aceştia încercă să stoarcă mai multă performanŃă din procesor prin supra tactarea acestuia. Aceştia sunt conştienŃi de faptul că sistemul de răcire al procesorului este un factor foarte important, şi de aceea investesc sume foarte mari în soluŃii de răcire cu radiatoare uriaşe. Aceste radiatoare au o singură problemă majoră: în general sunt extrem de grele fiind construite din cupru. Dacă sistemul de prindere a acestui radiator nu este extrem de bine realizat, sau sistemul de prindere de pe placa de bază nu este destul de rezistent, radiatorul se poate desprinde, ducând la distrugerea procesorului.

Avantajul sistemelor notebook este acela că radiatorul instalat nu poate fi schimbat cu altul mai mare datorită spaŃiului restrâns, şi în plus, aceste sisteme în general nefiind vizate unor utilizatori înfocaŃi.

Principala problemă a sistemelor de răcire în final rămâne defectarea ventilatorului. Mare parte din ansamblurile radiator-ventilator cu preŃuri scăzute folosesc rulmenŃi de o calitate extrem de redusă pentru susŃinerea axului ventilatorului. Din această cauză, asociat cu praful adunat de ventilator, rulmentul uzat se blochează determinând reducerea rotaŃiei ventilatorului. Fluxul de aer din jurul radiatorului scade aproape de zero, încât nu va trece mult timp şi temperatura procesorului ajunge la un punct critic după care acesta nu mai poate funcŃiona corespunzător şi se va bloca. În cel mai rău caz posibil procesorul se poate defecta.

Există situaŃii în care, în cazul defectării ventilatorului, radiatorul folosit este capabil să asigure minimul necesar de răcire, menŃinând temperatura procesorului în limita superioară de funcŃionare a acestuia, fapt pozitiv deoarece nu permite distrugerea procesorului, pentru moment. . Dacă ventilatorul nu funcŃionează o perioadă îndelungată de timp, căldura acumulată de acesta în timpul funcŃionării va mări temperatura sistemului, ducând spre supra încălzirea tuturor componentelor din calculator. Componentele ce sunt mai sensibile la funcŃionarea în regim de temperaturi mari vor începe să cedeze. Componenta cea mai afectată de lucrul în mediu cu temperaturi mari este hard-disk-ul, acesta fiind o componentă mecanică solicitată în mod continuu; încât, încălzirea la temperaturi ridicate şi răcirea repetată a acestuia va duce la deteriorarea prematură a componentelor mecanice, a platanelor, sau a datelor stocate pe acesta.

Page 150: CartedlComanescu Bun v1

150

5.3. Răcirea sistemului de calcul

5.3.1. Răcirea cu aer Orice metodă folosită pentru a pune în mişcare aerul din carcasă sau către carcasa unui

calculator este considerată a fi răcire cu aer. Ventilatoarele sunt cele mai frecvent folosite pentru a realiza acest lucru. Termenul de ventilator de sistem general se referă la ventilatoarele ataşate la carcasa calculatorului, cu rolul şi de a ajuta alte ventilatoare din sistem, cum ar fi ventilatorul de pe procesor, al plăcii video, al chipset-ului, al sursei de alimentare, al hard-disk-ului sau a unuia de pe slotul PCI. Mărimile uzuale ale ventilatoarelor utilizate într-un calculator sunt: 60, 80, 92 şi 120 mm.

Sistemele desktop în general folosesc unul sau mai multe ventilatoare pentru managementul căldurii. Toate sursele din sistemele desktop au cel puŃin un ventilator ce evacuează aerul din carcasă. Majoritatea producătorilor recomandă aducerea de aer rece, proaspăt prin faŃa carcasei în partea de jos, şi evacuarea aerului cald prin spatele carcasei în partea de sus.

Dacă se introduce în carcasă un volum de aer mai mare decât cel ce este evacuat (datorită unui dezechilibru în numărul ventilatoarelor), se produce fenomenul cu denumire “flux de aer pozitiv”, caz în care presiunea din interiorul unităŃii este mai mare decât cea din exterior. Un flux de aer echilibrat sau neutru este mai eficient, deşi un flux uşor pozitiv are ca rezultat o acumulare mai redusă de praf dacă se folosesc filtre.

Asemănător sistemelor desktop, sistemele notebook folosesc ventilatoare pentru a menŃine temperatura din interiorul acestuia cât mai redusă. Datorită spaŃiului redus dintr-un notebook, în general există un singur ventilator ce ajută în circularea aerului din întreaga incintă a notebook-ului, şi anume ventilatorul sistemului de răcire al procesorului. Există şi sisteme notebook ce au implementate ventilatoare suplimentare, dar acestea în general sunt specifice notebook-urilor de mărimi mai mari.

5.3.2. Răcirea prin submersiune în lichid Calculatoarele de tip server, ce au procesoare şi componente ce disipă o cantitate mare de

căldură, mai folosesc şi radiatoare pentru a îmbunătăŃi schimbul de căldură dintre componentă şi lichid.

Figura 5.3 Sistem răcit cu lichid

Page 151: CartedlComanescu Bun v1

151

O abordare neobişnuită este de a submersa componentele calculatorului într-un lichid conductor din punct de vedere termic. Calculatoarele personale ce sunt răcire în această manieră, în general nu necesită ventilatoare sau pompe şi pot fi răcite pasiv, exclusiv prin schimbul de căldură dintre componenta calculatorului, fluidul de răcire şi aerul din mediul înconjurător.

Lichidul trebuie să aibă o conductivitate electrică foarte redusă pentru a nu împiedica funcŃionarea normală a componentelor calculatorului. Dacă lichidul este cât de cât conductiv din punct de electric, este necesară izolarea anumitor componente ce sunt susceptibile la interferenŃa electromagnetică, cum ar fi procesorul. Din aceste motive, este de preferat utilizarea unui lichid ce este dielectric. Producătorul 3M a realizat şi produs câteva lichide special concepute pentru a fi folosit în acest scop, de exemplu Flourinert. Diverse tipuri de uleiuri printre care şi uleiul de gătit, de motor, sau din silicon, au fost folosite cu succes pentru răcirea calculatoarelor personale.

Evaporarea poate fi o problemă în acest sistem de răcire, lichidul necesitând să fie verificat periodic şi dacă este cazul completat, fiind de preferat a se realiza închiderea sistemului într-o carcasă ermetică.

5.3.3. Reducerea căldurii reziduale În locurile unde calculatoarele de ultimă generaŃie nu sunt necesare, unele companii aleg

folosirea unor sisteme de calcul mai puŃin performante sau a unor sisteme de calcul cu mai puŃine facilităŃi. De exemplu: într-un mediu de birouri, departamentul de IT poate să aleagă un sistem subŃire sau o staŃie de lucru fără discuri, iar prin acest mod se elimină componentele ce produc căldura cum ar fi hard-disk-ul şi unităŃile optice. Aceste unităŃi de asemenea sunt alimentate direct de la o sursă de curent externă (aceasta produce căldura dar nu în interiorul calculatorului).

Componentele pot avea un efect major în consumul de energie şi prin acest lucru şi a căldurii degajate. O placă de bază cu un procesor VIA în general degajă aproximativ 25 W de căldură, faŃă de o placă de bază cu un procesor Pentium 4 ce degajă în medie 140W. În timp ce procesorul VIA are o putere de calcul mai redusă, amândouă sunt adecvate şi suficient de rapide pentru sarcini de tipul editării de text şi calculul tabelar. Alegerea unui monitor LCD în locul unui CRT de asemenea reduce consumul de energie şi excesul de căldură.

5.3.4. Răcirea conductivă şi prin radia Ńie În sistemele notebook datorită spaŃiului restrâns unele componente, cum ar fi hard discul,

unităŃile optice chiar şi unele integrate, în general sunt răcite prin contactul direct al acestora cu carcasa sistemului, în acest mod mărind suprafaŃa prin care se poate degaja sau se transferă căldura.

Pe lângă răcirea sistemului, anumite componente au nevoie de un sistem de răcire propriu. Componente ce sunt răcire individual sunt de exemplu: procesorul, procesorul grafic, hard-disk-ul şi cipul punŃii de nord.

5.3.4.1. Răcirea pasivă cu radiatoare

Acest lucru presupune prinderea de zona ce trebuie răcită a unui bloc de metal prelucrat. Se poate folosi un adeziv, dar în general în cazul procesoarelor din calculatoarele persoane este folosită o clemă pentru a fixa radiatorul deasupra chip-ului, având între acestea o peliculă sau un gel ce este conductiv din puncte de vedere termic. Acest bloc are în general lamele şi cute pentru a mări aria suprafeŃei. Conductivitatea termică a metalului este mult mai bună decât a aerului şi capacitatea acestuia de a radia căldură este mai bună decât a componentei pe care o protejează (în general un circuit integrat sau un procesor). În trecut, radiatoarele erau realizate din aluminiu, dar o dată cu creşterea puterii disipate de componentele electronice, au apărut radiatoare din aluminiu cu inserŃii de cupru sau radiatoare realizate în întregime din cupru.

Page 152: CartedlComanescu Bun v1

152

Figura 5.4 - Radiator

Radiatoarele îşi pierd din eficienŃă odată cu trecerea timpului datorită acumulării de praf

între lamelele de metal, fapt ce reduce eficienŃa cu care radiatorul transferă căldura către mediul ambiant. Acumularea de praf este frecvent eliminată folosind aer comprimat pentru a sufla praful împreună cu orice alt material nedorit de pe radiator.

Răcirea pasivă doar cu radiatoare este în general întâlnită la procesoarele vechi, componente ce nu se încing foarte mult (cum ar fi puntea de nord) şi în calculatoarele cu putere de calcul scăzuta.

5.3.4.2. Răcirea activă cu radiatoare

Figura 5.5 Un radiator Zalman pentru procesor. Zgomotul este redus folosind un ventilator mare, cu turaŃie redusă

Acestea folosesc aceleaşi principii ca şi cele pasive, dar au în plus un ventilator ce suflă aer peste sau prin radiator. Ventilatorul are ca rezultat un volum de aer mai mare circulat peste radiator, iar în acest mod este mărit gradul de transfer al căldurii dintre radiator şi mediul ambiant. Răcirea activă este principala metodă de răcire a procesorului sau a plăcii video din calculatoarele moderne.

5.3.4.3. Răcirea cu element Peltier sau TEC

În 1821, T.J. Seebeck a descoperit că diferite metale ce sunt conectate la două joncŃiuni diferite vor produce un micro - voltaj dacă cele două joncŃiuni sunt Ńinute la temperaturi diferite. Acest efect este cunoscut ca „Efectul Seebeck” şi este teoria ce stă la baza TEC (termoelectric cooler – răcitor termoelectric).

Page 153: CartedlComanescu Bun v1

153

În 1834, cercetătorul Jean Peltier a descoperit inversul efectului Seebeck, ce este acum cunoscut ca „Efectul Peltier”. Acesta a constatat că, dacă se aplică un voltaj unui termocuplu, apare o diferenŃă de temperatură între cele două feŃe ale acestuia. Acest lucru are ca rezultat efectiv o pompă termică ineficientă.

Figura 5.6 Sistem de răcire Peltier

TEC-urile moderne folosesc câteva unităŃi suprapuse, fiecare fiind compusă din zeci sau

sute de termocupluri ordonate unul peste altul; realizând un transfer termic substanŃial. În componenŃa termocuplurilor în general se foloseşte o combinaŃie între bismut şi teluriu.

Deoarece TEC-urile sunt pompe termice active, acestea pot să răcească componentele calculatorului sub temperatura ambiantă, fapt ce este imposibil de realizat cu un radiator, un sistem de răcire cu apă sau cu un tub termic. Acestea nu au componente in mişcare, ci sunt compuse dintr-o serie de perechi de semiconductori de tip p şi n suprapuşi intre două plăci ceramice. Căldura este absorbită de electroni la joncŃiunea caldă şi trec de la o stare de nivel energetic scăzut în elementul de tip p către o stare de nivel energetic crescut în elementul de tip p. În zona joncŃiunii calde, energia este eliminată către un radiator. O sursă de curent electric, furnizează energia necesară pentru a pune în mişcare electronii. Un sistem TEC obişnuit, în general este compus din 127 de joncŃiuni şi poate transfera până la 120W de căldură. Cantitatea de căldură ce poate fi transferată este direct proporŃională cu curentul ce traversează TEC-ul. Inversând trecerea curentului prin TEC, acesta poate funcŃiona şi ca un încălzitor.

5.3.4.4. Răcirea cu apă

Figura 5.7 Răcire cu apă a procesorului

Page 154: CartedlComanescu Bun v1

154

IniŃial acest sistem de răcire era destinat sistemelor de calcul de foarte mare putere, dar cu timpul acest sistem a fost preluat şi la calculatoarele obişnuite fiind utilizat în general în cazul supra-tactării procesorului. În ultima perioadă, a crescut numărul de calculatoare ce folosesc răcirea cu apă ca sistem de răcire instalat încă de la asamblarea calculatorului; cel mai întâlnit este în sistemele Apple Power Mac G5.

5.3.4.5. Răcirea cu tuburi termice

Un tub termic este un container gol pe interior ce conŃine un fluid pentru a transfera căldura. Odată cu vaporizarea lichidului, acesta transportă căldura către capătul rece unde condensează şi este condus către capătul cald sub forŃa acŃiunii capilare. Tuburile termice au o conductivitate termică mult mai mare decât materialele solide. În calculatoare, de procesor se prinde un radiator pentru preluarea căldurii, iar acesta este legat de alt radiator mai mare. Ambele radiatoare sunt legate prin acest tub termic, iar în acest mod tubul termic transferă căldura de la procesor către radiatorul mai mare, care este răcit folosind metode convenŃionale. Această metodă de răcire este scumpă şi în general este folosită în cazul sistemelor unde nu este suficient spaŃiu (cum ar fi calculatoarele personale de dimensiuni reduse), unde este necesară o linişte absolută (cum ar fi calculatoarele utilizate în studiourile audio în timpul înregistrărilor pe viu) sau în notebook-uri.

5.3.4.6. Răcirea prin schimbare de fază

O modalitate extremă de a răci procesorul este utilizarea unui răcitor cu schimbare de fază. Această unitate în general stă sub unitatea centrală a calculatorului personal, având un tub ce ajunge la procesor. În interiorul unităŃii este un compresor asemănător unuia folosit într-un frigider. Compresorul comprimă un gaz care este răcit (în general cu ajutorul ventilatoarelor şi aerului) având ca rezultat condensarea acestuia. Lichidul, este apoi pompat către procesor, unde se încălzeşte producând evaporarea lichidului, şi prin urmare absorbind căldura degajată de procesor. Această evaporare poate avea ca rezultat temperaturi ce pot atinge valori de -300C. Gazul coboară către compresor şi ciclul reîncepe. În acest mod, procesorul poate fi răcit la temperaturi de la -150C la -1000C, în funcŃie de încărcarea procesorului, viteza acestuia şi sistemul de refrigerare.

O abordare mai simplă şi într-un fel asemănătoare cu un tub termic, este de a fierbe un fluid într-o cameră (vaporizator) în contact cu procesorul. Aceşti vapori apoi condensează în tuburi răcite cu un radiator. Vaporii condensaŃi se întorc către camera de fierbere sub acŃiunea gravitaŃiei – acest sistem este cunoscut ca şi termosifon. Limitarea principală a acestui sistem de răcire este ca poziŃionarea condensorului să fie deasupra camerei de fierbere. Acest sistem este complet pasiv şi nu necesită pompe sau compresoare.

5.3.4.7. Răcirea software

Răcirea software înseamnă folosirea de programe ce profită de funcŃiile de economisire a energiei implementate în procesor pentru a micşora consumul de energie. Acest lucru este realizat prin utilizarea unor instrucŃiuni de întrerupere a procesorului pentru a-l opri sau de a pune într-o stare de aşteptare părŃi ale procesorului ce nu sunt folosite. O altă metodă de răcire software este sub-tactarea procesorului. Procesorul rulând la o viteză mai redusă decât cea pentru care este conceput are un consum mai redus de energie şi prin urmare degajă o cantitate mai mică de căldură.

Page 155: CartedlComanescu Bun v1

155

Tabelul 5.1 Tipuri de răciri cu avantaje şi dezavantaje Tipul răcirii Avantaje Dezavantaje Ventilatoare Cost scăzut;

Flexibilitate la instalare.

Este necesar schimb de aer → acumulări de praf sau/şi umezeală; Ineficient în cazul echipamentelor de mare putere; Obiectul nu poate fi răcit sub temperatura ambiantă.

Radiatoare Cost scăzut; Flexibilitate la instalare.

Nu poate răci sub temperatura ambiantă; Temperatura nu poate fi controlată

Tuburi termice Fiabilitate; Mărime.

Nu pot răci sub temperatura ambiantă; Temperatura nu poate fi controlată.

Răcitoare termoelectrice (TEC)

Poate fi folosit în orice orientare; Dimensiuni reduse; Nu există componente în mişcare; Poate să răcească sub temperature ambiantă; Controlul temperaturii; Compatibil cu radiatoare şi tuburi termice.

Necesită alimentare de la sursa de curent.

Cu lichid (pasive)

Mărimea (în punctul de prindere); Eficienta disipării căldurii.

Nu poate răci sub temperatura (lichidului) ambiantă; Temperatura nu poate fi controlată; Pot apărea scurgeri; Disponibilitatea sursei de lichid.

Bazată pe compresoare

Răcirea unor dispozitive de mare putere; Poate să răcească sub temperatura ambiantă; Controlul temperaturii.

MentenanŃa / fiabilitatea componentelor în mişcare; Mărimea; Zgomotul; Flexibilitate limitată la instalare.

5.3.5. Transferul căldurii O analiză termică efectuată corect trebuie să ia în consideraŃie mediul ambiant din

vecinătatea capsulei unui circuit integrat în totalitatea lui, prin stabilirea următoarelor variabile: temperatura de lucru a plăcii de circuit imprimat;

• puterea totală degajată pe placa de circuit imprimat; • puterea degajată local; • metoda de răcire utilizată; • proprietăŃile termice ale materialelor folosite;

Analiza proceselor de transmitere a căldurii în echipamentele electronice urmăreşte determinarea energiei termice maxime care poate fi transmisă prin unitatea de suprafaŃă şi obŃinerea randamentului optim de evacuare a acestei energii.

Propagarea căldurii se poate realiza în trei moduri: 1) ConducŃia termică reprezintă transportul căldurii în interiorul aceluiaşi corp (lipsit de mişcări

aparente), în masa căruia există diferenŃe de temperatură, sau între corpuri diferite, atunci când între acestea există un contact intim şi diferenŃe de temperatură. Acest mod de transmitere a

Page 156: CartedlComanescu Bun v1

156

căldurii are loc în interiorul corpurilor solide, cum ar fi componentele electronice, plăcile de circuit, materialul dispozitivelor de răcire, pereŃii carcaselor aparatelor, etc.

2) ConvecŃia este o transmitere a căldurii la nivel macroscopic, prin intermediul unui fluid în mişcare în vecinătatea unui corp solid cu temperatură mai mare. Fluidul transportă energia termică într-un domeniu cu temperatură mai scăzută.

3) RadiaŃia reprezintă modul de transmitere a căldurii sub formă de energie radiantă, care survine între două suprafeŃe având temperaturi diferite, distanŃate şi separate printr-un mediu care permite radiaŃia (eventual vid).

Datorită dificultăŃii pe care o prezintă studiul simultan al celor trei moduri de propagare a căldurii, care se manifestă practic în acelaşi timp, analizele teoretice se concentrează asupra acelui mod de propagare care este dominant sub aspect cantitativ.Studiul fenomenelor termice în aparatura electronică se realizează pe două căi, utilizând modele experimentale şi teoretice. Ambele modalităŃi de abordare sunt extrem de valoroase şi pot fi considerate indispensabile pentru proiectarea unui produs fiabil, cu preŃ scăzut. În cercetările aerospaŃiale, în industria civilă şi militară, cele două tipuri de modele, teoretice şi experimentale, coexistă şi conlucrează în elaborarea unor proiecte viabile.

Modelele experimentale reproduc obiectul real într-o variantă simplificată, deseori la o scară diferită. Comportarea dispozitivului real se evaluează prin intermediul criteriilor de similitudine şi al rezultatelor experimentale. În unele cazuri, modelele experimentale se bazează pe asemănările întâlnite frecvent în modelele matematice care descriu structurile distincte studiate. Aceste modele se numesc analogice.Modelele teoretice prezintă obiectele reale sau fenomenele fizice prin utilizarea noŃiunilor abstracte, având la bază un instrument matematic mai mult sau mai puŃin complex. Modelele teoretice pot fi analitice sau numerice.

Modelarea experimentală este cea mai răspândită modalitate de rezolvare a problemelor de transfer al căldurii în microelectronică şi în packaging-ul electronic. De exemplu, mulŃi cercetători se bazează aproape exclusiv pe rezultatele testelor de cicluri termice pentru evaluarea comportării circuitelor integrate, a plăcilor de circuit echipate cu componente şi/sau conectoare.

În primul rând, experimentul este singura modalitate de abordare integral "autonomă", care nu necesită un suport teoretic. Spre deosebire de teorie experimentul poate fi şi este folosit pentru validarea finală a funcŃionarii şi a fiabilităŃii unui produs.Un alt motiv al răspândirii studiilor experimentale în domeniul microelectronicii este costul lor scăzut, asociat cu facilităŃile de planificare, organizare şi realizare a acestora.

Cu toate acestea, relaŃiile obŃinute în urma efectuării unui studiu exclusiv experimental sunt pur empirice, valabilitatea lor restrângându-se la un anumit tip de structura. Aceste relaŃii conŃin adesea exponenŃi şi coeficienŃi sub formă de fracŃii zecimale, sau nu exprimă corect unităŃile de măsură ale mărimii studiate.

Modelarea teoretică, pe care se bazează studiile au drept cerinŃa primordială simplitatea. În inginerie, acesta este un element esenŃial care permite penetrarea rezultatului teoretic la nivel aplicativ. Un model teoretic este util numai dacă decantează simplitatea din hăŃişul informaŃiilor aparent contradictorii. El trebuie să ofere formule de calcul uşor de aplicat, care să indice rolul factorilor esenŃiali care afectează obiectul sau fenomenul.Prin utilizarea modelelor în general şi a celor de natură termică în particular, se poate prevedea rezultatul unui experiment într-un timp mai redus şi cu costuri mai mici, comparativ cu cele impuse de un experiment.

5.3.5.1. Transferul căldurii prin conduc Ńie

DiferenŃa de temperatură dintre două puncte ale unui corp sau ale două corpuri aflate în

contact nemijlocit determină existenŃa unui transfer de căldura de la zona mai caldă către cea mai rece, conform principiului al doilea al termodinamicii. Această schimbare a stării energetice locale

Page 157: CartedlComanescu Bun v1

157

are loc fără modificarea poziŃiei relative a domeniilor aflate la temperaturi diferite. Ea poate avea loc deopotrivă în lichide şi gaze, dar este semnificativă mai ales în corpurile aflate în stare solidă.

Acest fenomen de transfer se explică prin aceea că energia internă (energia termică sensibilă), proporŃională cu temperatura absolută, este mai mare în zona caldă a corpului şi este mai scăzută în rest. Egalizarea energiei termice are loc prin cedarea surplusului energetic de către atomii şi moleculele materialului corpului, prin ciocniri elastice şi plastice între aceştia, precum şi prin cedarea ei, prin impact, de către electronii liberi ai structurii. În acest caz nu au loc deplasări ale unor regiuni macroscopice ale corpului dinspre zona caldă către cea rece, ci doar a electronilor liberi.

Procesul prin care energia termică existentă într-o regiune a unui corp se transfera în altă regiune a aceluiaşi corp sau într-un corp învecinat ca urmare a existenŃei unei diferenŃe de temperatură între domeniile macroscopice respective şi fără deplasări macroscopice de substanŃă, se numeşte conducŃie termică. Deplasarea energiei termice sub efectul gradientului de temperatură poate avea loc mai rapid sau mai lent, în raport cu proprietăŃile fizice ale structurii interne a materialului corpului sau corpurilor prin care se desfăşoară procesul.

Pentru a caracteriza variaŃia de cantităŃii de căldură transferate în cursul unui proces termic, s-a introdus noŃiunea de flux termic, exprimat prin relaŃia:

dt

dQQ =& [W]

Experimental s-a stabilit ca fluxul de căldură transferat prin conducŃie depinde de structura internă a materialului corpului. Astfel, în cazul a două corpuri din materiale diferite, caracterizate de un acelaşi gradient de temperatură, materialul cu un număr mai ridicat de electroni liberi (material metalic) transferă mai rapid un flux de căldură dat decât un material în a cărui structură electronii sunt puternic legaŃi de reŃeaua cristalină. Prin urmare, fiecare substanŃă are o anumită capacitate de a permite transferul energetic la nivel microscopic, în interiorul ei.

RelaŃia dedusă pe cale experimentală, care defineşte fluxul de căldură transportat prin conducŃie după o singură direcŃie (transfer unidirecŃional), este cunoscută ca legea lui Fourier:

dx

dTkAQ −=&

Ea exprimă faptul că printr-o suprafaŃă de arie A din interiorul unui corp se transferă în

unitatea de timp o cantitate de căldură Q proporŃională cu gradientul de temperatură dx

dT dintre

două puncte ale corpului. Coeficientul de proporŃionalitate k, numită conductivitate termică, exprimă capacitatea materialului corpului de a realiza mai rapid sau mai lent acest schimb termic.

Ea se defineşte drept proprietatea de material care arată ce cantitate de căldură va traversa în unitatea de timp unitatea de suprafaŃă, atunci când gradientul de temperatură este de 1 K/m. În tabelul 5.1 sunt indicate câteva materiale uzuale în sistemele electronice, împreună cu conductibilităŃile lor termice.

Sub forma prezentată în relaŃia (3.3.21), legea lui Fourier ia în considerare numai o singură direcŃie de propagare a căldurii, asociată unei axe de coordonate Ox. Semnul minus este o consecinŃă a celei de-a doua legi a termodinamicii, care afirmă că transferul de căldură are loc în mod obligatoriu de la temperaturi mai mari spre temperaturi mai mici (Figura 5.8).

O mărime importantă este densitatea de flux termic definită ca fluxul termic pe unitatea de suprafaŃă:

Indicarea direcŃiei de propagare a căldurii dovedeşte ca fluxul de căldură nu este o mărime scalara, ci una vectorială. pentru conducŃia unidirecŃională, reprezentarea vectorilor fluxului de căldură este conform figurii 5.8a. Ei sunt orientaŃi de la suprafaŃa cu temperatură ridicată către cea cu temperatură mai scăzută.

Page 158: CartedlComanescu Bun v1

158

A

Qq

&

= [W/m2]

Figura 5.8 Reprezentarea vectorilor fluxului de căldură

Tabelul 5.2 - ConductivităŃi termice ale unor materiale uzuale

Material Conductivitate termică (k) la 30 °C [W/mK] Cupru 384

Aluminiu 200-237 Otel 43

Materiale plastice 0,81 Aer 0,026

În cazul simplu al transferului de căldură în regim staŃionar printr-un perete plan,

gradientul de temperatură şi fluxul termic nu variază în timp iar suprafaŃa transversala traversată de fluxul Q are grosimea constanta. În acest caz variabilele din ecuaŃia (3.3.21) pot fi separate, iar ecuaŃia poate fi integrată:

∫∫ −=⇒−=1

20

T

T

L

kdTdxA

QkdTdx

A

Q &&

Prin urmare, luând în consideraŃie ipoteza simplificatoare conform căreia conductivitatea materialului este independentă de temperatură, se poate scrie că:

L

TkAQ

∆−=&

Pentru a fi facilitată înŃelegerea căilor în care are loc transferul de căldură, se prezintă în cele ce urmează analogia termo-electrică. Ea permite modelarea fenomenelor în regim staŃionar cu ajutorul unor elemente discrete, similar modelării fenomenelor electrice din circuitele pasive alimentate în curent continuu. Pentru sistemele termice, se pot trasa pe baza corelării între mărimile fizice implicate, a unor circuite analogice celor electrice. În tabelul 5.3 se prezintă principalele mărimi fizice cu care operează analogia termo-mecanică.

Page 159: CartedlComanescu Bun v1

159

Tabelul 5.3 - Analogia termo-mecanică Mărimi electrice UnităŃi de

măsură Mărimi termice UnităŃi

de măsură

Cantitatea de electricitate Q J Cantitatea de căldură Q C

Intensitatea curentului electric

dt

dQI =

A Fluxul de căldură

dt

dQQ =&

W

DiferenŃa de potenŃial U V DiferenŃa de temperatură T K

RezistenŃa electrică

I

UR =

Ω Rezistența termică

Q

TR

&

∆= K/W

Conductivitate electrică ρ Ω.mm2/m Conductivitate termică k W/mK

kA

LT

R

TQ

c

∆−=∆−=&

Dacă se Ńine seama de echivalenŃele dintre mărimile specifice analogiei termo-electrice, se poate da o expresie a rezistenŃei termice a peretelui caracterizat de parametrii geometrici A şi L, precum şi de proprietatea materialului.

kA

LRc =

RezistenŃa termică de conducŃie creşte odată cu mărirea grosimii peretelui prin care se propagă energia termică, dar se micşorează dacă suprafaŃa prin care are loc schimbul de energie devine mai mare.

Figura 5.9 RezistenŃă termică

RezistenŃa termică de conducŃie creşte odată cu mărirea grosimii peretelui prin care se

propagă energia termică, dar se micşorează dacă suprafaŃa prin care are loc schimbul de energie devine mai mare.

O reprezentare printr-un simbol a acestei rezistenŃe termice, definite conform analogiei termo-electrice, similară rezistenŃei electrice a unui rezistor, este dată în Figura 5.9.

Page 160: CartedlComanescu Bun v1

160

5.3.5.2. RezistenŃa termică de contact

În multe aplicaŃii electronice, conducŃia căldurii are loc între corpuri a nivelul suprafeŃei

de contact între acestea. Este cazul componentelor de dimensiuni reduse, cum ar fi diodele şi tranzistoarele, fixate cu şuruburi pe plăci reci (dispozitive de răcire), dar şi al unor corpuri de dimensiuni mai mari. Toate tipurile de echipamente electronice cuprind domenii unde există zone de contact mecanic între elemente constructive caracterizate de temperaturi diferite, între care are loc un schimb energetic.

Specificitatea acestui tip de schimb energetic prin conducŃie îl constituie aria extrem de redusă a suprafeŃei prin care are loc acesta. Aria aparentă de contact este aria suprafeŃei comune a celor două corpuri. Ea nu coincide cu aria reală de contact, definită ca aria suprafeŃei efective la care are loc legătura mecanică dintre corpuri. Aceasta este o sumă de arii ale unor suprafeŃe extrem de reduse, situate la nivelul vârfurilor asperităŃilor suprafeŃelor unde se stabileşte legătura mecanică. Aceste asperităŃi sunt mai mari sau mai mici, în funcŃie de gradul de finisare al suprafeŃei corpului, rezultat în urma procesului tehnologic care a dat naştere acelei suprafeŃe.

O reprezentare a zonei reale de contact între două suprafeŃe de rugozitate relativ mică se poate vedea în Figura 5.10. Transferul căldurii se modifică în această zonă din cauza existenŃei unui mediu de separare a corpurilor, care este aerul atmosferic. PrezenŃa acestuia are drept efect o reducere drastică a vitezei cu care are loc deplasarea energiei de la corpul cald la cel rece, din cauza conductivităŃii extrem de mici pe care o are aerul comparativ cu alte materialele. Ea este de peste 9000 de ori mai mică decât cea a aluminiului şi de peste 1500 de ori mai mică decât cea a oŃelului. Este normal ca liniile de flux termic să evite zonele cu aer caracterizate de conductivitate termică redusă şi să urmeze trasee de conductivitate mai mare, acolo unde contactul se realizează între substanŃe în stare solidă.

Fluxul termic total care traversează suprafeŃele în contact este influenŃat simultan de grosimea interstiŃiilor de aer şi de mărimea ariei punctelor de contact. Practic s-a constatat că în cazul unor suprafeŃe cu grad ridicat de finisare, deci care au o rugozitate redusă, aria efectivă de contact este de circa 5% din aria aparentă de contact a două corpuri.

Figura 5.10 Transferul căldurii prin conducŃie la nivelul asperităŃilor suprafeŃelor

aflate în contact mecanic

Page 161: CartedlComanescu Bun v1

161

Conform analogici electro-termice, acest tip de transfer poate fi caracterizat de o rezistenŃă termică proprie. Ea se determină empiric, prin teste realizate pe diferite modele de suprafeŃe. Variabilele care determină aceasta mărime sunt numeroase, cele mai importante fiind: • Duritatea materialelor în contact • Presiunea de contact • Rugozitatea suprafeŃelor • Abaterea de la planeitate

Toate acestea determină numărul şi mărimea punctelor de contact. Materialele dure se pot prelucra astfel ca rugozitatea suprafeŃei de contact să fie mică,

deci numărul punctelor de contact să rezulte mare; în schimb, aria suprafeŃei de contact este mică, prin faptul că asperităŃile rezultate se deformează foarte puŃin sub acŃiunea forŃelor de strângere aplicate corpurilor prin intermediul elementelor de asamblare.

În urma proceselor tehnologice, materialele moi dau naştere unor suprafeŃe cu asperităŃi mai proeminente şi mai puŃin numeroase, dar acestea se deformează mult sub acŃiunea forŃelor de strângere, generând zone de contact de arie mare.

Din cele de mai sus se evidenŃiază importanŃa mărimii for Ńei de strângere, care, prin raportare la aria de contact, dă naştere presiunii de contact.

Abaterea de la planeitate este un parametru care devine semnificativ la contactul unor suprafeŃe care depăşesc 10 cm2. Doua suprafeŃe relativ netede, care fac contact în zone situate la distanŃe mari din cauza lipsei de planeitate vor duce la apariŃia unor impedanŃe mari la transferul energici termice.

Pentru ameliorarea schimbului energetic la nivelul interfeŃei mecanice a două corpuri se utilizează frecvent o soluŃie simplă, care constă în înlocuirea elementului intermediar gazos (aerul) cu conductivitate termică mică, cu o substanŃă de conductivitate mai bună. Este cazul materialelor de adaos care umplu interstiŃiile cu aer. La grosimi reduse, acestea asigură prezenŃa unor căi de închidere a liniilor de flux termic, care au impedanŃe termice mult mai mici decât aerul. Materialele de adaos trebuie să aibă o conductivitate termică ridicată, să fie moi, pentru a putea pătrunde în spaŃii înguste, iar proprietăŃile lor chimice să fie stabile în timp, chiar şi la temperaturi ridicate.

Cele mai uzuale materiale de umplere sunt vaselina siliconică, elastomerii (care pot conŃine pulberi conductive), sau chiar folii de metal moale (iridiu, aluminiu, cupru). Pulberile conductive pot fi de natură metalică sau sunt realizate din compuşi metalici, numiŃi ceramici conductive: nitridul de bor, oxidul de aluminiu. Ultimii asigură izolarea electrică a suprafeŃelor în contact.

Datorită costului ei redus, vaselina siliconică este cea utilizată în practică, dar are dezavantajul unei mânuiri dificile şi al scăderii viscozităŃii la temperaturi ridicate.

Transferul de căldură prin asperităŃi este un proces foarte complex. ConducŃia termică este tridimensională, căci energia difuzează în material, pentru ca mai apoi să se concentreze în zona asperităŃilor.

Datorită posibilităŃii scăzute de control al parametrilor care determină mărimea rezistenŃei termice de contact, modelarea ei matematică este dificilă.

5.3.5.3. Transferul căldurii prin convec Ńie

ConvecŃia termică este modalitatea de eliminare a surplusului de energie termică generat

de echipamentele electronice cea mai utilizată în practică. Schimbul energetic care caracterizează fenomenul convecŃiei este mai complex decât cel

al conducŃiei căldurii, deoarece îi sunt asociate două mecanisme de transfer:

Page 162: CartedlComanescu Bun v1

162

• transferul energiei termice prin mişcarea microscopică a unui fluid aflat în vecinătatea unui corp solid

• transferul energiei termice realizat la nivel molecular în interiorul masei de fluid, prin conducŃie termică.

Principalii factori care trebuie urmăriŃi, analizaŃi şi precizaŃi, deoarece exercită o puternică influenŃă asupra schimbului de căldură convectiv, sunt: o natura şi proprietăŃile fizice ale fluidelor; o forma, dimensiunile şi starea suprafeŃelor de separaŃie; o cauza apariŃiei mişcării fluidelor şi regimul de curgere al acestora. Deplasarea fluidului poate avea loc sub acŃiunea unei forŃe generate ca urmare a apariŃiei unui gradient de densitate rezultat din dilatarea locală a agentului de răcire, acest proces fiind specific conducŃiei naturale sau libere. În cazul în care fluidului i se transferă energie de curgere ( prin intermediul unui ventilator), are loc aşa-numita convecŃie forŃată.

5.3.5.3.1. ProprietăŃile fluidului

5.3.5.3.1.1. Coeficientul de dilatare termică

Acest parametru (β) este determinant pentru evaluarea modului în care se face schimbul energetic în cazul convecŃiei libere. El se exprimă ca variaŃia ∆V a volumului unei cantităŃi de substanŃă cu volumul iniŃial de V = 1 m3 , atunci când temperatura acestuia variază ∆T= 1 °C:

TVV ∆=∆ β

Coeficientul de dilatare termică depinde valoric de temperatură (măsurată în °C) după o relaŃie de regresie care, în cazul aerului, are forma:

33 10)10433,9663,3( −− ⋅⋅−= tβ [K -1]

5.3.5.3.1.2. Densitatea

Densitatea este masa unităŃii de volum a unei substanŃe. În cazul fluidelor ea se defineşte prin intermediul ecuaŃiei gazului perfect, ca raport dintre presiunea gazului p şi produsul dintre temperatura absolută T şi constanta universală a gazelor R:

TR

p

⋅⋅= µρ [kg/m3]

unde µ este masa molară a gazului. Expresia ce arată dependenŃa aproximativă a densităŃii aerului de temperatura relativă

este:

t3107,33023,1 −⋅−=ρ [kg/m3]

5.3.5.3.1.3. Căldura specifică

Această mărime fizică se defineşte drept cantitatea de căldură necesară unui kilogram de substanŃă pentru a-şi mări temperatura cu 1°C. Ea se măsoară în J/kg.K. Cu cât este mai redusă căldura specifică a unei substanŃe, cu atât poate aceasta să absoarbă mai uşor energia termică.

Căldura specifică variază cu temperatura, dar în cazul aerului, în domeniul 0°C - 50°C, se poate considera că valoarea cp = 1,005.103 J/kgK are o precizie suficientă pentru calculele inginereşti.

Conductivitatea termică Capacitatea unei substanŃe de a permite propagarea căldurii în interiorul său se exprimă

prin intermediul conductivităŃii termice. În cazul aerului, ca principal agent de răcire utilizat în procesele de convecŃie din echipamentele electronice de putere mică şi medie, este important de cunoscut dependenŃa acestui parametru de temperaturii relativă:

Page 163: CartedlComanescu Bun v1

163

210)0075,04418,2( −⋅⋅+= tk [W/mK]

5.3.5.3.1.4. Viscozitatea dinamică

Viscozitatea este o măsură a frecărilor din interiorul unui fluid. Valoarea viscozităŃii determină cantitatea de energie necesară transportului unui fluid printr-o conductă.

5.3.5.3.2. Regimul de curgere al unui fluid

Aspectul unei vene de fluid în mişcare este dat de vectorii vitezelor medii ale particulelor

lui Dacă aceştia au aceeaşi orientare şi ea coincide cu direcŃia de curgere, se poate spune ca fluidul este caracterizat de un regim laminar de curgere. În cazul în care vectorii vitezelor medii ale particulelor au orientări diferite unii în raport cu ceilalŃi, regimul curgerii este turbulent. Specific acestui regim îi sunt turbioanele din interiorul masei fluidului.

Trecerea de la curgerea de tip laminar la cea de tip turbulent se datorează forŃelor de frecare dintre straturile de fluid care au viteze diferite de deplasare. În fluidele de tip newtonian, aceste forŃe sunt proporŃionale cu viscozitatea fluidului, de aceea ele vor fi mult mai mari în lichide comparativ cu cele din gaze.

Evaluarea tipului regimului de curgere se realizează cu ajutorul numărului Reynolds, definit prin raportul adimensional:

µρ lv ⋅= ∞Re

unde v∞ este viteza de curgere a fluidului, ρ şi µ [Ns/m] sunt respectiv densitatea fluidului şi viscozitatea lui dinamică, iar l este lungimea venei de fluid.

5.3.5.3.3. Stratul limit ă

Stratul de fluid situat în imediata vecinătate a unui corp solid imobil are o comportare

diferită de cea a restului fluidului. Chiar dacă masa de fluid se află în mişcare, în interiorul stratului limită viteza acestuia variază de la valoarea zero a moleculelor de fluid aflate în contact cu solidul imobil până la valoarea vitezei venei principale de fluid v∞ (Figura de mai jos).

În stratul limită, curgerea fluidului are loc în regim laminar, adică viteza medie a tuturor particulelor are aceeaşi orientare. În exteriorul stratului limită se pot face prezente turbulenŃe, cauzate de forŃele de frecare dintre straturile învecinate de fluid, al căror domeniu creşte treptat, odată cu distanŃarea de zona limitrofa plăcii plane. Tot în acest domeniu, viteza de curgere a fluidului are aceeaşi valoare cu cea avută de acesta anterior contactului cu peretele imobil.

Figura 5.11 relevă faptul că grosimea stratului limită, este variabilă. Expresia grosimii este dependentă de distanŃa x măsurată de la punctul iniŃial de contact între fluid şi placa plană:

x

x

Re

5⋅=δ

unde Rex este valoarea numărului Reynolds la distanŃa l = x. Determinarea valorii numărului Reynolds nu se poate face cu precizie, deoarece el

depinde de densitatea agentului de răcire. Atunci când acesta este un gaz, densitatea depinde semnificativ de temperatura lui, care nu este o mărime constantă, după cum se va vedea în cele ce urmează.

Reprezentarea variaŃiei grosimii stratului limită a fost realizată în Figura 5.12, pentru diferite valori ale vitezei incidente ale unei curgeri de aer.

Page 164: CartedlComanescu Bun v1

164

Simultan cu stratul limită de viteză, se dezvoltă un al doilea strat limită, de natură termică, în interiorul căruia temperatura variază de la valoarea T∞ a agentului de răcire incident, la valoarea T0 a plăcii, numit strat limită termic. Această creştere a temperaturii are loc ca urmare a transferului de căldură ce are loc prin conducŃie la nivelul interfeŃei fluid-solid, acolo unde viteza relativă dintre cele două medii este nula. În cazul unei grosimi extrem de redusă, este valabilă legea lui Fourier a schimbului energetic prin conducŃie la nivel molecular. În restul spaŃiului ocupai de stratul limită termic, transferul căldurii se realizează între mesele de fluid în mişcare, deci este de natură advectivă.

Figura 5.11 Stratul limită: distribuŃia vitezelor fluidului, distribuŃia temperaturilor, transferul

căldurii de la placă spre fluid VariaŃia temperaturii fluidului între cele două extreme, T∞ şi T0, face imposibilă stabilirea

cu exactitate a altor parametri ai acestuia, cum ar fi densitatea, căldura specifică şi coeficientul de dilatare termică. Din această cauză, toate calculele bazate pe aceste mărimi fizice sunt afectate de un anumit grad de imprecizie. În practică se stabileşte o valoare medie a temperaturii în interiorul stratului limită de curgere, ca medie aritmetică a valorilor extreme menŃionate anterior.

Figura 5.12 VariaŃia grosimii stratului limită

Page 165: CartedlComanescu Bun v1

165

Pentru aer, grosimea stratului limită termic, notată δth se poate determina cu ajutorul relaŃiei:

3/1Pr−⋅= δδ th

unde δ este grosimea stratului limită de curgere, iar Pr este criteriul adimensional Prandtl, a cărui valoare este:

Praer ≈ 0,7 Acest rezultat arata ca sub aspect termic nu este necesara verificarea grosimii stratului de

lac depus pe carcasa unui aparat.

5.3.5.4. NoŃiuni de teoria similitudinii

În problemele practice de transfer al căldurii în echipamentele electronice, ecuaŃia

(3.3.35) este utilizată pentru evaluarea temperaturii t0 pe care o atinge corpul solid generator de

căldură în urma extragerii de la acesta a fluxului Q& . Acest parametru este cunoscut aproape ca

fiind echivalat cu puterea electrică dezvoltată de componenta sau componentele electronice, privite, însă, ca surse termice, după ce energia electrică s-a transformat ireversibil în căldură în interiorul lor. Singura dificultate majoră în aplicarea expresiei (3.3.35) o reprezintă evaluarea coeficientului de transfer al căldurii prin convecŃie. În imensa majoritate a cazurilor concrete, el nu poate fi calculat analitic din două motive.

Primul este imposibilitatea de a stabili cu certitudine care este valoarea reală a temperaturii agentului de răcire în fiecare punct, sau măcar o valoare medie sigură a acesteia, de care depind valoric toŃi factorii fizici ai mediului fluid implicaŃi. Aceştia sunt căldura specifică, coeficientul de dilatare termică, densitatea, conductivitatea termică şi viscozitatea.

A doua cauză care împiedică utilizarea evaluărilor analitice este complexitatea extrem de mare a fenomenului, precum şi varietatea formelor şi dimensiunilor geometrice ale echipamentelor răcite prin convecŃie. Două placi de circuit echipate cu aceleaşi componente vor diferi sub aspect dimensional, datorită toleranŃelor de execuŃie ale componentelor şi a toleranŃelor de montaj. Acestea se referă nu numai la poziŃia componentelor pe cablaj, dar şi la înălŃimea lor, care depinde de numeroşi factori, printre care se numără tipul montajului, manual sau automat, cantitatea de aliaj de lipit, tipul componentelor, cu terminale care traversează placa sau montate pe suprafaŃă (SMD).

În asemenea situaŃii, evaluarea coeficientului de transfer al căldurii pun convecŃie se realizează pe modele experimentale, rezultatele acestor studii fiind ulterior reevaluate în concordanŃă cu parametrii reali ai Sistemului. Se pune, însă, următoarea întrebare: În ce condiŃii se poate admite ca valabilă o asemenea metodă?

Aceasta metodologie a fost gândită de Newton care a sesizat complexitatea fenomenelor fizice mascate de ecuaŃia (3.3.35) fi care a pus bazele unei construcŃii teoretice care sa valideze studiul experimental pe modele şi extrapolarea rezultatelor pentru soluŃionarea problemelor practice asemănătoare.

Această teorie poartă numele de teoria similitudinii şi ea se bazează pe modelul matematic al fenomenului studiat, care corelează parametrii fizici implicaŃi.

Un exemplu relativ simplu va uşura înŃelegerea acestei teorii. Se consideră modelul matematic al transferului unidirecŃional al căldurii prin conducŃie într-un strat de substanŃă de conductivitate termică k, de grosime l şi arie A:

l

TAkQ sp∆

⋅−=&

Page 166: CartedlComanescu Bun v1

166

Stratul de substanŃă poate fi chiar pelicula de fluid situată la contactul cu peretele imobil al unui corpul răcit prin convecŃie. Datorită vitezei nule a particulelor de fluid din acest domeniu, schimbul de căldură dintre peretele cald şi aceste particule are loc la nivel microscopic, prin conducŃie. Prin urmare se poate considera că Tsp este diferenŃa de temperatură la nivelul stratului pelicular de viteză egală cu zero, existent între peretele cald şi fluidul cu care este în contact.

Acelaşi flux de căldură ce a fost extras din corpul cald prin conducŃie va fi transferat fluidului aflat în mişcare în vecinătate, ca urmare a existenŃei unei diferenŃe de temperatură ∆T între cele două medii. La acest schimb iau parte domenii macroscopice de fluid între care există un gradient de temperatură, care au o mişcare relativă, ceea ce asigură un schimb energetic prin convecŃie.

TAhTTAhQ cvcv ∆⋅⋅=−⋅= ∞ )( 0&

Din egalitatea celor două fluxuri de energie termică rezultă că:

TAhl

TAk cv

sp ∆⋅⋅=∆

⋅−

Din relaŃia (3.17) se poate stabili o expresie a coeficientului de transfer al căldurii prin convecŃie.

l

T

Tkh sp

cv

∆⋅

∆−= 1

S-a arătat astfel ca termenul hcv depinde de conductivitatea termica a fluidului şi de unu din dimensiunile liniare ale domeniului fizic.

Această dependenŃă, exprimată de (3.3.43) este valabilă pentru orice combinaŃie de medii de tip solid imobil - fluid care curge paralel eu solidul. Fie două astfel de combinaŃii, dintre care prima este caracterizată de mărimile fizice hcvl, λj, ll, ∆Tspl, ∆Tl, iar a doua de hcv2, λ2, l2, ∆Tsp2, ∆T2. Prin urmare:

1

1

111

1l

T

Tkh sp

cv

∆⋅

∆−=

2

2

222

1l

T

Tkh sp

cv

∆⋅

∆−=

În cazul în care se pot scrie următoarele rapoarte ale parametrilor fizici şi geometrici:

2

1

cv

cvh h

hK = (3.3.47)

2

1

k

kKk = (3.3.48)

2

1

l

lK l = (3.3.49)

2

1

2

1

T

T

T

TK

sp

spT ∆

∆=∆∆

=

Se afirmă că cele două sisteme considerate sunt sisteme asemenea, K fiind constanta de asemănare. Raportul (3.22) exprimă o asemănare de natură geometrică, familiară în geometria plană. Celelalte rapoarte extrapolează teoria asemănării dintre sisteme în planul legilor fizicii. Ele sunt utile în cadrul teoriei similitudinii, ce operează cu relaŃii adimensionale între mărimile fizice

Page 167: CartedlComanescu Bun v1

167

care descriu un fenomen, relaŃii deduse cu ajutorul acestor rapoarte O astfel de relaŃie adimensională poartă numele de criteriu adimensional sau criteriu de similitudine.

Modalitatea de stabilire a unui astfel de criteriu adimensional este constă în construirea unei relaŃii între constantele de asemănare K.

lk

lT

Tk

sp

sp

cv

cv

KK

KK

KK

l

l

T

TT

T

k

k

h

h 111

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1 ⋅=⋅⋅=⋅

∆∆

∆∆

⋅=

Conform relaŃiei 3.24, raportul coeficienŃilor de transfer al căldurii prin convecŃie va fi:

1

2

2

1

2

1

l

l

k

k

h

h

cv

cv ⋅=

De aici se poate deduce că, în cazul a două sisteme fizice care sunt asemenea şi între care are loc un schimb de căldură conductiv asociat unuia convectiv, are loc egalitatea:

2

22

1

11

k

lh

k

lh cvcv ⋅=⋅

Acest raport este adimensional şi poartă numele de număr Nusselt:

k

lhNu cv ⋅=

Criteriul Nusselt reprezintă raportul dintre fluxul de căldură transferat prin convecŃie şi fluxul de căldură transferat prin conducŃie la nivelul stratului limită.

Principiile teoriei similitudinii sunt: 1) Orice fenomen fizic se poate exprima printr-o relaŃie analitică stabilită pe cale

experimentală. 2) RelaŃiile criteriale, ce rezultă din ecuaŃiile unui fenomen dat, aplicate unui element al

unui domeniu sunt valabile în tot domeniul dat. Teoremele teoriei similitudinii sunt: I. Pentru fenomene asemenea între ele, criteriile de similitudine au aceeaşi valoare. În

baza acestei teoreme se face extinderea rezultatelor experimentale de la un sistem la altul, asemenea cu primul.

II. SoluŃia generală a sistemului de ecuaŃii care modelează fenomene asemenea poate fi exprimată cu ajutorul criteriilor de similitudine. În urma exprimării soluŃiei generale sub această formă se obŃin relaŃii între criteriile adimensionale, numite relaŃii criteriale.

III. Sunt asemenea acele fenomene care au condiŃii particulare identice şi criterii adimensionale de valori egale. Aceasta este condiŃia de suficienŃă ca două sisteme să fie asemenea. Se observă că această teoremă o include pe prima.

Un criteriu adimensional menŃionat anterior este numărul Reynolds (Re), care reprezintă raportul dintre forŃele de inerŃie şi forŃele de frecare care acŃionează asupra unei mase de fluid în mişcare. El se deduce din ecuaŃia de mişcare a fluidelor vâscoase (Navier-Stokes).

Atunci când acest raport depăşeşte o valoarea limită, ca urmare a creşterii valorice a forŃelor de frecare ce împiedică avansul unic orientat al masei de fluid, vitezele medii locale din fluid capătă direcŃii diferite de cea principală de curgere, ceea ce este specific regimului turbulent de curgere. Instalarea acestui comportament dinamic al fluidului nu are loc brusc, ci treptat, după ce numărul Reynolds atinge şi depăşeşte o valoare numită număr Reynolds critic (Recr).

Există un interval de valori ale numărului Reynolds pentru care regimul de curgere, deşi nu mai este laminar, nu are aspectul unui regim turbulent propriu-zis. În această gamă valorică se

Page 168: CartedlComanescu Bun v1

168

manifestă un aşa-numit regim tranzitoriu, în care criteriul adimensional Nusselt, precum şi alte criterii adimensionale nu se pot evalua cu precizie.

5.3.6. Dispozitive de răcire pentru echipamente electronice Odată cu creşterea cantităŃii de căldură disipate de componentele microelectronice şi de

reducerea dimensiunilor acestora, răcirea aparatelor electronice devine un element tot mai important al proiectării în domeniul electronic.

Fiabilitatea şi durata de viaŃă a echipamentelor electronice sunt invers proporŃionale cu temperatura componentelor. S-a stabilit că reducerea temperaturii are ca efect o creştere exponenŃială a fiabilităŃii şi a duratei de viaŃă a dispozitivelor electronice.

Dispozitive de răcire (denumite impropriu radiatoare) măresc fluxul de căldură ce poate fi absorbit la nivelul unei suprafeŃe calde, cum este cazul componentelor de putere, cu scopul de a transfera căldura agentului de răcire, care este, de obicei, aerul. În majoritatea cazurilor, aşa cum s-a arătat în capitolul 3, în care s-a studiai fenomenul convecŃie, transferul căldurii la nivelul interfeŃei dintre un corp solid şi un fluid este caracterizat de un randament foarte scăzut şi de aceea interfaŃa menŃionată se comportă ca o barieră în propagarea căldurii. Dispozitivul de răcire diminuează efectul acestei bariere prin creşterea ariei suprafeŃei care vine în contact cu agentul de răcire.

Scopul principal al unui dispozitiv de răcire este acela de a menŃine temperatura dispozitivelor electronice sub valoarea maximă admisă de producător.

Se consideră cazul simplu al unui dispozitiv de răcire montat pe o componentă electronică (Figura 5.13). Între acesta şi mediul de răcire se interpun o serie de rezistenŃe termice care pot influenŃa transferul căldurii. Temperaturile la care se găsesc diferitele etaje ale sistemului termic sunt:

Tj - temperatura joncŃiunii semiconductoare Tc - temperatura capsulei dispozitivului electronic Tr - temperatura dispozitivului de răcire T∞ - temperatura agentului de răcire (aerul ambiant)

Figura 5.13 Schema unui dispozitiv de răcire montat pe o componentă electronică; circuitul

termic echivalent

RezistenŃele termice ale structurii sunt: Rjc - rezistenŃa termică dintre joncŃiunea semiconductoare şi capsula componentei, este o

rezistenŃă termică de conducŃie în interiorul capsulei; Rcr - rezistenŃa termică dintre capsula componentei şi dispozitivul de răcire;

Page 169: CartedlComanescu Bun v1

169

Rr∞ - rezistenŃa termică dintre dispozitivul de răcire şi mediul de răcire, exprimă transferul căldurii prin convecŃie liberă sau forŃată şi prin radiaŃie; Datorită conexiunii în serie a rezistenŃelor termice, ele pot fi echivalate cu o rezistenŃă termică unică:

Rech = Rjc + Rcr + Rr∞(3.3.54) Temperatura mediului ambiant T∞ care asigură preluarea căldurii generate de componente

depinde de locul în care este amplasat echipamentul în exploatare. În mod obişnuit, ea variază între 35 - 45°C, dacă agentul de răcire este aerul extern, şi între 50 - 60 °C, dacă este vorba de o componentă închisă într-un alt echipament generator de căldură. Tabelul 5.4 arată limitele aproximative în care trebuie să se încadreze rezistenŃa termică a unităŃii de volum a dispozitivului de răcire, în funcŃie de tipul convecŃiei şi de viteza aerului care asigură convecŃia forŃată. Volumul dispozitivului de răcire poate fi obŃinut prin împărŃirea rezistenŃei termice a unităŃii de volum la rezistenŃa termică necesară, rezultată prin calcul. Tabelul 5.4 conferă doar valori estimative iniŃiale. Valorile efective ale rezistenŃei pot să varieze în afara domeniului indicat din cauza altor parametri, cum ar fi dimensiunile reale ale dispozitivului de răcire achiziŃionat, tipul dispozitivului de răcire, orientarea lui în raport cu jetul de aer, gradul de finisare al suprafeŃei, altitudine, etc.

Tabelul 5.4 RezistenŃa termică a unităŃii de volum a unui dispozitiv de răcire Regimul de curgere (m/s)

RezistenŃa termică a unităŃii de volum (mm3.K /W)

ConvecŃie liberă 0,5-0,8 1,0 m/s 0,15-0,25 2,5 m/s 0,08-0,15 5,0 m/s 0, 5 - 0,08

Optimizarea dimensională a unui dispozitiv de răcire se poate face în raport de o multitudine de parametri, unul dintre cei mai importanŃi fiind densitatea nervurilor. În cazul unui dispozitiv de răcire cu suprafaŃa de bază plană (Figura 5.14), distanŃa optimă dintre nervuri depinde de viteza de curgere a aerului şi de lungimea nervurilor, măsurată în direcŃia de curgere.

Randamentul mediu al unui dispozitiv de răcire obişnuit este direct proporŃional cu lăŃimea dispozitivului de răcire măsurată perpendicular pe direcŃia de curgere a aerului şi aproximativ proporŃional cu radicalul lungimii nervurii în direcŃia curgerii aerului. De exemplu, dublarea lăŃimii dispozitivului de răcire va duce la dublarea fluxului de căldură disipat. În schimb, dublarea lungimii nervurii va duce la creşterea fluxului disipat cu factorul 1,4. De aceea, este preferabilă creşterea dispozitivului de răcire în lăŃime.

5.3.7. Dispozitive cu nervuri plane răcite prin convecŃie for Ńată

Figura 5.14 - Principalele dimensiuni ale unui dispozitiv de răcire cu nervuri paralele

Page 170: CartedlComanescu Bun v1

170

În Figura 5.14 se poate vedea un dispozitiv de răcire cu n nervuri paralele între care iau naştere n-1 canale cu pereŃi paraleli prin care curge aerul, considerat agent de răcire. Pe peretele inferior al dispozitivului de răcire sunt fixate sursele de căldură care degajă fluxuri termice de valoare cunoscută. Temperatura maximă atinsă de dispozitivul de răcire este parametrul care trebuie să decidă dacă dimensiunile dispozitivului de răcire, precum şi numărul de canale au fost alese corect. Aerul rece este asigurat prin intermediul unui ventilator ce furnizează un debit volumic V cunoscut, la o temperatură T∞.

Etapele calculului de verificare a dimensiunilor dispozitivului de răcire sunt prezentate

sub forma unui algoritm. El aparŃin autorilor Kay & London: Determinarea parametrilor geometrici ai dispozitivului de răcire cu n nervuri (Figura

5.14): • Aria secŃiunii de curgere

bsnlbAc ⋅⋅−⋅=

• Aria suprafeŃei de schimb termic

nLzbAt ⋅⋅+= )(2

• Diametrul hidraulic

t

ch A

LAd

⋅=

Determinarea vitezei de curgere a agentului de răcire în canalele dispozitivului de răcire

cA

Vv

&

=

Evaluarea numărului Reynolds şi stabilirea regimului de curgere a fluidului:

µρ hvd=Re

Fluxul de căldură disipat de dispozitivul de răcire este preluat de aerul circulat care are debitul volumic V cunoscut, astfel că temperatura acestuia creste de la valoarea avuta la nivelul secŃiunii de intrare, t∞,în cu:

pcV

Qt

⋅⋅=∆

ρ&

&

unde căldura specifică a aerului la presiune constantă cp şi densitatea ρ a acestuia au fost evaluate la temperatura t∞. Eroarea introdusă de neconcordanŃa dintre temperatura efectivă a aerului şi cea utilizată în calcul poate fi corectată printr-o nouă iteraŃie, dacă temperatura calculată diferă semnificativ de cea luată în considerare la demararea calculului.

Temperatura medie t a aerului în interiorul canalelor dispozitivului de răcire poate fi aproximată cu media aritmetică a valorilor între intrare şi ieşire:

2,

ttt in

∆+= ∞

Această temperatură permite stabilirea valorilor medii ale mărimilor fizice caracteristice agentului de răcire, anume densitatea, viscozitatea dinamică şi conductivitatea termică.

Evaluarea raportului adimensional x:

hd

Lx

4=

Page 171: CartedlComanescu Bun v1

171

Se stabileşte valoarea ordonatei y corespunzătoare numărului Reynolds rezultat prin calcul, în funcŃie de valoarea stabilită prin calcul.

Numărul adimensional Nusselt rezultă din relaŃia:

yNu ⋅⋅= 334,0PrRe

Coeficientul de transfer al căldurii prin convecŃie hcv:

hcv d

kNuh

⋅=

Randamentul nervurii dispozitivului de răcire depinde de materialul dispozitivului de răcire, conductivitatea lui termică finită kr stabilind existenŃa unei diferenŃe de temperatură între diferitele secŃiuni longitudinale ale nervurii.

bm

bmthn ⋅

⋅= )(η

unde pR

pcv

Ak

Phm

⋅⋅

= , iar th este funcŃia tangentă hiperbolică de argument dat,

xx

xx

ee

eethx −

+−=

RezistenŃa termică a dispozitivului de răcire este dată de expresia:

tcvnt Ah

R⋅

1

Cu valorile determinate anterior se pot evalua temperaturile pereŃilor dispozitivului de răcire:

Temperatura dispozitivului de răcire în secŃiunea de intrare a aerului:

intin tRQt ,∞+⋅= &

Temperatura dispozitivului în secŃiunea mediană:

tRQt tmed +⋅= &

Temperatura dispozitivului de răcire în secŃiunea de ieşire a aerului:

ttRQt intin ∆++⋅= ∞,&

5.3.8. Dispozitive de ventilaŃie pentru echipamente electronice

Ventilatoarele sunt dispozitive electromecanice care transformă energia electrică în

energie mecanică a unui jet de aer. Aceste dispozitive creează o diferenŃă de presiune care determină antrenarea aerului într-o mişcare continuă în interiorul unei incinte. Astfel, transferul căldurii de la elementele constitutive ale echipamentului către aerul înconjurător este mult intensificat. ConvecŃia forŃată care ia naştere este modalitatea de răcire cea mai frecvent utilizată a aparaturii electronice moderne, datorită raportului foarte bun dintre cost şi performanŃă.

Criteriile de alegere a unui ventilator sunt următoarele: • Mărimea fluxului de căldură degajat în interiorul aparatului; • Locul în care se disipa cel mai mare flux de căldură; • RestricŃiile privitoare la răcirea prin convecŃie forŃată; • SpaŃiul disponibil pentru ventilator;

Page 172: CartedlComanescu Bun v1

172

• Durata de funcŃionare a ventilatorului; • Nivelul admis al presiunii acustice generate de ventilator;

Fluxul de căldură generat de o componentă este transferat parŃial în aerul ambiant, restul fiind absorbit de componentele învecinate şi de placa de circuit pe care este montată acea componentă. Disiparea căldurii către componentele din jur le afectează acestora funcŃionarea şi le reduce fiabilitatea. ProiectanŃii echipamentelor electronice trebuie să Ńină seama de mărimea surselor de căldură şi de distribuŃia lor spaŃială atunci când aleg un dispozitiv de ventilaŃie.

La proiectarea echipamentului trebuie avute în vedere câteva reguli de baza: • Evaluarea puterii disipate şi a mijloacelor de răcire; • Proiectarea trebuie să Ńină seama de prezenŃa unuia sau a mai multor ventilatoare (direcŃia de

circulaŃie a aerului, orientarea jeturilor de aer): • Toate incintele trebuie prevăzute cu orificii de aerisire (esenŃiale şi la răcirea prin convecŃie

naturală); • Durata de funcŃionare a echipamentului este corelată cu timpul necesar atingerii regimului

staŃionar. De exemplu, dacă acest regim se stabileşte după cinci ore de funcŃionare neîntreruptă, dar dispozitivul nu lucrează niciodată mai mult de trei ore, sistemul de ventilaŃie va fi dimensionat pentru un flux de căldură mai redus.

Sursele de căldură cele mai importante sunt plăcile de circuit echipate cu componente de dimensiuni mici, caracterizate de densităŃi mari de montaj, plăcile multistrat, la care spaŃiul dintre componente este insuficient pentru a permite răcirea lor prin convecŃie naturală.

Un flux de căldură major este generat de sursele de alimentare. Acestea sunt livrate frecvent împreună cu un ventilator al cărui rol este evacuarea căldurii sursei de alimentare în interiorul aparatului în care se montează aceasta. Drept urmare, are loc o creştere a temperaturii componentelor asupra cărora este direcŃionat jetul de aer cald produs de ventilatorul sursei: microprocesoare, memorii, hard-disk-uri, etc.

Tabelul 5.5 - Dimensiuni uzuale ale ventilatoarelor:

Dimensiuni (mm) (diam x diam x lungime)

Tensiune c.a. (V)

Tensiune c.c. (V)

40x40x10 5, 12,24 40 x 40 x 20 5, 12, 24 50x50x15 12,24 60x60x15 12,24 60 x 60 x 25 5, 12, 24 80x80x25 115/230 12,24 80x80x32 115/230 12, 24, 48 92 x 92 x 25 115/230 12,24 92 x 92 x 32 115/230 12, 24, 48 120x120x25 115/230 12, 24, 48 120x120x32 115/230 12, 24, 48 120x120x38 115/230 12, 24, 48 127x127x38 115/230 12, 24, 48 135x135x38 115/230 12, 24, 48

Microprocesoarele pot constitui o sursă majoră de căldură, în special dacă sunt montate în

interiorul unor incinte închise. Măsurările efectuate au arătat ca temperatura într-un punct al capsulei poate atinge valoarea de 125 °C, ca urmare a căldurii intense degajate de microprocesor.

Page 173: CartedlComanescu Bun v1

173

Aceste componente sunt prevăzute cu radiatoare individuale, de a căror orientare trebuie să se Ńină seama la amplasarea ventilatoarelor. Traseul jetului de aer pus în mişcare va fi direcŃionat astfel încât să nu cadă normal sau înclinat pe feŃele nervurilor radiatoarelor, ci în lungul lor.

Ventilatoarele sunt eficiente dacă echipamentul răcit nu este o incintă închisă. Admisia aerului rece şi evacuarea aerului care a absorbit căldura se fac prin orificii prevăzute în carcasa aparatului. Intr-o incintă închisă, prezenŃa unui ventilator asigură un transfer al energiei de la sistem către aerul circulant, dar acesta rămâne în interiorul aparatului. Temperatura lui creşte pe durata regimului tranzitoriu, stabilindu-se la o valoare maximă care depinde de capacitatea carcasei de a ceda mediului ambiant - prin conducŃie şi convecŃie liberă - energia acumulată în echipament.

Alegerea ventilatorului se face mai întâi în raport cu spaŃiul disponibil din aparat. ProiectanŃii trebuie să Ńină seama de următoarele aspecte:

Cu cât este mai mare gabaritul interior al ventilatorului, cu atât este mai ridicat debitul de aer pe care îl poate produce. Un ventilator de diametru mare generează un debit de asemenea mare.

Cu cât este mai mare lungimea ventilatorului, măsurata pe direcŃia axei lui, cu atât este mai ridicata presiunea aer ului vehiculat.

În prezent, ventilatoarele cele mai moderne sunt prevăzute cu senzori de temperatură care limitează turaŃia motorului în funcŃie de gama de temperaturi în care se situează semnalul cules de senzori.

Durata de viaŃă a unui ventilator este influenŃată de temperatura mediului lui ambiant. La 30°C, ea poate fi de 45000 ore de funcŃionare neîntreruptă, iar la 65°C, ea poate fi de 30 000 de ore. În cazul fracŃionării perioadei de lucru, durata de viaŃă a ventilatorului creşte.

Zgomotul generat la funcŃionarea unui ventilator variază în raport cu felul în care a fost proiectat şi cu elementele lui constructive. El este suma unor nivele de presiune acustică influenŃate de:

Lagăre. Nivelul de presiune acustică poate fi diminuat prin utilizarea unor rulmenŃi de calitate foarte bună.

Aerul circulant. Paletele ventilatorului străpung masa de aer la intrarea lui în ventilator. Prin forma lor adecvată, ele pot reduce zgomotul asociat acestui fenomen mecanic.

TuraŃia. TuraŃiilor mari li se asociază nivele ridicate de zgomot.

5.3.8.1. Clasificarea ventilatoarelor

Figura 5.15 - Tipuri de ventilatoare

Page 174: CartedlComanescu Bun v1

174

Ventilatoarele se pot clasifica după diverse criterii, după cum urmează: 1) Principiul de funcŃionare

i) ventilatoare cu suprapresiune - creează o presiune mai mare decât cea atmosferică în interiorul incintei pe faŃa căreia sunt fixate (Figura 5.15). Ele se montează în spatele unui filtru care curăŃă de impurităŃi aerul absorbit de către ventilator din exteriorul incintei. Dezavantajul soluŃiei este acela că în aparat intră căldura degajată de motorul ventilatorului, iar fluidul de răcire curge în afara aparatului nu numai prin orificiile special prevăzute, ci şi prin locurile slab etanşate

ii) ventilatoare cu depresiune - creează o presiune mai mică decât cea atmosferică în interiorul incintei pe faŃa căreia sunt fixate. Ele se montează pe faŃa opusă celei pe care se montează filtrul şi absorb din interiorul aparatului aerul cald care a preluat fluxul de căldură generat aici. Fluidul rece pătrunde prin filtru, fiind curăŃat de impurităŃi. Zonele unde etanşările nu sunt satisfăcătoare deoarece permit intrarea în aparat a aerului încărcat cu particule de praf.

2) ConstrucŃie: i) ventilator axial - direcŃia jetului de aer coincide cu axa motorului ventilatorului ii) ventilator radial - direcŃia jetului de aer este perpendiculară pe axa motorului

ventilatorului iii) ventilatorul longitudinal este o variantă de ventilator radial, la care jetul de aer are

o lăŃime egală cu lungimea rotorului. 3) Tensiunea de alimentare:

i) Ventilatoare de curent continuu ii) Ventilatoare de curent alternativ

Ventilatoarele de curent continuu sunt cele mai utilizate, datorită următoarelor avantajele pe care le au: 1) TuraŃia lor este reglabilă, modificarea ei realizându-se prin intermediul tensiunii de

alimentare. Un ventilator de 24 V c.c. poate funcŃiona între 12 şi 28 V. La 12 V, turaŃia lui este redusă la jumătate, debitul scade în aceeaşi proporŃie, dar şi zgomotul produs se reduce semnificativ. Această flexibilitate permite proiectanŃilor să adapteze debitul cu cerinŃele de răcire ale fiecărui echipament, în condiŃiile limit ării nivelului sonor.

2) Durata de viaŃă a unui ventilator de c.c. este mai ridicată decât cea a unuia de curent alternativ, indiferent de tipul lagărelor arborelui motorului.

3) Randamentul ventilatoarelor de c.c. este de cinci ori mai mare. Deoarece disipa ele însele un flux termic redus, ventilatoarele de c.c. nu suprasolicită din punct de vedere termic lagărele, fapt cu implicaŃii directe asupra fiabilităŃii lor.

Parametrii principali ai unui ventilator sunt: • DiferenŃa de presiune asigurată la un anumit debit volumic • Puterea consumată • Randamentul

5.4. łevi termice (Heat Pipe) O dată cu creşterea exponenŃială a dispozitivelor electronice a apărut o problemă extrem

de spinoasă - răcirea siliciului. Acest capitol îşi propune tratarea în detaliu al sistemelor de răcire, utilizate în scopul răcirii pastilelor de siliciu ale procesoarelor sistemelor de calcul.

Prin termenul de Ńeavă de căldură înŃelegem un mecanism cu rol de transfer de căldură, ce poate transporta cantităŃi semnificative de căldură cu pierderi infime de temperatură între interfeŃele mai fierbinŃi sau mai reci. Într-o Ńeavă de căldură, la interfaŃa fierbinte, fluidul se transformă în abur, gazul curge şi se condensează în mod natural pe interfaŃa rece. Lichidul cade

Page 175: CartedlComanescu Bun v1

175

sau este transferat de acŃiunea capilară înapoi la interfaŃa fierbinte, pentru a se evapora din nou şi astfel ciclul se repetă.

Figura 5.16 – Sistem de răcire a procesorului folosind tehnologia Ńevilor de căldură

B. łeavă de căldură plată

groasă (alimentator de

căldură) cu chiuvetă de

căldură izolată şi ventilator

A. SecŃiune transversală printr-o

Ńeavă de căldură plată groasă de

500 micrometri, cu capilar plan

subŃire (acva-colorat).

Figura 5.17 - A-B Componentele şi mecanismul unei Ńevi de căldură cu fitil

O Ńeavă de căldură caracteristică constă dintr-un tub gol sigilat. Pentru confecŃionarea

tubului se foloseşte un metal termoconductor precum cuprul sau aluminiul. łeava conŃine o cantitate relativ mică de "lichid de lucru" sau de răcire (precum apă, etanol sau mercur), iar restul Ńevii este umplut cu faza de abur a lichidului de lucru, toate celelalte gaze fiind excluse.

Pe partea internă a pereŃilor verticali ai tubului, structura de fitil exercită o forŃă capilară asupra lichidului de lucru, aflat în stare lichidă. De obicei, acesta este un praf de metal concreŃionar sau o serie de caneluri paralele cu axa tubului, dar, în principiu, poate fi orice material capabil să exercite o presiune capilară asupra lichidului condensat pentru a-l conduce înapoi către

Page 176: CartedlComanescu Bun v1

176

capătul încălzit. łeava de căldură poate să nu necesite în mod obligatoriu o structură de fitil, dacă gravitatea sau orice altă sursă de acceleraŃie este suficientă pentru a depăşi tensiunea de suprafaŃă şi pentru a determina lichidul condensat să curgă înapoi înspre capătul încălzit.

O Ńeavă de căldură nu este un termosifon, deoarece nu are sifon. Termosifoanele transferă căldură prin convecŃie într-un singur sens (ex: Tubul lui Perkins, după Jacob Perkins.)

łevile de căldură nu conŃin părŃi aflate în mişcare şi prin urmare, nu necesită întreŃinere, deşi gazele non-condensatoare care se difuzează prin pereŃii Ńevii rezultă din căderea lichidului de lucru, există ca impurităŃi în materialele de construcŃie şi pot reduce, în cele din urmă, eficienŃa transferului de căldură. Acest lucru este acut atunci când presiunea aburului lichidului de lucru este scăzută.

Materialele de răcire alese depind de condiŃiile de temperatură în care Ńeava de căldură trebuie să acŃioneze, astfel că materialele de răcire variază de la heliu lichid, pentru aplicaŃiile de temperatură foarte scăzută (2-4K) la mercur (523-923K) şi sodiu (873-1473K) şi chiar indiu (2000-3000K) pentru condiŃii de temperatură foarte ridicată. Totuşi, marea majoritate a Ńevilor de căldură folosite la aplicaŃii la temperaturi foarte scăzute utilizează combinaŃii de amoniac (213-373K), alcool (metanol (283-403K) sau etanol (273-403K) sau apă (303-473K) ca lichid de lucru. Dar, materialele folosite vor fi prezentate tabelar ulterior, însoŃite de specificaŃii în cadrul acestui capitol.

Avantajul Ńevilor de căldură constă în eficienŃa lor ridicată în transferul de căldură. De fapt, ele reprezintă un conductor de căldură mult mai bun decât o secŃiune echivalentă de cupru solid.

Încălzirea unui lichid volatil la un volum fix poate fi o operaŃiune periculoasă din moment ce presiunea poate depăşi foarte uşor rezistenŃa containerului. łeava trebuie proiectată astfel încât să reziste în siguranŃă la presiunea care apare atunci când tot fluidul este în faza de abur la temperatură ridicată. Cel mai important aspect este acela că presiunea maximă în Ńeava de căldură trebuie limitată prin restricŃionarea atentă a masei totale de lichid de lucru.

Controlul activ a fluxului de căldură poate fi eficientizat prin adăugarea unui rezervor de lichid cu volum variabil la secŃiunea de evaporare. łevile de căldură cu conductibilitate variabilă utilizează un rezervor imens de gaz inert imiscibil ataşat la secŃiunea de condensare. Varierea presiunii rezervorului de gaz modifică volumul gazului încărcat în secŃiunea de condensare care va limita zona disponibilă pentru condensarea aburului. Astfel, o mai mare paletă de fluxuri de căldură şi variaŃii de temperatură poate fi ajustată printr-un singur proiect.

O Ńeavă de căldură cu rezervor care nu are conexiuni capilare la Ńeava de căldură de la capătul secŃiunii de evaporare poate fi utilizată ca diodă termică. Această Ńeavă de căldură va transfera căldură într-o singură direcŃie, acŃionând ca un izolator pentru ceilalŃi.

łevile de căldură plane au aceleaşi componente de bază precum Ńevile de căldură tubulare. Aceste componente constau într-un recipient gol sigilat ermetic, un fluid de lucru şi un sistem de recirculare capilară cu circuit închis.

În comparaŃie cu o Ńeavă de căldură tubulară cu o singură dimensiune, lărgimea unei Ńevi de căldură cu două dimensiuni permite o secŃionare corectă a fluxului de căldură cu ajutorul unui dispozitiv foarte subŃire. Aceste Ńevi de căldură subŃiri şi plane se găsesc în cadrul calculatoarelor. Se pot produce Ńevi de căldură subŃiri de 0.5 mm.

Aşa cum am arătat, Ńevile de căldură transfera energia termică de la un punct la altul prin evaporarea şi condensarea unui lichid de lucru sau de răcire. łevile de căldură se bazează pe diferenŃa de temperatură dintre capetele Ńevii şi nu pot scădea temperaturile la nici unul din capete mai mult decât temperatura ambientală (prin urmare, acestea tind să egalizeze temperatura din Ńeavă).

Atunci când unul din capetele Ńevii este încălzit, lichidul de lucru din interiorul Ńevii de la acel capăt se evaporă şi măreşte presiunea aburului din interiorul cavităŃii Ńevii de căldură. Căldura

Page 177: CartedlComanescu Bun v1

177

latentă de evaporare absorbită de vaporizarea fluidului de lucru reduce temperatura la capătul fierbinte al Ńevii.

Presiunea aburului asupra fluidului lichid fierbinte la capătul fierbinte al Ńevii este mai mare decât presiunea aburului de echilibru asupra fluidului de lucru de condensare la capătul mai rece al Ńevii, iar această diferenŃă de presiune conduce la un transfer rapid de masă către capătul de condensare unde aburul în exces se condensează, îşi eliberează căldura latentă şi încălzeşte capătul rece al Ńevii. Gazele care nu condensează (de exemplu, cele cauzate de contaminare) din abur întârzie fluxul de gaz şi reduc eficienŃa Ńevii de căldură, în special la temperaturi scăzute, unde presiunile aburilor sunt scăzute. Viteza moleculelor dintr-un gaz este aproximativ egală cu viteza sunetului, iar în absenŃa gazelor care nu condensează, aceasta este cea mai ridicată viteză cu care acestea ar putea trece prin Ńeava de căldură. În practică, viteza aburului prin Ńeava de căldură depinde de rata de condensare la capătul răcit.

Ulterior, fluidul de lucru condensat curge înapoi înspre capătul fierbinte al Ńevii. În cazul Ńevilor de căldură orientate vertical, fluidul poate fi transportat de forŃa de gravitate. În cazul Ńevilor de căldură care conŃin fitile, fluidul este întors de acŃiunea capilară.

La fabricarea Ńevilor de căldură nu este necesară crearea unui vid în Ńeavă. Trebuie doar fiert fluidul de lucru în Ńeava de căldură până când aburul rezultat epurează gazele care nu condensează din Ńeavă iar apoi se sigilează capătul.

O trăsătură interesantă a Ńevilor de căldură este temperatura peste care acestea sunt eficiente. La prima vedere, putem suspecta că o Ńeavă de căldură umplută cu apă că ar funcŃiona doar atunci când capătul fierbinte atinge100 °C şi apa fierbe, declanşând transferul de masă care reprezintă secretul Ńevii de căldură. Totuşi, punctul de fierbere al apei depinde de presiunea la care este Ńinută.

Într-o Ńeavă vidată, apa va fierbe chiar la 0 °C. Prin urmare, transferul de căldură va începe atunci când capătul fierbinte este mai călduŃ decât capătul rece. În mod similar, o Ńeavă de căldură cu apă ca fluid de lucru poate funcŃiona bine până la 100 °C.

EficienŃa Ńevilor de căldură se datorează evaporării şi condensării fluidului de lucru, care eliberează mult mai multă energie decât simpla schimbare de temperatură. În cazul apei, energia necesară pentru evaporarea unui gram de apă este echivalentă cu cantitatea de energie necesară ridicării temperaturii aceluiaşi gram de apă cu 540 °C. Aproape întreaga energie este transferată rapid la capătul rece al Ńevii de căldură atunci când fluidul se condensează în acea zonă, creând astfel un sistem foarte eficient de transfer al căldurii fără elemente aflate în mişcare.

5.4.1. Originile Ńevilor de căldur ă Principiul general al Ńevilor de căldură care folosesc gravitatea (clasificate drept

termosifoane în două faze) datează din epoca motoarelor cu aburi. Conceptul modern de Ńeavă de căldură condusă de capilare a fost introdus pentru prima dată de R.S. Gaugler de la General Motors în 1942, care a patentat ideea. Avantajele utilizării acŃiunii capilare au fost dezvoltate independent şi demonstrate pentru prima dată de către George Grover la Laboratorul NaŃional Los Alamos în 1963 şi publicate ulterior în Jurnalul de Fizică Aplicată în 1964.

Între anii 1964 şi 1966, RCA a fost prima companie care a efectuat cercetări şi a dezvoltat Ńevile de căldură pentru aplicaŃii comerciale. În anii 1960 NASA şi-a manifestat interesul pentru sistemele de răcire a Ńevilor de căldură, date fiind greutatea lor scăzută, fluxul ridicat de căldură şi consumul de putere zero. Prima aplicaŃie a Ńevilor de căldură în programul spaŃial a fost în echilibrările termice ale transponderilor de sateliŃi.

PublicaŃiile din 1967 şi 1968 ale lui Feldman, Eastman, & Katzoff au tratat în primul rând aplicaŃiile Ńevilor de căldură în zonele dinafara razei de competenŃă a guvernului şi nu s-au situat sub nivelul clasificării de temperatură ridicată după cum urmează: aer condiŃionat, răcirea motorului şi a componentelor electronice. PublicaŃiile anului 1969 au introdus conceptul de Ńeavă

Page 178: CartedlComanescu Bun v1

178

de căldură rotativă cu aplicaŃii în răcirea lamei de turbină şi primele discuŃii despre aplicaŃiile Ńevilor de căldură în procesele de criogenie.

Începând din anul 1980, Sony a început încorporarea Ńevilor de căldură în schemele de răcire pentru unele din produsele lor electronice de uz comercial, în locul tradiŃionalei chiuvete de căldură cu ventilator cu sau fără convecŃie forŃată. AplicaŃiile iniŃiale s-au referit la tunere şi amplificatoare, dar s-au răspândit repede la alte aplicaŃii electronice cu flux înalt de căldură. Spre sfârşitul anilor 1990, procesoarele sistemelor de calcul din ce în ce mai moderne au stimulat o creştere triplă a numărului de aplicaŃii patentate ale Ńevilor de căldură în SUA.

Pe măsură ce Ńevile de căldură au devenit din componente industriale specializate de transfer de căldură, utilităŃi ale consumatorului, majoritatea cercetării şi producŃiei s-au mutat din SUA în Asia. łevile moderne de căldură pentru procesoare sunt în mod obişnuit făcute din cupru şi folosesc apa ca fluid de lucru.

5.4.2. AplicaŃii şi limit ări ale Ńevilor de căldur ă łevile de căldură au o utilizare semnificativă în multe sisteme informatice moderne, unde

solicitările de putere din ce în ce mai mari, şi implicit, creşterile de emisii de căldură au avut drept consecinŃă cereri numeroase de sisteme de răcire. łevile de căldură sunt folosite în general pentru scoaterea căldurii din componente precum procesoare și placi grafice.

łevile de căldură sunt de asemenea larg utilizate în aplicaŃiile solare de încălzire termică a apei. În aceste aplicaŃii, apa distilată este de obicei utilizată drept fluid de transfer de căldură în interiorul unui tub sigilat de cupru situat în cadrul unui tub de sticlă evacuat şi orientat către soare.

łevile de căldură sunt folosite pentru a disipa căldură în Sistemul de Conducte Trans-Alaska. Căldura produsă prin fricŃiune şi turbulenŃă în uleiul aflat în mişcare ar conduce în jos picioarele de susŃinere a Ńevii şi ar topi permafrostul care le fixează. łevile de căldură cu radiatori la vârf sunt utilizate pe fiecare picior pentru a le menŃine reci astfel încât să nu topească permafrostul şi astfel să lase conducta să cadă.

În aplicaŃiile de încălzire solară termică a apei, un tub colector golit poate avea până la 40% mai multă eficienŃă în comparaŃie cu tradiŃionalii încălzitori solari de apă "plani şi drepŃi". Colectorii de tuburi evacuaŃi elimină nevoia de a adăuga aditivi anti-îngheŃ pe măsură ce vacuumul ajută la prevenirea pierderilor de căldură. Aceste tipuri de încălzitori solari termici de apă sunt protejaŃi împotriva îngheŃului până la mai mult de -3 °C şi sunt utilizaŃi în Antarctica pentru încălzirea apei.

Figura 5.18 – łevi de căldură ale sistemului de conducte Trans-Alaska

Page 179: CartedlComanescu Bun v1

179

Dintre limitări cea mai semnificativă este acea că, Ńevile de căldură trebuie adaptate la anumite condiŃii de răcire. Alegerea materialului, a dimensiunii şi a răcitorului Ńevii influenŃează împreună temperaturile optime la care funcŃionează Ńevile de căldură.

Atunci când este încălzit peste o anumită temperatură, întregul fluid de lucru din Ńeava de căldură se va evapora, iar procesul de condensare nu mai are loc. În asemenea condiŃii, conductibilitatea termică a Ńevii de căldură este eficient redusă la proprietăŃile de transmitere de căldură ale metalului său solid care se autoizolează. Dat fiind că majoritatea Ńevilor de căldură sunt fabricate din cupru (metal cu conductibilitate ridicată de căldură), o Ńeavă de căldură supraîncălzită va continua, în general, să conducă căldura la aproximativ 1/80 din conductibilitatea originală.

În plus, sub o anumită temperatură, fluidul de lucru nu se mai evapora deloc, iar conductibilitatea termică va fi redusă la nivelul celei de izolare a metalului solid. Unul din criteriile esenŃiale pentru selectarea fluidului de lucru este gradul de temperatură operaŃională dorit al aplicaŃiei. Limita mai scăzută de temperatură apare de obicei la câteva grade deasupra punctului de îngheŃ al fluidului de lucru.

5.4.3. Răcirea componentelor din cadrul sistemelor de calcul

Vremurile când Ńevile de căldură erau folosite majoritar pentru egalizarea temperaturii în

tehnologia spaŃială şi sateliŃi au luat sfârşit. În zilele noastre, Ńevile de căldură se utilizează cel mai frecvent în tehnologia calculatoarelor, pentru console de jocuri şi chiar integrate în sistemele de răcire ale procesoarelor, chipset-urilor plăcilor de bază sau ale plăcilor grafice.

Figura 5.19 PoziŃionarea sistemelor de răcire de tip Heat Pipe

Un sistem termic de evacuare a căldurii slab proiectat va declanşa temperaturi de operare

ridicate pentru echipamentele electronice, ducând la numeroase potenŃiale probleme sau la eşecuri premature. De aceea, este necesară intensificarea termică adiŃională pentru disiparea căldurii.

Datorită spaŃiului redus din carcasa unui notebook şi a căldurii mari degajate de procesoarele actuale, răcirea procesorului folosind sistemele tradiŃionale de răcire de tip radiator + ventilator nu mai este posibilă. De aceea, toate notebook-urile disponibile astăzi, au răcirea realizată prin intermediul aşa numitor „heat-pipe”-uri (numite ulterior Ńevi de căldură sau tuburi termice).

łevile de căldură sunt elemente simple ce transferă rapid căldura dintr-un punct în altul, numite şi „super conductori” de căldură datorită vitezei şi capacităŃii extraordinare de transfer al căldurii, fără pierderi.

Microprocesorul, funcŃionează împreună cu sistemul de operare pentru a controla calculatorul; acesta fiind „creierul” calculatorului. Procesorul produce foarte multă căldură, de

Page 180: CartedlComanescu Bun v1

180

aceea un sistem desktop foloseşte pentru a-l menŃine la o temperatura cât mai mică, aer în mişcare ce este circulat peste un radiator (un sistem de plăci, canale şi lamele de radiator folosite pentru a degaja căldura emanată de procesor). Deoarece un notebook are mult mai puŃin spaŃiu pentru fiecare din aceste elemente de răcire, procesorul în general: • rulează la un voltaj şi o frecvenŃă mai redusă – fapt ce reduce emisia de căldură şi consumul

de energie, dar încetineşte procesorul. Majoritatea notebook-urilor rulează la un voltaj şi o frecvenŃă mai mare atunci când sunt conectate la alimentarea externă, şi la valori mai mici când folosesc sursa internă (acumulatorul).

• se montează pe placa de bază direct, fără a mai folosi pini – pinii şi soclurile ocupă mult loc în computerele desktop. Pe unele plăci de bază, procesoarele se montează fără utilizarea unui soclu; altele folosesc Micro-FCBGA (Flip Chip Ball Grid Array), ce folosesc bile în loc de pini. Aceste metode, salvează o parte din preŃiosul spaŃiu din interiorul carcasei unui notebook, dar în unele cazuri, acest lucru se reflectă prin imposibilitatea scoaterii procesorului de pe placa de bază pentru a fi înlocuit sau mărit.

• are mod de latenŃă sau încetinire – calculatorul şi sistemul de operare lucrează împreună pentru a reduce viteza procesorului când calculatorul nu este folosit sau procesorul nu are nevoie să ruleze foarte rapid.

Figura 5.20 Procesorul Intel al unui IBM ThinkPad (stânga) şi procesorul unui sistem desktop

(dreapta) Unele notebook-uri folosesc procesoare de sisteme desktop ce sunt setate a rula la

frecvenŃe mai mici. Deşi acest lucru îmbunătăŃeşte performanŃa, aceste notebook-uri rulează la o temperatură mai mare şi durata de viaŃă a bateriei este mult redusă.

Procesoarele sistemelor desktop în general nu au funcŃii de încetinire, nu se Ńine seama aşa de mult la consumul pe care procesorul îl are, au sisteme de montare pe placa de bază cât mai uşor de utilizat pentru o înlocuire uşoară a acestuia. Un procesor dintr-un sistem desktop este conceput pentru a rula la frecvenŃe cât mai mari, pentru performanŃe sporite în timpul utilizării.

Unele plăci de bază, sunt concepute în aşa fel încât pot suporta procesoare ce sunt special realizate pentru un sistem notebook; acest lucru fiind o opŃiune pentru a scade consumul de energie al unui sistem desktop în detrimentul performanŃei.

O dată cu micşorarea tehnologiei de fabricaŃiei a procesoarelor şi a procesorului în sine, în momentul de faŃă în unele sistemele notebook se folosesc aceleaşi socluri ca şi în sistemele desktop, acest lucru ducând la utilizarea procesoarelor de notebook fără probleme în sisteme desktop.

Notebook-urile în general folosesc mici ventilatoare, radiatoare sau tuburi termice pentru a disipa căldură generată de către procesor. Unele modele performante de notebook-uri reduc căldura şi mai mult folosind un lichid de răcire Ńinut în canalele de lângă tubul termic. De

Page 181: CartedlComanescu Bun v1

181

asemenea, majoritatea procesoarelor de notebook sunt plasate la marginea unităŃii, acest lucru permiŃând ventilatorului să elimine căldura direct în exterior decât peste componentele din interior.

FaŃă de notebook-uri, sistemele desktop nu sunt limitate la spaŃiu iar sistemul de răcire nu este limitat la anumite dimensiuni sau constrâns de spaŃiul înconjurător. Cel mai cunoscut modul de răcire pentru un procesor este format din radiator şi un set de ventilatoare extinse cu rol de disipare a căldurii.

Figura 5.21 Sistem de răcire întâlnit la procesoarele Intel Pentium II sau AMD Athlon pe slot 1

Mare parte a sistemelor desktop folosesc radiatoare împreună cu un ventilator pentru a

realiza procesul de răcire a procesorului.

Figura 5.22 Sistemul de răcire de tip tub termic al unui notebook (stânga) şi unul clasic al unui desktop(dreapta)

Radiatorul unui sistem desktop poate ajunge să cântărească şi 700 g (o treime din întreaga

greutate a unui notebook) şi dimensiuni impresionante la soluŃiile extreme de răcire. Ca şi la notebook-uri, în sistemele desktop se mai utilizează sisteme de răcire cu tuburi termice dar mai rar, datorită preŃului mai ridicat. O altă variantă de răcire a sistemelor desktop este răcirea cu apă, aceasta fiind o variantă foarte eficientă de răcire disponibilă pe piaŃă, cu un zgomot foarte redus însă cu un preŃ ce depăşeşte cu mult un sistem ce utilizează tuburile termice. Cel mai eficient sistem de răcire utilizat în sistemele desktop este răcirea cu freon (asemănătoare unui frigider), aceasta fiind o soluŃie de răcire extremă şi foarte scumpă.

Când vorbim de răcirea unui sistem de calcul, noŃiunea de "Ńeavă de căldură" este una cu rezonanŃă. O Ńeavă de căldură este un dispozitiv cu conductibilitate termică foarte ridicată, utilizat pentru a transporta căldură. Pe măsură ce lichidul se evaporă, energia sub formă de căldură trebuie luată din mediu. De aceea, un lichid care se evaporă va răci zona ce îl înconjoară. Acesta este modul în care o Ńeavă de căldură răceşte efectiv sursa de căldură. Totuşi, acesta nu scapă de

Page 182: CartedlComanescu Bun v1

182

căldură întrucât căldura se deplasează cu aburul. Ca Ńintă pentru transportul de căldură, Ńeava de căldură trebuie să fie răcită, folosind de exemplu o chiuvetă de căldură. În acest caz, are loc efectul invers: lichidul se condensează, şi deci, emite căldură. Folosind acest efecte, este posibil să construim Ńevi de căldură cu conductibilitate termică de mii de ori mai mare decât o piesă din cupru de aceeaşi dimensiune.

Figura 5.23 SoluŃii de răcire pentru procesoarele „dual core”

Figura 5.24 łeavă de căldură fabricată de Thermacore

Page 183: CartedlComanescu Bun v1

183

Din păcate, chiuvetele de căldură sunt de obicei voluminoase şi nu pot fi folosite în sisteme unde spaŃiul este limitat, ca de exemplu un laptop. De aceea, în cazul procesoarelor de notebook-uri, sunt necesare dispozitive de intensificare a transferului de căldură pentru a reduce temperaturii. SoluŃia potrivită pentru atingerea acestui scop o reprezintă tehnologia Ńevii de căldură. În acest caz, Ńeava de căldură se reduce la un sistem evaporator-condensator sub formă simplă de tub gol cu straturi ecranate de sârmă de-a lungul peretelui care serveşte drept fitil, după cum se poate vedea în Figura 5.21.

Figura 5.25 Sistemul evaporator-condensator

Căldura este transferată în secŃiunea evaporatorului în scopul evaporării lichidului.

Aburul se deplasează în secŃiunea condensatorului şi eliberează căldură într-o chiuvetă de căldură prin condensarea ce are loc la celălalt capăt. Lichidul se întoarce pentru a începe procedura din nou, printr-o structură de fitil pe interiorul Ńevii de căldură. łeava de căldură are avantajul de a avea rezistenŃă termică foarte scăzută, iar performanŃele ei sunt insensibile la lungimea acesteia. În consecinŃă, poate fi aranjată în multe forme pentru a primi diferite configuraŃii. A fost implementată cu succes în soluŃii constructive de notebook-uri. Mai jos se poate vedea o Ńeavă de căldură conectată la un sistem de răcire al unui procesor de notebook.

Figura 5.26 Sistem de răcire al procesorului unui notebook cu Ńevi de căldură

Page 184: CartedlComanescu Bun v1

184

Tehnologia Ńevilor de căldură iniŃial folosite pentru aplicaŃiile spaŃiale a fost aplicată la răcirea componentelor din cadrul notebook-urilor. Acestea reprezintă o soluŃie ideală, cu cost eficient. Greutatea mai redusă (în general mai puŃin de 40 grame), profilul mic, compact şi operarea pasivă întrunesc cerinŃele impuse pentru notebook. Pentru un CPU de 8 waŃi cu o temperatură ambientală care nu e mai mare de 40°C, oferă o rezistenŃă termică de 6.25°C/watt, permiŃând procesorului să ruleze la viteză maximă în orice condiŃii ambientale prin păstrarea temperaturii interne la 90°C sau mai puŃin.

Un capăt al Ńevii de căldură este ataşat la procesor cu o platoşă subțire. Celălalt este ataşat la chiuveta de căldură, cu un scut de tastatură special proiectat. Această abordare utilizează părŃile existente pentru a minimaliza greutatea şi complexitatea. łeava de căldură ar mai putea fi ataşată la alte componente fizice potrivite precum chiuveta de căldură pentru a disipa căldura.

Figura 5.27 Răcire doar cu radiator întâlnită la răcirea procesoarelor Pentium I

Dat fiind că nu există părŃi care se mişcă, nu e necesar service-ul şi nu este nimic de spart.

Unii sunt îngrijoraŃi de posibilitatea ca fluidul să se scurgă din Ńeava de căldură în componentele electronice. Cantitatea de fluid dintr-o Ńeavă de căldură de acest diametru este foarte mică. Într-o Ńeavă de căldură corect proiectată, apa este reŃinută total în structura capilară de fitil şi există mai puŃin de 1 atmosferă de presiune. Dacă integritatea vasului unei Ńevi de căldură ar fi vreodată compromisă, aerul s-ar prelinge în Ńeava de căldură, în loc ca apa să se scurgă afară. Apoi fluidul s-ar evapora încet pe măsură ce atinge punctul de fierbere atmosferică.

łevile de căldură au demonstrat că reprezintă un mijloc excepŃional prin care se furnizează controlul termic al sistemelor de calcul tip desktop precum şi al notebook-urilor. łevile de căldură pot mişca şi disipa căldura generată de CPU în mod selectiv prin sistem, fără a afecta componentele sensibile la temperatură. łevile de căldură cu puŃini waŃi (sub 20 waŃi) au plăcuŃe de alimentare standard la Ńeava de căldură. Conectarea la schimbătorul de căldură prin Ńeava de căldură poate avea orice număr de configuraŃii pentru a înlesni plasarea componentelor, nivele multiple de putere şi opŃiuni de ventilator.

La nivelul procesoarelor, soluŃiile Ńevilor de căldură pentru controlul termic sunt o componentă şi o cerinŃă generală a sistemului. Nu numai că Ńeava de căldură ia o configuraŃie diferită cu multiple Ńevi de căldură şi ventilatoare de răcire, dar fluxul de aer devine factorul critic de proiectare. łevile de căldură proiectate pentru 75 waŃi sunt de obicei plane cu multiple ventilatoare de la 3-6 inch, în cele mai multe cazuri cu ventilatoare montate pe fiecare a CPU. Interioarele sunt standard şi utilizează suporturi, orbite de tranziŃie şi platoşă de sprijin la baza plăcii de bază. Agrafele de resort utilizate pe combinaŃia ventilator/chiuvetă de căldură nu vor funcŃiona în acest caz. Managementul fluxului de aer este important în eficienŃa generală a Ńevii de căldură şi trebuie calculată odată cu proiectarea Ńevii de căldură dorite.

Page 185: CartedlComanescu Bun v1

185

Pentru staŃiile de lucru de la 75 la 100 waŃi, soluŃiile termice sunt în mod normal proiectate cu multiple Ńevi de căldură, flux de aer şi zonă maximă de alimentare. Teancurile de ventilatoare se extind de obicei de-a lungul celor două părŃi ale CPU. Ataşarea alimentării la CPU se face fără suport, orbită de tranziŃie sau platoşe de sprijin.

Pentru sistemele de calcul cu frecvenŃe de lucru de 500 MHz şi mai mari, se utilizează două produse termice, Ńevi de căldură pentru a transfera căldura CPU (de la 100 la 300 waŃi) şi o sursă secundară de răcire internă sau externă. Puterea de alimentare este generată de multiple CPU şi componente cu Ńevi de căldură singulare sau multiple. Acest sistem solicită izolare termică datorită consideraŃiilor ini Ńiale.

5.4.4. FuncŃionarea tuburilor termice Sistemele bifazice acŃionate capilar oferă avantaje semnificative faŃă de sistemele clasice

de răcire cu o singură fază. Având o capacitate termică mai mare, împreună cu modificarea fazei fluidului de lucru, este necesară o masă mai redusă pentru a transporta aceiaşi cantitate de căldură faŃă de sistemele cu gaz sau lichid cu o singură fază. În plus, coeficienŃii transferului de căldură a sistemelor bifazice sunt mult mai mari comparativ cu sistemele cu o singură fază, iar rezultatul este un transfer de căldura sporit. Având o masă redusă şi o caracteristică termică îmbunătăŃită, acestea au avantajul de a avea dimensiuni şi greutate reduse dar în acelaşi timp performanŃe ridicate. Capacitatea termică a sistemelor cu o singura fază depinde de modificarea temperaturii fluidului de lucru, şi din această cauză este necesară o diferenŃă mare de temperatura sau o masa mare de fluid în mişcare pentru a transfera o cantitate mare de căldură. Un sistem bifazic poate oferi o operaŃie aproape izotermică indiferent de variaŃiile încărcării. În plus, sistemele cu o singură fază au nevoie de pompe mecanice sau ventilatoare pentru a pune în mişcare fluidul de lucru, în timp ce sistemele bifazice acŃionate capilar nu au nevoie de energie externă, acestea fiind sisteme mult mai fiabile şi lipsite de vibraŃii.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Cap

acita

tea

max

ima

(W)

3 4 5 6 7 8 9

Diametrul (mm)

Cilindric Plat

Figura 5.28 Capacitatea tubului termic în funcŃie de diametru.

Page 186: CartedlComanescu Bun v1

186

Cel mai bun sistem bifazic acŃionat capilar este tubul termic. Conceptul de tub termic a fost prezentat de Gaugler în 1944 şi Trefethen în 1962, dar nu a fost luat prea mult în considerare până în anul 1964 când a fost realizată o demonstraŃie de către Grover în laboratoarele din Los Alamos Scientific Laboratories. Tuburile termice sunt dispozitive pasive ce transporta căldura de la o sursă (vaporizator) către un radiator (condensor) pe distante relativ mari, folosind căldura latentă din vaporizarea lichidului de lucru. După cum este prezentat în Figura 5.28., un tub termic în general are 3 secŃiuni: vaporizator, adiabatic (de transport) şi condensor.

Un tub termic este alcătuit din trei componente de bază: 1) containerul 2) fluidul de lucru 3) căptuşeala sau structura capilară

Containerul are funcŃia de a izola fluidul de lucru de mediul înconjurător. Acesta trebuie să fie închis ermetic pentru a menŃine diferenŃa de presiune pe toŃi pereŃii interiori şi de a permite transferul de căldură din şi către fluidul de lucru.

Alegerea materialului din care este obŃinut containerul Ńine cont de următorii factori: • compatibilitatea (cu fluidul de lucru dat şi cu factorii mediului înconjurător) • raportul rezistenŃă şi greutate • conductivitatea termică • uşurinŃa fabricării, dar şi a sudării, ductibilitaŃii şi prelucrării mecanice • porozitate • permeabilitate

Figura 5.29 Modelul de curgere şi mecanismul de fierbere pentru un vaporizator vertical

Page 187: CartedlComanescu Bun v1

187

Mare parte a criteriilor de mai sus sunt evidente. Materialul nu trebuie să fie poros pentru a preveni difuzia vaporilor, iar o conductivitate termică mare asigură căderea minimă de temperatură între sursa de căldură şi căptuşeală.

Tubul termic se compune dintr-un container de aluminiu sau cupru etanş, al cărui suprafeŃe interioare au o structura realizata dintr-un material capilar cu efect de fitil. Un tub termic este asemănător unui termosifon, dar se diferenŃiază de acesta datorita abilitaŃii sale de a transporta căldura contra gravitaŃiei în timpul ciclului de evaporare-condensare cu ajutorul materialului capilar poros ce formează “căptuşeala”. Acesta oferă forŃa capilară de a întoarce lichidul condensat către vaporizator. În general calitatea şi tipul căptuşelii determină în mare parte performanŃele tubului termic, deoarece acesta este “inima” produsului. În funcŃie de aplicaŃia în care tubul termic va fi utilizat se folosesc diferite tipuri de căptuşeli.

În interiorul containerului se află un lichid sub presiune proprie, ce intră în porii materialului capilar, umezind toate suprafeŃele interne. Aplicând căldură în orice punct al suprafeŃei tubului termic, are loc în acel punct fierberea lichidului şi trecerea acestuia în starea de vapori. Când acest lucru se întâmpla, lichidul preia căldura latenta a vaporizării. Gazul, care acum are o presiune mai mare, se mişca în interiorul containerului etanş către o zona mai rece unde va condensa. În acest fel, gazul cedează căldura latenta din vaporizare şi transporta căldura de la un capăt la celălalt al tubului termic.

Întregul ciclu are loc în general cu o diferenŃă de temperatură a unui capăt faŃă de celalalt mai mică de 5°C .

În funcŃie de diametrul tubului termic, acest proces poate să transporte sute de waŃi pe o distanŃă de mai mulŃi centimetrii. (Figura 5.29).

Tuburile termice au o conductivitate termică de mii de ori mai mare decât cea a cuprului. Transferul de căldură al unui tub termic este determinat de „Valoarea Puterii Axiale (VPA)”. Cu cât diametrul tubului termic este mai mare, cu atât VPA-ul acesteia este mai mare. În mod similar, cu cât este mai lung un tub termic cu atât este mai mic VPA-ul acestuia. Tuburile termice pot fi realizate aproape de orice mărime şi formă.

Analiza funcŃionării unui tub termic devine foarte complicată când sunt luate în considerare forŃele de încetinire ale vâscozităŃii în starea de lichid dar şi în cea de vapori, sau fenomene cum ar fi undele de şoc supersonice şi fierberea, ambele putând limita performanŃele la puteri mari şi de aceea înŃelegerea şi cunoaşterea acestor efecte este obligatorie când se proiectează un tub termic.

Figura 5.30 Modelul de curgere şi mecanismul de fierbere pentru un vaporizator orizontal

La utilizarea unui sistem de răcire ce foloseşte tuburi termice, trebuie luat în considerare

şi faptul că, dacă tubul termic este încălzit peste temperatura maximă pentru care a fost conceput să funcŃioneze, este posibil a nu se mai produce condensarea, iar tot fluidul de lucru din interiorul acesteia să fie în stare de vapori. În această situaŃie, tubul termic îşi pierde capacitatea de a transporta căldura, acest lucru fiind foarte periculos în cazul răcirii unor elemente sensibile folosind doar un sistem de răcire bazat pe tuburi termice.

În Figura 5.30 sunt prezentate desfăşurat diferite tipuri de curgere ce apar intr-un vaporizator vertical: lichidul ce la intrare se afla intr-o stare pur lichidă, treptat se transformă către

Page 188: CartedlComanescu Bun v1

188

ieşire în vapori. Această trecere este împărŃită în mai multe etape de curgere: spumoasă, lentă, amestecată, inelară şi sub formă de particule (pulverizată).

Modelele de curgeri hibride spumos-lent, lent-inelar (amestecat), inelar-ondulat-particule, pot fi considerate etape de tranziŃie între modelele principale. Comportamentul fluidului intr-un vaporizator orizontal este prezentată în Figura 5.30.

Tubul termic nu poate elimina sau disipa căldura, acesta fiind doar un conductor cu o rezistenŃă termică foarte redusă, prin care căldura este transportată dintr-un punct în altul. Pentru a putea fi folosit, un tub termic trebuie sa aibă o suprafaŃa de răcire sub formă de nervuri, echivalentă ca mărime cu un radiator răcit cu aer dar fără tub termic.

Tuburile termice sunt sensibile din punct de vedere al orientării faŃă de gravitaŃie, şi vor transporta cantităŃi mari de căldură când funcŃionează în poziŃia cu sursa de căldura jos şi partea de degajare sus. Această orientare permite revenirea rapidă a fluidului răcit către vaporizor. De asemenea, tuburile termice pot funcŃiona în poziŃie orizontală cu o pierdere redusă a conductivităŃii. Cu toate acestea, funcŃionarea cu orientare inversă (sursa de căldură sus şi partea de răcire jos) trebuie atent proiectată, deoarece majoritatea tuburilor termice datorită tipului căptuşelii sau a capilarităŃii vor pierde din eficienŃă.

În Figura 5.30 se prezintă o secŃiune dintr-un tub termic cilindric având pe interior o căptuşeala omogenă.

Figura 5.31 (a) Tub termic cilindric tipic; (b) raza curburii suprafeŃei de separare lichid-vapori în

vaporizator şi condensor

Page 189: CartedlComanescu Bun v1

189

Vaporizatorul încălzindu-se, fluidul de lucru se evaporă în timp ce absoarbe o cantitate de căldură echivalentă căldurii latente a vaporizării, în timp ce în secŃiunea condensorului fluidul de lucru sub formă de vapori este condensat. Surplusul de masă din secŃiunea vaporizatoare şi eliminarea de masa din secŃiunea condensorului are ca rezultat o diferenŃa de presiune în canalul de vapori ce este parcurs de vaporii în mişcare. Întoarcerea lichidului în vaporizator din condensor este generată de căptuşeală. În timpul vaporizării în vaporizator, meniscul lichidului se retrage în structura căptuşelii, după cum se poate observa în Figura 5.31 b. În mod similar, vaporii condensează în secŃiunea condensorului, iar surplusul de masă are ca rezultat înaintarea meniscului. DiferenŃa dintre razele capilare din capătul vaporizatorului şi a condensorului din structura căptuşelii, are ca rezultat o diferenŃa de presiune în căptuşeala saturată cu lichid. DiferenŃa de presiune antrenează lichidul de la condensor către vaporizator prin structura căptuşelii, acesta fiind un proces continuu.

Datorită caracteristicii bifazice, tubul termic este ideal pentru a transmite căldura pe distanŃe mari având o cădere de temperatura redusă şi a realiza suprafeŃe aproape izoterme pentru stabilizarea temperaturii. Această condiŃie izotermică are avantajul de a transporta eficient cantităŃi mari de căldură, micşorând zona de transfer a căldurii şi reducând greutatea sistemului de răcire. Cantitatea de căldura ce poate fi transportată folosind căldura latentă, este în general cu câteva ordine de mărime mai mare decât dacă ar fi transportata prin conducŃie intr-un sistem cu o geometrie echivalentă. În plus, nu sunt necesare sisteme suplimentare de pompare datorită forŃei capilare ce acŃionează asupra fluidului de lucru. Având o gama foarte largă de temperaturi de funcŃionare ale fluidului de lucru, eficienŃa mare, greutate redusă şi absenŃa unor pompe externe în sau pe tubul termic, aceste sisteme de răcire sunt o soluŃie atractivă pentru o gamă largă de aplicaŃii ce folosesc transferul de căldură.

Teoretic, funcŃionarea tubului termic este posibilă la orice temperatură între punctul de topire şi cel fierbere al fluidului utilizat, deşi capacitatea de transport se reduce semnificativ în apropierea celor două extreme, datorită proprietăŃilor tensiunii superficiale ale fluidului şi a vâscozităŃii acestuia. Câteva fluide de lucru utilizate în conductele de răcire sunt prezentate în tabelul 5.6, împreuna cu punctul de topire, de fierbere şi gama de temperaturi în care sunt utilizate pentru fiecare fluid în parte. Clasificarea tuburilor termice poate fi în funcŃie de geometrie, utilizare sau fluidul de lucru utilizat.

Utilizarea tuburilor termice se face intr-o gamă de temperaturi bine stabilite. Din acest motiv, alegerea fluidului de lucru se face Ńinând cont de temperatura de funcŃionare (împreună cu condiŃia de presiune), şi de asemenea de compatibilitatea chimică între container şi materialul căptuşelii. În funcŃie de temperatura de funcŃionare, tuburile termice se împart în 4 categorii: 1) Tuburi termice criogenice, realizate să funcŃioneze de la 1 la 200 K, cu fluide de lucru cum ar

fi heliu, argon, neon, azot şi oxigen. Acestea au capacitaŃi reduse de transfer al căldurii, datorită unor valori foarte scăzute ale căldurii latente preluate prin vaporizare -hfg, dar şi a unei tensiuni superficiale scăzute a fluidelor de lucru.

2) Tuburi termice cu temperatură joasă, pentru o gamă de temperaturi variind între 200 şi 550K. Fluidele de lucru în general utilizate sunt metanol, etanol, amoniac, acetonă şi apa.

3) Tuburi termice cu temperatură medie având o gama a temperaturii de funcŃionare între 550 şi 700K. Mercurul şi sulful sunt fluidele utilizate în această gama, împreună cu unele fluide organice, cum ar fi naftalina şi fenil-benzenul.

4) Tuburi termice cu temperatură ridicată (metal lichid) operând la peste 700 K. Folosind metale lichide, se obŃin fluxuri de căldură extrem de mari datorită caracteristicilor fluidului, şi anume, tensiuni superficiale foarte mari şi o căldură latentă a vaporizării foarte mare. Exemple de metale lichide utilizate de obicei sunt potasiu, sodiu şi argintul. În cazul tuburilor termice ce utilizează metale lichide, funcŃionarea acestora implică în general o pornire iniŃială cu fluidul de lucru intr-o stare solidă.

Page 190: CartedlComanescu Bun v1

190

Deoarece cantitatea de căldura transferată de către un tub termic este în funcŃie de căldura latentă a vaporizării, transferul unor cantităŃi foarte mari de căldură este posibil, chiar şi pe distanŃe mari. Se pot obŃine cu uşurinŃa fluxuri axiale de căldura de 108 W/m2 folosind tuburi termice cu sodiu. Calculând conductivitatea termică efectivă - keff, se pot atinge valori de 108W/m*K (tuburi termice cu sodiu), conductivitate ce este cu câteva ordine de mărime mai mare decât cel mai bun conductor existent.

Cea mai utilizată aplicaŃie în care este folosit tubul termic este aceea de convertor de flux. Folosind un tub termic, fluxurile termice mari, degajate de o sursă, pot fi preluate cu ajutorul unei suprafeŃe mici, flux ce apoi este degajat folosind o suprafaŃa mare de tip condensor. Raportul de conversie a fluxului termic poate fi mai mare de 10:1, lucru ce oferă sistemelor de răcire posibilitatea de a degaja căldura folosind metode de răcire cum ar fi convecŃia sau răcirea cu o singură fază.

5.4.4.1. Caracteristicile fluidului de lucru

O prima atenŃie în identificarea fluidului de lucru potrivit este alegerea unui fluid al cărui

vapori se încadrează în temperatura de lucru. În limitele aproximative ale benzii de temperatură există un număr de fluide ce pot fi folosite, acestea având o varietate de caracteristici ce trebuiesc examinate pentru a determina cel mai potrivit fluid ce poate fi utilizat în aplicaŃia considerată.

Tabelul 5.6

Gama de temperaturi utilizate ( °C)

Fluidul de lucru

Materialul conductei de răcire

Fluxul de căldură axial (kW/cm2)

Fluxul de căldură la suprafaŃă (W/cm2)

-200 la -80 Azot lichid OŃel inoxidabil 0.067 @ -163°C

1.01 @ -163°C

-70 la +60 Amoniac lichid

Nichel, Aluminiu, OŃel inoxidabil

0.295 2.95

-45 la +120 Metanol Cupru, Nichel, OŃel inoxidabil

0.45 @ 100°C

75.5 @ 100°C

+5 la +230 Apa Cupru, Nichel 0.67 @ 200°C

146 @ 170°C

+190 la +550

Mercur+0.02% Magneziu+0.001%

OŃel inoxidabil 25.1 @ 360°C

181 @ 750°C

+400 la +800 Potasiu Nichel, OŃel inoxidabil

5.6 @ 750°C

181 @ 750°C

+500 la +900 Sodiu Nichel, OŃel inoxidabil

9.3 @ 850°C

224 @ 760°C

+900 la +1.500

Litiu Niobiu +1% Zirconiu

2.0 @ 1250°C

207 @ 1250°C

+1.500 la +2.000

Argint Tantal +5% Wolfram

4.1 413

Principalii factori în alegerea fluidului de lucru sunt:

• compatibilitatea cu căptuşeala şi materialul pereŃilor cilindrului

Page 191: CartedlComanescu Bun v1

191

• o stabilitate termică bună • permeabilitatea căptuşelii şi a pereŃilor cilindrului • presiunea vaporilor sa nu fie prea mare sau prea mică, în cazul depăşirii temperaturii de

funcŃionare • o căldură latenta mare • conductivitate termică mare • vâscozitatea în stare lichidă şi de vapori să fie mare • tensiunea superficială să fie mare • punctele de topire şi îngheŃ să fie în limite acceptabile

În alegerea fluidului de lucru trebuie de asemenea sa fie luate în considerare şi elementele termodinamice şi limitele fluxului termic în interiorul tubului termic cum ar fi nivelul vâscos, sonic, capilar și fierberea antrenată.

În proiectarea unui tub termic, este dorită o valoare ridicată a tensiunii superficiale pentru a permite tubului termic sa funcŃioneze contra gravitaŃiei şi pentru a genera o forŃa capilară mare. Pe lângă tensiunea superficială este necesar ca fluidul de lucru să ude căptuşeala şi materialul containerului astfel încât unghiul de contact sa fie zero sau foarte mic. Presiunea vaporilor peste temperatura de funcŃionare trebuie sa fie suficient de mare pentru a evita viteze mari ale vaporilor, ceea ce ar duce la o diferenŃa mare de temperatură şi ar cauza instabilităŃi în fluxul termic.

Este dorită o căldură latentă mare a vaporizării, pentru a putea transfera o cantitate mare de căldură având o curgere a fluidului minimă, şi de asemenea a menŃine o cădere de presiune redusă în interiorul tubului termic. Conductivitatea termica a fluidului de lucru este de preferat sa fie mare pentru a micşora gradientul de temperatura radială şi de a reduce posibilitatea apariŃiei fierberii nucleate în căptuşeala sau pe suprafeŃele pereŃilor. Rezistența curgerii fluidului poate fi redusă prin alegerea unor fluide ce au valori ale vâscozităŃii reduse în stare lichidă şi de vapori.

5.4.4.2. Căptuşeala sau structura capilară

Acesta este o structura poroasă realizată dintr-un material cum ar fi oŃelul, aluminiul,

nichel sau cupru, având porozităŃi de diferite mărimi, sau sunt fabricate folosind metale spongioase cum ar fi fetru, acesta fiind frecvent folosit. Modificând presiunea asupra fetrului în timpul asamblării, se pot obŃine pori având mărimi diverse. Incorporând dornuri metalice detaşabile, pe suprafaŃa fetrului se poate modela o structură arterială.

Cele mai importante proprietăŃi ale căptuşelii sunt: raza porilor şi permeabilitatea. Raza porilor determină presiunea de pompare pe care căptuşeala o poate realiza, iar permeabilitatea determină pierderile prin frecare ale fluidului în timpul curgerii acestuia prin căptuşeală.

De asemenea de mai folosesc foarte des materiale fibroase cum ar fi ceramica, deoarece au pori mai mici. Principalul dezavantaj al fibrelor ceramice este acela că au o rigiditate redusă şi în general necesită un suport continuu realizat dintr-o reŃea metalică. Deşi fibrele pot fi compatibile din punct de vedere chimic cu fluidul de lucru, materialele ce le susŃin pot provoca probleme. De curând, s-a dat mare atenŃie către fibrele de carbon ca şi material pentru realizarea căptuşelii, datorită faptului că filamentele de fibră de carbon pot avea pe suprafaŃa lor caneluri longitudinale, produc presiuni capilare mari şi sunt stabile din punct de vedere chimic. Au fost realizate cu succes tuburi termice ce utilizează fibrele de carbon ca şi căptuşeală, iar acestea au demonstrat ca au o capacitate mai mare în transportul căldurii.

Principalul scop al căptuşelii este acela de a genera presiune capilară pentru a transporta fluidul de lucru de la condensor la vaporizor. De asemenea trebuie sa fie capabil să distribuie lichidul pe întreaga secŃiune a vaporizatorului unde căldura ar putea fi primită de către tubul termic. În general datorită acestor două funcŃii, căptuşeala este realizată având forme diferite; iar

Page 192: CartedlComanescu Bun v1

192

secŃiunea acestuia intr-un tub termic depinde de mai mulŃi factori. O parte din aceşti factori sunt strâns legaŃi de proprietăŃile fluidului de lucru.

Mărimea maximă a capătului capilarităŃii generată de căptuşeală creşte odată cu micşorarea mărimii porilor. Permeabilitatea căptuşelii creste prin mărirea porilor. O alta caracteristică a căptuşelii ce trebuie optimizata este grosimea. Capacitatea de transport a căldurii unui tub termic poate fi crescută prin mărirea grosimii căptuşelii. În general, rezistenŃa termică în partea vaporizatorului depinde în mare parte de conductivitatea fluidului de lucru în căptuşeală. O proprietate foarte importantă a compatibilităŃii căptuşelii cu fluidul de lucru este permeabilitatea.

Cele mai frecvente tipuri de căptuşeală folosite în construcŃia unui tub termic sunt: 1) Caneluri axiale

Figura 5.32 Caneluri axiale ForŃa capilară este generată de caneluri axiale, iar acest tip este adecvat pentru tuburi

termice de putere mică, ce operează orizontal sau cu ajutor din partea gravitaŃiei. Tubul poate fi preîndoit, iar când este folosit împreuna cu o reŃea metalică, performanŃa tubului termic poate fi crescută considerabil.

2) ReŃea metalică

Acest gen de căptuşeală este folosit în majoritatea produselor ce oferă caracteristici variabile legate de transportul căldurii şi sensibilitatea orientării tubului termic, în funcŃie de numărul de straturi de reŃea folosite.

Figura 5.33

Page 193: CartedlComanescu Bun v1

193

3) Pudra sinterizată Acest proces oferă tubului termic o capacitate mare de preluare a căldurii, gradiente de

temperaturi şi forŃe capilare mari pentru aplicaŃii ce lucrează contra gravitaŃiei. Cu acest tip de structură se pot obŃine curburi foarte strânse la construcŃia unui tub termic.

Figura 5.34 Un mare avantaj al tuburilor termice ce folosesc căptuşeala din pudră sinterizată, este

acela de a putea funcŃiona în orice poziŃie, inclusiv contra gravitaŃiei (sursa de căldură este plasată deasupra sursei de răcire). Puterea de transport a căldurii intr-un tub termic în mod normal scade cu cât unghiul de funcŃionare contra gravitaŃiei creste. Deoarece căptuşelile cu caneluri şi cele cu reŃea metalică au o forŃa capilară foarte redusă, acestea nu pot învinge forŃele gravitaŃionale şi datorită acestui fapt nu pot funcŃiona contra gravitaŃiei.

Un alt avantaj al căptuşelii din pudră sinterizată este capacitatea acestuia de a prelua fluxuri de căldură foarte mari. Căptuşeala din pudră sinterizată are o porozitate de 50%, prin urmare vaporizarea se realizează pe o suprafaŃă mult mai mare. Căptuşeala din pudră sinterizată poate prelua 50 W/cm2, şi au fost testate până la 250 W/cm2. Pentru a face o comparaŃie, căptuşeala cu caneluri în mod normal poate prelua 5 W/cm2 iar unul cu reŃea metalică 10 W/cm2.

Pe lângă acestea, deoarece căptuşeala din pudră sinterizată este integrată în cilindrul tubului termic, poate fi supusă unui număr mare de cicluri de îngheŃ/dezgheŃ fără ai fi afectată performanŃa. În plus, tubul termic ce are în componenŃa căptuşelii o structură din pudră sinterizată, poate fi îndoită sub unghiuri mici. Caracteristicile de mai sus fac, din tuburile termice ce utilizează pudra sinterizată, sa fie structura optima pentru multe soluŃii de management termic.

În tabelul 5.7 sunt prezentate caracteristicile diferitelor tipuri de căptuşeală: Tabel 5.7

Tipul căptuşelii Conductivitate Înfrângerea gravitaŃiei Rezistența termica Stabilitate Pierderea

conductivităŃii Caneluri axiale Bună Slabă Slabă Bună Medie ReŃea metalică Medie Medie Medie Medie Scăzută Pudra sinterizată Medie Excelentă Mare Medie Mare

În imaginile de mai jos sunt prezentate teste ale unor tuburi termice, având diferite tipuri

de căptuşeli în orientare orizontală şi verticală:

Page 194: CartedlComanescu Bun v1

194

Rezistenta termica vs. Lungimea tubului termic(Q=100W, Raza=3mm, orientare verticala)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

100 150 200

Lungimea (mm)

Rez

iste

nta

ter

mic

a (C

/W)

Caneluri axiale Retea metalica Pudra sinterizata

Figura 5.35 RezistenŃa termică funcŃie de lungimea tubului termic – vertical

Rezistenta termica vs. Lungimea tubului termic(Q=100W, Raza=3mm, orientare orizontala)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

100 150 200

Lungimea (mm)

Rez

iste

nta

ter

mic

a (C

/W)

Caneluri axiale Retea metalica Pudra sinterizata

Figura 5.36 RezistenŃa termică funcŃie de lungimea tubului termic - orizontal

Page 195: CartedlComanescu Bun v1

195

5.4.4.3. Clasificarea în funcŃie de tipul regulatorului

Pe lângă clasificarea în funcŃie de temperatura de funcŃionare a fluidului de lucru, tuburile

termice se pot clasifica şi după de tipul de regulator folosit. Regulatorul este uneori necesar deoarece un tub termic fără regulator îşi va autoregla temperatura de funcŃionare în funcŃie de sursa de căldura în capătul vaporizatorului şi de radiator din capătul condensorului. De exemplu, este de dorit reglarea temperaturii intr-o gama dată, chiar în prezenta unei variaŃii mari între sursa de căldura şi radiator. Pe de alta parte, este posibil a fi necesară permiterea trecerii căldurii în cazul unor anumite condiŃii, şi blocarea acesteia în cazul altui set de condiŃii. Aceste situaŃii duc către noi tuburi termice ce sunt cunoscute ca şi întrerupătoare termice şi diode termice. 1) PrezenŃa oricărui gaz incondensabil în spaŃiul de vapori, este dus către secŃiunea

condensorului în timpul funcŃionarii, iar acest gaz va bloca o parte din suprafaŃa condensorului. Fluxul termic de la condensor poate fi controlat prin modificarea volumului de gaz incondensabil. Exemple de dispozitive cu autocontrol, dispozitive ce pot fi controlate cu ajutorul presiunii vaporilor fluidului de lucru sunt prezentate în figurile 5.37 a, b, c. Exemple de dispozitive controlate cu reacŃie sunt prezentate în figurile 5.37 d şi e.

2) Tub termic cu exces de lichid. Controlul de asemenea poate fi obŃinut prin adăugare de fluid în exces în condensor. În tubul termic cu exces de lichid, fluidul de lucru în exces fiind în faza lichida este adus în condensor şi blochează o parte din acesta. Se poate observa în Figura 5.37 a. ca o scădere a temperaturii vaporilor va dilata fluidul de control din burduf, fapt ce forŃează lichidul în exces sa blocheze o parte din condensor. Exemplul unei diode termice se poate observa în Figura 5.37 b.

3) Tub termic cu flux de vapori modulaŃi. PerformanŃa unui tub termic poate fi controlată prin fluxul de vapori ce traversează secŃiunea adiabatică, aşa cum este prezentat în Figura 5.37 a., o creştere a aportului de căldură sau o creştere a temperaturii sursei de căldură pe suprafaŃa vaporizatorului, duce la creşterea temperaturii şi presiunii vaporilor în secŃiunea vaporizatorului. Fluxul acestor vapori traversează valva de reglare, generând o cădere de temperatură şi presiune ce are ca rezultat scăderea acestor cantităŃi în secŃiunea condensorului. Deşi temperatura condensorului şi presiunea acestuia pot fi Ńinute la valori ce permit funcŃionarea condensorului în limitele de performanŃă, chiar temperatura sursei de căldura a crescut. În cazul în care aportul de căldura creşte, condensorul poate face faŃă acestei creşteri şi îşi adaptează performanŃele cu ajutorul valvei de reglare. În Figura 5.37 b. este prezentat un întrerupător termic unde fluxul de vapori ce traversează valva de control poate fi oprit complet.

Tub termic cu flux de lichid modulat. Controlul fluxului de lichid este de asemenea o cale eficientă de a regla performanŃa tubului termic. O cale de a controla fluxul de fluid este aceea de a utiliza un separator din lichid aşa cum este prezentat în Figura 5.37 a. Acest separator este un rezervor aliniat cu căptuşeala, şi este instalat la capătul vaporizatorului. Căptuşeala separatorului nu este conectată cu căptuşeala activă a tubului termic. În timpul funcŃionării normale a unui tub termic, căptuşeala separatorului este uscată. Dacă aportul de căldură creşte, sau orientarea tubului termic se modifică, condensarea poate apare în separator iar separatorul de lichid devine un condensor alternativ la capătul tubului. În timp ce lichidul se acumulează în separator, căptuşeala principala începe sa se usuce, ceea ce duce la oprirea funcŃionarii. Un exemplu de tub termic cu secŃiunea vaporizatorului sub secŃiunea vaporizatorului este prezentată în Figura 5.37 b. Acest lucru, el însuşi, este un fel de control deoarece, tubul termic poate funcŃiona ca şi o diodă termică atâta timp cât căptuşeala este proiectată în mod corespunzător. Trebuie menŃionat că întoarcerea lichidului condensat către secŃiunea vaporizatorului este realizată cu ajutorul forŃei gravitaŃionale. Acest tip de tub termic este cunoscută sub numele de termosifon.

Page 196: CartedlComanescu Bun v1

196

Figura 5.37 Tuburi termice încărcate cu gaz Exista 4 tipuri principale de regulatoare prezentate în figurile 5.37 :

4) Tub termic încărcat cu gaz. PrezenŃa unui gaz incondensabil are un efect pronunŃat asupra performantelor condensorului. Acest efect poate fi folosit pentru a controla tubul termic.

Page 197: CartedlComanescu Bun v1

197

5.4.4.4. AcŃiunea capilara

În sistemele acŃionate capilar, potenŃialul fluidului de lucru circulat este generat de

diferenŃa dintre curbura suprafeŃelor de separare lichid-vapori ale vaporizatorului şi condensorului. Prin urmare, determinarea capacitaŃii maxime de pompare şi a performantei corespunzătoare transferului de căldura a acestor sisteme, depinde în mare parte de acurateŃea predicŃiei formelor suprafeŃelor de separare ale vaporizatorului şi condensorului. La scara microscopica, suprafaŃa de separare lichid-vapori este o zona de tranziŃie unde densitatea numărului de molecule variază în mod continuu. Dar, la o scara macroscopica, suprafaŃa de separare dintre lichid şi vapori este descrisa ca fiind o suprafaŃa de discontinuitate şi caracterizata folosind proprietăŃile tensiunii superficiale. Tensiunea superficiala este definita termodinamic ca fiind modificarea excesului energiei libere de la suprafaŃa față de creşterea unităŃii în zona intersuprafețe.

nTSA

E

,

∂∂=σ

Deoarece presiunea capilara în suprafaŃa de separare lichid-vapori este datorata curburii meniscului şi a tensiunii superficiale a fluidului de lucru, aceasta este data de ecuaŃia Young-Lapace.

+=∆

21

11

RRPc σ

unde σ este tensiunea superficiala iar R1 şi R2 sunt razele principale ale meniscului (Figura 5.38). CondiŃiile ecuaŃiei Young-Laplace sunt: suprafaŃa de separare lichid-vapori este statica, fluxul de mase (vaporizarea) este scăzuta, iar efectele presiunii ce le desparte este neglijabilă.

În cazul unei pelicule foarte subŃiri este necesara includerea efectelor presiunii despărŃitoare asupra suprafeŃei de despărŃire pentru a oferi o predicŃie fizica corecta şi exacta a presiunii capilare asupra suprafeŃei de despărŃire; o prezentare a unor soluŃii de includere a acestor efecte a fost data de Wayner în 1999.

Figura 5.38 Razele meniscului

Page 198: CartedlComanescu Bun v1

198

În predicŃia presiunii capilare maxime data de structura căptuşelii al unui tub termic, în general se combina cele doua raze de curbura principale ce are ca rezultat raza de curbura efectiva pentru structura căptuşelii. Aceasta metoda are ca rezultat o raza capilara efectiva echivalenta cu

rata interioara a tubului circular ( θcos/21 effrRR == ) şi permite compararea cu uşurinŃa a

diferitelor structuri capilare. În acest caz, presiunea capilara este exprimata ca

θσcos

2

effc r

P =∆

unde θ, unghiul aparent de contact, este dependent de perechea fluid - căptuşeala aleasa. Unghiul de contact este o măsura a gradului de umezire a lichidului în structura căptuşelii, unde θ=0o reprezintă un sistem permeabil ideal. În 1992, Carey a realizat o descriere detaliata a parametrilor de afectează permeabilitatea. Pentru ca expresia sa fie dusa la maxim, unghiul de umezire trebuie sa fie 0 (lichidul uda căptuşeala complet). Astfel, presiunea capilara maxima cu un fluid ce uda complet căptuşeala va fi:

( )eff

c rP

σ2max =∆

unde reff este raza efectiva a porilor din căptuşeala şi poate fi determinata pentru diverse structuri.

DiferenŃa în curbura meniscului între secŃiunea vaporizatorului şi cea a condensorului implica o diferenŃa în presiunea capilara în suprafaŃa de separare de-a lungul tubului termic. Presiunea capilara dezvoltata de căptuşeala între punctele 1 şi 2 poate fi descrisa ca:

( ) 2,1,21 ccc PPP ∆−∆=∆ →

Figura 5.39

Page 199: CartedlComanescu Bun v1

199

Presiunea capilară maximă dezvoltată de căptuşeala între punctul de umezire (definit ca punctul unde meniscul este plat) şi punctul de uscare (definit ca punctul unde curbura meniscului este maxim) este:

( )eff

c rP

σ2max =∆

DiferenŃa în presiunea capilara pune în mişcare fluidul contra presiunii lichidului,

vaporilor şi chiar a atracŃiei gravitaŃionale.

5.4.4.5. Limitele transferului

Limitele fluxului maxim de căldură ce poate fi transportat de către un tub termic pot fi

împărŃite în două categorii principale: limite ce au ca rezultat deteriorarea tubului termic şi limite ce nu conduc la deteriorarea acesteia. Toate limitele ce au ca rezultat deteriorarea tubului termic sunt cauzate de curgerea insuficientă a fluidului de lucru către vaporizator pentru un anumit flux de căldura, ce are ca rezultat în uscarea căptuşelii vaporizatorului. Aportul de căldura Q, este direct legat de masa de fluid ce este circulat şi de căldură latentă hfg a fluidului, deoarece aportul de căldura este mecanismul de acŃionare, unde

fghmQ ⋅= &

Dar limitările ce nu au ca rezultat deteriorarea tubului termic nu sunt cauzate de

funcŃionarea acesteia la temperaturi înalte sau a unui aport mărit de căldura. Limite (ce produc deteriorarea)

1) Limita capilară. Limita capilara este legata de fenomenele fundamentale ce guvernează funcŃionarea tubului termic, aceasta fiind obŃinerea diferenŃelor de presiune capilara în suprafaŃa de separare a lichid-vapori din vaporizator şi condensor. Atunci când presiunea capilara este insuficienta pentru a produce o curgerea adecvata a fluidului de la condensor către vaporizator, apare efectul de uscare a căptuşelii vaporizatorului. În general, limita capilara este principala limitare de transport a căldurii intr-un tub termic.

2) Limita de fierbere. Limita de fierbere apare când atunci când în partea vaporizatorului este pusa o sursa de căldura suficient de puternica pentru a produce o fierbere în căptuşeala vaporizatorului. Aceasta creează bule de vapori ce blochează parŃial întoarcerea lichidului şi poate duce la uscarea căptuşelii vaporizatorului. Limita de fierbere este uneori numita şi limita fluxului de căldură.

3) Limita de antrenare. Limita de antrenare apare în momentul când se produc forte de forfecare în timp ce vaporii trec în direcŃia opusa curgerii lichidului în căptuşeala saturată, unde exista posibilitatea ca lichidul sa fie întors către condensor de către vaporii în mişcare. Acest efect are ca rezultat o curgere insuficientă de lichid în structura căptuşelii.

Limite (ce nu produc deteriorarea) 1) Limita vâscoasă. Limita vâscoasă apare în timpul funcŃionarii la temperaturi reduse, când

presiunea vaporilor poate fi la de aceeaşi mărime ca şi căderea de presiune necesara pentru a deplasa fluxul de vapori în interiorul tubului termic. Rezultatul este o presiune insuficienta pentru a pune în mişcare vaporii. Limita vâscoasa este uneori numita şi limita presiunii vaporilor.

2) Limita sonică. Limita sonica apare deoarece la densităŃi scăzute ale vaporilor, fluxul de vapori din tubul termic pot avea viteze foarte mari şi aceştia încep sa curgă întrerupt.

Page 200: CartedlComanescu Bun v1

200

3) Limita condensorului. Limita condensorului are la baza limitele răcirii prin radiaŃie sau convecŃie naturala pe suprafaŃa condensorului. De exemplu, în cazul răcirii prin radiaŃie, transferul căldurii de la tubul termic este influenŃat de suprafaŃa condensorului, radiaŃie şi temperatura de funcŃionare.

Folosind diferite tehnici de analiza pentru fiecare limita independent, capacitatea de transfer de căldura ca o funcŃie a unei temperaturii medii de funcŃionare (temperatura vaporilor adiabatici) poate fi determinata. Aceasta procedura are ca rezultat un grafic de performante similar celui din Figura 5.40. După cum se poate observa, performantele fiecărei limite luata în parte definesc gama de funcŃionare, reprezentată de zona înconjurată de combinarea limitelor individuale.

Aceasta gamă de funcŃionare rezultată defineşte zona capacitaŃii maxime de temperatură şi de transfer de căldură în care tubul termic poate funcŃiona. Se poate determina tubul termic poate transporta cantitatea de căldura necesara sau dacă este necesară reproiectarea tubului termic. Temperatura de funcŃionare a unui tub termic este în funcŃie de aportul de căldură şi există o dependentă între transferul de căldură şi temperatura de funcŃionare.

Figura 5.40 Graficul performantei unui tub termic

5.4.4.5.1. Limita capilar ă Deoarece acŃionarea necesara punerii în mişcare a fluidului de lucru este diferenŃa

presiunilor capilare, presiunea capilara maxima trebuie sa fie mai mare decât suma tuturor pierderilor de presiune din interiorul tubului termic:

( ) totc PP ∆≥∆ max

Pierderile de presiune din tubul termic pot fi împărŃite 3 categorii: căderea de presiune

datorata frecării de-a lungul cailor de vapori şi lichid, căderea de presiune din lichid ca rezultat a forŃelor gravitaŃionale, centrifugale, electromagnetice şi căderea de presiune datorata trecerii dintre faze

phbltot PPPPP ∆+∆+∆+∆=∆ ν

Page 201: CartedlComanescu Bun v1

201

În timpul funcŃionarii tubului termic, meniscul îşi modifica raza curburii în mod natural în

funcŃie de diferenŃa presiunii capilare pentru a compensa pierderile de presiune totP∆ . Raza

maxima a curburii este limitata la dimensiunea capilara a structurii căptuşelii, în aşa fel încât

transferul maxim apare când ( ) totc PP ∆=∆ max . Este important de Ńinut seama ca, căderea de

presiune asociata trecerii între faze, phP∆ este importanta numai în cazul unor grade mari de

condensare sau vaporizare şi reprezintă condiŃia de început asociata cu energia cinetica a procesului de trecere lichid-vapori. Exceptând condiŃii speciale (de exemplu tuburile termice cu metal lichid ce au grade de vaporizare extrem de mari), căderea de presiune la trecerea dintre faze este în mod normal neglijabila şi nu va fi luata în considerare.

În Figura 5.41 este prezentata diagrama căderii de presiune în lungul tubului termic ce funcŃionează cu un flux de căldura scăzut. Dacă căderea de presiune totala depăşeşte presiunea capilara maxima, gradul de întoarcere al lichidului către vaporizator va fi insuficient iar tubul

termic va suferi o uscare a căptuşelii. Presiunea capilara maxima cP∆ dezvoltata în structura

căptuşelii tubului termic este data de ecuaŃia Laplace-Young. Diferite valori ale razelor efective ale diverselor structurii capilare reff sunt prezentate în tabelul 5.8.

Figura 5.41 VariaŃia presiunii de-a lungul unui tub termic cu un flux scăzut de căldură

ForŃele rezultante contra căruia lichidul trebuie pompat, ce include inclinaŃie tubului

termic

φρ sin|| ⋅⋅⋅=∆ LgP l

şi de asemenea căderea de presiune hidrostatica datorata revenirii fluidului în capătul

tubului termic

φρ cos⋅⋅⋅=∆ ⊥ vl dgP (

Este important de Ńinut seama ca înclinarea tubului termic poate fi cu panta negativa (vaporizatorul deasupra condensorului) şi cu panta pozitivă (condensorul deasupra vaporizatorului)

Page 202: CartedlComanescu Bun v1

202

în aşa fel încât presiunea hidrostatica ori se scade, ori se adăuga presiunii capilare de pompare. În cazul în care curgerea lichidului către vaporizator este dominata de forŃele gravitaŃionale, sistemul funcŃionează ca un termosifon, față de un tub termic normal.

Tabelul 5.8

Structura rc Date Canelura dreptunghiulară ω=effr ω=lăŃimea canelurii

Canelura triunghiulară

βω

cos=effr

ω=lăŃimea canelurii β=unghiul la vârf

Fire paralele ω=effr ω=distanta dintre fire

ReŃea metalică

N

dreff 2

12

=+= ωω

N=numărul de reŃele ω=distanta dintre fire dω=diametrul firului

Sfere unite sc rr ⋅= 41,0 Rs=raza sferei

Căderea de presiune din structura căptuşelii, presupunând o curgere laminară

unidimensională, poate fi exprimată:

l

lll

KA

xm

dx

dP

ρµ

ω

)(&⋅−=

unde K reprezintă permeabilitatea căptuşelii. Permeabilitatea căptuşelii este strâns legata

de porozitatea structurii căptuşelii, ce este definita ca şi proporŃia volumului de pori la volumul total, sau ε=Vpori/V tot, şi este data de relaŃia

ll

h

f

rK

Re

)(2 2

⋅= ε

Deoarece raza hidraulică a structurii poroase este în general mică iar viteza fluxului de

lichid este scăzută, curgerea lichidului este considerată a fi laminară. Deşi valorile ( llf Re⋅ ) pot

fi considerate constante şi să depindă numai de forma căii de curgere, iar diverse valori ale permeabilităŃii diferitelor structuri de căptuşeala sunt prezentate în tabelul 5.9.

Presupunând o curgere unidimensionala a vaporilor, căderea de presiune diferenŃiala poate fi exprimata în funcŃie de căderea de presiune datorata forŃelor de frecare şi a presiunii dinamice, sau

dx

xmd

A

m

rA

xmf

dx

dP

h

)(2

2

)(Re22

,

υ

υυ

υ

υυυ

υυυ

ρρµ &&&

−⋅=

AdmiŃând ca masa total a fluxului vaporilor şi masa totală a fluxului lichidului au viteze

egale în regim staŃionar, viteza fluxului prin sistem poate fi exprimată în funcŃie de capacitatea de transfer şi a căldurii latente din vaporizarea fluidului, sau

Page 203: CartedlComanescu Bun v1

203

fgl h

Qmm == υ&&

Tabelul 5.9

Structura căptuşelii Expresia K Canelura dreptunghiulară deschisă ll

lh

f

rK

Re

2 2,

⋅=

ε ε=porozitatea=

s

ω

s=pasul canelurii

δωωδ

22

, +=lhr

ω=lăŃimea canelurii δ= înălțimea canelurii

( llf Re⋅ ) din (a) de mai jos Căptuşeala inelară

ll

lh

f

rK

Re

2 2,

⋅=

rh,l=r1-r2

( llf Re⋅ ) din (b) de mai jos

ReŃea metalică 2

32

)1(122 εε−

= dK

d=diametrul firului

405.1

1Ndπε −=

N=numărul de reŃele Sfere unite

2

32

)1(5.37 εε−

= srK rs=raza sferei ε=porozitatea (în funcŃie de metoda obŃinerii)

Lungimea efectiva a tubului termic Leff este folosită pentru a reprezenta distanta medie pe care lichidul şi vaporii o traversează de-a lungul tubului termic

∫∫ ==LL

eff dxxQQ

dxxmm

L00

)(1

)(1

&&

Presupunând ca avem o vaporizare şi o condensare uniforma în regiunile vaporizatorului

şi condensorului, fluxul din vaporizator şi condensor variază liniar şi lungimea efectiva a tubului termic devine

22c

ae

eff

LL

LL ++=

iar căderea totală de presiune a lichidului poate fi exprimata ca:

fgl

efflL

ll hKA

QLdx

dx

dPP

ρµ

ω

==∆ ∫0

Presupunând ca avem o cădere de presiune dinamică ce este complet recuperată în

regiunea condensorului, căderea de presiune a vaporilor va fi:

Page 204: CartedlComanescu Bun v1

204

( )fgh

effL

hrA

QLfdx

dx

dPP

υυυ

υυυυ ρ

µ2,0 2

Re⋅==∆ ∫

Deoarece lichidul are o viteză redusă şi a unei dimensiuni caracteristice mici a structurii căptuşelii, curgerea lichidului este în general presupusa a fi liniara. Dar, viteza vaporilor poate fi suficient de mare pentru a corespunde unei curgeri turbulente. În acest caz, gradul transferului de

căldură Q şi a numărului Reynolds Re sunt în legate, iar termenul ( )υRe⋅f trebuie calculat din

factorul de frecare corelat curgerii turbulente.

Pentru a determina factorul de frecare υf , este necesara determinarea regimului de

curgere. Exprimând numărul Reynolds în funcŃie de aportul de căldura Q, regimul de curgere este determinat din:

fghA

Qr

υυ

υυ µ

2Re =

În cazul curgerii laminare (Re<2300) intr-o secŃiune circulara, termenul ( )υRe⋅f este

constant:

16Re =⋅ υυf

În timp ce pentru curgerea turbulenta (Re>2300) intr-o secŃiune circulara, se poată utiliza corelaŃia Blasius:

25,0Re038,0

υυ =f

În cazul curgerii laminare a vaporilor, înlocuirea termenilor individuali ai căderii de presiune în limita capilară, are ca rezultat o expresie algebrica ce poate fi rezolvata direct pentru a obŃine Q. În cazul curgerii turbulente, existe diverse metode pentru obŃinerea lui Q. Prima metoda de determinare a limitei capilare când curgerea vaporilor este turbulenta este folosirea unei soluŃii iterative. Aceasta procedură începe printr-o estimare iniŃială a limitei capilare iar prima soluŃie presupune o curgere laminara şi incompresibila a vaporilor. Utilizând aceste presupuneri, capacitatea maxima a transferului de căldura Q poate fi determinata prin înlocuirea valorilor pentru căderile de presiune individuale şi rezolvarea pentru transferul de căldura axial. O data obŃinută aceasta valoare, transferul de căldura axial poate fi înlocuit în expresia numărului lui Reynolds a valorilor pentru a determina exactitatea estimărilor iniŃiale. Folosind o cale iterativa, se poate determina temperatura ce afectează limita capilara datorită dependenŃei temperaturii în proprietăŃile fluidului.

Pentru o soluŃie mai directa a limitei capilare în cazul curgerii turbulente în zona de vapori, se poate înlocui corelaŃia Blausius cu termenul căderii de presiune a vaporilor. Apoi, separând toŃi termenii în afara de aportul de căldura Q(x) şi lungimea x, în coeficienŃii de frecare

υF şi Fl, limita capilară poate fi exprimată ca:

∫ +=∆−∆−∆ ⊥

L

lc QdxFFPPP0

||max )()( υ unde coeficientul de frecare a lichidului Fl

este dat de:

fgl

ll hKA

µω

=

Page 205: CartedlComanescu Bun v1

205

În cazul curgerii turbulente a vaporilor, coeficientul de frecare a vaporilor a fost modificat

înlocuind ecuaŃia 16.22 cu ( )υRe⋅f ce are ca rezultat expresia coeficientului de frecare a

vaporilor ca: 75,0

275,0

2

2019,0Re

2038,0

==

fgfgfg hA

Qr

hArhArF

υυ

υ

υυυ

υυ

υυυ

υω µρ

µρ

µ

Înlocuirea acestei expresii şi combinarea cu cele discutate anterior are ca rezultat o relaŃie generala a presiunii pentru curgerea turbulenta a vaporilor ce are o forma ca:

( ) ∫∫ +

=∆−∆−∆ ⊥

L

l

L

fgfgc QdxFdxQ

hA

r

hArPPP

00

4/7

75,0

2||max

2019,0

υυ

υ

υυυ

υ

µρµ

Pentru a determina rădăcinile din ecuaŃia polinomiala rezultata se foloseşte aceasta

expresie şi metoda Newton-Taphson; şi se poate determina pentru un tub termic în funcŃie de lungimea vaporizatorului, a condensorului şi a temperaturii de funcŃionare.

Pentru a rezolva limita capilara fără iteraŃie sau integrare, se poate obŃine o estimare a limitei capilare având o estimare a factorului de frecare şi se presupune ca acesta este constant pe întreaga gama de funcŃionare a tubului termic. Utilizând diagrama Moody (1944) a factorului de frecare, găsim ca în cazul unui număr Reynolds mai mare ca 105, factorul de frecare devine constant când se intra în regiunea de curgere complet turbulenta. Presupunând un factor de frecare pentru Fe>105, limita capilara ce rezulta are o ecuaŃie pătratica pentru Q şi de asemenea o soluŃie mult mai simplă. Această metodă în general produce rezultate adecvate.

5.4.4.5.2. Limita de fierbere

În cazul unui flux mare de căldura poate apărea fierberea nucleate în structura căptuşelii,

ce va avea ca efect blocarea vaporilor în căptuşeala, şi de asemenea va bloca întoarcerea lichidului ducând la uscarea vaporizatorului. Acest fenomen, este numit limita de fierbere, şi diferă faŃă de alte limite deoarece depinde de fluxul de căldura aplicat pe circumferinŃa vaporizatorului, faŃă de fluxul de căldură axial sau puterea termică totală transportată de tubul termic.

Determinarea limitei de fierbere are la bază teoria fierberii nucleate ce este compusă din două fenomene separate: (1) formarea bulelor şi (2) creşterea şi strângerea ulterioara a bulelor. Formarea bulelor este dirijată de mărimea (şi numărul) punctelor de formare a nucleelor pe o suprafaŃa solidă şi a diferenŃei de temperatură între peretele tubului termic şi a fluidului de lucru. DiferenŃa de temperatură, sau supraîncălzirea, dirijează formarea bulelor şi în general poate fi definită în condiŃiile unui flux maxim de căldură ca:

ceff T

T

kQ ∆=

ω

unde keff este conductivitatea termica efectiva a ansamblului lichid-căptuşeala. Punctul

critic de supraîncălzire cT∆ este definit de Marcus în 1965 ca fiind:

( )

∆−=∆ max

2c

nfg

satc P

rh

TT

σρυ

unde Tsat este temperatura de saturaŃie a fluidului iar rn

este raza critica a punctului de nucleație, care conform cu Dunn şi Reay (1982) se situează între 0,1-25µ, pentru tuburile termice realizate din materiale metalice convenŃionale. Un model estimativ a fost dat de Brennan şi Kroliczek în 1979 a supraîncălzirii necesare pentru formarea

Page 206: CartedlComanescu Bun v1

206

bulelor şi este relevanta chiar atunci când se foloseşte limita de jos a razei punctului de nucleație critic. Acest lucru este atribuit lipsei absorbŃiei gazelor pe suprafaŃa punctului de nucleație, determinat de procedurile de îndepărtare a gazelor şi curăŃare folosite în pregătirea şi încărcarea tuburilor termice.

Creşterea şi micşorarea unei anumite bule o data stabilita pe o suprafaŃa plana este determinata de temperatura lichidului şi a diferenŃei de presiune corespunzătoare suprafeŃei de separare lichid-vapori produsa de presiunea vaporilor şi a tensiunii superficiale a lichidului. Realizând un echilibru al presiunii pe oricare bula data şi folosind ecuaŃia Clausius-Clapeyron pentru realizarea unei legături între temperatură şi presiune, expresia fluxului de căldură peste care apare creşterea bulelor este exprimata ca:

( ) ( )

∆−= max

2

/ln

2c

nifg

effeffb P

rrrhA

TkLQ

σρ

π

υυυ

υ

unde ri este raza interioară a tubului termic şi rυ este raza vaporilor. RelaŃiile necesare

pentru determinarea conductivităŃii efective keff a căptuşelii saturate de lichid sunt date în tabelul 5.10:

Structura căptuşelii Expresia ke Căptuşeala şi lichidul în serie

)1( ε−+=

lw

wle kek

kkk

Căptuşeala şi lichidul în paralel

)1( ε−+= wle kekk

ReŃea metalică ( )[ ]( ) ))(1(

))(1(

wlwl

wlwlle kkkk

kkkkkk

−−++−−−+=

εε

Sfere unite ( )[ ]( ) ))(1(2

))(1(22

wlwl

wlwlle kkkk

kkkkkk

−−++−−−+=

εε

Caneluri dreptunghiulare

( ))185,0)((

)185,0(

lfff

lwflwlfe kkwww

kkwwkkkwk

δδδ

++++

=

ke = conductivitatea termica efectiva kl = conductivitate termică a lichidului kw = conductivitatea termica a materialului căptuşelii ε = porozitatea căptuşelii wf = grosimea canelurilor δ = adâncimea canelurilor

5.4.4.5.3. Limita de antrenare

Analizând condiŃiile de bază a curgerii fluidului într-un tub termic, se poate observa că

lichidul şi vaporii curg în sensuri opuse. InteracŃiunea dintre deplasarea în sensuri opuse ale lichidului şi vapori lor are ca rezultat apariŃia unor forte de forfecare vâscoase în suprafaŃa de separare lichid-vapori, fapt ce poate duce împiedicarea întoarcerii lichidului către vaporizator. În cazuri extreme, se pot forma unde iar forŃele interfaciale pot deveni mai mari decât tensiunea superficiala a lichidului. Acest lucru poate provoca antrenarea unele picături de lichid în fluxul de vapori, purtându-i în condensor.

Mare parte din cercetările din trecut au fost despre tuburile termice asistate gravitaŃional. Dintre toate limitele unui tub termic, limita de antrenare a fost cea mai analizata, deşi exista multe discuŃii despre când şi dacă aceasta limita apare. Busse şi Kemme în 1980 şi-au exprimat îndoiala asupra apariŃiei acestei limite în tuburile termice acŃionate capilar deoarece structura capilara în mod probabil ar opri apariŃia unor unde de suprafaŃa. În majoritatea cazurilor de studiu, structura căptuşelii unui tub termic a fost saturară (lichid în exces), fapt ce a dus la apariŃia antrenării. Este

Page 207: CartedlComanescu Bun v1

207

important de a lua seama ca în cazul unui termosifon, limita de antrenare şi saturarea este cel mai important factor în limitarea transportului de căldura.

Cea mai comuna aproximare a limitei de antrenare intr-un tub termic este folosirea criteriului numărului Weber. În 1987 Cotter a prezentat o prima metoda pentru a determina limita de antrenare. Aceasta metoda folosea numărul Weber, acesta fiind definit ca gradul forŃelor de forfecare vâscoasa ce rezulta din tensiunea superficiala, sau :

σρυ

2,2 hwh Vr

We =

Raportând viteza vaporilor şi capacitatea transportului de căldura la fluxul axial de căldura ca:

fghA

Qv

υυυ ρ

=

şi presupunând ca pentru a preveni antrenarea picăturilor de lichid în fluxul de vapori,

numărul Weber trebuie sa fie mai mic ca 1, capacitatea maxima de transport având la baza antrenarea, poate fi scrisă ca:

5,0

2

=

ce r

AQ υυ

σρλ

unde rc este raza capilara a structurii căptuşelii. Deşi, aceasta presupunere în general are ca rezultat o supraestimare a limitei de antrenare deoarece lungimea de unda axială critică poate sa fie mult mai mare decât lăŃimea structurii capilare.

Pe lângă criteriului numărului Weber, au fost propuse câteva criterii ale vitezei pentru aceasta expresie. Acestea includ unul de către Busse (1973)

2/1

2

=

dUc

υρπσ

şi altul de către Rice şi Fulford în 1987

2/18

=

dPU c

υ

σ

Aceste relaŃii pot fi convertite în limita transportului de căldura datorita antrenării şi prin combinarea cu ecuaŃia continuităŃii, are ca rezultat

2/1

2

=

dAQe

υυυ ρ

πσλρ sau

2/18

=

dPAQe

υυυ

σλρ

Page 208: CartedlComanescu Bun v1

208

unde d este spaŃiul dintre fire pentru căptuşeli cu reŃea metalica sau lăŃimea canelurii

pentru căptuşeli cu caneluri. Acest criteriu poate supraestima limita de antrenare, după cum a fost descris, datorita problemelor asociate dimensiunilor caracteristice ale căptuşelii.

Tien şi Chung în 1979 au prezentat o corelaŃie pentru tuburile termice verticale (asistate gravitațional). Aceasta corelaŃie a fost aplicata de către Kemme în 1976, acesta a extins criteriul numărului Weber propus de Cotter în 1967 pentru a include o termenul de flotabilitate din forŃele de echilibrare, şi anume

5,0

*

2

+= gD

jAAQ le ρπσρλ υ

υ

În 1984, Prenger a realizat o corelaŃie pentru tuburile termice asistate gravitațional cu pereŃii texturaŃi. A fost descris un model ce includea ambii termeni de inerŃie pentru lichid şi vapori. S-a demonstrat ca pentru tuburile termice cu pereŃi texturaŃi, valoarea inerŃiei lichidului era dominanta deoarece lichidul era parŃial ecranat de fluxul de vapori. Acest lucru a permis omiterea valorii inerŃiei vaporilor şi ecuaŃia a fost redusa la

5,0

2

=

conducta

l

conducta

fire DD

DAQ

πσρλυ

În timp ce modelul prezentat de Tien şi Chung în 1979 determina fluxul de căldura limitat de antrenare şi saturare (ca o funcŃie a structurii capilare), Prenger în 1984 a determinat limita de antrenare ca fiind funcŃie de grosimea stratului de lichid sau a canalului de curgere.

5.4.4.5.4. Limita vâscoasă

Când temperatura de funcŃionare este scăzută, presiunea vaporilor disponibili în regiunea

vaporizatorului poate fi foarte scăzută sau de aceeaşi mărime cu nivelul presiunii necesare pentru a transporta vaporii din vaporizator câtre condensor. În acest caz, presiunea totala a vaporilor va fi echilibrata de forŃele vâscoase opuse din canalul de vapori. Deşi presiunea totala a vaporilor poate fi insuficient pentru a menŃine o curgere crescuta. Aceasta curgere redusa în zona de vapori este denumita limita vâscoasa. Deoarece limita vâscoasa apare la presiuni scăzute ale vaporilor, aceasta în general se poate observa în tuburile termice lungi când fluidul de lucru utilizat este aproape de temperatura de topire (sau în timpul pornirii în condiŃii de îngheŃ) deoarece presiunea fluidului saturat este scăzută.

În 1973 Busse a oferit o analiza analitica a limitei vâscoase. Acest model avea ca estimare iniŃiala un gaz izotermic ideal pentru vapori şi în plus, presiunea vaporilor în zona condensorului era egala cu zero, fapt ce oferă o limita absoluta pentru presiunea din condensor. Folosind aceste presupuneri şi presupunând condiŃiile unei curgeri laminare a fost realizat un model unidimensional a fluxului de vapori, exprimat ca

eff

fg

L

PhrAQ

υ

υυυυυ µ

ρ16

2

=

unde Pυ şi ρυ sunt presiunea vaporilor respectiv densitatea acestora în vaporizatorului la

capătul tubului termic. În cazul când presiunea din condensor nu este zero, caz în care se atinge limita vâscoasa în multe situaŃii, se foloseşte următoarea expresie

Page 209: CartedlComanescu Bun v1

209

−=

2

2,

2

116 υ

υ

υ

υυυυυ µ

ρp

p

L

PhrAQ c

eff

fg unde Pυ,c este presiunea vaporilor din condensor. Busse

a observat ca limita vâscoasa se poate atinge în multe cazuri atunci când Pυ,c / Pυ ~ 0,3. Pentru a determina dacă limita vâscoasă trebuie luata în considerare ca o condiŃie

limitativa, gradientul relativ al presiunii vaporilor din condensor trebuie evaluat. În acest caz, când

gradientul de presiune este mai mic decât o zecime din presiunea vaporilor 1,0/ <∆ υυ PP , limita

vâscoasă nu este considerata. Deşi aceasta condiŃie poate fi folosită pentru a determina limita vâscoasă în timpul uni operaŃii normale, în timpul pornirii dintr-o stare rece, limita vâscoasă data de Busse va rămâne o condiŃie limitativa. În cazul în care aportul de căldura depăşeşte aportul de căldura determinat din limita vâscoasă, tubul termic va funcŃiona la temperaturi ridicate ducând la o creştere a presiunii vaporilor.

5.4.4.5.5. Limita sonică

Limita sonică se atinge în general în tuburile termice cu metal lichid în timpul pornirii sau

în condiŃii de funcŃionare la temperaturi scăzute datorita densităŃii foarte mici a vaporilor în acest caz. Acest lucru poate avea ca rezultat o curgere strangulata sau sonica. Pentru majoritatea tuburilor termice ce funcŃionează la temperatura scăzute sau temperaturi criogenice, limita sonica nu este un factor, ci numai în cazul unui diametru foarte mic al canalului cu vapori. O data cu creşterea vitezei vaporilor, efectele inerŃiei sau a presiunii dinamice trebuiesc luate în considerare. Trebuie Ńinut seama ca în cazurile când efectele inerŃiei fluxului de vapori sunt mari, tubul termic nu mai funcŃionează aproape izotermic, ce are ca rezultat o creştere semnificativa a gradientului de temperatura în lungul tubului termic. În cazul în care funcŃionarea tubului termic necesita includerea efectelor inerŃiale a fluxului de vapori, se poate face o analogie între funcŃionarea tubului termic şi curgerea compresibila printr-o duza convergent-divergenta. Curgerea printr-o duza convergent-divergenta este constanta iar viteza vaporilor diferă datorita ariei secŃiunii ce variază. În tuburile termice aceasta arie este în general constanta şi viteza vaporilor variază datorita aportului de masa (vaporizare) şi eliminării de masa (condensare) de-a lungul tubului termic.

Figura 5.42 Temperatura în funcŃie de poziŃia axială

Page 210: CartedlComanescu Bun v1

210

Ca şi în curgerea prin duza, presiunea scăzută de la ieşire, sau în cazul tubului termic,

temperatura condensorului, are ca rezultat în scăderea temperaturii în vaporizator până când este atinsă limita sonica. Creşterea suplimentara a gradului de transfer de căldura nu reduce temperatura vaporizatorului sau capacitatea maxima de transfer a căldurii, ci doar reduce temperatura condensorului datorita existentei unei curgeri strangulate. Figura 5.42 ilustrează relaŃia între temperatura vaporilor de-a lungul tubului termic împreuna cu efectele inerŃiei vaporilor. Curba A reprezintă distribuŃia tipica a temperaturii intr-un tub termic având o curgere subsonica şi o recuperare parŃiala a presiunii (unele efecte inerŃiale sunt prezente în curgerea vaporilor). Creşterea gradului de transfer a căldurii şi scăderea temperaturii condensorului va scădea temperatura vaporizatorului după cum se poate observa pe curba B. O creştere suplimentara a fluxului de căldura şi scăderea temperaturii condensorului va avea ca rezultat intr-o temperatura medie a vaporilor. Deşi, în cele din urma viteza vaporilor la intrarea în condensor se apropie de viteza sonica şi se atinge punctul critic când apare curgerea întrerupta. În aceasta situaŃie, o continua reducere a temperaturii condensorului nu va avea decât un efect de scădere a temperaturii în zona condensorului dar nu va avea efect asupra temperaturii vaporilor din vaporizator.

Față de limitele de transport discutate precedent, limita sonica reprezintă limita de sus a capacitaŃii de transport a căldurii şi nu produce neapărat uscarea căptuşelii vaporizatorului sau nu produce deteriorarea permanenta a tubului termic. Încercarea depăşirii limitei sonice are ca rezultat creşterea temperaturii în vaporizator da şi a gradientului de temperatura axial de-a lungul tubului termic, reducând şi mai mult caracteristicile izotermice din zona de curgere a vaporilor.

În 1968 Levy a prezentat pentru limita sonica o expresie derivata din teoria unidimensionala a curgerii vaporilor. Aceasta presupunea ca efectele frecării pot fi neglijate; iar efectul de inerŃie este factorul dominant şi vaporii se comporta ca şi un gaz perfect. Combinând aceste presupuneri cu ecuaŃiile energiei şi impulsului, va rezulta o expresie pentru raportul temperatura şi presiune. Înlocuind numărul Mach şi raportând fluxul axial de căldura la densitate şi viteza, relaŃia între stările statice şi de stagnare ale temperaturii şi presiunii poate fi scrisa după cum urmează

2

21

1 υυ

υ

γMa

T

To −+=

21 υυυ

γ MaP

Po +=

unde indicii o şi υ reprezintă starea de stagnare şi statică a vaporilor. Combinând rapoartele temperaturii şi presiunii cu legea gazului ideal obŃinem o expresie pentru raportul densităŃii, care de asemenea combinat cu cele doua relaŃii obŃinem o ecuaŃie pentru fluxul de căldura axial în funcŃie de proprietăŃile fizice, dimensiunile geometrice şi numărul Mach. Pentru curgerea strangulata, numărul Mach va fi egal cu 1, obŃinându-se o expresie pentru transferul maxim de căldura axial:

( )2/1

12

+=

υ

υυυ γ

γλρ oos

TRAQ Busse în 1973 a prezentat o varianta alternativa

presupunând ca numai efectele inerŃiale sunt prezente intr-o curgere unidimensionala. În acest caz, ecuaŃia de moment devine

2ρυdx

d

dx

dP −=

Page 211: CartedlComanescu Bun v1

211

Integrând aceasta expresie, combinând-o cu ecuaŃia continuităŃii şi presupunând ca vaporii se comporta ca un gaz ideal, vom obŃine o expresie pentru capacitatea maxima de transport a căldurii în funcŃie de proprietăŃile termofizice şi geometrice

2/12/1

1

=υυ

υυρλP

P

P

P

A

PQ

Stabilirea punctului unde prima derivata , dQ/dP, tinde către zero are ca rezultat relaŃia

limitei sonice.

( ) 2/1474,0 υυυ ρλ PAQs =

unde ρυ şi Pυ sunt densitatea vaporilor şi presiunea acestora la capătul vaporizatorului. Cea mai mare problema în determinarea limitei sonice este calculul celor doua cantităŃi împreuna cu presiunea de la intrarea din condensor. Pe lângă acestea, efectele fracŃionare au fost incluse de Levy şi Chou pentru a îmbunătăŃi corelaŃia cu datele experimentale. Alte experimente şi investigaŃii teoretice ale limitei sonice au fost realizate de Kemme în 1969 şi Deverall în 1970.

Au fost câteva încercări de a descrie limita sonica prin soluŃiile ecuaŃiilor bidimensionale Naview-Stokes. Bankston şi Smits, Rohani şi Tien foloseau metode numerice. UN studiu mai recent a demonstrat apariŃia inversării fluxului axial în cazul unei condensării mari la capătul condensorului. Comparând rezultatele teoretice ale unui model unidimensional realizat de Busse, s-a observat o buna concordanta în cazul unor condensări mari în regiunea condensorului în ciuda acestei inversări a fluxului.

Se poate face o comparaŃie cu rezultatele limitei vâscoase şi a limitei sonice unde exista o relaŃie de legătura între cele doua în privinŃa cantităŃii Pυρυ. Efectele inerŃiale s-a observat ca

variază cu produsul ( ) 2/1υυ ρP , în timp ce efectele vâscoase variază liniar cuPυρυ. Ca şi rezultat,

când acest produs este mic, capacitatea de transport este limitata de efectele vâscoase dar o data cu creşterea Pυρυ, efectele inerŃiale încep sa domine şi apare trecerea de la limita vâscoasă la limita sonica. Limita între aceste doua limite poate fi determinata prin egalarea acestor doua ecuaŃii, şi rezolvarea combinata a termenilor în funcŃie de temperatura. Rezultatele indica ca temperatura de tranziŃie este dependentă de proprietăŃile termofizice ale fluidului de lucru. Experimentele făcute de Vinz şi Busse au verificat ca aceasta trecere se comporta ca şi modelul teoretic.

5.4.4.5.6. Limita condensorului

Gradul transferului de căldura în secŃiunea condensorului este influenŃată de legătura

condensorului cu sistemul radiatorului. În starea de echilibru, viteza eliminării căldurii din condensor trebuie sa fie egala cu viteza aportului de căldura în vaporizator. În general, legătura condensorului este fie prin convecŃie fie prin radiaŃie. În acest caz, transferul de căldura de la condensor, presupunând o temperatura constanta a condensorului, este determina cu

( ) ( )44surrccradconvc TTATThAQQQ −+−=+= ∞ σε

unde h este coeficientul transferului de căldura convectiv, A este aria suprafeŃei condensorului şi ε este puterea de radiaŃia e suprafeŃei. Dacă efectele convective sau de radiaŃie sunt neglijate, primul sau al doilea termen din ecuaŃie este zero. Cauzele atingerii limitei condensorului pot fi cauzate de coeficienți scăzuŃi ai transferului de căldura (de exemplu în cazul convecŃiei naturale), a unei suprafeŃe cu emisie scăzută, sau au unei suprafeŃe cu o arie limitata. În

Page 212: CartedlComanescu Bun v1

212

aceste cazuri, creşterea aportului de căldura în tubul termic are ca rezultat o creştere a temperaturii tubului termic deoarece este necesara o diferenŃa de temperatura mai mare între condensor şi radiator. Metodele de îmbunătăŃire a limitei condensorului este de a mari coeficientul de transfer al căldurii (de exemplu convecŃia forŃată), creşterea suprafeŃei de emisie şi mărirea ariei suprafeŃei condensorului (de exemplu lamele). În cazul când temperatura suprafeŃei condensorului nu este uniforma, este necesara integrarea transferului de căldura de-a lungul suprafeŃei condensorului. În plus, dacă condensorul tubului termic este intr-un spaŃiu închis, este necesara determinarea factorilor de radiaŃie dintre tubul termic şi mediul ambiant.

Limitele prezentate mai sus sunt legate de temperatura fluidului de lucru aşa cum se poate observa în Figura 5.43. Alegerea fluidului de lucru trebuie sa fie realizată într-un aşa fel încât funcŃionarea tubului termic sa se realizeze la o temperatura cu mult peste limita de vâscozitate, chiar şi la început.

Limita capilara este determinata de capacitatea de pompare a căptuşelii. După cum se poate observa în Figura 5.43, limita capilara este în strânsa legătura cu orientarea din timpul funcŃionarii şi de tipul căptuşelii.

Figura 5.43 Limita capilară în funcŃie de unghiul de funcŃionare

5.4.4.5.7. Rezistența termica a unui tub termic

DiferenŃa de temperatură totală între radiator şi sursa de căldură este o caracteristică

importantă pentru controlul termic al sistemului ce foloseşte tuburi termice. Tubul termic este în general considerat un întreg având o conductivitate termica efectiva foarte mare, analogia electrica este similara cu cea a transferului de căldura prin conducŃie. În timpul transferului de căldura de la sursa de căldura către radiator, fiecare parte a tubului termic poate fi separată în rezistențe termice individuale. Unirea rezistențelor are ca rezultat un model pentru rezistența termica totala şi a căderii de temperatura de la radiator la sursa de căldura asociata cu un anumit aport de căldura. Pe lângă aceasta, analogia rezistențelor oferă o cale de a estima temperatura medie de funcŃionare (temperatura vaporilor în zona adiabatica), lucru ce este necesar în determinarea limitei de transport intr-o anumita condiŃie de funcŃionare. Gradientul de temperatura este determinat folosind o reŃea de rezistențe termice. Figura 5.44 exemplifica analogia pentru un tub termic

Page 213: CartedlComanescu Bun v1

213

simplu cilindric. Rezistența termica totala a tubului termic este compusa în general din noua rezistențe aranjate în serie-paralel. Rezistențele pot fi echivalate prin estimarea mărimii după cum urmează:

Rp,e: rezistența radială a peretelui, vaporizator (~10-1 oC/W) Rω,e: rezistența radială a căptuşelii saturate cu lichid, vaporizator (~10+1 oC/W) Ri,e: rezistența suprafeŃei de separare lichid-vapori, vaporizator (~10-5 oC/W) Rυ,a: rezistența secŃiunii adiabatice a vaporilor (~10-8 oC/W) Rp,a: rezistența axială a peretelui tubului termic (~10+2 oC/W) Rω,a: rezistența axială a căptuşelii saturate de lichid (~10+4 oC/W) Ri,c: rezistența suprafeŃei de separare lichid-vapori, condensor (~10-5 oC/W) Rω,c: rezistența radială a căptuşelii saturate de lichid, condensor (~10+1 oC/W) Rp,c: rezistența radială a peretelui tubului termic, condensor (~10-1 oC/W)

Figura 5.44 Schema echivalenta conform analogiei termo-electrice a unui tub termic

Analizând gama valorilor rezistențelor, se pot face câteva simplificări. În primul rând,

datorita mărimilor asemănătoare a rezistențelor în spaŃiul vaporilor şi a rezistențelor axiale a peretelui conducŃiei de răcire şi îmbinării lichid-căptuşeala, rezistența axială a tubului termic, Rp,a, şi a îmbinării căptuşeala-lichid, Rω,a; acestea pot fi considerate ca fiind circuite deschise şi deci neglijate. În al doilea rând, rezistența suprafeŃei de separare lichid-vapori şi a rezistenței axiale a vaporilor pot fi considerate nule. Prin urmare, rezistența principala a tubului termic este rezistența radială a peretelui şi rezistenŃa căptuşeala-lichid din vaporizator şi condensor.

Rezistența peretelui tubului termic se calculează cu ajutorul pereŃilor drepŃi

epep Ak

Rδ=, unde δ este grosimea peretelui şi Ae este aria suprafeŃei vaporizatorului, iar

pentru tuburile termice cilindrice este

pe

ioep kL

ddR

π2

)/ln(, =

unde Le este lungimea vaporizatorului (sau este înlocuită cu lungimea condensorului când se calculează Rp,c). Rezistența îmbinării căptuşeala-lichid se calculează cu ajutorul ecuaŃiei conductivităŃii efective keff care este folosită în locul valorii peretelui tubului termic kp. Alte două rezistențe prezentate în Figura 5.45 au un rol important în proiectarea sistemului termic ce

Page 214: CartedlComanescu Bun v1

214

foloseşte un tub termic. Mai există şi rezistențe externe ce apar între sursa de căldură, vaporizatorul tubului termic, radiatorul tubului termic şi condensorul tubului termic, respectiv Rext,e şi Rext,c.

0

0 ,1

0 ,2

0 ,3

0 ,4

0 ,5

0 ,6

0 ,7R

ezis

ten

ta te

rmic

a (k

/W)

3 4 5 6 7 8 9

D ia m e tru l (m m )

C ilind ric a P la ta

Figura 5.45 Rezistența termică a unui tub termic în funcŃie de diametru O observaŃie importantă se poate face în cazul analogiei rezistențelor. Aceasta este în

cazul în care tubul termic atinge condiŃia de uscare, cum ar fi depăşirea limitei capilare. În cazul uscării, fluxul de vapori de la vaporizator către condensor va fi discontinuu iar rezistența Rυ,a va creste semnificativ încât acest circuit nu va mai fi considerat un circuit deschis. Astfel, aportul de căldura din sistem trebuie transportat de-a lungul peretelui tubului termic, Rp,a, şi prin structura căptuşelii, Rω,a. Deoarece diferenŃa între rezistențele axiale este cu câteva ordine de mărime mai mare, căderea de temperatura de-a lungul tubului termic va corespunde cu o creştere cu câteva ordine de mărime. Acest lucru este normal deoarece în acest moment căldura este transferată prin conducŃie în loc de transportul prin căldura latentă a vaporizării fluidului de lucru.

5.4.5. Indicele de performanŃă Ca un prim pas a modelarii în regim staŃionar a capacitaŃii de transport al unui tub termic,

iniŃial este utila alegerea unui fluid de lucru şi a-l compara cu altul indiferent de geometria tubului termic. Pentru a duce la maximum transportul căldurii, fluidul ideal trebuie sa aibă o tensiune superficiala mare pentru a mari acŃiunea capilara de pompare, o densitate mare, căldura latenta a vaporizării pentru a reduce masa fluxului (şi prin urmare a pierderilor prin frecare) şi o vâscozitate scăzută. Aceste proprietăŃi împreuna formează indicele de performanta (IP) al unui anumit fluid în funcŃie de proprietăŃile fluidului. În tuburile termice convenŃionale, cea mai mare pierdere de presiune este în general asociata curgerii lichidului în structura căptuşelii. Egalând ecuaŃia Young-Laplace pentru presiunea capilara cu legea Darcy a căderii de presiune din căptuşeala, Chi a putut separa termenii fluidului de termenii geometrici şi a găsit indicele de performanta (pentru lichide)

Page 215: CartedlComanescu Bun v1

215

l

fgl hIP

µσρ

=

ce are ca unitate de măsură fluxul de căldură (W/m2).

Figura 5.46

Figura 5.47 PerformanŃa tuburilor termice

Fluidele de lucru utilizate având indice de performanŃă mai mare, sunt în general mai

performante. Indicele de performanŃă. în funcŃie de temperatura de funcŃionare pentru câteva fluide de lucru este prezentat în Figura 5.47. Indiferent de geometria tubului termic, acesta oferă o bună

Page 216: CartedlComanescu Bun v1

216

estimare a potenŃialului fluidului de lucru de a transporta o capacitate mare de căldură la o anumită temperatură.

Tabelul 5.11 Caracteristicile tubului termic

PerformanŃa

Diametrul (mm)

Lungimea 80-350 (mm)

Puterea (W) RezistenŃa termică (°C/W)

Material ObservaŃii

40 25~35 0.30~0.60 50 35~45 0.20~0.40 60 50~60 0.15`0.35

80

Drept

60~80 0.10~0.30

Cupru împreună cu fluidul de lucru

RezistenŃa termică variază în funcŃie de structura căptuşelii sau de putere

În cazul în care căderea de presiune datorata curgerii prin structura căptuşelii nu este mare, Dunbar şi Cadell în 1998 au găsit indicele de performanta presupunând o cădere a presiunii în fluxul de vapori este termenul dominant în pierderea presiunii. Analiza egala căderea de presiune prin frecare cauzată de curgerea turbulentă în canalul de vapori cu ecuaŃia Young-Laplace pentru presiune capilara şi separa termenii fluidului de termenii geometrici pentru a obŃine indicele de performanŃă (pentru vapori)

25,0

75,1

υ

υ

µσρ fgh

IP =

Tabelul 5.11 prezintă performanŃa tuburilor termice în funcŃie de diametrul acestora.

5.4.6. Fiabilitatea tuburilor termice În decursul a 40 de ani de proiectare şi construcŃie a tuburilor termice, au existat mereu

probleme legate de fiabilitate şi de performanta. Tuburile termice au scurgeri după perioade mari de utilizare? Pot funcŃiona la limitele pentru care au fost proiectate ani în sir? Care sunt aceste limite?

Pentru a înŃelege longevitatea tuburilor termice şi posibilitatea defectării acestora, este necesara înŃelegerea tuturor paşilor de producŃie şi de proiectare. În principiu, toate tuburile termice ce s-au stricat prematur au avut următoarele cauze: • curăŃarea / oxidarea necorespunzătoare a interiorului • umplerea necorespunzătoare a cilindrului cu fluidul de lucru • o proasta etanşare şi scurgerea în decursul timpului • utilizarea de materiale incompatibile

Defectarea tuburilor termice pot apărea şi datorita necunoaşterii corespunzătoare de către proiectanŃi a limitelor de utilizare şi utilizarea pe termin lung a acestora. Când vine vorba de longevitate, utilizarea corespunzătoare a tubului termic este la fel de importanta ca şi construcŃia ei. Defectarea datorita nerespectării acestor condiŃii poate fi: • uscarea (datorata de fluxuri / încărcări mari de căldura) • orientarea necorespunzătoare față de gravitaŃie • probleme legate de îndoirea excesivă • distrugerea datorita utilizării unor temperaturi prea mari în timpul asamblării sau în timpul

funcŃionarii (Figura 5.47)

Page 217: CartedlComanescu Bun v1

217

Figura 5.47 Testarea tuburilor termice la limita superioară a temperaturii de funcŃionare – câteva ore la 300°C –

putem observa exemple de distrugere completa a conductei de răcire O posibilitate de a determina durata de viaŃă a unui tub termic este aceea de a folosi

testări de scurta durata la temperaturi mari pentru a provoca defectarea şi a determina în mod matematic gradul de uzura. Folosirea camerelor cu temperatura controlata pentru a accelera distrugerea tubului termic împreuna cu modele predictive se poate determina fiabilitatea în termen lung.

FuncŃionarea la 600C poate fi estimata în funcŃie de timpul de funcŃionare. Exemplul următor foloseşte un indicator de 36 de ore.

MTBF ore de funcŃionare la 600C= Timpul de test la 1800C x 2(T/10) - MTBF (mean time between failure – timpul mediu până la defectare)

MTBF ore de funcŃionare la 600C= 36 ore x 2(180-60/10), 36 de ore la 1800C este echivalentul unei vieŃi de 147,456 ore sau cu alte cuvinte aproximativ 17 ani la 600C

Acest tip de viaŃă accelerata îşi are rădăcinile în cercetările realizate în determinarea vieŃii şi fiabilit ăŃii semiconductorilor electronici. Utilizarea tehnicilor de testare a componentelor dintr-un PC, pot fi folosite și pentru tuburile termice.

Page 218: CartedlComanescu Bun v1

218

6. Memoria În cele ce urmează se prezintă memoria internă a unui sistem de calcul, compatibil PC,

sub aspect logic cat şi sub aspect fizic. Astfel, sistemul PC original avea o memorie adresabilă de l M, cei 384 de K aflaŃi în partea superioară fiind rezervaŃi pentru utilizarea de către sistem. Aşezarea acestui spaŃiu în partea superioară a memoriei de l M (între 640 K şi 1024 K) şi nu în partea ei inferioară (între 0 K şi 640 K) a creat ceea ce astăzi este cunoscută ca "bariera de memorie convenŃională".

La aproape 20 de ani de la apariŃia pe piaŃă a primului PC, chiar şi sistemele mai noi (bazate pe procesoare Pentium) sunt foarte mult limitate de harta memoriei de la primele sisteme PC. În acest sens, presiunile constante exercitate asupra producătorilor de sisteme şi echipamente periferice pentru menŃinerea compatibilităŃii prin păstrarea schemei originale de memorie (de la primul PC) au condus la o organizare a memoriei sistemului care este foarte complexă.

Astfel, pe un sistem de calcul compatibil PC modern sunt instalate următoarele tipuri de memorie: • memoria convenŃională (de bază), • zona de memorie superioară (UMA), • zona de memorie înaltă (HMA), • specificaŃia memoriei extinse (XMA), • memoria expandată (la ora actuală depăşită), . Memoria RAM video (inclusă în UMA), • memoria ROM pentru adaptoare şi memoria RAM cu destinaŃie specială (inclusă în UMA), • memoria ROM BIOS de pe placa de bază (inclusă în (UMA).

6.1. Memoria convenŃională (de bază) Sistemele iniŃiale, de tip PC şi XT, au fost concepute să utilizeze un spaŃiu de memorie de

l M, denumit uneori memorie RAM (Random Access Memory - memorie cu acces aleatoriu). Megaoctetul de memorie RAM este împărŃit în mai multe zone, dintre care unele cu

destinaŃii speciale. Sistemul de operare DOS poate accesa (pentru citire sau scriere) întregul megaoctet, dar

poate încărca programele numai în zona RAM numită memorie convenŃională, care avea 512 K la data lansării pe piaŃă a primului sistem PC.

Cealaltă zonă de 512 K a fost destinată pentru a fi utilizată de componentele sistemului, printre care se numără placa de bază şi plăcile adaptoare introduse în sloturile sistemului.

Ulterior, IBM a decis să rezerve numai 384 K pentru utilizări speciale şi a început să producă sisteme PC cu memoria de utilizator de 640 K.

În acest fel, valoarea de 640 K a devenit un standard pentru memoria de utilizator (memoria care poate fi utilizată de sistemul de operare pentru a rula programe) şi este deseori denumita bariera de memorie de 640 K.

Memoria rămasă (adresele cuprinse între 640 K şi 1 M) este rezervată pentru a fi utilizată de plăci grafice, de alte adaptoare şi de componenta BIOS din memoria ROM a plăcii de bază.

6.1.1. Zona de memorie superioară Prin zona de memorie superioară (Upper Memory Area, UMA) se înŃelege zona de

memorie rezervată de 384 K, aflată în zona superioară a memoriei sistemului în cazul sistemelor

Page 219: CartedlComanescu Bun v1

219

PC/XT, respectiv la sfârşitul primului megaoctet al memoriei sistemului în cazul calculatoarelor PC/AT (adresele locaŃiilor din zona de memorie superioară sunt cuprinse între A0000 şi FFFFF).

Figura 6.1

Zona de memorie superioară este împărŃită astfel: • primii 128 K de după memoria convenŃională formează memoria RAM video, rezervată

pentru a fi utilizată de către adaptoarele video. Aici este memorată imaginea cu text sau grafică pe care o va afişa sistemul video pe ecran. Memoria RAM video este cuprinsă între adresele A0000 şi BFFFF.

• următorii 128 K sunt utilizaŃi pentru păstrarea programelor BIOS de pe plăcile adaptoare, care se află în cipurile de memorie ROM ale plăcilor adaptoare introduse în sloturile magistralei.

Page 220: CartedlComanescu Bun v1

220

Cele mai multe adaptoare video compatibile VGA utilizează primii 32 K ai acestei zone de memorie pentru componenta BIOS internă (inclusă pe placă); restul acestei zone poate fi utilizat de celelalte adaptoare instalate în sistem. Memoriei ROM de pe plăcile adaptoare şi memoriei RAM cu destinaŃie specială le sunt alocate adresele cuprinse între C0000 şi DFFFF.

• ultimii 128 K sunt rezervaŃi pentru componenta BIOS de pe placa de bază. Componenta BIOS (basic input-output systern -sistemul de bază pentru operaŃiile de intrare - ieşire) este păstrată în memoria ROM de pe placa de bază. Tot în acest spaŃiu (al ultimilor 128 K) se află autotestul efectuat la punerea sub tensiune (POST - Power On Seif Test) şi încărcătorul de sistem, care conduce calculatorul până la preluarea controlului de către sistemul de operare DOS.

Majoritatea sistemelor utilizează doar ultimii 64 K ai aceste zone de memorie, lăsând primii 64 K la dispoziŃia programelor de gestionare a memoriei. Componentei BIOS de pe placa de bază îi sunt alocate adresele cuprinse între E0000 şi FFFFF.

6.1.2. Zona de memorie înaltă, memoria extinsă Zona de memorie înaltă (High Memory Area - HMA) este o zonă de memorie pe 16 biŃi,

având mărimea de 64 K, aflată la începutul primului megaoctet al memoriei extinse. Ea poate fi utilizată pentru a încărca drivere de dispozitive şi programe rezidente în memorie, eliberând astfel o parte din memoria convenŃională necesară programelor care lucrează în mod real.

Numai un singur program (driver de dispozitiv sau program rezident în memorie) poate fi încărcat la un moment dai în zona de memorie înaltă, indiferent de mărimea respectivului program. IniŃial, în zona de memorie înaltă putea fi încărcat orice program, dar Microsoft a hotărât că în această zonă trebuie încărcat mai întâi sistemul de operare şi a inclus această capacitate în versiunile de sisteme de operare superioare. În esenŃă, memoria extinsă este toată memoria aflată după primul megaoctet, care poate fi adresată numai atunci când procesorul lucrează în modul protejat.

SpecificaŃia pentru memoria extinsă (XMS) a fost elaborată în 1987 de firmele Microsoft, INTEL, AST și Lotus Development pentru a preciza modul în care programele trebuie să utilizeze memoria extinsă. SpecificaŃia XMS se aplica numai sistemelor cu cel puŃin un procesor 286 sau unul superior şi permite programelor scrise pentru modul real (destinate execuŃiei sub sistemul de operare) să utilizeze memoria extinsă şi un alt bloc de memorie dincolo de zona la care are acces sistemul de operare. Înainte de apariŃia specificaŃiei XMS, nu exista nici o cale de a asigura colaborarea între programele care treceau procesorul în modul protejat şi utilizau memoria extinsă. Nu exista nici o modalitate prin care un program să afle cum a utilizat un alt program memoria extinsă, deoarece nici unul dintre programe nu putea "vedea" memoria extinsă când lucra în modul real. Cel mai utilizat driver pentru XMS era HYMEN SYS, care este livrat odată cu Windows sau cu orice DOS în versiunile superioare. Există şi alte programe de gestionare a memoriei, cum ar fi QEMM, care convertesc de asemenea memoria extinsă în memorie XMS atunci când sunt adăugate în fişierul CONFIG SYS.

6.1.3. Memoria expandată Unele programe mai vechi pot utiliza un tip de memorie numit memorie expandată sau

EMS (Expanded Memory Specification). Spre deosebire de memoria convenŃională (primul megaoctet) sau memoria extinsă (de la

al doilea la al 16-lea sau 4096-lea megaoctet inclusiv), memoria expandată nu poate fi accesată direct de către procesor.

Page 221: CartedlComanescu Bun v1

221

Ea poate fi accesată doar prin intermediul unei ferestre de 64 K stabilită în zona de memorie superioară (UMA).

În Figura 6.1 se poate observa cum se încadrează memoria expandată în memoria convenŃională şi cea extinsă.

Memoria expandată este bazată pe o tehnică de comutare a segmentelor sau a bancurilor de memorie, fiind utilizat un adaptor de memorie cu un număr mare de segmente de 64 K şi cu circuite speciale pentru comutare şi mapare.

Sistemul utilizează un segment liber din zona de memorie superioară ca adresă de bază pentru placa EMS.

După ce toŃi cei 64 K sunt înscrişi cu date, placa adaptoare scoate din fereastră segmentul umplut şi aduce în locul său un segment nou, liber (fără date). În acest fel, placa adaptoare roteşte segmentele memoriei expandate, pentru a fi umplute cu date.

Deoarece la un moment dat poate fi acŃionat un singur segment, memoria EMS este foarte ineficientă pentru programe, fiind utilizată în mod normal numai pentru date.

6.1.4. Memoria fizică Arhitectura unităŃii centrale de prelucrare (UPC) și a plăcii de bază determină capacitatea

memoriei fizice a sistemului. Procesoarele 8088 şi 8086, cu cele 20 de linii de adrese, pot utiliza o memorie RAM de

cel mult l M (1024 K).

Figura 6.2

Page 222: CartedlComanescu Bun v1

222

Procesoarele 286 şi 386 SX, cu 24 de linii de adrese, pot utiliza o memorie de 16 M. Procesoarele 386 DX, 486 şi Pentium, cu 32 de linii de adrese, pot utiliza o memorie de 4 G (4096 M), în sfârşit procesorul P 6, cu 36 de linii de adresă, poate lucra cu o memorie de 64 G [226].

Când procesoarele 286, 386, 486, Pentium şi P 6 emulează procesorul 8088 (ceea ce se întâmplă când se execută un singur program DOS), ele implementează un mod de lucru hardware, cunoscut sub numele de modul real.

Acest mod este singurul disponibil în cazul procesoarelor 8086 şi 8088, utilizate la sistemele PC şi XT.

În modul real toate procesoarele INTEL, inclusiv puternicul procesor Pentium, sunt restrânse la utilizarea unui spaŃiu de memorie de l M, la fel ca la "strămoşii" lor (procesoarele 8086 şi 8088), iar din acest spaŃiu îşi rezervă 384 K; numai modul de lucru protejat procesoarele 286 şi cele superioare îşi pot utiliza întregul potenŃial de adresare a memoriei.

Sistemele bazate pe procesoarele din clasa Pentium pot adresa 4 G de memorie. Desigur că, efortul financiar în acest caz ar fi substanŃial, Ńinând cont că 4 G (4096 M) de

memorie RAM rapidă costă destul. Chiar dacă, din punct de vedere financiar această problemă s-ar rezolva, modulele SIMM

cele mai performante existente pe piaŃă curent au capacitatea de 64 M pentru un modul cu 72 de pini; cele mai multe placi de bază din sistemele cu procesoare Pentium sunt prevăzute cu 4 până la 8 socluri pentru module SIMM, ceea ce înseamnă că se pot instala 256 M până la 512 M memorie SIMM.

6.1.5. Cipurile RAM Un cip RAM memorează temporar programele în curs de execuŃie şi datele utilizate de

aceste programe. Cipurile RAM sunt denumite uneori memorie volatilă, deoarece atunci când calculatorul se scoate de la reŃeaua electrică sau când apar fluctuaŃii puternice ale tensiunii în reŃea, conŃinutul memoriei RAM se pierde dacă nu a fost salvat în prealabil pe hard disc.

Lansarea în execuŃie a unui program determină sistemul de operare să aducă în memoria RAM fi şierul corespunzător de pe disc şi acesta rămâne în memoria RAM pe toată durata execuŃiei întregului program. Unitatea centrală de prelucrare execută instrucŃiunile memorate în memoria RAM; de asemenea tot memoria RAM stochează valorile numerice utilizate la efectuarea calculelor etc., deci când datele se salvează pe hard disc ele sunt preluate din memoria RAM.

Există din punct de vedere al construcŃiei hardware mai multe tipuri de cipuri de memorie RAM. Majoritatea sistemelor moderne utilizează modulele SIMM (Single In Line Memory Module). Aceste module conŃin cipuri de memorie pe o placă cu circuit imprimat, de dimensiuni reduse, montată într-un soclu cu autoblocare.

Un modul S1PP (Single In Line Pin Package) este similar unui modul SIMM, cu deosebirea că el se conectează la placa de bază prin intermediul unor pini (spre deosebire de modulul SIMM, care se conectează la placa de bază prin intermediul unui conector de margine).

Pentru mai multă uşurinŃă la montarea modulelor de memorie RAM, unele firme oferă convertoare SIPP/SIMM, care dă posibilitatea utilizării plăcilor de bază şi cu conectori şi cu socluri cu pini.

De asemenea, modern, toate sistemele care utilizează procesoare din clasa Pentium utilizează module DIMM (Dual In Line Memory Module), care au 168 de pini şi sunt mai potrivite sistemelor pe 64 de biŃi.

Pe plăcile de bază ale sistemelor de calcul compatibile PC au fost utilizate mai multe tipuri de cipuri de memorii RAM, majoritatea acestora sunt cipuri pe un bit, disponibile la diverse capacităŃi.

În tabelul 6.1 se prezintă cipurile RAM disponibile pe piaŃă.

Page 223: CartedlComanescu Bun v1

223

Tabelul 6.1 CIP RAM Capacitate

16 K x 1 bit Aceste cipuri au fost utilizate în sistemele IBM originale, cu placă de bază de tipul 1 ( Tipe 1)

64 K x 1 bit

Aceste cipuri au fost utilizate în sistemele standard IBM PC, cu placă de bază de tipul 2 (Type 2) şi în sistemele IBM XT cu plăci de bază de tipurile 1 şi 2 . Numeroase adaptoare de memorie (cum ar fi plăcile AST) utilizează de asemenea aceste cipuri

128 K x 1bit

Aceste cipuri, utilizate în sistemele IBM AT cu placa de bază de tipul l, erau adesea o combinaŃie fizică de două cipuri de 64 K x l bit puse unul peste altul şi lipite unul de celălalt. Cipurile individuale au fost utilizate pentru memorarea biŃilor de paritate la sistemele IBM XT 286.

256 K x 1 bit sau (64 K x 4 biŃi )

Sistemele IBM XT cu placă de bază tipul 2 şi sistemele IBM AT cu placă de bază de tipul 2 (precum şi majoritatea sistemelor compatibile cu acestea)utilizează aceste cipuri de memorie.

1 M x 1 bit sau (256 K x 4biŃi)

Au fost utilizate la realizarea modulelor SIMM cu capacităŃi între 256 K şi 8 M.

4 M x 1 bit sau (1 M x 4 biŃi)

Au fost utilizate pentru module SIMM între l M şi 16 M (în special pentru cele de 4 M și 8 M) şi de obicei nu se vând separat.

16 M x 1 bit sau (4M x 4 biŃi)

Sunt utilizate foarte des pentru realizarea modulelor SIMM cu 72 de pini şi capacităŃi între 16 M şi 32 M.

64 M x 1 bit sau (16M x 4 biŃi)

Sunt destinate realizării modulelor de 16 M (cele de 64 biŃi) destinate special sistemelor notebook.

256 M x 1 bit sau (64M x 4 biŃi)

Cipurile de 256 megabiŃi sunt cele mai scumpe de pe piaŃă. Aceste cipuri permit realizarea unor module SIMM cu capacitate mare, de 128 M sau mai mari.

6.1.6. Bancuri de memorie Cipurile de memorie (DIP, SIMM, SIPP, și DIMM) sunt organizate sub formă de bancuri

de memorie, pe placa de bază sau pe plăcile de memorie. De obicei, bancurile corespund capacităŃii magistralei de date a procesorului sistemului. În tabelul 6.2 se indică dimensiunea bancurilor de memorie în funcŃie de tipul procesorului.

Multe dintre sisteme utilizează module DIMM cu 168 de pini; acestea au 64 de biŃi fără paritate şi 72 de biŃi cu paritate.

Aceste module (DIMM) sunt utilizate doar în sistemele Pentium şi Pentium Pro, în care funcŃionează ca un singur banc.

Unul dintre standardele stabilite de IBM pentru industria calculatoarelor este acela că fiecare cip de memorie dintr-un banc de 9 cipuri conŃine un bit de date: opt biŃi pentru fiecare caracter şi unul suplimentar, numit bit de paritate. Bitul de paritate permite circuitelor de control al memoriei să Ńină o evidenŃă a celor 8 biŃi de date, facilitate care permite verificarea internă a integrităŃii celor 8 biŃi ce compun octetul de paritate. Dacă, aceste circuite de control detectează o eroare, calculatorul se opreşte şi afişează în consecinŃă un mesaj prin care anunŃă funcŃionarea necorespunzătoare. Unele module SIMM moderne au numai 3 cipuri, câte unul pentru fiecare grup de 3 biŃi. IBM a stabilit standardul de paritate impară pentru verificarea apariŃiei erorilor.

Cei opt biŃi care compun un octet de date sunt stocaŃi in memorie, iar cipul 74LS280, numit generator / verificator de paritate, aflat pe placa de bază sau pe placa de memorie, evaluează octetul de date numărând biŃii care au valoarea 1. Dacă, octetul de date conŃine un număr par de

Page 224: CartedlComanescu Bun v1

224

biŃi având valoarea l, cipul generator / verificator de paritate generează valoarea l şi o stochează în cipul de memorie pentru paritate, în acest fel, suma celor 9 biŃi (biŃii de date şi bitul de paritate) este un număr impar. Dacă, octetul de date conŃine un număr impar de biŃi având valoarea l, cipul generator / verificator de paritate stochează valoarea 0 în cipul de paritate. În acest fel, suma celor 9 biŃi (biŃii de date şi bitul de paritate) este un număr impar. Deci, valoarea bitului de paritate este aleasă astfel încât suma celor 9 biŃi să fie un număr impar.

Tabelul 6.2

Procesor Magistrale de date

Dimensiunea blocului de memorie (fără paritate)

Dimensiunea blocului de memorie (cu paritate)

Nr. de module SIMM cu 30 de pini pe banc

Nr. de module SIMM cu 72 de pini pe banc

Nr. de module SIMM cu 128 de pini pe banc

8088 pe 8 biŃi pe 8 biŃi pe 9 biŃi 1 < 1* <1* 8086 pe 16 biŃi pe 16 biŃi pe 18 biŃi 2 < 1* < 1* 286, 386 SX, SL,SLC

pe 16 biŃi pe 16 biŃi pe 18 biŃi 2 <1* <1*

386 DX pe 32 biŃi pe 32 biŃi pe 36 biŃi 4 1 <1 * 486 SLC, SLC2

pe 16 biŃi pe 16 biŃi pe 18 biŃi 2 < 1 * <1 *

486 SX, DX, DX2, DX4

pe 32 biŃi pe 32 biŃi pe 36 biŃi 4 1 <1*

Pentium Pe 64 biŃi pe 64 biŃi pe 72 biŃi 8 2 1

Pentium Pro

pe 64 biŃi pe 64 biŃi pe 72 biŃi 8 2 1

* În aceste cazuri un singur modul SIMM sau DIMM constituie mai multe bancuri de memorie.

Când este detectată o eroare de paritate, circuitele de verificare a parităŃii de pe placa de

bază generează o " întrerupere nemascabilă" (Non Mascable Interrupt - NMI) care opreşte prelucrarea datelor şi lansează în execuŃie o rutină aflată în memoria ROM.

Calculatoarele personale compatibile IBM au două tipuri principale de module SIMM - pe 9 biŃi (cu 30 de pini) şi pe 36 de biŃi (cu 72 de pini), de diferite capacităŃi. Există atât module SIMM cu biŃi de paritate, cât şi fără. Toate procesoarele începând de la 386 şi terminând cu cele superioare (din clasa Pentium, spre exemplu) au încorporate circuite de generare / verificare a parităŃii, astfel încât pe placa de bază nu sunt necesare circuite suplimentare, în acelaşi timp, majoritatea plăcilor de bază au posibilitatea de dezactivare a verificării parităŃii, ceea ce face ca ele să poată accepta şi module SIMM fără biŃi de paritate. În Figura 6.3 se prezintă modulele SIMM tipice cu 30 de pini pe 9 biŃi, respectiv cu 72 de pini pe 36 de biŃi.

Setul de cipuri realizat de INTEL, Triton II, nu are funcŃia de verificare a parităŃii, dar beneficiază în schimb de o caracteristică şi mai puternică: utilizarea codului de eroare ECC (Error Correcting Code), care permite corectarea erorii.

Page 225: CartedlComanescu Bun v1

225

Un modul SIMM cu 30 de pini (pe 9 biŃi) tipic

Un modul SIMM cu 72 de pini (pe 36 biŃi) tipic

Figura 6.3

Modulele SIMM, indiferent de tipul şi de capacitatea lor de memorare sunt fabricate în mai multe variante constructive care se deosebesc prin timpii de acces. Timpii de acces ca şi o altă caracteristică importantă a cipurilor RAM, viteza, sunt exprimaŃi în nanosecunde (ns).

Pentru sistemele Pentium se utilizează un tip de memorie, numit EDO (Extended Data Out) RAM. Acest tip de memorie este realizat prin lipirea pe modulele SIMM cu 72 de pini a unor cipuri speciale, care permit suprapunerea accesărilor succesive. Acest fapt permite reducerea ciclului de acces şi creşterea performanŃelor cu 20% faŃă de modulele SIMM obişnuite.

Memoria EDO RAM este ideală pentru sistemele cu magistrale care lucrează la 66 MHz, ceea ce le face foarte potrivite pentru sistemele Pentium în general. În tabelul 6.3 se prezintă vitezele cipurilor de memorie pentru plăcile de bază produse de IBM.

MenŃionând evoluŃia naturală a noilor tehnologii, în ultimii ani, viteza procesoarelor a crescut exponenŃial. Totuşi viteza memorie RAM nu a satisfăcut necesarul de lăŃime de bandă mai mare. S-a văzut migrarea de la memoria PC100 la PC133 în 1999, în acest timp Intel introducând memoria Rambus ca o nouă soluŃie de memorie pentru industria PC –urilor. Teoretic o lăŃime de bandă mai mare a memoriei asigură performanŃă mai bună pentru computer. LăŃimea maximă de bandă este definită ca lăŃimea bus-ului memoriei împărŃită la 8 biŃi şi înmulŃită cu rata de transfer a datelor. Astfel s-a născut necesitatea apariŃiei DDRAM-ului.

DDRAM este abrevierea de la “ Double Data Rate Random Access Memory “. DDR-ul este asemănător cu tradiŃionalul Syncronous DRAM, denumit acum SDRAM, evoluat din standardele DRAM.

Page 226: CartedlComanescu Bun v1

226

Tabelul 6.3

Sistem CPU FrecvenŃa ceas (MHz)

Stări de aşteptare

Timp de acces la memorie (ns)

ObservaŃii

PC 8088 4,77 1 200 XT 8088 4,77 1 200 AT 286 6 1 150 AT 286 8 1 150 XT-286 286 6 0 150 Fără stări de aşteptare PS -1 286 10 1 120 25 8086 8 0 150 Fără stări de aşteptare 30 8086 8 0 150 Fără stări de aşteptare 25-286 286 10 1 120 30-286 286 10 1 120 35 SX 386 SX 20 0-2 85 Memorie paginată 40 SX “ 20 0-2 85 Memorie paginată L 40 “ 20 0-2 80 Memorie paginată 50 286 10 1 150 50 Z 286 10 0 85 Fără stări de aşteptare 53 486 SLC2

486 SLC2

50 0-2 70 Memorie intercalată cache intern de 16K

55 SX 386 SX 16 0-2 100 Memorie paginată 56 486 SLC3

486 SLC3

65 0-2 70 Memorie intercalată cache intern de 16K

57 SX 386 SX 20 0 – 2 70 Memorie paginată 57 486 SCL3

486 SLC3

75 0 – 2 70 Memorie intercalată, cache intern de 16K

60 286 10 0 150 65 386 SX 16 0–2 100 Memorie paginată 70 386 DX 16 0–2 85 Memorie paginată 70 385 DX 16 0–2 85 Memorie paginată 70 386 DX 20 0–2 85 Memorie paginată 70 386 DX 25 0–5 80 Cache extern de 64 K 70 486 DX 25 0–5 80 Cache intern de 8 K P 70 386 DX 16 0–2 85 Memorie paginată P 70 486 DX 20 0–2 85 Memorie paginată P 75 486 DX 33 0–5 70 Cache intern de 8 K

76 486 DX2

66 0–2 70 Memorie intercalată cahe intern de 8 K

76 486 SX 33 0–2 70 ”

76 486 DX4

100 0–2 700 Memorie intercalată, cache intern de 16 K

77 486 DX2

66 0–2 70 Memorie intercalată, cache intern de 8 K

77 486 SX 33 0–2 700 “

Page 227: CartedlComanescu Bun v1

227

Sistem CPU FrecvenŃa ceas (MHz)

Stări de aşteptare

Timp de acces la memorie (ns)

ObservaŃii

77 486 DX4

100 0–2 70 Memorie intercalată, cache intern de 16 K

80 386 DX 16 0– 2 80 Memorie paginată 80 386 DX 20 0–2 80 “ 80 386 DX 25 0–5 800 Cache extern de 64 K

90 486 SX 20 0–5 70 Memorie intercalată, cache intern de 8 K

90 486 DX 25 0–5 70 ”

90 486 DX 25 0–5 70 Memorie intercalată, cache intern de 8 K, cache extern 256K opŃional

90 486 DX 33 0–5 70 Memorie intercalată, cache intern de 8 K, cache extern 256K opŃional

90 486 DX 50 0–5 70 ” 95 486 SX 20 0–5 70 ”

95 486 SX 25 0-5 70 Memorie intercalată, cache intern de 8 K

95 486 DX 25 0-5 70 Memorie intercalată, cache intern de 8 K, cache extern 256K opŃional

95 486 DX 33 0-5 70 “ 95 486 DX 50 0-5 70 “

DDR îşi are “ fundaŃia ” pe acelaşi nucleu de proiectare al SDRAM-ului dar cu o viteză

mult sporită. Ca rezultat, DDR permite citirea datelor de pe ambele fronturi ale semnalului de ceas, asigurând de 2 ori lărgimea de bandă a SDRAM-urilor tradiŃionale. În principiu, DDR-ul dublează viteza de transfer a memoriei SDRAM fără creşterea frecvenŃei de ceas. Costul redus şi tensiunea de alimentare mică îl fac o soluŃie ideală pentru toate segmentele pieŃii de PC-uri, sisteme de înaltă performanŃă, PC-urile mobile, PC-urile end-user şi chiar Internet Aplliances şi dispozitivele mobile.

Există două standarde pentru memoriile DDR: • PC1600; • PC2100.

Tabel 6.4 Tipul de memorie Parametri RIMM RDRAM 128 MB PC 800 RIMM RDRAM 256 MB PC 800 DIMM DDRAM 128 MB PC2100 DIMM DDRAM 256 MB PC 2100 DIMM DDRAM 512 MB PC2100 PQI DIMM SDRAM 128 MB PC133 PQI DIMM SDRAM 256 MB PC 133 PQI DIMM SDRAM 512 MB PC 133 PQI SO DIMM SDRAM 128 MB PC 133 PQI SO DIMM SDRAM 256 MB PC 133

Un modul de memorie PC100 SDRAM are o lăŃime de bandă (cantitate de date

transferate în unitatea de timp) de 0,8 GB/s. Din moment ce, DDRAM transferă datele de două ori

Page 228: CartedlComanescu Bun v1

228

mai rapid ca SDRAM, 200 MHz DDRAM (100 MHz dublat) are lărgimea de bandă de 1,6 GB/s sau 1600 MG/s (64 biŃi x 100 MHz x 2 /8=1600 Mbytes/s); de aici numele de PC1600. 266 MHz DDRAM (133 MHz dublat) are lărgimea de bandă de 2,1 GB/s (64 biŃi x 133 MHz x 2/8=2100 Mbytes/s) şi este cunoscut sub numele de PC2100.

În termeni de latenŃă CAS (CL) a DDRAM-ului există, de asemenea, două specificaŃii ale acestuia.

DDR 266A, care este o combinaŃie de PC2100 DDRAM şi CL=2 ns; DDR 266B, care este o combinaŃie de PC2100 DDRAM şi CL=2,5 ns. Un modul de memorie DDR are 184 de pini şi este alimentat la 2,5 V. Chiar dacă pare

asemănător cu un modul de memorie SDRAM, nu este compatibil cu acesta, necesitând alte plăci de bază.

Pe piaŃă, la ora actuală, se pun la dispoziŃia utilizatorilor următoarele tipuri de module de memorii:

6.1.7. Arhitectura memoriei RAM În scopul reducerii stărilor de aşteptare, al creşterii performanŃelor generale ale sistemelor

şi al reducerii preŃurilor, au fost proiectate şi implementate arhitecturi speciale de memorie. Cele mai uzuale modele arhitecturale sunt: • memoria paginată, • memoria intercalată, • memoria cache.

Tabelul 6.5

FrecvenŃa de tact (MHz) Perioada (ns) FrecvenŃa de tact (MHz) Perioada (ns)

6 166 120 8,3

8 125 133 7,5

10 100 150 6,6

12 83 166 6,0

16 62 180 5,5

20 50 200 5,0

25 40 233 4,2

33 30 250 4,0

40 25 300 3,3

50 20 333 3,0

60 16 250 2,8

66 15 400 2,5

75 13 450 2,2

80 12 500 2,0

100 10 550 1,8

Page 229: CartedlComanescu Bun v1

229

Memoria paginată este o arhitectură simplă de memorie care conduce la îmbunătăŃirea performanŃelor şi se bazează pe împărŃirea memoriei în pagini cu dimensiunea cuprinsă între 512 octeŃi și câŃiva kiloocteŃi. Circuitele electronice pentru controlul memoriei paginate permit accesul rapid, fără stări de aşteptare, la locaŃiile de memorie din pagina curentă. Dacă, locaŃia accesată nu se află în pagina curentă, se adaugă una sau mai multe stări de aşteptare, pe durata cărora sistemul selectează noua pagină.

Memoria intercalată oferă performanŃe mai bune decât memoria paginată. Această arhitectură performantă combină două bancuri de memorie într-unul singur, organizat sub formă de octeŃi pari şi impari. În acest mod, un ciclu de acces la o locaŃie din al doilea banc poate începe în timp ce primul banc tratează un acces anterior (şi viceversa). Prin alternarea accesului la bancurile pare şi impare se poate solicita accesul la o dată aflată în primul banc şi în timp ce această cerere este prelucrată, sistemul poate trece la al doilea banc pentru a prelua o nouă cerere. Rezultatul primei cereri de acces este disponibil în timp ce prelucrarea celei de a doua cereri este încă în derulare.

Prin intercalarea accesului la memorie în această manieră, un sistem îşi poate dubla performanŃele privind accesul la memorie fără să utilizeze cipuri de memorie mai rapide.

Memoria cache este cea mai răspândită şi în acelaşi timp cea mai eficientă arhitectură concepută pentru îmbunătăŃirea performanŃelor memoriei. Tehnica de funcŃionare se bazează pe o memorie de capacitate mică (între 8 şi 512 kiloocteŃi), dar cu viteză de acces mare (suficient de mare pentru a putea fi bine sincronizată cu cea a procesorului fără să utilizeze stări de aşteptare). Acest mic banc de memorie cache are un timp de acces de 15 ns (sau chiar mult mai puŃin). Deoarece memoria obişnuită, DRAM, este prea lentă este utilizată o memorie specială, de tip SRAM (Static RAM-RAM static). Memoria SRAM nu necesită reîmprospătarea continuă, aşa cum este cazul celor DRAM. Aceste calităŃi împreună cu alte caracteristici contribuie la obŃinerea unor timpi de acces foarte mici.

Cipurile SRAM sunt utilizate de un circuit special, controlerul de cache, circuit care memorează locaŃiile memoriei RAM cel mai frecvent accesate, cât şi locaŃiile pe care le presupune a fi accesate în viitorul imediat. Cache-ul acŃionează ca un tampon inteligent între CPU şi memoria RAM dinamică mai lentă.

Cache-ul integrat în unitatea centrală de prelucrare (CPU) este denumit cache primar sau cache de nivel l (L 1), iar cache-ul extern este denumit cache secundar sau de nivelul 2 (L 2). Desigur că, dacă memoria cache este mai mare atunci și performanŃele sistemului sunt mai bune, un rol preponderent în acest caz avându-l arhitectura sistemului ca şi eficienŃa controlerului de cache; un cache integrat în CPU poate conduce la performanŃe mult mai bune decât unul extern.

În tabelul 6.5 se prezintă relaŃia dintre frecvenŃele de tact ale procesoarelor (MHz) şi duratele ciclurilor (ns) specifice unor cipurilor de memorie.

Pentru a reduce numărul necesar de stări de aşteptare, există mai multe tipuri de memorie mai rapidă şi de memorie imediată (cache). Acestea sunt:

memoria DRAM Fast Page Mode (FPM); EDO RAM (Extended Data Out RAM), a fost introdusă începând din anul 1995 pentru

sistemele din clasa Pentium; Burst EDO (BEDO RAM-Burst Extended Data Out Dynamic Random Access Memory),

admisă de setul de cipuri Intel 440 FX Natoma; SDRAM (Synchronous DRAM), ea funcŃionează sincronizat cu magistrala procesorului,

cea mai mare calitate a acestui tip de memorie este acela că elimină cea mai mare parte a latenŃei implicate de memoria DRAM asincronă, deoarece semnalele sunt deja sincronizate cu ceasul plăcii de bază. Este admisă de setul de cipuri INTEL 430 VX, 430 TX. Ea a fost concepută iniŃial special pentru sistemele Pentium II.

RDRAM (Rambus DRAM), lansată în perioada 1999-2000, special pentru sistemele care lucrează la o frecvenŃă de, şi peste 800 MHz. Cipurile RDRAM sunt instalate în module numite

Page 230: CartedlComanescu Bun v1

230

RIMM (Rambus Inline Memory Modules Figura 6.4). Un controler de memorie RDRAM cu un singur canal Rambus admite până la trei module RIMM ceea ce, la o densitate pe cip de 64 MB, înseamnă 256 MB per modul RIMM. Versiunile următoare de RIMM au capacităŃi mai mari, până la l GB, şi admit seturi de cipuri cu controlere integrale de memorie Rambus, care pot admite mai multe canale Rambus, permiŃând mai multe socluri RIMM pe placă.

Figura 6.4

DDR SRAM (Double Data Rate SDRAM), este un model evoluat al memoriei DRAM standard, la care transferul datelor se face de două ori mai rapid, în loc de a dubla frecvenŃa de ceas efectivă, memoria DDR realizează dublarea performanŃelor făcând două transferuri pe un ciclu de transfer, o dată pe frontul ascendent al ciclului şi o dată pe cel descendent. Aceasta dublează efectiv viteza de transfer, chiar dacă se folosesc aceleaşi semnale de tact şi de sincronizare. Este o soluŃie destinată calculatoarelor mai ieftine. Firma Intel promovează în mod oficial memoriile RDRAM pentru sistemele noi de vârf începând din anul 1999.

Tabelul 6.6

Tipul CPU Pentium Pentium Pro Pentium II 1997

Pentium II 1998

FrecvenŃa CPU tipică: 233 MHz 200 MHz 300 MHz 400 MHz

Viteza memoriei cache L 1:

4ns (100 MHz)

5ns (233 MHz)

3ns (300 MI Iz)

2ns (400 MHz)

Viteza memoriei cache L 2:

15 ns (66 MHz)

5ns (200 MHz)

6ns (150 MHz)

6ns (200 MHz)

FrecvenŃa plăcii de bază: 66 MHz 66 MHz 66 MHz 100 MHz

Viteza SIMM/DIMM 60 ns (16 MHz)

60 ns (16 MHz)

15 ns (66 MHz)

10 ns (100 MHz)

Page 231: CartedlComanescu Bun v1

231

În tabelul 6.6 se prezintă relaŃia dintre memoria cache de nivel 1 (internă) şi de nivel 2 (externă) în unele sistemele din clasa Pentium.

Controlerul de memorie cache pentru un sistem modern este conŃinut fie în secŃiunea North Bridge a setului de cipuri, cum este cazul la sistemele Pentium sau anterioare acestora, fie în procesor, aşa cum este cazul la sistemele Pentium Pro, Pentium II şi Pentium III.

PosibilităŃile controlerului de memorie cache dictează performanŃele şi posibilităŃile memoriei cache.

Este important de reŃinut că cele mai multe controlere de memorie cache au o limită privind mărimea memoriei care poate fi accesată prin cache. Adeseori, această limită poate fi destul de scăzută, aşa cum este cazul la sistemele Pentium bazate pe setul de cipuri 430 TX. Setul de cipuri 430 TX poate transmite datele prin cache numai la primii 64 M de memorie RAM a sistemului.

Memoriile actuale, din categoria DRAM (RDRAM, DDR SDRAM, EDO RAM) sunt alcătuite din celule de memorie a căror componenŃă de bază este identică: un tranzistor şi un capacitor (Figura 6.5).

Figura 6.5

În Figura 6.5 se prezintă structura internă a unei celule de memorie. Acesta este modul cel mai economic de a realiza o celulă de memorie. Starea de încărcare a capacitorului determină modul logic în care se află celula de memorie (0 sau 1). Însă, acest condensator este unul dintre cauzele limitării memoriei de tip DRAM. După cum se ştie, una dintre proprietăŃile condensatoarelor este de a pierde în timp electronii cu care sunt încărcaŃi. De aceea, încărcarea lor trebuie “reîmprospătată” la anumite intervale de timp, pentru a determina starea logică a celulei atât timp cât aceasta este necesară, În timpul realizării operaŃiei de reîmprospătare (refresh-ul), memoria nu poate fi accesată. Acest refresh, care se desfăşoară în mod automat, nu reprezintă cea mai mare problemă a memoriilor de tip DRAM. FabricanŃii indică un interval de timp de 64 milisecunde pentru realizarea reîmprospătării încărcării cu sarcină a capacitoarelor din componenŃa celulelor de memorie, ceea ce în practică înseamnă că memoria nu este disponibilă pentru mai puŃin de 1% din timpul total de lucru datorită operaŃiei mai sus amintite.

Cea mai mare problemă a memoriilor DRAM este aceea că, în urma unei simple citiri dintr-o celulă, capacitorul se descarcă, deci celulele unei memorii DRAM trebuiesc “reîmprospătate” ori de câte ori se citeşte din ele. De aceea, de fiecare dată când o linie de memorie este citită, este rescrisă; rezultatul este creşterea timpului de acces la o anumită adresă de memorie (creşte latenŃa).

Memoriile de tip SRAM (Static RAM) nu se confruntă cu această problemă. O astfel de celulă consistă din 4 tranzistori şi 2 rezistori, deci celulele de SRAM nu stochează datele prin mijlocirea unui capacitor; ele realizează acest lucru prin comutarea tranzistorilor componenŃi ai celulelor în starea necesară, în acelaşi mod în care se face comutarea tranzistorilor în CPU. De

Page 232: CartedlComanescu Bun v1

232

asemenea, citirea unei memorii SRAM nu este distructivă, operaŃia de refresh fiind astfel eliminată. Memoriile SRAM pot funcŃiona la frecvenŃe de ceas mai mari decât majoritatea memoriilor DRAM, însă de o importanŃă mai mare este latenŃa necesară pentru obŃinerea primilor 8 bytes (un cuvânt), care este de 2 sau 3 cicluri de ceas, spre deosebire de 8-9 cicluri în cazul memoriilor DRAM. Aceasta este valabil în cazul în care nu se iau în calcul timpii necesari pentru primirea semnalelor de la CPU, chipset şi circuitele de control ale memoriei. Faptul că memoria SRAM necesită o cantitate de 4 ori mai mare de tranzistori decât cea DRAM justifică costul de fabricaŃie mult crescut al primei, de aproximativ 8 ori mai mare.

Înainte de a se discuta despre diferenŃa de performanŃă dintre diferite tehnologii de memorii (S)DRAM, este important să se cunoască structura internă a unui DIMM (modul de memorie Dual In Line Memory Module).

Cea mai mică componentă a unui cip de memorie este celula de memorie. Fiecare celulă reprezintă un singur bit şi are o adresă unică definită de către intersecŃia unei linii cu o coloană. Opt dintre aceşti biŃi formează un byte; acesta permite 256 de combinaŃii posibile (28). Un byte reprezintă cea mai mică unitate de memorie adresabilă. Celulele de memorie nu pot fi adresate individual, ele sunt conectate la o linie şi la o coloană comune de memorie, deci într-o structura de matrice. Aceste structuri de matrice sunt grupate la rândul lor în bancuri de memorie. Majoritatea cipurilor SDRAM conŃin 4 astfel de bancuri, iar un DIMM SDRAM conŃine 8-16 cipuri de memorie. DIMM-urile SDRAM au 14 linii de adrese şi o magistrală de date de 64 bit. Dacă un DIMM foloseşte cipuri SDRAM pe 8 bit, atunci pe acesta se vor afla 8 cipuri de memorie (8x8=64). Pentru cipuri pe 4 bit vom avea un total de 16 cipuri pe acelaşi DIMM.

Fiecare banc de memorie conŃine o matrice de memorie, un amplificator de sens, un decodor pentru adresele liniilor şi un decodor pentru adresele coloanelor. Pentru a înŃelege modul de funcŃionare a unui banc de memorie se va studia ce se întâmplă când procesorul este nevoit să acceseze date direct din memoria principală, deci când are loc un cache miss:

CPU necesită o linie de 32 bytes şi trimite cererea către chipset. Această operaŃie durează în mod normal un ciclu de tact.

Chipset-ul va trimite adresa liniei prin cele 14 linii de adresă, deci tuturor cipurilor de memorie de pe modulul DIMM. Toate liniile care au aceeaşi adresă formează o pagină. Cu alte cuvinte, când chipset-ul trimite adresa de linie către DIMM, el “ deschide ” o pagină în DIMM.

Fiecare banc de memorie are amplificatoare de conŃinut (sens) care amplifică sarcina (biŃii) care sunt citiŃi/scrişi din/în celulele de memorie. Amplificatorul de conŃinut va citi linia corespunzătoare adresei solicitate. Această citire necesită un timp, cunoscut de obicei sub numele de RAS to CAS delay (TRCD). În funcŃie de calitatea SDRAM-ului, această citire necesita 2-3 cicluri de tact.

În acest moment, în amplificatoarele de conŃinut se află linia cerută, dar celulele necesare nu sunt încă identificate. LatenŃa CAS reprezintă timpul necesar pentru găsirea coloanei cerute. La intersecŃia liniei cu coloana solicitată se află celulele de memorie în care se află informaŃia dorită. CAS latency semnifică o perioadă de timp de 2-3 cicluri de tact.

ConŃinutul celulelor de memorie este trimis tamponului (buffer) de ieşire al DIMM-ului, iar chipset-ul poate citi din acesta.

Acum avem primul cuvânt (8 bytes), linia corectă se află în amplificatorul de conŃinut, deci următorii 24 bytes sunt uşor de obŃinut. În fiecare ciclu de tact, 8 bytes sunt transferaŃi către tamponul de ieşire. Acest mod este cunoscut sub numele de burst (rafală).

În principiu, latenŃa întregului sistem de memorie (de la FSB la DRAM) este egal cu suma următoarelor componente:

LatenŃa dintre FSB şi chipset (+/- 1 ciclu de ceas); LatenŃa dintre chipset şi DRAM (+/- 1 ciclu de ceas); RAS to CAS latency (2-3 cicluri); CAS latency (2-3 cicluri);

Page 233: CartedlComanescu Bun v1

233

1 ciclu pentru transferul datelor; LatenŃa pentru a transfera datele din buffer-ul de ieşire al DIMM-ului către CPU (via

chipset) (+/- 2 cicluri de ceas); Un modul de SDRAM PC100, de bună calitate (CAS 2) va avea astfel o latenŃă de

aproximativ 9 cicluri pentru furnizarea primului cuvânt (8 bytes) şi de încă 3 cicluri pentru ceilalŃi 24 bytes, deci 12 cicluri de ceas în total.

Pentru calcularea latenŃei din punctul de vedere al CPU-ului, este nevoie de multiplicarea latenŃei memoriei sistemului cu multiplicatorul CPU-ului. Deci, un procesor de 500 MHz (5x100 MHz) va avea de aşteptat 5x9=45 cicluri până când informaŃia care nu este găsită în L2 cache să fie disponibilă în acesta.

În continuare se prezintă aspectele care determină diferenŃa de performanŃă dintre diferitele tehnologii de fabricare a memoriei RAM.

Dacă următoarea cerere de la procesor accesează aceeaşi linie, chipset-ul nu mai trebuie să aştepte încărcarea amplificatoarelor de conŃinut. Acest fenomen este cunoscut sub numele de page hit. Astfel, RAS to CAS latency va avea valoarea 0, astfel bufferele de ieşire vor conŃine datele cerute după CAS latency. Cu alte cuvinte, un page hit face ca aşteptarea să fie redusă numai la timpul necesar identificării coloanei corespunzătoare liniei care deja se află în amplificatoarele de conŃinut.

Există de asemenea şi alte posibilităŃi. Se poate întâmpla ca linia solicitată de chipset să nu fie identică cu cea de la procesarea anterioară. Fenomenul se numeşte page miss şi este penalizat cu o RAS to CAS latency de 2 sau 3 cicluri de ceas, în funcŃie de calitatea modulului de memorie SDRAM. Lucrurile se înrăutăŃesc dacă chipset-ul a lăsat deschisă o anumită linie într-un anumit banc, iar datele cerute se află într-o altă linie în acelaşi banc. În acest caz, amplificatoarele de conŃinut trebuie să scrie înapoi vechea linie, înainte ca ele să fie capabile să se încarce cu alta nouă. Scrierea înapoi a vechii linii durează o anume perioadă de timp şi este cunoscută sub numele de Precharge Time (Trp).

Acesta reprezintă cazul cel mai nefavorabil.

6.1.8. LăŃimea de bandă în cazul aplicaŃiilor reale Pentru a se înŃelege relaŃia dintre latenŃă şi lăŃimea de bandă (Bandwidth) se va lua ca

exemplu un modul PC100 SDRAM-222. Primul “2” semnifică valoarea CAS latency, al doilea “2” indică RAS to CAS latency, iar cel de-al treilea arată valoarea factorului cunoscut sub numele Precharge Latency. În acest exemplu se va arăta ce se întâmplă atunci când se produce un cache miss în timp ce procesorul are nevoie de date. Rescrierile în memorie sunt mai puŃin importante din punctul de vedere al CPU-ului. Scrierile pot beneficia de buffering (folosirea unei memorii tampon intermediare), de exemplu, chipset-ul VIA KX-133 are 4 linii de cache (32x4 cuvinte) alocate pentru buffer-ele de scriere CPU-DRAM. Cu o asemenea viteză de bus crescută (200 MHz în loc de 100-133 MHz), şi cu bufferele de citire puse la dispoziŃie, CPU-ul poate depune rezultatele în aceste buffere, nesuferind astfel nici o rupere de ritm. Chipset-ul se va ocupa de transmisia de la buffere la memoria principală atunci când magistrala memoriei nu va mai fi suprasaturată.

Citirea din memorie este un procedeu mult mai interesant. Tabelul 6.7 conŃine o statistică a diferitelor latenŃe şi situaŃiile în care apar ele. În tabelul de mai jos sunt date o serie de valori pentru latenŃe şi momentele în care apar ele. În a treia coloană sunt date latenŃele care au loc în situaŃiile descrise în prima coloană. De exemplu, în cazul unui page miss, se aşteaptă 2 cicluri de ceas până când liniile sunt încărcate (Row to Cas Delay, RCD), după care urmează o nouă aşteptare de două cicluri de ceas până când este găsită coloana corespunzătoare (CAS Latency sau CL).

Page 234: CartedlComanescu Bun v1

234

În cea de-a patra coloană se observă adăugarea 5 cicluri de extra latenŃă pentru a arăta latenŃa totală ce apare la nivelul FSB-ului. ExplicaŃia este următoarea: se adaugă 2 cicluri din cauza traseului parcurs de adrese de la CPU la chipset şi în final la modulul DIMM, 1 ciclu pentru transferul datelor spre bufferul de ieşire şi alte două cicluri pentru aducerea datelor la CPU (via chipset). Ultimele două coloane explică relaŃia dintre latenŃă şi lăŃimea de bandă.

Tabelul 6.7

În cazul unui/unei

Probabilitatea statistică

LatenŃa DRAM

LatenŃa totală pentru “cuvântul critic” în zona FSB-ului

LatenŃa totală pentru transferul a 32 bytes

LăŃimea de bandă maximă (bandwidth) pentru un modul PC100

Page hit +/-55% CL=2 7

7-1-1-1=10 cicluri

320 MB/s

Page miss normal

+/- 40% RCD+CL=4

9 9-1-1-1=12 cicluri

267 MB/s

Page miss şi amplificatorul de conŃinut încărcat cu o linie deschisă anterior

+/- 5% RP+RCD+CL=6 cicluri

11 11-1-1-1=14 cicluri

229 MB/s

În cazul unui page hit, se observă că o memorie cu CAS latency=2 este capabilă să ofere

32 bytes în 10 cicluri de tact. În cazul în care memoria este tactată la 100 MHz (PC100 SDRAM), înseamnă că vom obŃine 32 bytes în 10 cicluri de tact de câte 10 ns. 32 de bytes în 100 ns înseamnă 0,32 bytes/ns, sau 320 MB/s. De aceea, se poate deduce faptul că latenŃa şi lăŃimea de bandă sunt două noŃiuni care au mare legătură una cu cealaltă. Astfel, cel mai bun modul PC100 SDRAM (222) poate obŃine, în cele mai bune circumstanŃe (page hit) nu mai mult decât 40% din lăŃimea de bandă (bandwidth) teoretică de 800 MB/s.

Se presupune un caz concret - în cazul unui modul PC133 SDRAM, utilizat în PC-urile cu procesoare Athlon sau Pentium III, se consideră trei sisteme (unu cu PC133 CAS 2, al doilea cu PC133 CAS 3 şi al treilea cu PC100 CAS 2), rezultatele comparative sunt evaluate în tabelul 6.8.

Tabelul 6.8

DRAM LatenŃa totală a sistemului

LatenŃa totală pentru transferul a 32 bytes

LăŃimea de bandă totală

Creşterea de performanŃă comparativ cu PC100

PC133-CAS 2 +/- 7 cicluri 7-1-1-1=10 cicluri 427 MB/s 33% PC133-CAS 3 +/- 8 cicluri 8-1-1-1=11 cicluri 387 MB/s 21% PC100-CAS 2 +/- 7 cicluri 7-1-1-1=10 cicluri 320 MB/s N/A

După cum se poate observa, un modul PC133 CAS 3 va returna primul cuvânt puŃin mai

târziu decât un modul PC100 CAS 2, deci pentru rularea aplicaŃiilor ce au nevoie de puŃine accesări ale memoriei, un sistem echipat cu memorie PC100 CAS2 va rula similar cu unul echipat cu PC133 CAS 3.

Un procesor Athlon Classic, cu o capacitate de 512 KB L2 cache va oferi un spor de performanŃă redus în comparaŃie cu un sistem dotat cu un procesor Duron (cu numai 64 KB L2

Page 235: CartedlComanescu Bun v1

235

cache), datorită faptului că cel din urmă este dotat cu memorie PC133. De asemenea, un PC dotat cu procesorul Duron şi memorie PC133 a arătat un spor de performanŃă semnificativ comparativ cu acelaşi sistem, însă dotat cu memorie PC100.

În continuare se face o descriere a modului de funcŃionare a chipset-urilor actuale din punctul de vedere al transferului cu memoria (transfer sincron sau asincron).

6.1.9. SoluŃii pentru transferul cu memoria Pentru a se pune în evidenŃă avantajele sau dezavantajele unei tehnologii sau a alteia s-a

realizat un studiu comparativ asupra comportării plăcilor de bază dotate cu chipset Intel BX, AMD750, VIA Apollo 133 VIA Apollo KX133.

În primul rând trebuie menŃionat faptul că chipset-urile BX şi AMD750 rulează sincron cu ceasul FSB-ului, în timp ce soluŃia VIA este a unui transfer asincron din motivele asigurării compatibilităŃii cu modulele de memorie PC66, PC100, PC133 SDRAM. Se pare că acesta este totuşi singurul avantaj al soluŃiei de transfer asincron.

Dacă memoria lucrează asincron cu FSB-ul, se adaugă cel puŃin un ciclu de ceas la latenŃa totală a sistemului. La trecerea de la o frecvenŃă a magistralei de 133 MHz, unde un ciclu de ceas înseamnă 7,5 ns, la o frecvenŃă de 100 MHz, unde un ciclu de ceas necesită 10 ns, apare nevoia folosirii unui tampon (buffer). SituaŃia de desincronizare între cele două frecvenŃe de tact (a FSB-ului – 133 MHz şi a memoriei – 100 MHz) este schematizată în Figura 6.6 (se observă latenŃa apărută în urma desincronizării celor două frecvenŃe (100 şi 133 MHz))

Figura 6.6

Un calcul comparativ al impactului asupra performanŃei generale al lucrului asincron cu memoria se poate studia în tabelul 6.9.

Tabelul 6.9

DRAM Chipset LatenŃa totală a sistemului

LatenŃa totală pentru transferul a 32 bytes

LăŃimea de bandă maximă

PC133 CAS 2 BX Sincron +/- 7 cicluri 7-1-1-1=10 cicluri

32 byte/(10 cicluri de câte 7.5 ns)=427 MB/s

PC133 CAS 2 VIA 133 MHz Asincron

+/- 8 cicluri 8-1-1-1=11 cicluri

32 byte/(11 cicluri de câte 7.5 ns) = 387MB/s

PC 133 CAS 3 VIA 133 MHz Asincron

+/- 9 cicluri 9-1-1-1 = 12 cicluri

32 byte/(12 cicluri de câte 7.5 ns) = 355 MB/s

PC 100 CAS 2 BX/VIA sincron

+/- 7 cicluri 7-1-1-1= 10 cicluri

32 byte/(10 cicluri de câte 10 ns) = 320 MB/s

Page 236: CartedlComanescu Bun v1

236

Se observă că un sistem cu memorie asincronă are cu 15% mai mare timpul de latenŃă la obŃinerea primului cuvânt şi oferă cu până la 10% mai puŃină lăŃime de bandă. Dacă se Ńine cont că soluŃia asincronă necesită chiar şi mai multe cicluri de ceas, se poate înŃelege de ce chipset-ul BX este atât de performant. În cazul unei penalităŃi, sistemul echipat cu memorie PC133 CAS2, dar cu chipset asincron, va avea puŃine şanse de a întrece performanŃa unui sistem cu PC100. Acesta este preŃul plătit în cazul în care utilizatorul are nevoie de flexibilitate în folosirea de diferite tipuri de memorie SDRAM (PC66-100-133).

6.1.10. Tehnologii de fabricare a memoriilor actuale AplicaŃiile software cum ar fi cele CAD sau cele din seria Photoshop nu sunt singurele

care necesită o creştere a vitezei memoriei. În categoria programelor avide de memorie intră şi jocurile. Texturile şi numărul mare de poligoane afişate în jocuri necesită de asemenea o lăŃime de bandă crescută a memoriei. BineînŃeles, este de preferat ca programele să fie scrise astfel încât să se menŃină în cache-ul de nivel secund (L2) majoritatea instrucŃiunilor şi datelor acestora. Există şi procesoare care oferă o cantitate impresionantă de L2 cache. Un exemplu în acest sens este Intel Pentium III (Copermine) Xeon cu o cantitate de 2 MB cache pe pastila procesorului. Acest procesor are în componenŃa lui nu mai puŃin de 140.000.000 tranzistori, din care numai aproximativ 9 milioane sunt dedicate părŃii logice. Însă, un astfel de procesor are un preŃ la fel de impresionant (>3000 USD), nefiind o opŃiune viabilă pentru un sistem desktop obişnuit. De obicei, programele care se rulează pe un calculator desktop se împart în două categorii:

Editare video, codare video, recunoaştere vocală, etc. Acestea sunt cunoscute sub denumirea de streaming applications datorită faptului că lucrează cu seturi mari de date care au nevoie de a fi comprimate, decodate sau editate.

Programe care încap în memoria cache de nivel 2 şi care generează accese aleatoare la memorie atunci când se produce un cache miss. lucrează cu seturi mari de date care au nevoie de a fi comprimate, decodate sau editate.

Programe care încap în memoria cache de nivel 2 şi care generează accese aleatoare la memorie atunci când se produce un cache miss.

Pentru aplicaŃiile din prima categorie, chiar şi o memorie L2 cache se poate dovedi insuficientă. Pentru programele din cea de-a doua categorie, 2 MB de memorie cache se poate traduce prin ineficienŃă economică.

Se pune următoarea întrebare: ce este mai benefic pentru creşterea performanŃelor: o lăŃime de bandă mare sau o latenŃă scăzută a sistemului memoriei?

Se poate răspunde la această întrebare printr-o alta: ce aplicaŃii frecvent utilizate sunt mari consumatoare de memorie şi de resurse ale CPU-ului? Răspunsul este: majoritatea jocurilor şi aplicaŃiilor care necesită grafică 3D, cum ar fi animaŃiile 3D şi programele CAD. Calculele geometrice (3D) şi rendering-ul jocurilor sunt exemple tipice de streaming applications, dar rendering-ul şi o parte din calculele geometrice sunt făcute de către chipset-ul video (cazul NVidia GeForce, ATI Radeon) în memoria video locală.

CPU se ocupă de logica programului (de ex. partea de inteligenŃă artificială într-un joc), de preprocesarea geometriei, etc. Trimiterea acestor poligoane către chipset-ul video este o operaŃie solicitantă din punctul de vedere al lăŃimii de bandă a memoriei. Cu alte cuvinte, numai aplicaŃiile 3D care manipulează cantităŃi uriaşe de poligoane (100.000 per scenă sau mai mult) vor avea nevoie de o lăŃime de bandă foarte mare. Din moment ce o lăŃime de bandă “ decentă “ este necesară pentru procesarea geometriei, cache misses sunt principalul motiv pentru care CPU accesează memoria principală.

În timpul unui cache miss, CPU aşteaptă pentru o anume secvenŃă de date. Astfel, latenŃa sau numărul de cicluri de ceas necesare pentru punerea la dispoziŃie a “cuvântului critic” vor determina eficienŃa şi performanŃa generală a sistemului.

Page 237: CartedlComanescu Bun v1

237

Memoriile capabile de o latenŃă redusă vor genera o performanŃă mai bună în majoritatea aplicaŃiilor decât memoriile capabile de furnizarea unei lăŃimi de bandă considerabile.

LăŃimea de bandă, adică abilitatea de a aduce în scurt timp cantităŃi mari de date către CPU, va deveni mai importantă pe măsură ce jocurile vor folosi un număr mai mare de poligoane şi vor beneficia de avantajul tehnologiilor ISSE şi 3DNow!.

Se prezentă în continuare soluŃiile propuse de diverşii fabricanŃi de memorii pentru îmbunătăŃirea performanŃelor memoriilor actuale.

6.1.10.1. Magistrala de 128 bit

Prima soluŃie este numită interleaving (interleave=întrețesere) şi constă în combinarea a

două module de memorie de câte 64 bit într-unul singur de 128 bit. Se obŃine astfel o lăŃime de bandă dublă, în timp ce latenŃa rămâne aceeaşi sau creşte doar cu foarte puŃin.

Este o soluŃie convenabilă şi din punct de vedere al costului: se vor cumpăra două module de memorie ieftine în locul unui eventual modul cu mult mai scump.

Din nefericire, problema nu se rezolvă aici. Problema este chipsetul care va fi capabil să lucreze cu o astfel de memorie. Acesta va trebui să aibă de două ori mai mulŃi pini, în timp ce placa de bază va trebui să ofere suport pentru de două ori mai multe module de memorie decât de obicei.

Devine astfel o problemă proiectarea unei plăci de bază care să funcŃioneze stabil. Intel a fabricat deja o astfel de placă de bază cu chipset-ul Profusion. Aceasta este utilizată în serverele Compaq cu procesoare Xeon, care sunt foarte departe (din punct de vedere al preŃului) de un banal sistem desktop.

6.1.10.2. HSDRAM

O altă posibilitate este fabricarea unor memorii care să aibă capacitatea de a rula la o frecvenŃă de ceas mai mare. Problema este că modulele DIMM au o dimensiune de aproximativ 12 cm, iar semnalele electrice “călătoresc” prin traseele cipurilor DRAM cu o viteză mult mai mică decât a luminii (aprox. 120.000 km/s, sau 12 cm/ns).

Dacă memoriile SDRAM vor fi determinate să ruleze la o frecvenŃă de 500 MHz de exemplu (un ciclu=2ns), semnalul de ceas al primului chip de pe modulul DIMM va fi desincronizat cu jumătate (1 ns) în raport cu ultimul chip de pe modul. În acest caz, litera S (sincron) din cuvântul SDRAM îşi va pierde sensul, un astfel de modul va produce adevărate “catastrofe” în timpul funcŃionării.

HSDRAM (High Speed SDRAM) oferă un avantaj real în jurul vitezelor de 166 MHz (în comparaŃie cu 133 MHz pentru modulele SDRAM actuale), prin folosirea unor chipuri de memorie de calitate ridicată. Totuşi, un câştig de 25% în lăŃimea de bandă nu este suficient.

6.1.10.3. ESDRAM

Creşterea vitezei de lucru a memoriei părea cea mai firească metodă de sporire a lăŃimii de bandă. Producătorul de memorii Ramtron a găsit o soluŃie mai elegantă pentru această problemă. ESDRAM este un sortiment de memorie DRAM care include buffere alcătuite din SRAM (Static RAM). Aceste buffer-e conŃin linia de date (row data), iar controller-ul poate citi aceste buffer-e în locul amplificatoarelor de conŃinut.

În momentul în care buffer-ele SRAM sunt citite, amplificatoarele de conŃinut se pot ocupa de operaŃiile de preîncărcare şi de reîmprospătare. Cu alte cuvinte, buffer-ele SRAM pot elimina latenŃele de genul celei de preîncărcare (Precharge time, Trp). Pe de altă parte, buffer-ele SRAM dispun şi de valori mai reduse pentru latenŃele CAS şi RAS to CAS, deci, dacă buffer-ele conŃin informaŃia corectă, cuvântul critic poate fi furnizat în 5 sau 6 cicluri de tact, spre deosebire

Page 238: CartedlComanescu Bun v1

238

de cele 7 calculate pentru SDRAM-ul normal. ESDRAM este bazat de asemenea pe cipurile HSDRAM (HSDRAM a fost dezvoltat tot de Ramtron), deci pot rula la viteze de ceas crescute. Un alt avantaj este acela că modulele ESDRAM sunt total compatibile cu cele SDRAM, deci se pot monta în aceleaşi sloturi. Totuşi, va fi necesar un update de BIOS pentru placă de bază, pentru a se putea profita de timpii de latenŃă reduşi ai ESDRAM.

O altă problemă apare în cazul în care buffer-ele SRAM nu conŃin datele necesare într-un moment dat, ceea ce presupune pierderea mai multor cicluri de tact în comparaŃie cu SDRAM-ul standard. În final, ESDRAM va fi mai scump din cauza modulelor de memorie de calitate ridicată, care nu sunt fabricate pe scară largă. Ramtron oferă, însă, aceste memorii numai anumitor producători de sisteme de calcul, astfel fiind înfrânată posibilitatea de upgrade pentru mulŃi posesori de sisteme echipate cu memorii de tip SDRAM.

6.1.10.4. VC SDRAM

Virtual Channel SDRAM este un standard dezvoltat de NEC; acesta conŃine de asemenea cache-ul SRAM despre care s-a discutat la ESDRAM. Dar aceste cache-uri nu sunt utilizate pentru buffering, aşa cum se întâmplă în cazul ESDRAM-ului. VC SDRAM conŃine 16 canale virtuale (16x1 KB SRAM) folosite ca memorie cache.

În timp ce modulele ESDRAM realizează intern operaŃia de “cache-are”, la VC SDRAM aceasta este realizată de către chipset. Acest lucru are anumite consecinŃe legate de compatibilitate.

Astfel, memoriile VC SDRAM nu vor funcŃiona decât cu un chipset proiectat special pentru ele. În plus de aceasta, performanŃa VC SDRAM va depinde enorm de implementarea chipset-ului care le va suporta. Producătorul de chipset-uri VIA Technology a inclus un suport pentru VC SDRAM în chipset-urile Apollo 133 şi cele KX/KT.

Din moment ce VC SDRAM nu funcŃionează la o viteză de tact ridicată, cum este cazul la ESDRAM, modulele NEC nu sunt altceva decât nişte module DIMM de calitate ridicată, capabile să aducă un spor de viteză de 2-5%. De acest lucru vor beneficia în special procesoarele dotate cu mai puŃină memorie cache, cum ar fi Celeron II şi Duron.

6.1.10.5. Direct Rambus DRAM (DRDRAM)

Se va discuta în continuare despre tehnologia cea mai controversată şi mai spectaculoasă

pusă la punct pentru memoriile de mare viteză: Rambus DRAM. Este important de menŃionat în acest context că tehnologia Rambus este bazată pe aceleaşi concepte ca şi memoria SDRAM. Deci, timpul necesar pentru a accesa date din memoria DRDRAM este de 20 ns, la fel ca şi în cazul SDRAM-ului. BineînŃeles că există şi diferenŃe mari: în cazul memoriei de tip SDRAM, este nevoie de 8 cipuri SDRAM pentru a completa un banc de 64 bit.

Chipurile SDRAM nu pot lucra independent, din moment ce ele au nevoie să fie conectate în paralel la o cale de date (datapath).

În cazul memoriei Rambus DRAM, fiecare cip lucrează independent şi este conectat la un canal lung Rambus, controlat de un RMC (Rambus Memory Controller).

Această “independenŃă” denotă faptul că fiecare cip de memorie va fi capabil să înŃeleagă protocolul Rambus, lucru reflectat în dimensiunea fizică a acestora: cu 10-15% mai mare decât în cazul unui cip SDRAM de aceeaşi capacitate. Toate aceste cipuri trebuiesc conectate la un canal; apare conceptul de CRIMMS (Continuity Rimms): canalul va fi întrerupt dacă undeva apare un loc incomplet.

În Figura 6.6 se prezintă un modul de memorie DRDRAM, iar în Figura 6.7 este schematizată tehnologia care stă la baza acestor module de memorie.

Canalul Rambus are o lăŃime de 16 bit şi este capabil să ruleze la viteze de până la 400 MHz. Adresele sunt transferate la viteza de 400 MHz, în timp ce datele sunt transferate atât pe

Page 239: CartedlComanescu Bun v1

239

frontul crescător cât şi pe cel coborâtor al unui ciclu de ceas. Deci, un canal de memorie PC800 DRDRAM poate transfera 400x2 (DDR)x2 bytes=1.6 GB/s.

Cum este capabilă tehnologia Rambus să ofere o astfel de lăŃime de bandă, Ńinând cont că este derivată din “vechea” tehnologie DRAM?. Răspunsul constă în faptul că fiecare chip DRDRAM are în componenŃă mai multe bancuri.

Figura 6.6

Figura 6.7

Un cip de 128 MB are nu mai puŃin de 32 de bancuri. Spre comparaŃie, un DIMM

SDRAM conŃine 4 bancuri, în timp ce un RIMM Rambus poate include 128 bancuri. Astfel, un RIMM va include mai multe amplificatoare de conŃinut şi va fi capabil de efectuarea mai multor operaŃii de citire/scriere decât un DIMM SDRAM. Şansa producerii unui page hit este mult mai mare şi ca atare, lăŃimea de bandă reală a unui RIMM va fi foarte apropiată de lăŃimea de bandă calculă teoretic. Ca o concluzie, se poate spune că cel mai mare avantaj al memoriei DRDRAM este lăŃimea mare de bandă, iar ca dezavantaj se poate aminti preŃul crescut, datorat complexităŃii arhitecturii acestui tip de memorie.

6.1.10.6. DDR SDRAM

DDR SDRAM este o continuare în evoluŃia memoriilor de tip SDRAM şi are ca principală caracteristică posibilitatea acestora de a realiza transfer de date pe ambele fronturi ale ciclului de ceas. Transferul de adrese se desfăşoară în mod normal, non-DDR (DDR=Double Data RAM). În Figura 6.8 se poate observa structura unui modul de DDR SDRAM.

În continuare, care este cea mai bună soluŃie din punct de vedere tehnologic ?. Este posibil ca în viitor să apară combinaŃii de genul E-DDR SDRAM, dar este exclusă apariŃia unui VC-Rambus, deoarece memoria Rambus poartă şi aşa pecetea complexităŃii oarecum exagerate,

Page 240: CartedlComanescu Bun v1

240

astfel încât nişte memorii SRAM suplimentare nu vor face decât să contribuie la această complexitate. Se poate spune, deci, că în cursa pentru candidaŃii la cea mai bună memorie rămân DDR SDRAM şi Direct Rambus DRAM (DRDRAM).

În general, succesul unei tehnologii de fabricare a memoriei este determinat de mai mulŃi factori: • cost, suport din partea producătorilor, timp de apariŃie pe piaŃă; • pieŃele cărora le este destinat produsul (Ńinta); • latenŃa (performanŃa); • lăŃimea de bandă (bandwidth);

Referitor la cel de al doilea punctul se poate afirma că producătorul de memorii Rambus are probleme cu satisfacerea cererii de pe piaŃă. Aceste probleme sunt generate în principal de costul de producŃie al modulelor RIMM.

Figura 6.8

După cum se ştie, chipurile modulelor RIMM au o arhitectură foarte complicată; se ajunge ca un procent de 10-15% din volumul fizic al cipului să fie ocupat cu demultiplicatoarele şi decodoarele necesare pentru protocolul Rambus. Deşi nu este un obicei printre producători în a face cunoscută rata de reuşită a producŃiei de serie (yield rate), exista mai multe surse care indică un astfel de procent în jurul valorii de 20% pentru cele mai rapide memorii DRDRAM (PC800) (Samsung). De cealaltă parte a baricadei, producătorul de memorii Micron a refuzat de asemenea să facă public procentul de reuşită pentru memoriile SDRAM, însă surse neoficiale indică un yield rate în jurul cifrei de 100% pentru aceste memorii (PC1600), adică identice cu cele pentru modulele PC100 CAS2.

Memoriile DDR SDRAM au un preŃ cu 5-10% mai mare decât modulele PC100/133, şi se estimează că diferenŃa va dispare în scurt timp. De aceea nu trebuie să ne mire faptul că DDR SDRAM a devenit atât de popular printre 4 dintre cei mai mari producători de memorii: Micron, Infineon, NEC-Hitachi, Hyundai).

Un aspect interesant al acestor module este acela că arhitectura controller-ului de memorie Rambus beneficiază de un management foarte eficient al puterii consumate (power management). O memorie Direct Rambus poate fi pusă în patru stări: 1) ACTIVE – starea în care furnizează cea mai mare performanŃă; 2) STANDBY – starea în care consumul de energie este cel mai redus latenŃa este limitată la

câteva cicluri; 3) NAP – aproape totul este în “hibernare”; latenŃa în acest caz este de câteva zeci de cicluri; 4) PDN (power down) – dacă este necesară scoaterea unui chip din starea PDN, va trebui să se

aştepte câteva sute de cicluri. Se poate obŃine astfel o economie mare de energie, dar cu impact major asupra

performanŃei. Totuşi, acest lucru face ca DRDRAM să devină o soluŃie elegantă pentru calculatoarele de tip notebook. Dezavantajul ar fi lipsa unui chipset dezvoltat pentru notebook-uri care să suporte acest tip de memorie.

Page 241: CartedlComanescu Bun v1

241

Memoria de tip DDR SDRAM nu are aceste facilităŃi de power management, însă are posibilitatea să lucreze cu o tensiune de alimentare de 2.5V, ceea ce furnizează o posibilitate de a economisi energia în calculatoarele de tip laptop.

O altă “Ńintă” a pieŃei o constituie segmentul de servere. În prezent, cea mai folosită memorie de aceste sisteme este SDRAM cu posibilitatea de corecŃie ECC. Facilitatea ECC nu lucrează corect pe modulele Rambus. În plus de aceasta, un server are nevoie de foarte multă memorie, ceea ce ar implica un cost foarte crescut în cazul unei dotări cu module RIMM. Toate chipset-urile viitoare pentru servere se anunŃă a fi proiectate pentru SDRAM sau DDR SDRAM, şi nu pentru Rambus.

Un alt segment de piaŃă care nu trebuie neglijat îl reprezintă calculatoarele desktop ieftine (low buget). Aici memoriile Rambus nu sunt agreate de producători, din cauza costului. DDR SDRAM este o soluŃie care va fi implementată în majoritatea acestor calculatoare.

În continuare se prezintă un studiu comparativ al performanŃei celor două tipuri de memorie.

LatenŃa. S-a demonstrat anterior că latenŃa întregului sistem este dată de suma dintre latenŃele următoarelor elemente: • latenŃa dintre FSB şi chipset; • latenŃa dintre chipset şi DRAM; • latenŃa CAS; • latenŃa la transferul datelor corespunzătoare cuvântului critic (primii 8 bytes); • latenŃa necesară pentru a aduce aceste date înapoi: din buffer-ul de ieşire al DRAM-ului către

CPU. Acest tip de latenŃă este critic din punct de vedere al performanŃei pentru majoritatea

aplicaŃiilor. Cele mai moderne procesoare sunt echipate cu o cantitate mare de cache; când apare un cache miss intră în aşteptare până la prmirea datelor critice. În tabelul 6.10 se arată o comparaŃie a latenŃei celor două tipuri de memorie în cazul unui page hit.

Tabelul 6.10

Page hit

Tipul laten-Ńei

Valoarea latenŃei (ns)

Timpul de transfer al primului cuvânt

FSB

LatenŃa siste-mului

Penalitate în cazul funcŃionării asincrone

LatenŃa totală

800 MHz aş-teaptă pentru xx (cicluri)

PC100 SDRAM CAS2

CAS 2x10=20 ns

10 ns 100 MHz

4x10 ns 0 70 ns 56 (8x7)

PC133 SDRAM CAS2+BX133

CAS 2x7.5=15 ns

7.5 ns

133 MHz sincron

4x75 ns 0 52.5 ns

42 (6x7)

PC 1600 CAS 4x5=20 ns

5 ns 100 MHz DDR

2x10+2x5 ns

0 55 ns 44 (4x11)

PC 2100 DDR SDRAM +EV6 DDR

CAS 4x3.75 ns=15 ns

3.75 ns 266 MHz

2x7.5+2x3.75 ns

0 31.25 33 (3x11)

Page 242: CartedlComanescu Bun v1

242

În tabelul 6.10, cea de-a treia coloană conŃine valoarea latenŃei CAS, cea de-a patra indică timpul necesar pentru transferul cuvântului critic. În coloana 5 se arată timpul în care sunt obŃinute adresele de la CPU la DRAM (via chipset) şi datele de la DRAM spre CPU (via chipset). Ultima coloană exprimă latenŃa în cicluri de tact pentru un CPU care rulează la 800 MHz. Din moment ce procesorul are o frecvenŃă de 8 ori mai mare, latenŃa va avea valoarea, de exemplu, 8x7=56 cicluri. După cum s-a amintit, DDR SDRAM transferă numai datele la o rată dublă, nu şi adresele. Conform calculelor teoretice, un RIMM PC1600 va avea o latenŃă puŃin mai mare (44) decât un DIMM PC133 CAS 2 (42).

PC1600 are aceeaşi latenŃă ca şi PC100, o latenŃă CAS de 2 cicluri de câte 10 ns, sau 4 cicluri de câte 5 ns (dacă se consideră memoria DDR la 100 MHz ca rulând la 200 MHz). Un sistem de calcul echipat cu un procesor Athlon şi memorie DDR SDRAM (în loc de PC133 SDRAM) va avea o latenŃă şi mai redusă. Motivul constă în faptul că memoria DDR SDRAM la 100 MHz va lucra sincron cu magistrala EV-6 a procesorului Athlon, la rândul ei DDR, astfel nu va exista motiv pentru nici o latenŃă suplimentară. În tabelul 6.10 s-a calculat latenŃa pentru un chipset Intel BX, “forŃat” (overclocked) la 133 MHz, în combinaŃie cu memorie de tipul PC133 CAS 2. Dacă se doreşte realizarea de comparaŃii cu chipset-ul VIA KX133 folosind acelaşi tip de memorie, se va adăuga un ciclu de latenŃă suplimentar, deoarece KX133 lucrează asincron cu memoria la 133 MHz. Deci, latenŃa acestui sistem se va ridica la valoarea 6x8=48 cicluri de ceas.

Totuşi, trebuie Ńinut cont că în aplicaŃiile care au nevoie de o lăŃime de bandă redusă, memoria de tip DDR SDRAM nu va oferi nici un spor de performanŃă în comparaŃie cu memoria SDRAM uzuală. Cea mai mare îmbunătăŃire va fi sesizată de posesorii de sisteme dotate cu procesoare Athlon, datorită modului de lucru sincron cu memoria RAM. DiferenŃa de performanŃă va fi mai redusă în cazul sistemelor dotate cu procesoare Pentium III, din cauză că acestea beneficiază de o limitare la 100/133 MHz (1 GB/s) a vitezei FSB (Front Side Bus).

Se va examina acum, comportarea memoriei de tip Rambus în comparaŃie cu cea DDR SDRAM. După cum se ştie, Rambus foloseşte aceeaşi tehnologie pentru realizarea celulelor de memorie, diferenŃa constă în modul de implementare la nivel de interfaŃă. De aceea, latenŃa de acces a coloanelor în matricea celulelor de memorie (Column Acces latency – CAC) a memoriei promovate de Rambus este egala cu latenŃa CAS a memoriei SDRAM. Rambus are latenŃa CAC de 8cicluri x 2.5ns (la 400 MHz), iar unei memorii PC100 îi corespunde o latenŃa de 2 cicluri x 10 ns.

Canalul Rambus trimite datele de două ori mai rapid decât SDRAM, dar SDRAM poate trimite primii 8 bytes fără să aştepte, în timp ce Rambus trebuie să aştepte până devine posibil transferul a 16 bytes. Din moment ce Rambus poate trimite 2 bytes în fiecare ciclu, este nevoie de 4 cicluri a câte 2,5 ns pentru a realiza transferul a 16 bytes, deci 10 ns.

Chipset-ul Intel 820 (Camino), proiectat să lucreze iniŃial cu memorii Rambus, are nevoie de un convertor (Memory Translation Hub – MTH) pentru a putea lucra cu memorii PC 100. Acest MTH adaugă nu mai puŃin de 7 cicluri la latenŃa CAC, ceea ce explică de ce soluŃia i820+MTH+SDRAM este extrem de lentă (tabelul 6.11). În orice caz, se pare că această soluŃie de compromis prezintă anumite incompatibilităŃi la modulul MTH de natură să pericliteze stabilitatea funcŃionări întregului sistem. De aceea, Intel a hotărât înlocuirea soluŃiei i820+PC100 cu noul chipset i815 (Solano).

Se observă că, în termeni de latenŃă, una dintre cele mai rapide varietăŃi de DRDRAM este capabilă, în condiŃii ideale, să depăşească una dintre cele mai lente forme de SDRAM, ceea ce nu este întocmai ceea ce Rambus îşi doreşte. CondiŃii ideale înseamnă pentru un singur modul DRDRAM, deoarece, la conectarea celui de-al doilea, distanŃa dintre primul şi ultimul chip creşte. Deoarece canalul Rambus lucrează la o frecvenŃă foarte mare (400 MHz), se întâmplă ca pachetele de date să ajungă mai devreme la primul chip decât la ultimul; latenŃa poate creşte în acest caz cu 4 – 7 cicluri (TParm). În plus, dacă se întâmplă ca unul dintre cipurile de memorie să nu fie în stare

Page 243: CartedlComanescu Bun v1

243

activă, latenŃa va fi crescută cu o cantitate situată între câteva (cazul NAP) şi câteva zeci de cicluri (cazul STANDBY).

Prin incorporarea controller-ului de memorie Rambus în nucleul CPU-ului se va putea reduce semnificativ latenŃa acestui tip de memorie. Acest lucru a fost deja aplicat de SUN în staŃiile MAJC, precum şi de Sony în consolele sale de jocuri Playstation 2. Un alt exemplu de astfel de integrare este cazul Compaq prin viitorul protocol EV7 (Alpha 21364), care foloseşte 8 canale pentru suportul masiv al aplicaŃiilor care depind de lăŃimea de bandă.

În concluzie, succesului noii tehnologii de memorie este dat de lăŃimea de bandă. În aşa numitele streaming applications, trebuie spus că DDR SDRAM va oferi cea mai mare performanŃă. În aceste aplicaŃii, memoria este solicitată să ofere datele în regim burst (rafală), deci, mai multe cuvinte trebuiesc livrate consecutiv. Dintre acestea, numai primul cuvânt va avea o latenŃă de câteva cicluri, dar toate celelalte cuvinte vor fi livrate unele după celelalte (ex. 9-1-1-1-1...1-1-1-1-1). Adresele sunt transferate la viteza normală, fără nici o întârziere. Tabelul 6.11 oferă câteva valori ale lăŃimilor de bandă în cazul unor configuraŃii SDRAM diferite.

Cea mai rapidă formă de DDR SDRAM va oferi o lăŃime de bandă de două ori mai mare decât modulele PC133. ComparaŃia cu Rambus este puŃin mai dificilă, deoarece viteza DRDRAM este determinată de frecvenŃa FSB-ului. Tabelul 6.13 oferă informaŃii referitoare la posibilităŃile tehnologiei Rambus.

Tabelul 6.11

Page Hit Tip la-tenŃă

La-tenŃa (ns)

Timpul de transfer al cuvântului critic

FSB

LatenŃa sistemului

Penalitatea pentru funcŃionare asincronă

La-tenŃa to-tală

800 MHz aşteaptă pentru xx (cicluri)

RDRAM PC800

Tcac

8x 2.5ns=20ns

10ns (16 bytes)

133 MHz

4x7.5 ns

7.5 ns 67.5 54 (6x9)

RDRAM PC800

Tcac +Trdly

8x2.5+4x2.5=30ns

10ns (16 bytes)

133 MHz

4x7.5 ns

5 ns 75 60 (6x10)

PC100+MTH (i820)

Tcac

15x 2.5=37.5

20ns

133 MHz

4x7.5 ns

2.5 ns 90 72 (6x12)

PC2100 DDR SDRAM+ EV6 DDR SDRAM

CAS

4x 3.75 ns=15ns

3.75ns

266 MHz

2x7.5+2x3.75 ns

0 41.25 33 (3x11)

PC2100 DDR SDRAM+ GTL + SDRAM

CAS

4x 3.75 ns=15ns

3.75 ns

133 MHz

4x7.5 ns

0 48.75 39 (3x13)

Page 244: CartedlComanescu Bun v1

244

Tabelul 6.12 SDRAM Blocuri mari PC133 SDRAM VIA KX 1.06 GB/s DDR PC1600 AMD 760 1.6 GB/s DDR PC2100 AMD 760 2.1 GB/s

Tabelul 6.13

SpecificaŃia RAMBUS

FSB 100 MHz i820 FSB 133 MHz, i820 FSB 133 MHz, i840

PC600 300 MHz DDR: 1.2 GB/s

266 MHz DDR: 1.06 GB/s

300 MHz DDRx2: 2.4 GB/s

PC700 300 MHz/s DDR: 1.2 GB/s

356 MHz DDR: 1.4 GB/s

N/A

PC800 400 MHz/s DDR: 1.6 GB/s

400 MHz DDR: 1.6 GB/s

400 MHzx2: 3.2 GB/s

Liniile cu caractere boldite în tabelul 6.11 scot în evidenŃă o caracteristică de care trebuie

să se Ńină seama atunci când se vor realiza combinaŃiile respective de memorie - placă de bază. Deci, dacă se va folosi un modul de memorie PC600 pe o placă de baza cu FSB la 133 MHz, memoria va rula la numai 266 MHz, deci va exista un impact serios asupra performanŃei. Acelaşi lucru se va întâmpla şi în cazul combinaŃiei PC700 – 100 MHz FSB.

Ca o concluzie la cele prezentate până acum se poate spune că Rambus este o tehnologie inovatoare şi rapidă, dar al cărei avantaj este total eliminat de către proiectarea neinspirată a chipset-ului i820. Acesta nu oferă suficientă lăŃime de bandă FSB, limitând potenŃialul DRDRAM la a menŃine numai câteva pagini de memorie active la un moment dat. Chipset-urile capabile de DDR au fost puse la punct mai târziu după anul 2000. Dar până la acest nivel, cea mai eficientă tehnologie rămâne DDR SDRAM.

Modul dual-channel este caracteristic celor mai multe chipset-uri (şi implicit plăci de bază moderne). El permite dublarea vitezei de rulare a memoriei dacă sunt folosite două sau mai multe module, de preferinŃă identice. Aşadar, în loc de un modul de 1 GB, folosiŃi două de 512 MB. Multe module vin în kit-uri dual-channel, funcŃionând garantat în acest mod. Totuşi, 99% dintre memorii funcŃionează în dual-channel fără a fi nevoie de o certificare în acest sens. Cele mai multe plăci de bază permit folosirea a două sau patru module, dar funcŃionarea cu trei sau patru memorii poate fi problematică, crescând riscul de incompatibilitate.

NotaŃia memoriilor se poate face în două moduri: • pentru DDR: PCxxxx sau DDRyyy; • pentru DDR2: PC2-xxxx sau DDR2-yyy; • pentru DDR3: PC3-xxxx sau DDR3-yyy;

Prin xxxx este desemnată viteza de transfer (GB/s), iar prin yyy frecvenŃa. Pentru a afla viteza de transfer, se înmulŃeşte frecvenŃa cu 8. De exemplu, PC2-6400 şi DDR2-800 desemnează acelaşi tip de memorie.

LatenŃele influenŃează relativ puŃin performanŃele. Aceeaşi memorie care suportă latenŃe strânse (timpi de aşteptare mici) la o frecvenŃă mică, are toate şansele să ruleze la o frecvenŃă mai mare, depăşindu-şi specificaŃiile, dar la latenŃe mai relaxate (cifre mai mari). De exemplu, o memorie DDR2-6400 cu latenŃele CL4 4-4-12 ar putea funcŃiona la 1000 MHz (echivalând o memorie DDR2-8000) cu latenŃele CL5 5-5-15.

O memorie neconfigurată corespunzător din BIOS Setup-ul plăcii de bază va rula mai lent decât ar trebui. Nu uitaŃi şi de această operaŃiune înainte de a o instala. De asemenea, ŃineŃi cont de setările „by SPD” din BIOS Setup, acesta fiind un mod „Auto”, placa de bază recunoscând

Page 245: CartedlComanescu Bun v1

245

automat setările memoriei. AtenŃie, însă, uneori această recunoaştere este defectuoasă, deci comparaŃi setările efectuate astfel cu specificaŃiile tehnice ale memoriei.

Factorul esenŃial în performanŃă este capacitatea, apoi frecvenŃa şi abia apoi latenŃele. Aşadar, dacă nu sunteŃi un entuziast înflăcărat, alegeŃi memorii ieftine. Pentru un spor de ordinul a 5% (dat de latenŃe mai strânse) nu merită să investiŃi o sumă dublă sau triplă.

Creşterea de capacitate se va simŃi sau nu în lucrul zilnic în funcŃie de aplicaŃiile utilizate. Dacă folosiŃi numai aplicaŃii Office, nu veŃi resimŃi nici o creştere peste 512 MB sub Windows XP sau peste 1 GB sub Vista. În schimb, pentru ultimele jocuri veŃi avea nevoie de minim 2 GB.

Atunci când memoria devine insuficientă, sistemul de operare va încerca să folosească hard-disk-ul (ca memorie virtuală), dar viteza rezultată va fi extrem de slabă (un hard-disk este de mii de ori mai lent decât o memorie).

Noul standard DDR3 nu oferă un spor de performanŃă remarcabil faŃă de DDR2, însă costă mai mult, aşadar o investiŃie în acest sens nu este justificată. Memoriile DDR3 vor atinge o frecventa de 1600MHz, dar asta la latente foarte mari (CAS 10). În timp, latenŃele vor scădea şi frecvenŃele vor creşte, astfel încât sporul de performanŃă faŃă de predecesoarele sale DDR2 se va face simŃit.

Unele memorii sunt dotate cu radiatoare pentru disiparea căldurii. PrezenŃa lor nu ajută memoria decât dacă ele sunt răcite corespunzător şi în nici un caz nu face o diferenŃă marcantă între un produs bun şi unul slab.

Memoriile pentru laptop-uri au un format special (SO-DIMM) şi nu sunt compatibile cu cele pentru PC.

Figura 6.9

Figura 6.9 prezintă testele efectuate de programul Checkit asupra memoriei fizice. Aceste considerente au fost expuse pentru a veni în întâmpinarea utilizatorilor sau

integratorilor de sisteme de calcul care doresc să cunoască posibilităŃile memoriilor uzuale. Desigur, pe lângă acestea, în calculatoarele din generaŃii mai vechi se mai pot întâlni module de memorie realizate în tehnologie EDO sau chiar Fast Page, este recomandată însă, înlocuirea acestora în momentul achiziŃionării unei plăci de baza noi sau (şi) al unui procesor modern. Dacă, totuşi, se optează pentru soluŃia hibridă oferită de unele plăci de bază (FPM sau EDO în combinaŃie cu SDRAM), trebuie ştiut că memoria va funcŃiona la parametrii celei mai puŃin

Page 246: CartedlComanescu Bun v1

246

performante componente din grup, deci în cazul nostru Fast Page sau EDO. Rămâne ca utilizatorul să decidă dacă este mai importantă o cantitate mai mare de memorie de lucru sau viteza de lucru a acesteia.

Pentru testarea corectitudinii funcŃionării memoriei se pot folosi modulele dedicate acestui lucru din programele alcătuite modular (ex. Checkit), sau programe dedicate acestui tip de teste (ex. RamExam de la Qualitas Inc.).

Se recomandă folosirea programului RamExam, deoarece realizează testarea cea mai amănunŃită a memoriei. De obicei, testarea memoriei se face sub sistemul de operare MS-DOS, deoarece este de preferat ca PC-ul să lucreze în mod real. Testele de memorie se bazează pe nişte tipare (pattern-uri) care sunt scrise în locaŃiile de memorie, sunt apoi citite din acestea şi apoi se face comparaŃia între ceea ce s-a scris şi ceea ce s-a citit. Dacă există diferenŃe, înseamnă că locaŃia de memorie respectivă este defectă.

Deoarece, modulele de memorie nu se pot depana, modulul care conŃine chiar şi o singură locaŃie defectă trebuie înlocuit pentru asigurarea unei bune stabilităŃi a sistemului de calcul.

Pentru identificare capacităŃii de memorie instalată într-un sistem de calcul şi a tipului modulelor ce o compun, se poate utiliza orice program de analiză generală a unui sistem de calcul.

Figura 6.10 oferă un exemplu de astfel de test obŃinut cu ajutorul utilitarului SiSoft Sandra.

Figura 6.10

InformaŃii exhaustive privitoare la utilizarea memoriei la funcŃionarea sistemului de

calcul sub sistemul de operare Windows pot fi culese cu programe de genul PC-Doctor for Windows (ver. 2.0.136) de la Watergate Software. Figura 6.11 demonstrează abundenŃa acestor informaŃii. De asemenea, pe Internet pot fi găsite multe utilitare freeware sau shareware care permit diagnosticarea caracteristicilor legate de memoria unui sistem de calcul. Există şi unele programe care pot aduce îmbunătăŃiri legate de lucrul cu memoria RAM prin realizarea unei defragmentări a acesteia (datele vor fi depuse la adrese continue) şi prin eliminarea bibliotecilor (DLL) neutilizate la un moment dat.

Aceste considerente au fost expuse pentru a veni în întâmpinarea utilizatorilor sau integratorilor de sisteme de calcul care doresc să cunoască posibilităŃile memoriilor uzuale. Desigur, pe lângă acestea, în calculatoarele din generaŃii mai vechi se mai pot întâlni module de memorie realizate în tehnologie EDO sau chiar Fast Page, este recomandată însă, înlocuirea

Page 247: CartedlComanescu Bun v1

247

acestora în momentul achiziŃionării unei plăci de baza noi sau (şi) al unui procesor modern. Dacă, totuşi, se optează pentru soluŃia hibridă oferită de unele plăci de bază (FPM sau EDO în combinaŃie cu SDRAM), trebuie ştiut că memoria va funcŃiona la parametrii celei mai puŃin performante componente din grup, deci în cazul nostru Fast Page sau EDO. Rămâne ca utilizatorul să decidă dacă este mai importantă o cantitate mai mare de memorie de lucru sau viteza de lucru a acesteia.

Figura 6.11

Pentru testarea corectitudinii funcŃionării memoriei se pot folosi modulele dedicate acestui lucru din programele alcătuite modular (ex. Checkit), sau programe dedicate acestui tip de teste (ex. RamExam de la Qualitas Inc.).

Se recomandă folosirea programului RamExam, deoarece realizează testarea cea mai amănunŃită a memoriei. De obicei, testarea memoriei se face sub sistemul de operare MS-DOS, deoarece este de preferat ca PC-ul să lucreze în mod real. Testele de memorie se bazează pe nişte tipare (pattern-uri) care sunt scrise în locaŃiile de memorie, sunt apoi citite din acestea şi apoi se face comparaŃia între ceea ce s-a scris şi ceea ce s-a citit. Dacă există diferenŃe, înseamnă că locaŃia de memorie respectivă este defectă.

Deoarece, modulele de memorie nu se pot depana, modulul care conŃine chiar şi o singură locaŃie defectă trebuie înlocuit pentru asigurarea unei bune stabilităŃi a sistemului de calcul.

6.1.10.7. InovaŃii, noi produse pe piaŃa memoriilor

6.1.10.7.1. Memorii Kingmax Mars DDR2-1066

Începând chiar din vremurile memoriilor SDRAM, Kingmax a fost prima companie care a folosit împachetarea de tip TinyBGA (Ball Grid Array) pentru modulele de memorie PC-150 şi unicul brand care a oferit garanŃie pe viaŃă pentru produsele sale, toate acestea plasând-o rapid în topul producătorilor de memorii din Taiwan. Astăzi, când standardul DDR2 este la apogeu, aproape toate modulele de memorie utilizează capsule de tip BGA, o tehnologie cu ajutorul căreia Kingmax s-a hrănit de-a lungul ultimilor opt ani. De asemenea, Kingmax a investit nu mai puŃin de 10 milioane în sistemul de testare a memoriilor DDR2, Advantest T5593. Fără nici un fel de

Page 248: CartedlComanescu Bun v1

248

oprelişti, Kingmax a promovat cu succes trei module de memorie, diferenŃiate de frecvenŃele de lucru şi aprobate de JEDEC: DDR2-533, DDR2-667 şi DDR2-800.

Astăzi, Kingmax ne oferă prompt seria de memorii Mars DDR2-1066, cu capacităŃi de 512MB/1GB, o nouă pârghie pentru eliberarea performanŃelor din sistemele puternice. Utilizând chip-uri de memorie Nanya, care oferă calitate similară cu aceea a chip-urilor Micron D9, şi având în spate o experienŃă de opt ani în împachetări de tip BGA, fiecare modul din seria Kingmax Mars DDR2-1066 este testat şi livrat pentru a mulŃumi nevoia de supra-viteză a oricărui pasionat de overclocking. Noile module de memorie oferă, în afară de garanŃie "pe viață", latenŃe CL5 5-5-15 la o tensiune de alimentare de 1.8V.

6.1.10.7.2. Chainteh APOGEE GT DDR2 800+ CL4

Walton Chaintech, unul din noii producători de module DDR, dar un producător

consacrat pe piaŃa plăcilor video, a lansat noile module APOGEE GT DDRII 800+. Primele memorii lansate de Chaintech au latenŃe scăzute pentru a creşte performanŃa

totală a sistemului şi sunt destinate gamerilor şi overclockerilor care vor să obŃină cele mai bune performanŃe la overclocking. LatenŃele oficiale suportate de APOGEE GT DDRII 800+ sunt 4-4-4-12, însă voltajul nu este specificat, existând astfel posibilitatea ca aceste module să poată fi overclockate destul de mult pentru a obŃine performanŃe şi mai mari. Noile memorii sunt disponibile în module de 512 MB şi 1 GB destinate în special platformelor oferite de partenerii AMD, după declaraŃiile celor de la Chaintech. Radiatoarele fabricate din aluminiu extrudat asigură o răcire eficientă chiar şi în cazul supra-alimentării, iar culoarea neagră asigură o notă aparte, peste care este inscripŃionat logo-ul APOGEE GT cu o culoare argintie.

Beneficiind de popularitatea plăcilor de bază cu dual-channel, Chaintech a lansat noile memorii şi în kit-uri de câte două module, toate memoriile având făcut burn-in încă din fabrică pentru a asigura funcŃionarea corectă la valorile cu care sunt marcate. Walton Chaintech proiectează deja noi module care o să ofere pe viitor o performanŃă şi mai mare, stabilitate crescută şi un preŃ accesibil.

6.1.10.7.3. Memorii DDR3 cu răcire lichidă

OCZ încearcă să ne câştige atenŃia cu un nou kit de memorii RAM de ultimă generaŃie

(DDR3), produse prevăzute cu radiator Flex XLC (Xtreme Liquid Convention) şi concepute, prin urmare, pentru a se integra într-un sistem de răcire cu apă. Pe scurt, disipatorul de căldură al fiecărui modul este prevăzut cu două capete de joncŃiune, fiind astfel pregătit să se adapteze unor soluŃii de răcire lichidă.

Figura 6.12 Memorii DDR3 cu răcire lichidă

Page 249: CartedlComanescu Bun v1

249

Comercializate sub formă de kit-uri de 2x1 GB, modulele de memorie dispun de un impresionant radiator din cupru şi aluminiu. Producătorul îi asigură pe eventualii cumpărători de faptul că noile memorii RAM pot funcŃiona, la fel de bine, şi într-un sistem cu răcire pasivă. Sub denumirea de PC3-12800 Flex XLC se ascund module DDR3-1600 cu latenŃe relativ scăzute, de tipul 6-6-6-18. Pe de altă parte, tensiunea de alimentare este destul de mare pentru memoriile DDR3: 2.05 V faŃă de 1.5 V, valoarea obişnuită pentru memoriile din noua generaŃie.

Garantate pe viaŃă, noile kit-uri beneficiază de specificaŃia OCZ EVP (Extended Voltage Protection), amatorii de overclocking fiind încurajaŃi să ridice tensiunea de alimentare până la 2.1 V fără teama de a pierde garanŃia iniŃială. Memoriile PC3-12800 Flex XLC vor fi disponibile în foarte scurt timp, însă OCZ nu a comunicat preŃul acestora.

A-Data şi Apacer au propus memorii overclockate. În afară de modulele obişnuite DDR3-1066, A-Data a prezentat prototipuri ale unor memorii DDR3 ce funcŃionează la 1450+ MHz.

Apacer (subsidiară Acer) a prezentat memoriile DDR3 din seria "Overclocking". GraŃie şi unui radiator impunător, memoriile Apacer sunt certificate pentru operarea cu 1600 MHz. Pe de altă parte, aceste module au specificată latenŃa CAS 9.

Figura 6.13 - Apacer DDR3-1600

Geil a prezentat module de memorie DDR3 cu frecvenŃe de 1500 MHz. Memoriile Geil

au funcŃionat corect la această frecvenŃă, sistemul pe care s-a făcut demonstraŃia rulând testul SuperPI fără a fi stingherit în vreun fel. În plus, Geil a fost unul dintre puŃinii producători care au prezentat memorii DDR3 în format SO-DIMM. Totuşi, asemenea gen de memorie îşi va găsi utilitatea numai după apariŃia procesoarelor Penryn pentru platformele mobile.

Geil DDR3-1500 Geil DDR3 SO-DIMM

Figura 6.14- Apacer DDR3-1600

Page 250: CartedlComanescu Bun v1

250

În final, chiar dacă nu este vorba despre memorii DDR3, să spunem că Nanya a dezvoltat memorii DDR2-800 CL5 FB-DIMM cu consum redus. În loc de 1.8V, tensiunea de alimentare standard pentru DDR2, memoriile Nanya au funcŃionat la 1.5V, adică la aceeaşi tensiune ca şi DDR3. Cu alte cuvinte, Nanya oferă potenŃialilor clienŃi posibilitatea de a se bucura de unul dintre principalele avantaje ale standardului DDR3.

Chip-urile de memorie DDR3 ASUS aparŃin de drept companiei Qimonda, dar Asus afirmă că acestea au fost optimizate pentru propria sa platformă, P5K3 Deluxe, bazată pe chipset-ul Intel P35. În acest fel, Asus propune un kit dual channel de 2GB, kit format din două module de câte 1GB de memorie RAM certificată să funcŃioneze cu 1333 MHz.

Memoria funcŃionează la această frecvenŃă cu timing-urile 8-8-8-24 şi la o tensiune de 1,5 V, dar operează perfect şi cu 1600MHz CAS9, la o tensiune de alimentare de 1,9 V.

Fig. 3.4.22 - Memorii DDR3 ASUS

Figura 6.15 ASUS DDR3-1600

Pentru a fi în măsură să se alăture competitorilor săi în cursa de viteză, Super Talent

Technology vine să ne semnaleze lansarea a trei noi kit-uri de memorie DDR3. W1600UX2G7 este un kit compus din două module de memorie PC3-12800 (DDR3-

1600), fiecare modul având capacitatea de 1 GB. LatenŃele sunt destul de agresive, de genul 7-7-7-18 la 1.8 V. Un al doilea kit, W1600UX2G9 - 2x1 GB PC3-12800 (DDR3-1600), este echipat cu timing-uri mult mai cuminŃi, de tipul 9-9-9-21, tensiunea de alimentare fiind, de asemenea, de 1.8 V. În fine, W1333UB2G8, este un singur modul de 2 GB de memorie DDR3-1333 care, potrivit celor susŃinute de Super Talent, este primul din lume care afişează latenŃele 8-8-8-18 (cu 1.8 V), cifre oarecum interesante dacă Ńinem seama de capacitatea acestei barete de memorie.

Kit-ul 2x1 GB DDR3-1600 CAS9 va putea fi achiziŃionat cu 598 USD, faŃă de 648 USD pentru kit-ul 2x1 GB DDR3-1600 CAS7 şi 417 USD pentru modulul de 2 GB de memorie DDR3-1333 CAS8.

Figura 6.16 Talent DDR3

Page 251: CartedlComanescu Bun v1

251

7. Sursa de alimentare şi carcasa Sursa de alimentare a unui calculator compatibil PC are rolul de a furniza tensiunea

electrică necesară circuitelor electronice din construcŃia sistemului (mai precis, cu tensiuni de + 5 V şi + 12 V).

Tensiunea de +5 V este necesară pentru alimentarea următoarelor subansamble: • plăci de bază; • plăci de extensie; • plăci logice ale unităŃilor de dischetă. • Tensiunea de + 12 V este folosită pentru alimentarea următoarelor componente ale sistemului

de calcul: • motoarele electrice ale unităŃilor de dischetă şi de hard-disc; • motoarele electrice ale ventilatoarelor radiatoarelor active pentru disiparea energiei calorice; • motoarele electrice ale unităŃilor de memorie externă cu compact disc; • motoarele electrice ale unităŃilor de memorie externă cu casetă magnetică de tip streamer

(unităŃi cu bandă magnetică). În funcŃie de soluŃia constructivă şi de arhitectura sistemului de calcul s-au realizat mai

multe tipuri de surse de alimentare. În general s-au impus şase tipuri de surse, acestea, fiind considerate ca modele standard;

acestea sunt: • tipul PC/XT, • tipul AT/Desk, • tipul AT/Tower, • tipul Baby-AT, • tipul Slimline, • tipul ATX.

În Figura 7.1 se prezintă o soluŃie constructivă a unei surse de alimentare.

Page 252: CartedlComanescu Bun v1

252

Figura 7.1 Sursa de alimentare de tip PC/XT- În tabelul 7.1 se prezintă valorile variaŃiilor acceptabile ale tensiunilor sursei de

alimentare. Tabelul 7.1

ToleranŃe mari ToleranŃe Mici Tensiunea nominală

Min. (-10%) Max. ( +8%) Min. (-5%) Max. (+ 5%)

+/-5V 4,5 V 5,4 V 4.75 V 5,25 V V- 12 V 10,8 V 12,9 V 11,4 V 12,6 V

ToleranŃele mari, de obicei, se prescriu surselor de alimentare folosite la sistemele de

calcul mai puŃin pretenŃioase. Pe lângă furnizarea tensiunii de alimentare necesară funcŃionării sistemului, sursa de

alimentare mai are şi rolul de a nu permite funcŃionarea sistemului decât în cazul în care alimentarea este realizată corect.

Deci, sursa de alimentare nu permite pornirea sau funcŃionarea sistemului decât atunci când tensiunile de alimentare au valoarea corespunzătoare, în cadrul fiecărei surse de alimentare se fac o serie de verificări înainte de a se permite pornirea sistemului.

Sursa de alimentare trimite plăcii de bază semnalul Power-Good, fără de care calculatorul nu poate funcŃiona.

Ca urmare, dacă tensiunea de la reŃea scade sau una dintre tensiuni este suprasolicitată, semnalul Power-Good dispare şi sistemul este reiniŃializat sau oprit.

Acest sistem de protecŃie a fost introdus de IBM în ideea că nu ar trebui permisă funcŃionarea calculatorului în cazul unei căderi de tensiune sau al unei suprasolicitări a alimentării.

În tabelul 7.2 se prezintă valorile de ieşire pentru sursele de alimentare standard de diverse puteri.

Tabelul 7.2

Putere de ieşire specificată

100 W 150 W 200 W 250 W 300 W 375 W 450 W

Curent de ieşire (A) la +5V

10 15 20 25 32 35 45

-5V 0,3 0,3 0,3 0,5 1 0,5 0,5 + 12V 3,5 5,5 8 10 10 13 15 -12V 0,3 0,3 0,3 0,5 1 0,5 1

Putere de ieşire calculată

97.1 146,1 201,1 253,5 297 339,5 419,5

Toate sistemele pe 16 biŃi sau superioare sunt dotate cu un cip special, care conŃine un

ceas de timp real (RTC - Real Time Clock) şi o memorie RAM nevolatilă (NVRAM - Non Volatile RAM) de cel puŃin 64 de octeŃi (inclusiv pentru ora şi data calendaristică). Numele oficial al acestui cip este "cipul RTC/NVRAM", dar adesea este denumit "cipul CMOS " sau memoria "

Page 253: CartedlComanescu Bun v1

253

CMOS ", deoarece la realizarea lui este utilizată tehnologia CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor). Cipurile care sunt realizate pe baza acestei tehnologii au un consum extrem de redus, astfel ca cipul RTC/NVRAM poate funcŃiona câŃiva ani cu aceeaşi baterie.

SecŃiunea NVRAM a cipului are destinaŃia de a păstra informaŃiile referitoare la configuraŃia sistemului (mărimea memoriei instalate, tipurile unităŃilor de dischete şi de hard-disc instalate, precum şi alte informaŃii). Unele dintre plăcile de bază actuale utilizează pentru păstrarea informaŃiilor de configuraŃie, cipuri NVRAM extinse, cu o memorie de 2 K sau mai mare.

Cipurile RTC/NVRAM trebuie să păstreze aceste informaŃii chiar şi atunci când calculatorul este oprit, de asemenea, el trebuie sa asigure funcŃionarea ceasului permanent. De aceea, ele sunt alimentate da la o baterie cu Litiu independentă.

Figura 7.2

Cele mai multe sisteme de performanŃă ridicată produse în prezent conŃin un nou tip de cip RTC/NVRAM, care are bateria încorporată.

Există şi sisteme care nu folosesc nici un fel de baterie, de exemplu, Hewlett-Packard utilizează în sistemele proprii un condensator special, care se reîncarcă de fiecare dată când sistemul este în priză. Pentru ca acest condensator să se încarce, sistemul nu trebuie să fie pornit, ci doar să fie introdus în priză. Când sistemul nu este în priză, condensatorul asigură alimentarea cipului RTC/NVRAM timp de o săptămână sau mai mult. Dacă sistemul nu este introdus în priză după acest interval, informaŃiile din memoria NVRAM se pierd. Într-o astfel de situaŃie, informaŃiile referitoare la configuraŃie pot fi reîncărcate în memoria NVRAM utilizând o copie de siguranŃă păstrată într-un cip Flash ROM de pe placa de bază. Singurele informaŃii care vor lipsi la repornirea sistemului vor fi data şi ora, care vor trebui actualizate manual. Această combinaŃie de condensator, memorie NVRAM şi memorie Flash ROM formează un sistem foarte fiabil, care are o viaŃă practic infinită. La celelalte sisteme cu baterie este bine ca informaŃiile din memoria NVRAM să fie salvate într-un fişier cu ajutorul programului SETUP.

Forma SFX (plăcile de bază Micro ATX) constituie o a treia specificaŃie de placă de bază, numită Micro ATX şi destinată sistemelor de clasă inferioară care sunt proiectate cu o suprafaŃă ocupată chiar mai mică decât NLX şi cu cerinŃe mai reduse privind sursa de alimentare. Deoarece

Page 254: CartedlComanescu Bun v1

254

documentul Micro ATX nu defineşte decât forma constructivă a plăcii de bază, Intel a editat specificaŃia pentru o sursă de alimentare, numită SFX (Figura 7.2).

În Figura 7.2 se prezintă sursa de alimentare de forma constructivă SFX. Sursa de alimentare SFX este proiectată în mod special pentru utilizarea în sisteme mici, cu o echipare hard limitată. Sursa poate furniza o putere de 90 W în regim continuu (135 W putere de vârf) cu patru tensiuni (+ 5, +12, -12, şi + 3,3 V).

Această putere s-a dovedit a fi suficientă pentru un sistem mic, cu un procesor Pentium II, o interfaŃă AGP, trei conectoare de extensie şi trei periferice - cum sunt unităŃile de hard-disc şi CD-ROM etc.

Page 255: CartedlComanescu Bun v1

255

8. Sisteme de stocare a datelor

8.1. GeneralităŃi Calculatorul este utilizat în cele mai diverse domenii de activitate, făcând munca mai

eficientă. De-a lungul timpului se culeg date, se prelucrează, se stochează [47]. În timp, se va deŃine mai multă informaŃie care ajută să se desfăşoare o activitate mai eficientă, încât se poate ajunge ca desfăşurarea ei să depindă de accesul în timp util la informaŃii [28].

8.1.1.1. OperaŃii cu date:

Utilizare primară - folosirea on-line a datelor esenŃiale pentru funcŃionarea sistemului informatic (sistem de operare, utilitare, aplicaŃii software, date pe care se aplică procedurile standard de obŃinere a informaŃiei necesare pentru desfăşurarea activităŃilor curente);

Arhivare - stocarea datelor, cu costuri minime, dar cu facilităŃi de regăsire evoluate, în scopul reutilizării lor primare, atunci când este cerută de către anumite proceduri de obŃinere a informaŃiei;

Copiere de siguranŃă (Backup) - realizarea unei copii de siguranŃă a datelor în vederea reconstrucŃiei rapide a acestora în cazul unor accidente;

Transfer de date - operaŃia de transfer a datelor dintr-un loc geografic în altul sau între diferite calculatoare, implicând un volum de date mediu şi un număr mic de agenŃi;

DistribuŃie de date - operaŃia de transfer a datelor în volum mediu şi mare către un mare număr de agenŃi, răspândiŃi geografic şi cu sisteme informatice diferite.

8.1.1.2. Echipamente de stocare a datelor:

În ceea ce priveşte evoluŃia memoriei externe, în funcŃie de suportul de memorare pentru calculatoarele PC, s-au evidenŃiat următoarele tipuri de memorii externe: 1) pe suport magnetic:

a) bandă magnetică - nu permite accesul direct la informaŃie. Banda magnetică este un suport magnetic pentru stocarea de informaŃie. Este compusă în general dintr-o bandă de plastic acoperită cu un strat magnetic. Înregistrarea de informaŃie se face prin trecerea benzii la viteză constantă prin faŃa unui cap magnetic de înregistrare care generează un câmp magnetic puternic a cărui intensitate depinde de informaŃia ce trebuie stocată. Pentru redare se trece banda prin faŃa unui cap magnetic. Deplasarea benzii induce un câmp magnetic în acesta, transformat într-un curent electric de către o bobină care apoi este amplificat pentru a se ajunge la nivelul de putere dorit. În general, banda magnetică se păstrează într-o casetă de plastic.

b) disc magnetic - permite accesul direct la informaŃie: i) hard-disk –HD. Hard discul sau discul dur (hard-disk, hard drive, hard-disk drive

sau HDD) este un dispozitiv electronic-mecanic pentru stocarea non-volatilă a datelor. Stocarea se face pe o suprafaŃă magnetică dispusă sub forma unor platane rotunde metalice inflexibile (dure). În general, hard-discurile sunt utilizate ca suport de stocare extern principal pentru calculatoare personale, dar şi pentru anumite aparate electronice (DVD playere şi recordere, MP3 playere). Dacă la începuturi capacitatea unui hard-disk nu depăşea 20 MB, astăzi, un hard disc obişnuit poate depăşi şi 1 TB.

ii) floppy-disk (dischetă) - FD (capacitate:1,44 MB). Discheta (floppy-disk) este un dispozitiv de memorie externă pentru stocarea de date pe un disc magnetic flexibil care poate fi transportat şi pe alte computere. La ora actuală discheta este cel mai

Page 256: CartedlComanescu Bun v1

256

mic, dar şi cel mai lent mediu de stocare. Este compusă dintr-un mic disc magnetic din plastic subŃire (flexibil), acoperit cu un strat de substanŃă cu proprietăŃi magnetice, pe care se pot înregistra date prin tehnologia specifică înregistrărilor magnetice. Volumul de date care poate fi înregistrat pe o dischetă este relativ mic în comparaŃie cu alte dispozitive de stocare (1,44 MB, pe dischete de 3.5 inci, faŃă de valori de mii de ori mai mari pe un hard-disk), dar discheta este folosită încă în transferul de fişiere şi în stocarea volumelor mici de date.

Figura 8.1 Structura unui sistem FDD

1) pe suport optic - permite accesul direct la informaŃie:

a) CD (Compact Disk) (capacitate:650-900 MB). Compact Disc-ul (CD) este un disc optic folosit pentru a stoca date în format digital, creat iniŃial pentru stocare audio. Capacitatea de stocare a unui CD este de 650, 700 sau chiar de 800 sau 900 MB.

i) CD-ROM - nu se pot scrie, se pot doar citi ii) CD-R(Recordable) - se pot scrie o singură dată iii) CD-RW(Rewritable) - se pot scrie de mai multe ori

b) DVD (Digital Versatile Disk) (capacitate:4,7-9 GB) . DVD-ul (Digital Video Disc sau Digital Versatile Disc) este un mediu de stocare optic care vine ca succesor al CD-ului, cu o capacitate de aproape 7 ori mai mare, însă cu un mod diferit de scriere a informaŃiei pe disc. După ce s-au adus noului produs mici îmbunătăŃiri pentru protecŃie împotriva zgârieturilor, acesta a fost lansat cu o capacitate de stocare de 4,7 GB, chiar dacă proiectul iniŃial era de 5 GB.

i) DVD-ROM - nu se pot scrie, se pot doar citi ii) DVD-R(Recordable) - se pot scrie o singură dată iii) DVD-RW(Rewritable) - se pot scrie de mai multe ori

c) BD (Blu-Ray Disk) (capacitate: 25-50 GB). BD (Blu-ray Disc) este un tip de disc optic de mare densitate folosit pentru stocarea de date digitale, în special înregistrări video de înaltă definiŃie. Numele Blu-ray sugerează culoarea albastru-violet a razei laser cu care se face citirea şi scrierea acestui tip de disc. Din cauza lungimii de undă relativ mici (405 nm), un disc Blu-ray poate conŃine o cantitate de informaŃii substanŃial mai mare decât

Page 257: CartedlComanescu Bun v1

257

unul de tip DVD, care foloseşte un laser de culoare roşie de 650 nm. Astfel, un disc Blu-ray poate să conŃină 25 GB pe fiecare strat, de peste 5 ori mai mult decât DVD-urile cu un strat care pot stoca doar 4,7 GB; iar discurile Blu-ray cu două straturi (50 GB) pot stoca de aproape 6 ori mai multe date decât un DVD cu dublu strat (8,5 GB). Mai mulŃi fabricanŃi au lansat pe piaŃă discuri Blu-ray inscripŃionabile şi reinscripționabile cu un singur strat sau cu strat dublu.

i) BD-ROM - nu se pot scrie, se pot doar citi ii) BD-R – pot fi scrise o singură dată iii) BD-RE – pot fi şterse şi reînregistrate de mai multe ori

d) HVD (Holographic Versatile Disk, capacitate: 100GB- teoretic până la 3,9TB). HVD (Holographic Versatile Disk) este o tehnologie de disc optic care în viitor poate ajunge să susŃină 3,9 TB de informaŃii, deşi în prezent capacitatea de stocare este de maxim 500 GB. Presupune o tehnologie cunoscută sub numele de „holografie coliniară”, în care două raze laser (una roşie şi una verde) colimează într-un singur fascicol. Raza laser verde citeşte datele codate ca franje de interferenŃă laser dintr-un strat holografic apropiat de partea de sus a discului, în timp ce raza laser roşie are rol de fascicol de referinŃă şi citeşte informaŃia de pe stratul de aluminiu din partea de jos.

e) HVD-ROM – nu se pot scrie, se pot doar citi f) HVD-R – pot fi scrise o singură dată g) HVD-RW - se pot scrie de mai multe ori

Aceste echipamente se folosesc pentru operaŃii cu date în funcŃie de performanŃele cerute: capacitate de stocare, timp de acces, compatibilitate, corelate cu costul stocării datelor. Următoarea diagramă ilustrează câteva tipuri de stocare a datelor [17, 199]:

Stocarea optică pe discuri este similară cu stocarea pe discuri magnetice în ceea ce priveşte modul fundamental de operare, însă citeşte şi înregistrează informaŃii cu ajutorul luminii (optic) şi nu prin magnetism [42].

Unele medii de stocare combină tehnicile magnetică şi optică, utilizând fie un sistem optic de ghidare (denumit laser servo) pentru poziŃionarea unui cap magnetic de citire/scriere (ca în unităŃile LS-120 sau pentru dischete SuperDisk), fie un laser pentru încălzirea discului astfel încât aceasta să poată fi scris magnetic, polarizând astfel zone ale pistei, care pot fi citite apoi cu ajutorul unui laser de putere mai mică, la fel ca în unităŃile magneto-optice [26, 78].

8.2. UnităŃi Hard-disk UnităŃile de hard-disk sunt dispozitive periferice indispensabile pentru un calculator

personal actual. Principalele caracteristici ale unui hard-disk sunt următoarele: • capacitatea; • rata de transfer a datelor; • timpul de acces; • factorul de formă (3 1/2‘’, 5 1/4‘’); • interfaŃă (modul de conectare): EIDE sau SCSI; • MTBF (Mean Time Between Failures): timpul de operare între două defectări; • viteza de rotaŃie a platanelor (4000, 5400, 7200, 10000 rpm); • dimensiunea memoriei cache interne.

În continuare se prezintă câteva aspecte referitoare la problemele care apar în configurarea şi exploatarea unităŃilor de hard-disk. 1) Free Space. În cazul în care unitatea de hard-disk mai are foarte puŃin spaŃiu de stocare

disponibil, programele care folosesc multe fişiere temporare pot lucra incorect sau chiar deloc.

Page 258: CartedlComanescu Bun v1

258

2) Compression. Programele pentru compresia datelor (DriveSpace, Stacker) pot fi utilizate în scopul măririi spaŃiului liber de stocare. Deşi se pot dovedi foarte utile mai ales acolo unde se dispune de dispozitive de stocare de capacitate mică, programele de compresie pot fi cauza unei serii de incompatibilităŃi şi/sau scăderi de performanŃă. Principalele probleme constau în: a) dimensiunea relativ mare a driverului folosit pentru compresie (aprox. 105 KB). Acest

lucru conduce la imposibilitatea rulării majorităŃii programelor care au nevoie de sistemul de operare MS-DOS;

b) nu se pot comprima hard-disk-uri care folosesc sistemul de fişiere FAT 32; c) lucrul cu hard-disk-uri comprimate poate însemna o reducere drastică a performanŃelor

generale ale sistemului acolo unde se dispune de un procesor mai puŃin performant. Scăderea de performanŃă se poate observa în special la scrierea datelor;

d) un hard-disk comprimat este mult mai dificil de accesat în cazul apariŃiei de erori în sistemul de compresie. Singurul remediu în această situaŃie este cumpărarea unui hard-disk suficient de spaŃios.

3) Clusters size. Este cunoscut faptul că stocarea datelor pe hard-disk-uri se face în unităŃi de alocare de dimensiune fixă denumite clusteri. Cluster-ii de dimensiuni mari (16 KB sau mai mult) conduc la creşterea spaŃiului de stocare pierdut prin fenomenul cunoscut sub numele de slack. Acesta apare atunci când este stocat un număr mare de fişiere a căror dimensiune este mult mai mică decât dimensiunea unui cluster. Fiecare cluster nu poate fi atribuit decât unui singur fişier, deci, în cazul în care, de exemplu, există stocat un fişier de 1 KB într-un cluster de 16 KB, restul de 15 KB ai acestuia nu mai pot fi folosiŃi. Remediul pentru evitarea acestei situaŃii este folosirea unui sistem de fişiere care să permită micşorarea dimensiunii cluster-ilor. Acestea pot fi FAT 32 (pentru utilizarea cu Windows 95 OSR2/98) sau NTFS (Windows NT/2000). Pentru trecerea la FAT 32 se poate folosi convertorul inclus în kit-ul de Windows 98. Sistemele de operare MS-DOS şi Windows 95 nu pot beneficia de avantajele sistemului de fişiere FAT 32.

4) Disk Cache Size. Dimensiunea memoriei cache pentru disc trebuie să nu fie mai mică decât 1/4 din dimensiunea memoriei fizice instalată pe sistemul de calcul. Pentru realizarea acestui lucru, se va deschide cu un editor de text (ex. Notepad) fişierul system.ini, aflat în directorul Windows şi se va modifica în secŃiunea [vcache] linia MaxFileCache=8192 (acest exemplu este valabil pentru un sistem cu 32 MB RAM instalaŃi).

5) Memory size and performance. Dacă sistemul de calcul dispune de suficientă memorie de lucru (peste 24 MB sub Windows 95, respectiv peste 64 MB sub Windows 98) se recomandă modificarea opŃiunii typical role of this computer în Network Server. Pentru aceasta se va accesa Control Panel/System/Performance/Hard-disk şi se va selecta Network Server pentru Typical Role of this machine. În caz contrar, deci pentru sisteme cu puŃină memorie fizică instalată, se recomandă schimbarea acestei opŃiuni în Mobile Computer.

6) Read-Ahead Buffer. Această valoare trebuie selectată corespunzător valorii maxime posibile, în vederea obŃinerii unei performanŃe optime. Pentru aceasta se va parcurge: Control Panel/System/Performance/File System/Hard-disk şi se va modifica poziŃia cursorului potenŃiometrului virtual corespunzător opŃiunii Read Ahead Optimisation astfel încât să arate Full.

7) Disk Driver. Se recomandă utilizarea unui driver pe 32 bit în conjuncŃie cu hard-disk-ul. Driver-ele pe 16 bit oferă de obicei o performanŃă redusă. Un alt dezavantaj al acestora este posibila apariŃie a conflictelor între Windows şi un asemenea driver. Remediul acestei probleme constă în înlăturarea tuturor driver-elor din fişierul configura sys, oferind astfel posibilitatea sistemului de operare să folosească un driver nativ.

8) Troubleshooting options. Pentru un maxim de performanŃă trebuie ca toate căsuŃele din ControlPanel\System\Performance\File System\Troubleshooting să fie dezactivate.

Page 259: CartedlComanescu Bun v1

259

9) Recycle Bin Size. Deşi, de multe ori se poate dovedi utilă, nu este recomandată configurarea Recycle Bin astfel încât să i se permită utilizarea unui procent mare din suprafaŃa de stocare a hard-disk-ului. Pentru modificarea spaŃiului alocat lui Recycle Bin se va realiza click dreapta pe pictograma corespunzătoare acesteia, apoi în meniul Properties/Global, se va reduce procentajul de disc alocat acestei opŃiuni.

10) Scandisk. Este recomandată folosirea utilitarului Scandisk de cel puŃin două ori pe săptămână pentru corectarea eventualelor erori care ar putea apare.

11) Defragment. Pentru păstrarea capacităŃii de lucru a hard-disk-ului din punct de vedere al performanŃei este recomandată defragmentarea acestuia la un interval de cel puŃin 2 săptămâni. Se poate folosi utilitarul Defragmenter din dotarea standard a Windows 95. Totuşi, pentru performanŃe crescute se recomandă folosirea utilitarului Speed Disk inclus în pachetul de programe Norton Utilities al firmei Symantec.

12) Virus Scan. Este recomandată folosirea unui program antivirus performant cel puŃin o dată pe săptămână, sau ori de câte ori se realizează instalarea unui program provenit din surse nesigure, sau de pe Internet. De asemenea, este foarte important ca baza de date cu semnăturile viruşilor să fie actualizată cât mai des posibil, pentru evitarea viruşilor nou apăruŃi.

13) DMA. Activarea opŃiunii DMA în Control Panel\System\Device Manager; Disk Drives oferă creşteri semnificative ale performanŃei generale ale sistemului de calcul, deoarece procesorul nu mai este implicat în transferul datelor; se câştigă astfel timp de procesare.

14) EIDE vs. SCSI. Avantajele imediate ale hard-disk-urilor EIDE sunt: preŃul şi viteza relativ bună. Hard-disk-urile pe interfaŃă SCSI sunt recomandate pentru performanŃa lor şi capacitatea de sporită de actualizare (upgrade). În domeniile în care se lucrează intens cu hard-disk-ul (baze de date mari, servere), se recomandă folosirea de hard-disk-uri SCSI.

Figura 8.2

În continuare se va prezenta modul de identificare şi testare a unităŃilor de hard-disk. În

general, programele de test efectuează teste asupra următoarelor elemente ale unei unităŃi de hard-disk: 1) Boot Sector. Se verifică dacă citirea/scrierea de pe/pe sectorul de boot al hard-disk-ului se

face în mod corect.

Page 260: CartedlComanescu Bun v1

260

2) Fat Sector. Se citesc ambele copii ale tabelei de alocare a fişierelor (FAT - File Allocation Table) şi se verifică dacă sunt identice. Tot în această secŃiune se face şi o verificare a integrităŃii citirii/scrierii datelor de pe/pe sectoarele rezervate FAT.

3) Root Directory. Se verifică dacă sectoarele destinate directorului rădăcină pot fi scrise şi citite fără probleme.

4) Data Sectors. În această secŃiune se face verificarea secvenŃială a corectitudinii operaŃiilor de citire-scriere zona sectoarelor de date.

În Figura 8.2 se poate observa identificarea parametrilor hard-disk-ului cu ajutorul utilitarului SiSoft Sandra De remarcat faptul că majoritatea utilitarelor de diagnoză a hard-disk-urilor afişează capacitatea partiŃiilor logice (C:, D:, E:, etc.) ale hard-disk-ului; pentru aflarea capacităŃii totale trebuie efectuată suma rezultatelor astfel obŃinute.

Utilitarul Dr. Hardware oferă şi el informaŃii despre hard-disk-urile instalate în sistemul de calcul, lucru ce poate fi observat în Figura 8.3.

În Figura 8.3 sunt prezentate informaŃii despre hard-disk obŃinute cu ajutorul utilitarului Checkit.

Figura 8.3

Figura 8.4 arată modul în care se face testarea integrităŃii structurii unităŃilor de hard-disk

cu ajutorul programului CheckIt.

Page 261: CartedlComanescu Bun v1

261

Figura 8.4

Figura 8.5

Un test care pune accentul pe testarea capacităŃii hard-disk-ului de a realiza operaŃia de seek (căutare) este inclus în pacheul de testare PC Doctor.

Figura 8.5 demonstrează posibilităŃile de testare oferite de acest program.

Page 262: CartedlComanescu Bun v1

262

Figura 8.6 Cele mai dure teste sunt cele de căutare aleatoare (random seek) şi de căutare Funnel.

Funnel seek presupune accesarea sectoarelor în modul următor: primul cu ultimul, al doilea cu penultimul, etc.

Se prezentă în continuare câteva recomandări aplicabile în cazul achiziŃiei unui nou hard-disk.

Capacitatea. În general este bine să se achiziŃioneze un hard-disk cât mai mare; aceasta este soluŃia care furnizează cel mai bun raport preŃ/performanŃă. TendinŃa programelor de a ocupa cât mai mult spaŃiu va fi un adevăr şi în viitor, de aceea, se ajunge la situaŃia în care un hard-disk cumpărat la un moment dat să devină neîncăpător peste o perioadă de timp. De aceea, cu cât este mai mare capacitatea acestuia la cumpărare, cu atât mai mare va fi timpul de deservire al acestuia.

Totuşi, la achiziŃionarea unui nou hard-disk trebuie Ńinut cont de limitarea pe care ar putea să o aibă sistemul de calcul referitor la capacitatea maximă a unui astfel de echipament acceptat. De obicei, sistemele mai vechi (486 cu BIOS datat 1993 şi mai vechi), prezintă o limitare la nivel de BIOS a capacităŃii maxime instalabile a unui hard-disk la 502 MB. Totuşi, există soluŃii prin instalarea unui driver furnizat împreună cu hard-disk-ul care să permită lucrul cu astfel de periferice de capacitate mai mare.

IDE sau SCSI. Dacă hard-disk-ul (HDD) urmează să fie instalat pe un sistem de sine stătător, este de preferat alegerea unui HDD IDE, pentru simplul motiv că la un preŃ sensibil scăzut, oferă un nivel de performanŃă comparabil cu al echivalentului său SCSI. La alegerea unui drive IDE se poate economisi în două feluri: • HDD-ul în sine este mai ieftin; • interfaŃa IDE este mai ieftină decât una SCSI; toate plăcile de bază relativ recente oferă suport

integrat pentru astfel de HDD-uri; În general, SCSI este alegerea potrivită pentru servere şi staŃii de lucru (workststions).

Avantajul cheie al interfeŃei SCSI este acela că poate procesa cereri de date simultan, lucru foarte util în cazul unui server. În cazul acestui proces se calculează cea mai eficientă cale de satisfacere a cererilor şi se va căuta un mod de rezolvare a acestora cu minimul de mişcare a capetelor şi cu minimul de rotaŃii necesare ale discurilor. Un alt avantaj este că pe interfaŃa SCSI se pot ataşa mai mult decât 4 drive-uri, aşa cum este cazul cu cea IDE.

8.2.1. Variante pentru drive-uri IDE. Majoritatea sistemelor de calcul produse după 1997 şi toate HDD-urile noi suportă

standardul UltraDMA 33 sau Ultra ATA/33. Hard-disk-urile mai recente suportă şi interfaŃa Ultra ATA/66, însă drive-urile actuale nu sunt în situaŃia de a pune probleme de limitare nici măcar interfeŃei Ultra ATA/33, deoarece performanŃele celor mai bune modele se situează în jurul a 25 MB/s citire/scriere. Ambele interfeŃe descrise mai sus sunt derivate din unul din standardele ATA existente. Fiecare dintre aceste versiuni sunt compatibile în jos, astfel încât, din punct de vedere al cuplării fizice, se poate conecta, de exemplu, un drive care suportă Ultra ATA/66 într-un computer care suportă numai ATA. Singura problemă care apare este aceea datorată vitezei reduse a interfeŃei, lucru ce frânează capacitatea de lucru a drive-ului. Mai jos se regăsesc specificaŃiile variantelor ATA existente:

Original ATA. Acest mod foloseşte o tehnică numită Programmed Input/Output Mode 0 (abreviată de obicei ca şi PIO Mode 0) şi suportă o viteză de transfer maximă de 3,33 MB/s;

Fast ATA. Această versiune permite creşterea vitezei de transfer până la 11,1 MB/s, folosind PIO Mode 3, sau până la 13,3 MB/s folosind Multiword DMA Mode 1.

ATA – 2. Adaugă PIO Mode 4 şi DMA Mode 2, care suportă o rată de transfer de maxim 16,6 MB/s;

Page 263: CartedlComanescu Bun v1

263

ATA – 3. Este o versiune modernizată a lui ATA – 2, fără nici o sporire a vitezei de transfer, cu excepŃia unor drive-uri ATA – 3 care deja oferă suport pentru UltraDMA 33 (33 MB/s).;

ATA – 4. Adaugă oficial suport pentru Ultra DMA Mode 2 şi UltraDMA/33; ATA – 5. Adaugă suport pentru Ultra DMA, modurile 4 şi 5. Mode 4 creşte rata teoretică

de transfer până la 44,4 MB/s, în timp ce Mode 5 ajunge la ceea ce se numeşte ultra DMA/66, Ultra ATA/66, sau 66,6 MB/s. În viitor se preconizează suport pentru Ultra ATA/100.

8.2.2. Variante pentru drive-uri SCSI. La fel ca şi în cazul standardelor pentru IDE (ATA), fiecare standard SCSI este

compatibil în jos, deci se pot mixa generaŃii diferite de drive-uri şi adaptoare SCSI. Totuşi, dacă se conectează la un adaptor care suportă cel mai nou standard diferite echipamente care suportă standarde diferite, viteza totală va fi cea a echipamentului cel mai vechi. Standardele SCSI sunt redate mai jos: • Original SCSI. Această specificaŃie defineşte o cale de date (data path) pe 8 bit şi o rată de

transfer limitată la 5MB/s. • SCSI – 2. Se adaugă componentele Wide (larg) şi Fast (rapid). Wide SCSI dublează data path

(16 bit), în timp ce Fast SCSI dublează numărul de transferuri efectuate într-o secundă. Astfel Fast SCSI în combinaŃie cu un data path pe 8 bit oferă o rată de transfer de 10 MB/s, iar Fast Wide SCSI (cu un data path pe 16 bit) are posibilitatea unei rate de transfer de 20 MB/s;

• SCSI – 3. Este adăugat modul Ultra SCSI (Fast 20 sau Ultra Fast). Această componentă Ultra dublează rata de transfer, se vor obŃine deci 20 MB/s pe o magistrală de 8 bit şi 40 MB/s în cazul unui data path pe 16 bit;

• Ultra2 SCSI. Are loc o nouă dublare a ratei de transfer: 40 MB/s, 80 MB/s pentru data path pe 8 respectiv 16 bit. Este tehnologia utilizată curent în aplicaŃiile high-end, cum ar fi editarea profesională audio-video. Ultra2 SCSI aduce totuşi şi alte avantaje. Unul dintre acestea este tehnologia LVD (Low Voltage Differential). LVD permite montarea a 16 terminale pe un cablu cu o lungime de 12 m, spre deosebire de situaŃia anterioară care era limitată la 8 pe un cablu de 1,5 m.

• Ultra3 SCSI. Este numit şi Ultra160/m SCSI, şi este următoarea generaŃie pentru SCSI ce aduce cu sine rate de transfer de până la 160 MB/s.

Din punctul de vedere al specificaŃiilor tehnice de care trebuie să se Ńină seama când se face alegerea unui hard-disk se poate spune că cele mai importante sunt: • rata susŃinută de transfer medie (average sustained transfer rate); • timpul mediu de acces (average acces time);

Toate performanŃele care sunt afişate în general de către producători, cum ar fi: rata de transfer în rafală (burst transfer rate), viteza de rotaŃie a platanelor (rotation speed), latenŃa şi densitatea datelor pe platanele discurilor, trebuiesc luate în calcul în măsura în care ele sunt responsabile de cele mai importante două caracteristici enumerate mai sus.

Se va face o trecere în revistă a specificaŃiilor tehnice posibile ale unui hard-disk, deoarece în majoritatea cataloagelor şi prospectelor informaŃiile sunt prezentate în cele mai multe cazuri într-un mod ambiguu, lăsând loc unor interpretări greşite. • Transfer Rate. Există mai multe tipuri de rate de transfer, deci este nevoie de atenŃie atunci

când se compară drive-urile între ele. • Internal Transfer Rate. Rata internă de transfer măsoară viteza cu care datele sunt vehiculate

între capetele de citire şi partea logică a unităŃii de hard-disk; • Burst Transfer Rate. Rata de transfer în regim rafală reprezintă viteza maximă a interfeŃei. Are

proprietatea de a fi întotdeauna mai mare ca valoare decât rata de transfer internă. Drive-ul

Page 264: CartedlComanescu Bun v1

264

foloseşte această rată de transfer numai când se realizează transferuri de la şi spre memoria buffer a acestuia.;

• Sustained Transfer Rate. Rata susŃinută de transfer măsoară viteza cu care datele pot fi transportate între drive şi computer pe o perioadă mai lunga de timp;

• Rata de transfer care va fi văzută în prospecte cel mai des este Burst Transfer Rate, pentru simplul motiv că are o valoare impresionantă în comparaŃie cu celelalte valori. Dar ceea ce interesează cel mai mult este Sustained transfer rate, care oferă o imagine asupra vitezei de transfer înspre şi dinspre unitatea HDD. În majoritatea timpului, drive-ul va avea nevoie să citească de pe sau să scrie pe platanele discurilor, ceea ce înseamnă că Sustained transfer rate depinde foarte mult de cât de repede drive-ul poate să mute datele între capul magnetic şi disc. Uneori, se pot întâlni specificaŃii referitoare la o Sustained transfer rate maxima, minimă şi medie. Acest lucru este datorat diferenŃei dintre cantitatea de date conŃinută pe pistele exterioare ale discurilor (mai mare) şi pistele interioare ale acestora (mai mică). Ca atare, Sustained transfer rate maximă se va obŃine de exemplu pe pistele exterioare ale discurilor.

• Average Access vs. Average Seek. Timpul de acces arată timpul necesar drive-ului pentru a accesa un punct oarecare de pe disc. Cu cât valoarea acestuia este mai mică, cu atât drive-ul va putea reconstitui mai repede informaŃia aflată în locaŃii disparate ale discului. Timpul de acces conŃine două componente:

• seek (căutarea). Timpul de căutare este definit prin cantitatea de timp care îi este necesară drive-ului pentru a-şi deplasa capetele de-a lungul diametrului discului pentru a ajunge la pista căutată.

• latency (latenŃa). LatenŃa reprezintă cantitatea de timp care îi este necesară discului pentru a se roti astfel încât sub capul magnetic să fie adusă porŃiunea de pistă de interes. Se poate deduce de aici că latenŃa este invers proporŃională cu viteza de rotaŃie a pachetului de discuri.

• Rotational Speed. Vitezele de rotaŃie tipice pentru drive-urile calculatoarelor desktop obişnuite se situează între 4000-5400 rpm. Cele de înaltă performanŃă folosesc 7200 sau 10000 rpm. Considerându-se două hard-disk-uri cu toate celelalte caracteristici egale, este evident faptul că cel cu o viteză de rotaŃie a platanelor superioară va avea performanŃe mai bune. Însă acest lucru nu este valabil decât în teorie. De obicei, se utilizează viteze de rotaŃie mai mari pentru a compensa performanŃele mai modeste la celelalte capitole. De exemplu, un drive cu un factor de formă de 5,25 inch şi cu o viteză de rotaŃie a platanelor de 7200 rpm poate avea aceleaşi performanŃe ca şi unul de 3,5 inch şi o viteză de rotaŃie a platanelor de 10000 rpm, datorită circumferinŃei mai mari a pistelor în cazul primului drive (cel de 5,25 inch). BineînŃeles că viteza de rotaŃie crescută este benefică şi pentru timpul de acces..

• Density. Densitatea datelor de-a lungul pistelor sau densitatea liniară afectează în mod evident capacitatea discului, deoarece o densitate sporită înseamnă o capacitate sporită. Mai puŃin evident este faptul că densitatea liniară afectează performanŃele. Un hard-disk cu o densitate liniară mai mare va face ca o cantitate de date mai mare să treacă pe sub capul hard-disk-ului la fiecare rotaŃie, se va citi o cantitate de date mai mare în acelaşi interval de timp, deci rata de transfer va creşte.

• Capacity. Capacitatea este, în mod evident, un criteriu important în alegerea unui HDD, însă, aşa după cum s-a mai spus, utilizatorul unui anume sistem trebuie să se asigure că acesta poate folosi hard-disk-ul la întreaga sa capacitate. Unele sisteme au limitare la nivel de BIOS în a folosi capacităŃi mai mari decât 2,1; 7,9; 8,4 GB. În această situaŃie, ar fi bine să se cerceteze dacă există o versiune de upgrade pentru BIOS-urile care suportă acest lucru (Flash BIOS). În caz contrar, este nevoie de folosirea unui program de genul Disk Manager de la firma Ontrack, care este destinat să rezolve aceste probleme de compatibilitate. Limitările BIOS nu sunt o problemă pentru drive-urile care lucrează pe interfaŃa SCSI, deoarece acestea nu se folosesc de BIOS pentru definirea capacităŃii.

Page 265: CartedlComanescu Bun v1

265

• Form Factor. Factorul de formă are importanŃă din punctul de vedere al instalării fizice a hard-disk-ului. Marea majoritate a drive-urior pentru PC-uri desktop au un factor de formă de 3.5 inch. PuŃine excepŃii, incluzând în mod normal drive-urile de capacitatea cea mai mare disponibilă se pot prezenta într-un factor de formă half – height sau full – height (jumătate de înălŃime sau înălŃime întreagă).

Problema tipului de HDD – intern sau extern – este simplu de rezolvat: dacă nu exista un motiv serios pentru care să se aleagă un drive extern, este recomandată, atât din punct de vedere al performanŃelor cât şi din cel al costului, achiziŃionarea unui hard-disk intern.

O ultimă specificaŃie despre care merită discutată este timpul de deservire între două defectări (MTBF-Mean Time Between Failure). În general, acest timp este estimat la 200.000 - 500.000 de ore de către producătorii de hard-disk-uri, ceea ce înseamnă o durată de exploatare cuprinsă între 22 şi respectiv 57 de ani. Nu trebuie confundate aceste estimări cu durata de viaŃă estimată de producător pentru un model anume, termen cunoscut sub denumirea de design life şi care este estimat la 5 ani. MTBF-ul nu oferă informaŃii despre cât timp un drive va funcŃiona. El dă informaŃii despre cât de des, în medie, un drive se va defecta în timpul perioadei numită design life. Cu alte cuvinte, dacă se dotează 200.000 de calculatoare cu câte un hard-disk cu un MTBF de 200.000 de ore, există posibilitatea ca în fiecare oră să se defecteze un HDD. Aceeaşi situaŃie este valabilă şi pentru cazul a 200 de drive-uri: la fiecare 1000 de ore, unul dintre ele poate înceta să funcŃioneze. Deci, MTBF-ul nu spune nimic despre cât este proiectat un anume model de HDD să funcŃioneze.

8.3. Compact Disc-uri Datorită faptului că în ultimul timp majoritatea aplicaŃiilor software sunt livrate pe suport

CD-ROM, este important a se studia câteva dintre caracteristicile de bază ale echipamentelor destinate să lucreze cu aceste medii de stocare:

Din punct de vedere al identificării, interesează următorii parametri ai unei unităŃi CD-ROM: • Drive Device. Numele complet al aparatului. • Drive Type. InformaŃii privitoare la tipul interfeŃei pe care se face conectarea drive-ului la

sistem: IDE/EIDE/SCSI; • IDE Device Configuration. Modul în care este configurată unitatea CD-ROM în cazul

conectării acesteia pe o interfaŃă IDE: Master sau Slave. • DMA Transfer Enabled. Arată modul în care se face transferul datelor: DMA sau PIO. DMA

este mai rapid, deoarece nu intervine şi procesorul în timpul realizării unui transfer de date. Transferul este mai rapid atunci când unitatea CD-ROM suportă modul Ultra DMA.

• Maximum Filename Length. Este o caracteristică ce se referă la dimensiunea maximă pe care o poate avea un nume de fişier. Pentru sistemul Windows 95/98 este uzuală o lungime de 255 caractere a numelui unui fişier.

• Maximum Root Entries. Este numărul maxim de fişiere care se pot afla în rădăcina drive-ului. • Media Descriptor. Este numărul de identitate (ID) al fiecărui mediu (CD-ROM) inserat într-o

unitate CD-ROM la un moment dat. Din punct de vedere al dotării, o unitate CD-ROM modernă trebuie să fie dotată cu o

memorie cache de circa 128-512 KB. Cu cât dimensiunea acestei memorii este mai mare, cu atât mai repede vor fi citite fişierele de dimensiune mică: care încap sub formă de pachete în acest cache.

O altă caracteristică a unei unităŃi CD-ROM actuale este timpul de acces la informaŃie. Datorită subansamblului care conŃine dioda laser, şi care este destul de voluminos, timpul de acces nu poate coborî nici la cele mai moderne unităŃi sub valoarea de 80 ms. O valoare medie de 100

Page 266: CartedlComanescu Bun v1

266

ms este însă acceptabilă în majoritatea cazurilor. O uniate CD-ROM cu un timp de acces cât mai mic este întotdeauna de preferat atunci când se lucrează cu CD-uri de gen enciclopedie sau bază de date. În aceste cazuri este mult mai important ca unitatea să aibă un timp de acces cât mai mic şi nu cea mai mare rată de transfer existentă.

Rata de transfer este caracteristica pe care se pune cel mai mult accentul în dezvoltarea actuală a acestui gen de echipamente. S-a ajuns la construirea de unităŃi care ating viteza de 52x (de 52 de ori mai mult decât viteza drive-ului CD-ROM original, de 150 KB/s).

Figura 8.7

Figura 8.7 arată principalele caracteristici ale unei unităŃi CD-ROM, aşa cum sunt

determinate de utilitarul SiSoft Sandra.

Figura 8.8

Page 267: CartedlComanescu Bun v1

267

Figura 8.9

Cele trei feluri de Compact Disc-uri sunt [78]:

• CD-ROM-ul, discul ştanŃat, produs în fabricile de CD-uri; • CD-R-ul, discul care se poate înregistra o singură dată, cu o unitate CD Recorder sau

ReWriter; • CD-RW-ul, pe care se poate scrie şi şterge date în unităŃile CD-ReWriter.

Stocarea datelor

Magnetică

Optică

Banda magnetică

Disc Floppy

Hard

CD-ROM DVD-ROM

CD-R DVD-R

CD-RW DVD-RAM DVD+RW

Figura 8.9 – Tipuri de stocări ale datelor

Page 268: CartedlComanescu Bun v1

268

CorecŃia erorilor este foarte important să fie bine implementată în fiecare unitate CD-ROM. Din păcate, însă, se pare că producătorii par să ignore această caracteristică, nu de puŃine ori echipamentele pierzând avantajul vitezei de rotaŃie ridicate din pricina implementării unui corector de erori neperformant.

Figura 8.8 arată modul în care sunt identificate caracteristicile principale ale unei unităŃi CD-ROM folosind utilitarul DR. Hardware 2000.

Din punctul de vedere al testelor de anduranŃă, modul de funcŃionare corectă a unei unităŃi CD-ROM în urma solicitărilor prelungite poate fi verificat cu diverse programe printre care se numără şi PC Doctor. În Figura 8.8 se observă etapele de testare prin care trebuie să treacă o unitate CD-ROM pentru a fi declarată corespunzătoare din punct de vedere funcŃional. Se observă efectuarea unor teste de: căutare liniară (track-to-track), aleatoare şi Funnel precum şi a unor teste de citire liniară şi aleatoare.

8.3.1. Discul compact audio Primul disc compact (CD) a fost prezentat în anul 1981 [158]. Discurile de vinil folosite până atunci aveau o serie de neajunsuri notabile. Praful şi

zgârieturile, alături de defectele mecanice de fabricaŃie conduceau la degradarea semnificativă a calităŃii sunetului. În plus, pe fiecare faŃă a unui disc de vinil se puteau stoca mai puŃin de 25 de minute de muzică. Casetele audio erau de dimensiuni mai mici şi puteau ajunge până la o oră de muzică pe fiecare parte. Dar calitatea sunetului suferea de asemenea odată cu trecerea timpului, datorită demagnetizării şi a uzurii.

CD-urile audio rezolvau toate problemele descrise mai sus. Discul cu diametrul de 12 cm poate stoca mai mult de o oră de muzică, iar mecanismul de citire foloseşte raza laser, eliminând astfel contactul fizic. În acest fel, se păstrează intactă calitatea înregistrări, iar muzica este stocată în format digital, fiind exact aceeaşi informaŃie cu cea din studioul de înregistrări [17].

CD-ROM-uri Odată cu dezvoltarea specificaŃiilor destinate CD-urilor audio, utilizatorii au realizat că

mediul poate fi folosit şi pentru stocarea altor tipuri de date. Astfel au fost create primele specificaŃii pentru CD-ROM [6].

Datele folosite de aplicaŃiile calculatoarelor prezintă cerinŃe diferite faŃă de datele audio. Cea mai importantă necesitate este acurateŃea. Dacă un bit este ratat la citire, şi nu este sesizat de sistemul de detecŃie a erorilor, în cazul unui CD audio, el reprezintă o parte infimă din numărul total de biŃi folosiŃi pentru recrearea sunetului, iar diferenŃa va fi imposibil de observat de urechea umană. În cazul în care un bit de informaŃie este ratat la citirea unui CD cu date, acest lucru ar putea însemna diferenŃa dintre 1 dolar şi 1000 de dolari sau între un program care rulează corect şi un program care nu rulează deloc.

În consecinŃă, formatul folosit de CD-ROM trebuie să folosească un sistem de o acurateŃe mult mai mare decât cel utilizat pentru CD-urile audio. Astfel, datele sunt stocate sub formă de cadre de câte 24 de octeŃi. Un sector de pe CD este constituit la rândul său din 98 de cadre. O socoteală simplă ne conduce deci la un total de 2352 de octeŃi într-un sector al discului. Dintre aceştia, 12 octeŃi sunt folosiŃi pentru procesul de sincronizare, iar alŃi 4 octeŃi pentru a stoca informaŃiile de identificare ale sectorului respectiv. Rămân astfel 2336 de octeŃi pentru stocarea efectivă a datelor.

Din aceştia, 2048 de octeŃi sunt folosiŃi în realitate pentru date, ceilalŃi 288 fiind utilizaŃi pentru sistemele de detectare şi corectare a erorilor. Dacă se Ńine cont că pe un CD se află 330.000 de sectoare, fiecare stocând 2 kB (2 x 1024 octeŃi), capacitatea totală a unui CD este de 644,5 MB, rotunjit pentru simplificare la 650 MB. Prin creşterea densităŃii sectoarelor de pe disc s-au obŃinut discuri de 700 MB, acestea fiind cele mai folosite în acest moment.

Page 269: CartedlComanescu Bun v1

269

Atunci când un CD-ROM este citit la aceeaşi viteză cu un CD audio, sunt citite 75 de sectoare pe secundă. Cu 2048 de octeŃi stocaŃi în fiecare sector, calculul duce la o viteză de citire de 153.600 octeŃi pe secundă, rotunjit la 150 kB/s. Această rată de transfer a datelor este identificată prin "x" sau "viteza de citire a unui CD audio". UnităŃile de citire a discurilor CD-ROM sunt clasificate după viteza maximă de transfer a datelor, măsurată în multipli ai ratei de transfer pentru CD-uri audio; astfel, "12x" înseamnă de 12 ori 150 kB/s, sau 1800 kB/s, în timp ce "40x" înseamnă de 40 de ori 150 kB/s, adică 6000 kB/s. Această valoare se referă la viteza maximă de transfer [7].

Datele sunt stocate pe disc sub formă de sectoare, acestea fiind plasate sub forma unei spirale continue. Lungimea fiecărui sector este aceeaşi indiferent de poziŃia sa de-a lungul spiralei. Ca rezultat, există mai multe sectoare citite în cadrul unei rotaŃii a discului la marginea discului, decât mai aproape de centru.

CD-urile audio necesită citirea informaŃiei la o viteză constantă. Acest lucru înseamnă că unitatea de citire trebuie să reducă viteza de rotaŃie odată cu înaintarea dinspre sectoarele aflate la interior, către sectoarele exterioare. Prin această operaŃie, suprafaŃa discului se deplasează faŃă de raza laser cu o viteză constantă, sau cu viteză lineară constantă (CLV - Constant Linear Velocity).

Datele nu necesită citire la viteză constantă, existând chiar un mare avantaj în posibilitatea de citire cât mai rapidă a informaŃiilor de pe disc. Astfel, unele unităŃi CD-ROM rotesc discul cu o viteză unghiulară constantă (CAV-Constant Angular Velocity), aşa că rata de transfer este mai mare la exteriorul discului decât la interior. Ultimele modele de unităŃi CD-ROM folosesc atât tehnologia CAV, cât şi pe cea CLV, pentru a optimiza modul în care se face transferul datelor. Datele sunt stocate începând de la interiorul discului spre exterior. În consecinŃă, unităŃile cu viteză de rotaŃie variabilă petrec mai mult timp cu citirea la rate de transfer mai reduse decât rata maximă. Multe unităŃi obŃin rata maximă de transfer doar atunci când ajung la sectoarele situate aproape de exteriorul discului, iar acest lucru se întâmplă doar când discul este plin [47].

Descoperirea CD-ROM-ului a reprezentat un salt important pentru toŃi cei care aveau nevoie în activitatea lor de transportul unor cantităŃi mai mari de date, deoarece un CD poate stoca echivalentul a aproape 450 de dischete. Principalul neajuns consta în costurile destul de ridicate dedicate CD-ului master pentru crearea unui tiraj de discuri CD-ROM. Un disc putea costa foarte puŃin, dar numai atunci când era distribuit în cantităŃi mari, în schimb preŃul era prohibitiv pentru cei care doreau un singur exemplar sau un număr limitat de copii [181].

Răspunsul acestei probleme s-a numit CD-R (CD-Recordable), sau CD-ul inscriptibil. Spre deosebire de mediile magnetice, unde informaŃia stocată putea fi apoi ştearsă şi înlocuită cu altă informaŃie, inscripŃionarea unui disc CD-R aducea modificări permanente suprafeŃei suport. Datele sunt inscripŃionate folosind o rază laser mai puternică decât cea utilizată pentru a citi un disc. Raza laser încălzeşte puternic stratul suport, lăsându-i o urmă mai întunecată. La citire, urma întunecată reflectă mai puŃin lumina, faŃă de zonele neîncălzite fiind interpretată ca denivelările de pe stratul suport al discurilor matriŃate. Procesul de încălzire a stratului suport a condus la termenul de "ardere" folosit pentru a defini procesul de inscripŃionare a unui CD [7].

Unitatea deŃine un ansamblu optic format dintr-o diodă laser (în infraroşu) şi un set de lentile şi prisme, precum şi o celulă fotoelectrică, toate aflate pe un ansamblu mecanic (numit actuator) care se deplasează de-a lungul unei spirale, prin combinaŃia între mişcarea de rotaŃie a discului şi cea de translaŃie a actuatorului. Pe această pistă se află datele, biŃii 0 și 1 fiind reprezentaŃi sub forma unei adâncituri (pit) sau lipsei adânciturii (land sau groove).

Citirea se face astfel: dioda emite un fascicul laser, care, prin intermediul setului de lentile, ajunge pe suprafaŃa discului. De aici, lumina se reflectă. Cantitatea de lumină reflectată depinde de prezenŃa unui pit sau land în punctul în care a căzut fasciculul laser, deoarece ele au caracteristici de reflexie diferite. O serie de lentile şi oglinzi focalizează această lumină reflectată spre un fotodetector, care transformă lumina în semnal electric, mai precis în 0 şi 1, bazându-se pe

Page 270: CartedlComanescu Bun v1

270

cantitatea de lumina recepŃionată. De aici, este treaba electronicii unităŃii să împacheteze această informaŃie şi să o trimită spre procesor şi memorie.

Avantajul citirii optice este că nu există contact între mediul de stocare (disc) şi ansamblul optic de citire, ceea ce elimină uzarea mediului, un CD putând fi teoretic citit de o infinitate de ori fără să-şi piardă informaŃia.

8.3.2. Buffer-Under-Run Una dintre problemele ridicate în procesul de inscripŃionare a unui mediu CD-R se referă

la necesitatea de a alimenta mecanismul de scriere în mod constant cu date. Dacă fluxul de date este întrerupt, chiar şi pentru o fracŃiune de secundă, discul devine inutilizabil. Această problemă s-a accentuat şi mai mult odată cu creşterea vitezei de scriere. SoluŃia a fost găsită în crearea unor buffere de memorie din ce în ce mai mari, pentru a creşte cantitatea de date disponibilă în cazul unei întreruperi temporare a fluxului de date dinspre sistem către unitatea de scriere. Dacă totuşi întreruperea fluxului este prea mare şi bufferul se goleşte, procesul de scriere eşuează, iar discul devine de asemenea inutilizabil [1].

Sanyo este prima companie care a rezolvat definitiv această problemă, tehnologia dezvoltată primind numele de BURN-Proof. Termenul de BURN provine de la "Buffer-Under-RuN" şi înseamnă golirea prematură a bufferului de date în timpul scrierii. Alte companii au adoptat la rândul lor tehnologii similare, cum ar fi "JustLink" de la Ricoh, "SafeBurn" de la Yamaha sau "ExacLink" dezvoltată de Oak Technology şi folosită de Mitsumi şi LG.

Primele discuri care au apărut au fost cele CD-ROM (desigur, in afara celor audio). Ele sunt şi astăzi cele mai prezente medii de stocare. Multiplicarea unor astfel de discuri se face în fabrici specializate [1].

Baza unui CD o reprezintă un disc de policarbonat (un material transparent) cu grosimea de 1,2 mm și diametrul de 120 mm. Sunt necesari mai mulŃi paşi pentru producerea lor. Primul este crearea unui disc master sau matriŃă, prin inscripŃionarea pit-urilor cu un laser de foarte mare putere, mult mai mare decât a celor întâlnite în unităŃile CD-ROM sau CD-RW. Al doilea este crearea efectivă a pistei de date pe discurile de policarbonat prin presarea master-ului pe ele (ştanŃare). Cel de al treilea este depunerea unui strat subŃire de aluminiu pe partea cu pit-uri a discului de policarbonat. Aluminiul este un material ce reflectă lumina, şi astfel acest strat se numeşte de reflexie. Peste el se adaugă un strat de lac acrilic. Ultimul pas este imprimarea label-ului (etichetei), cu cerneluri speciale.

Schema ansamblului optic al unei unităŃi CD-

ROM. Figura 8.10

Page 271: CartedlComanescu Bun v1

271

După cum se observă, stratul activ, de stocare a datelor, este foarte aproape de label, astfel încât zgârieturile adânci, efectuate pe partea cu label-ul a discului, distrug CD-ul, pe când o zgârieturi pe partea de policarbonat nu este atât de periculoasă, ea fiind transparentă pentru raza laser. Desigur, trebuie evitate toate zgârieturile, dar cele de pe faŃa de policarbonat pot fi şlefuite fin pentru eliminare, făcând ca astfel discul să poată fi citit. În plus, o zgârietura pe faŃa cu label-ul, chiar dacă nu a străpuns stratul de aluminiu, curăŃă lacul (care are o grosime de doar câteva miimi de milimetru), expunând aluminiul la contactul cu aerul. În timp, acesta se oxidează şi discul poate fi aruncat, nemaiputând fi citit.

Pista de date (culoare mai închisă in imagine) are forma unei spirale care începe de lângă inelul discului si se

desfăşoară spre exterior.

Figura 8.11

La CD-R-uri principiul este acelaşi, adică informaŃia este stocată tot prin alternarea de pit-uri şi land-uri, diferind modul de creare a pit-urilor. Discul CD-R, înainte de scriere, are deja pista creată, din fabrică (prin ştanŃare), pe această pistă urmând să se scrie datele prin crearea de pit-uri [1]. În acest context nu trebuie confundată o pistă creată prin înregistrare (track - aşa cum o numesc programele de scriere a CD-urilor) cu pista predefinită de fabricantul discului. Aceasta din urmă poate conŃine una sau mai multe track-uri, în funcŃie de ce scrie utilizatorul pe disc. Pentru a putea fi scris de o unitate CD-R, un astfel de disc are o alta structură fizică faŃă de un CD-ROM. Substratul este din acelaşi policarbonat transparent, de 1,2 mm grosime, dar peste el se aplica stratul activ, care va stoca informaŃia. Acest strat, numit dye layer în engleză, este format dintr-un material organic ce are proprietatea că îşi schimbă opacitatea prin încălzirea peste o anumită temperatură. Laserul unităŃii creează pit-urile, pur şi simplu, prin ardere. Materialul organic (dye) devine opac prin ardere, reflectând deci mai puŃină lumină. Zona pe care nu a căzut raza laser are capacităŃi de reflexie mari, constituind land-urile, iar zonele opace, transformate de laser, sunt pit-urile.

Pentru a face discurile CD-R să fie citite de unităŃile CD-ROM normale, calibrate pentru reflectivitatea aluminiului, peste stratul organic se depune încă un strat, şi el foarte subŃire, din argint sau chiar din aur pur, de 24 de carate. Urmează depunerea a încă unui strat, de lac, şi a unui strat de protecŃie la zgârieturi şi amprente. Peste acesta din urmă se creează încă unul, pe care se afla label-ul producătorului. În sfârşit, ultimul strat este tot din lac, de data aceasta rezistent la lumina ultravioletă, lumină ce influenŃează negativ durabilitatea stratului organic.

Referitor la proporŃia acestor materiale, merită spus că o tonă de discuri CD-R conŃine 984 kg de policarbonat, 14 kg de lacuri şi vopsele, 1,3 kg de aur şi 113 grame de material organic.

Acest material, din care se fabrică stratul activ, este în general bazat pe cianina (cyanine). Acesta a fost primul material folosit pentru discurile CD-R, încă de la începutul anilor 90. Între

Page 272: CartedlComanescu Bun v1

272

timp, s-a impus şi un alt compus organic, derivat al acestuia, ftalocianina (Phtalocyanine). Pionierii discurilor înregistrabile, TDK, Tayio Yuden şi FujiFilm, au rămas însă la cianina. Dar au apărut şi alte substanŃe, folosind într-o proporŃie mai mare sau mai mică cianina, cum ar fi Metal Azo, patentată de Verbatim/Mitsubishi, Formazan (un amestec de cianina şi ftalocianina), patentată de Kodak, şi Advanced Phtalocyanine, patentată de Mitsui Toatsu Chemicals (care deŃine drepturile şi pentru ftalocianina). CompoziŃia cianinei folosite în discurile CD-R este un patent Tayio Yuden. Toate aceste substanŃe organice au fost licenŃiate şi către alŃi producători de CD-R-uri, care le folosesc în discurile lor [1].

Fiecare material organic din cele cinci amintite are o anumita culoare. Aceste culori sunt [1]:

Cyanine albastru; Phtalocyanine transparentă; Advanced Phtalocyanine transparentă; Formazan verde palid Metal Azo albastru

Noi nu vedem exact culoarea materialului organic pentru că ea se combină cu cea a stratului de reflexie. Acest strat, în funcŃie de materialul folosit, are culoarea argintie sau aurie.

Cercetările arată că toate aceste materiale organice sunt capabile de a păstra informaŃia pentru cel puŃin 20 de ani. Cianina are un timp mediu de viaŃă ca suport pentru date de până la 50 de ani, iar ftalocianina de peste 100 de ani.

Practic, pentru unitatea CD-RW, indiferent de culoarea dye-ului şi a stratului reflexiv, toate discurile arată la fel. DiferenŃele sunt observabile doar în spectrul vizibil al luminii; la 780 nm lungime de undă, cât are lumina laserului unităŃii, toate discurile au aceeaşi culoare. DiferenŃele Ńin de structura materialului. Este clar că aurul este un material mult mai stabil în timp decât aluminiul, şi deci posibilitatea de corodare este mai mică, suportul rezistând mai mult.

Pe CD-uri datele sunt scrise într-o spirală, care porneşte de la interiorul discului spre exteriorul său. La CD-R-uri, înainte de aceasta se află o zonă pe care utilizatorul nu o poate scrie şi care se numeşte SUA (System Use Area). Aceasta se împarte în două, PCA (Power Calibration Area) şi PMA (Program Memory Area) [1].

PCA este zona de calibrare a unităŃii CD-R în funcŃie de disc. Înainte de fiecare scriere, unitatea îşi reglează puterea laserului în funcŃie de tipul discului şi de factorii de mediu ambiant, prin scrierea unui singur bloc, în zona PCA. Cum se pot scrie maxim 99 de blocuri în PCA, numărul maxim de calibrări pentru un disc, şi deci şi numărul maxim de scrieri (sesiuni), este de 99.

PMA stochează temporar, în timpul arderii, date precum numărul de track-uri de pe disc şi locul de început şi sfârşit al track-ului. La închiderea sesiunii de ardere, aceste date sunt copiate şi în zona Lead-In a sesiunii, în TOC (Table of Contents - cuprinsul sesiunii).

După zona SUA, urmează zona în care se scriu datele utilizatorului, şi care la rândul ei este împărŃită în trei: Lead-In, o arie de 4500 de sectoare (circa 9 MB) ce conŃin TOC-ul şi alte informaŃii, zona de program, cea care stochează efectiv datele sau muzica, lungă de cel puŃin 650 MB, şi în sfârşit Lead-Out-ul, o zonă goală, fără date, ce indică faptul că s-a terminat sesiunea. Primul Lead-Out al unui disc ocupă circa 13 MB, în timp ce următoarele, în cazul unui disc multisession, ocupa câte 4,5 MB.

În Lead-In se află o porŃiune scrisă de producătorul discului CD-R unde se găsesc date cum ar fi ATIP-ul (Absolute Time in Pre-groove) total al discului, numele firmei care a creat discul, numărul maxim de megaocteŃi ce se pot scrie (minim 650 MB pentru un disc de 74 de minute) şi strategia de scriere, de unde se poate deduce tipul materialului organic folosit. UnităŃile CD-ROM nu accesează ATIP-ul, pentru că nu au nevoie de el în citirea datelor [1].

Unele firme, în dorinŃa de a atrage cumpărătorul, scriu pe CD-urile lor de 74 de minute ca ar suporta 680 MB de date.

Page 273: CartedlComanescu Bun v1

273

1- strat de lac; 2- label-ul discului (vopsea); 3- strat de

protecŃie la zgârieturi; 4- strat de lac; 5 stratul reflexiv, din aluminiu la CD-ROM si aur si argint, la CD-R; 6- stratul activ, din material

organic (dye); 7- substratul, din policarbonat.

Figura 8.12 Structura pe straturi a unui disc CD-ROM și a unuia CD-R:

Figura 8.13 Structura logica a unui disc CD-R.

Un calcul simplu arată astfel: redarea CD-DA (Digital Audio) necesită citirea a 75 de

sectoare pe secunda (viteza 1x). Un sector are capacitatea de 2048 de octeŃi. 74 de minute înseamnă 75 de sectoare x 2048 octeŃi x 60 de secunde x 74 de minute egal 681.984.000 de octeŃi, împărŃit la 1024, şi iar la 1024, pentru a transforma in KB și apoi MB, obŃinem 650,39 MB. Deci nici vorbă de 680 MB [1].

Nu trebuie însă confundată capacitatea specificată (650 MB) cu capacitatea reală a discului. În funcŃie de producător, aceasta poate fi de până la 660 MB.

Dar nu toate programele de ardere şi nu toate unităŃile CD-R pot scrie mai mult de 650 MB pe un disc, indiferent de capacitatea sa. Acelaşi lucru este valabil și pentru discurile de 80 de minute, care pot suporta circa 700 de MB. Aceste din urmă discuri nu sunt specificate în standardul Orange Book II, care defineşte CD-R-urile, dar se lucrează la îmbunătăŃirea acestui standard, pentru a include şi aceste discuri. La ora actuală, problema este că nu toate unităŃile CD-ROM pot citi aceste discuri.

O altă problemă este cea a vitezei de scriere pentru discuri. Părerea generală este: cu cât scriem la o viteză mai mică, cu atât înregistrarea este mai durabilă [1].

Pe vremuri, când viteza maxima de scriere era 2x, acest lucru a fost adevărat, dar acum scrierea la 1x nu se recomandă deoarece noile unităŃi sunt proiectate pentru a scrie la 2x, 4x, 6x, suportând chiar și 12x, cu discuri speciale. La scrierea 1x, căldura degajată de raza laser într-un anumit punct de pe disc este mai mare (de două ori mai mare decât la scrierea 2x, pentru că timpul

Page 274: CartedlComanescu Bun v1

274

este de două ori mai mare), afectând puternic stratul organic de cianina sau ftalocianina. Pe de alta parte, scrierea 8x pe discuri care nu au fost proiectate pentru 8x duce la crearea de pit-uri necorespunzătoare, încetinind citirea sau făcând-o imposibilă, în situaŃii extreme. De fapt, unităŃile cu viteza de scriere mai mare de 4x sunt prea noi pentru a putea verifica stabilitatea în timp a înregistrărilor.

La scriere, o extrem de mare importanŃă pentru citirea ulterioară a unui disc este crearea corectă a semnelor de pe CD-pits. Acestea trebuie să aibă o formă şi dimensiuni clare, pentru a putea fi citite fără probleme de orice unitate. Laserul care arde stratul de material organic, fie el cianina sau ftalocianina, nu are o putere constantă. Prin standard, se prevede o arie de puteri de scriere, între 4 și 11 mW, necesară pentru a încălzi dye-ul la 250 grade Celsius, temperatură de ardere [1].

Pentru cianina, puterea de ardere este de 6 mW, plus/minus un mW. La ftalocianina, puterea nominală este de 5 mW, cu abateri în sus şi jos de numai jumătate de mW. Apare întrebarea de ce ar fi nevoie de până la 10 - 11 mW, dacă maximul necesar este de doar 7 mW. Dacă discul CD-R ar fi perfect, nu ar fi nevoie, dar el mai are zgârieturi, praf depus pe suprafaŃa orientată spre laser, şi chiar media (dye) nu este uniformă. Atunci când unitatea de scriere întâlneşte o astfel de zonă, creşte puterea laserului, pentru a putea furniza suficientă energie mediei. Din păcate, nu toate unităŃile dispun de această facilitate de „running OPC” (Optimum Power Calibration). Cele mai multe realizează calibrarea optică (OPC) o singură dată la fiecare înregistrare.

Înainte de zona Lead-In de pe disc se află PCA - Power Calibration Area. Ea este inaccesibilă unităŃilor CD-ROM şi e folosită de unitatea CD-R pentru OPC. OperaŃiunea în sine se desfăşoară astfel: în funcŃie de tipul mediului, citit din ATIP, drive-ul ştie cu ce fel de mediu are de a face, şi deci şi ce putere de scriere trebuie să folosească. Într-una din cele 99 de zone din PCA face o scriere cu 15 puteri ale laserului: cea nominală, şapte mai mici şi şapte mai mari. Toate cele 15 porŃiuni sunt apoi citite. Unitatea o alege pe cea care a dat cel mai bun răspuns şi foloseşte puterea de scriere care îi corespunde valorii pentru a scrie întregul CD.

Când se foloseşte metoda running OPC, fotodetectorul unităŃii CD-RW este activ şi citeşte lumina reflectată de zona care se scrie în acel moment. Dacă apar variaŃii faŃă de valoarea iniŃială, ele sunt corectate în timp real, prin creşterea sau scăderea puterii laserului. Metoda asigură o calitate constantă a scrierii pe tot CD-ul.

Figura 8.14 OSTA (AsociaŃia Tehnologiei de Stocare Optică) se ocupa de cercetări şi

emiterea de standarde inclusiv în domeniul CD-R și CD-RW.

Page 275: CartedlComanescu Bun v1

275

8.3.2.1. CD-RW şi CD-RW/DVD-ROM

De-a lungul ultimilor 20 de ani, discul compact a revoluŃionat modul în care se stochează, distribuie şi accesează informaŃia, fie ea în format audio, video sau de date.

Discurile optice folosesc lumina, dar nu cea obişnuită, ci laser. Acesta a fost descoperit în prima parte a anilor '60 şi a făcut posibilă proiectarea unei raze de lumină de o singură culoare, care putea fi focalizată cu mare precizie fără distorsiuni. Mai târziu, au fost dezvoltate laserele semiconductoare, făcând posibilă crearea unor echipamente optice de stocare, de dimensiuni reduse şi cu costuri scăzute.

8.3.2.2. CD-ReWritable

Există medii CD-R care permit scrierea în mai multe rânduri, prin crearea unor sesiuni multiple. Atunci când CD-ul s-a umplut însă, se revine la problema iniŃială reprezentată de imposibilitatea de a şterge informaŃiile stocate. Mediile CD-RW (CD-ReWritable) sau reînscriptibile au fost dezvoltate tocmai pentru a rezolva acest neajuns. Discurile CD-RW stochează informaŃia folosind o tehnologie cu totul diferită, numită "schimbare de fază". Spre diferenŃă de mediile inscriptibile la care odată modificată structura substanŃei respective nu se mai poate face nimic, mediile re-inscriptibile sunt acoperite cu o substanŃă care încălzită la o temperatură mai mică decât cea de inscripŃionare revine la structura iniŃială (respectiv la gradul de reflexie iniŃial). Prin folosirea unei raze laser de scriere cu două nivele de putere, suprafaŃa stratului suport poate fi modificată în mod repetat.

8.3.2.3. DVD

Ca orice tehnologie, CD-ROM-ul şi-a atins limitele atunci când s-a pus problema distribuŃiei de filme în format digital. Un film normal ajunge la 135 de minute. Chiar şi dacă imaginile sunt compresate folosind tehnologia MPEG-2, este nevoie de aproximativ 3500 kbiŃi (3,5 MbiŃi) pentru stocarea unei secunde de film. Un calcul simplu arată că un film de 135 de minute necesită aproximativ 3,5 GB pentru a fi stocat, adică aproape şase CD-uri.

Răspunsul acestei probleme s-a numit DVD (Digital Video Disc, apoi Digital Versatile Disc). Schimbarea de nume a avut loc atunci când mediul a început să fie folosit şi pentru stocarea altor date decât filme. Dezvoltatorii DVD-ului au dorit să poată stoca un film întreg, dar şi subtitraje în mai multe limbi, pentru a evita producerea mai multor versiuni ale aceluiaşi disc. De asemenea au dorit adăugarea de sunet, aşa că s-a ajuns la un total de 4692 kbiŃi pentru o secundă de film. Dacă înmulŃim cu cele 135 de secunde pentru un film clasic, ajungem la suma de 4,75 miliarde de octeŃi, ceea ce în termeni uzuali înseamnă 4,75 GB (un GB este acceptat prin convenŃie ca fiind 1 miliard de octeŃi). Aşadar a fost creat un disc cu capacitatea de 4,75 GB, ceea ce reprezintă aproximativ de şapte ori capacitatea unui CD clasic.

Pentru a obŃine o asemenea densitate a datelor era nevoie de reducerea dimensiunilor elementelor constitutive ale discului. FaŃă de cei 1,6 microni dintre pistele spiralei unui CD, în cazul DVD-ului această distanŃă este de 0,74 microni. De asemenea punctele de reflexie de pe suprafaŃa mediului au fost micşorate de la 0,83 microni la CD, la 0,40 microni pentru DVD. Rata de transfer a unei unităŃi DVD este măsurată tot în funcŃie de "x", însă 1x în cazul DVD-ului reprezintă 1,3 GB/s, faŃă de cei 150 kB/s de la CD-ROM. Astfel, o unitate DVD 8x este capabilă de o rată maximă de transfer a datelor de 10,3 MB/s.

8.3.2.4. DVD-uri inscriptibile

La fel ca şi în cazul CD-ului, paşii naturali ce au urmat în viaŃa DVD-ului au fost reprezentaŃi de apariŃia mediilor inscriptibile. Din nefericire, dacă pe piaŃa CD evoluŃia a fost clară,

Page 276: CartedlComanescu Bun v1

276

piaŃa DVD se caracterizează printr-o confuzie destul de ridicată, datorată fracturării diferitelor formate.

8.3.2.4.1. DVD-Recordable

Creat de Pioneer, formatul a fost iniŃial dezvoltat pentru realizarea matriŃelor pentru

producŃia în serie. Primele unităŃi capabile de a inscripŃiona DVD-uri costau aproximativ 17.000 de dolari, acest lucru fiind valabil în anul 1997. De atunci preŃurile au scăzut considerabil, iar specificaŃiile au fost divizate în două: DVD-R(G) - pentru uz general, şi DVD-R(A) - pentru authoring.

8.3.2.4.2. DVD-RAM

Apărut în 1998, este primul format reînscriptibil pe piaŃa DVD. SpecificaŃiile formatului

au fost dezvoltate de către un consorŃiu de companii, numit DVD Forum. Folosind, ca şi în cazul CD-RW, schimbarea de fază, primele medii DVD-RAM aveau o capacitate de 2,6 GB pentru cele cu o singură faŃă şi 5,2 GB pentru cele cu faŃă dublă.

În anul 2000 a apărut următoarea versiune de DVD-RAM, cu medii de 4,7 GB pe o faŃă şi 9,4 GB pentru cele cu faŃă dublă. Noile unităŃi sunt compatibile cu specificaŃiile MultiRead2. Standardul original MultiRead a fost conceput pentru a asigura compatibilitatea între mediile CD-R, CD-RW, CD-ROM şi audio CD. MultiRead2 face acelaşi lucru, dar pentru DVD.

8.3.2.4.3. DVD-RW şi DVD+RW

Dezvoltată de asemenea de Pioneer, tehnologia DVD-RW permite folosirea de discuri cu

capacitatea de 4,7 GB. A patra versiune de format DVD inscriptibil, DVD+RW, a fost dezvoltată de un grup de

companii ce include Philips, Sony, Ricoh, Yamaha şi HP. Prima versiune de DVD+RW a fost prezentată în 1997, folosind medii de scriere cu capacitatea de 3,0 GB pe o singură faŃă. Imediat după aceea a fost anunŃat noul tip de mediu cu capacitatea de 4,7 GB pe o faŃă. Principalul avantaj al acestei tehnologii constă în compatibilitatea cu majoritatea unităŃilor DVD-ROM, spre deosebire de formatul DVD-RAM. Cu preŃuri ce au ajuns în prezent la sub 500 de dolari, unităŃile neînscriptibile DVD promit un viitor interesant.

8.3.3. Aspecte teoretice şi constructive Formele mai avansate de stocare optică a datelor includ produse de mare viteză. Toate produsele de stocare optică de date utilizează principii optice pentru a avea o mare

densitate a datelor, o construcŃie rezistentă, o regăsire garantată a informaŃiilor şi un cost scăzut de producŃie.

În general, stocarea optică se referă la a plasa informaŃiile pe o suprafaŃă astfel încât atunci când o rază luminoasă scanează suprafaŃa, lumina reflectată poate fi folosită pentru a recupera informaŃiile. Există multe feluri de suporturi de stocare optică şi multe tipuri de sisteme optice folosite pentru a scana date.

Discul optic a fost inventat de către un inginer pe nume David Paul Gregg, care a patentat ideea în 1961. În acea perioadă discurile magnetice erau la începuturile lor şi nu exista un sistem video disc care să aibă un preŃ bun pentru a fi scos pe piaŃă. InspiraŃia pentru sistemul video disc a venit de la imaginea din Figura 8.15. Fotografia a fost produsă cu un microscop de scanare a electronului. Liniile înguste din colŃul din dreapta – jos al imaginii, care au fost scrise de raza electron, sunt de 0,030 µm lăŃime şi sunt separate de 0,070 µm (1µm = 0,000039 inch). Gregg a

Page 277: CartedlComanescu Bun v1

277

văzut imaginea şi, în timp ce călărea în Mexic, şi-a imaginat un disc din plastic rotativ cu şanŃuri cu date tipărite şi citite de un sistem optic. Aşa cum a fost imaginat iniŃial, un disc de bază este mai întâi citit cu o rază electron. Acest disc este folosit apoi pentru a produce copii, la un preŃ mic.

Sistemele DVD sunt „versiuni” avansate ale CD-ului. Cele mai avansate sisteme de astăzi, care folosesc sisteme optice cu diodă cu laser albastru, adese utilizează maşini de raze electron, pentru a face discurile de bază. Cândva, poate va fi posibil să se înregistreze informaŃii cu lăŃimea liniilor de 30 mm, ca în Figura 8.15, şi va rezulta un disc cu o densitate de câteva mii de ori mai mare decât cea a DVD-urilor.

8.3.3.1. Tipărirea şi spaŃiile de date. purtătorii de informa Ńii

La stocarea optică datele sunt aranjate în şanŃuri în formă de spirală. SecŃiunile mici de pe suprafeŃele CD-ului şi DVD-ului sunt ilustrate în Figura 8.16 [171].

Figura 8.15

Figura 8.16

CD-urile au, în mod normal, adâncituri de 1,6 µm, care este distanŃa radială dintre

curburile urmelor în formă de spirală. InscripŃionările de date sunt de aproape o dată şi jumătate mai late decât adâncitura circuitului imprimat. Lungimile inscripŃionărilor de date şi ale spaŃiilor dintre inscripŃionări sunt determinate de schemele de codificare folosite pentru a „traduce” datele pentru utilizator în şabloane de tipărire de-a lungul fiecărui circuit imprimat.

LăŃimea spotului laser al CD-ului este un pic mai mică decât adâncitura circuitului. Suportul DVD este similar cu suportul CD, doar că adâncitura circuitului este mai mică (0,75 µm),

Page 278: CartedlComanescu Bun v1

278

inscripŃionările de date sunt mai scurte şi mai înguste şi diametrul spotului laser s este mai mic. Sunt mai multe inscripŃionări de date pe un DVD. În comparaŃie cu un CD, pe un DVD se pot stoca mai multe date.

8.3.3.2. Principiile stocării optice de date

Stocarea şi regăsirea datelor pe discuri optice pot fi descrise prin două etape simple. Mai

întâi tipăririle de date sunt înregistrate pe o suprafaŃă. Datele pot fi preînregistrate, ca la un CD cu muzică sau pot fi înregistrate de utilizatori pe discuri goale, ca la CD-urile reînregistrabile. Următorul pas este regăsirea informaŃiilor de pe disc, unde o rază de lumină scanează suprafaŃa. ModulaŃiile din lumina reflectată sunt folosite pentru a detecta şablonul de tipărire a datelor de sub spotul de scanare.

Figura 8.17

Procesul de transpunere a datelor pe un disc optic înregistrabil este arătat în Figura 8.17,

unde un curent de intrare de informaŃie digitală este convertit cu un codificator şi un modulator într-un semnal de conducere pentru o sursă laser. Sursa laser emite o rază de lumină intensă care este direcŃionată şi focalizată pe o suprafaŃă. Pe măsură ce suprafaŃa se mişcă sub spotul de scanare, energia de la spotul de scanare intensă este absorbită şi o regiune mică localizată se încălzeşte [200].

SuprafaŃa, sub influenŃa căldurii la o frecvenŃă mai mare decât frecvenŃa limită, îşi schimbă proprietăŃile de reflecŃie. ModulaŃia razei de lumină intensă este sincron cu semnalul de imprimare, astfel încât un traseu circular de imprimări de date se formează pe măsură ce suprafaŃa se roteşte. Spotul de scanare este mişcat uşor pe măsură ce suprafaŃa se roteşte pentru a permite unui alt „circuit” să fie scris pe un nou suport, în timpul unei noi rotaŃii.

Datele inscripŃionate pe discuri preînregistrate sunt fabricate făcând mai întâi un disc de bază cu un şablon de tipărire de date potrivit. Discurile de bază pentru CD-uri şi DVD-uri sunt adesea expuse într-o manieră asemănătoare de a pune date pe discuri optice înregistrabile, exceptând faptul că pelicula de lumină sensibilă este proiectată pentru a produce adâncituri în discul de bază, care servesc ca tipărituri de date pentru discurile copii. Copiile ieftine ale discurilor de bază sunt făcute cu un echipament de modelare prin injecŃie.

Page 279: CartedlComanescu Bun v1

279

InscripŃionarea datelor pe disc este ilustrată în Figura 8.18. Raza laser este direcŃionată şi focalizată pe suprafaŃă. Pe măsură ce datele care trebuiesc citite trec pe sub spotul de scanare, lumina reflectată este modulată. Lumina modulată este colectată şi direcŃionată de către splitter-ul de rază către servo, apoi lumina converge către detectori. Detectorii schimbă modulaŃia de lumină în modulaŃia curentă, care este amplificată şi decodată [166].

Datele inscripŃionate pe discuri preînregistrate sunt fabricate făcând mai întâi un disc de bază cu un şablon de tipărire de date potrivit. Discurile de bază pentru CD-uri şi DVD-uri sunt adesea expuse într-o manieră asemănătoare de a pune date pe discuri optice înregistrabile, exceptând faptul că pelicula de lumină sensibilă este proiectată pentru a produce adâncituri în discul de bază, care servesc ca tipărituri de date pentru discurile copii. Copiile ieftine ale discurilor de bază sunt făcute cu un echipament de modelare prin injecŃie.

Figura 8.18

InscripŃionarea datelor pe disc este ilustrată în Figura 8.18. Raza laser este direcŃionată şi

focalizată pe suprafaŃă. Pe măsură ce datele care trebuiesc citite trec pe sub spotul de scanare, lumina reflectată este modulată. Lumina modulată este colectată şi direcŃionată de către splitter-ul de rază către servo, apoi lumina converge către detectori. Detectorii schimbă modulaŃia de lumină în modulaŃia curentă, care este amplificată şi decodată [166].

Datele inscripŃionate pe discuri preînregistrate sunt fabricate făcând mai întâi un disc de bază cu un şablon de tipărire de date potrivit. Discurile de bază pentru CD-uri şi DVD-uri sunt adesea expuse într-o manieră asemănătoare de a pune date pe discuri optice înregistrabile, exceptând faptul că pelicula de lumină sensibilă este proiectată pentru a produce adâncituri în discul de bază, care servesc ca tipărituri de date pentru discurile copii. Copiile ieftine ale discurilor de bază sunt făcute cu un echipament de modelare prin injecŃie.

InscripŃionarea datelor pe disc este ilustrată în Figura 8.18. Raza laser este direcŃionată şi focalizată pe suprafaŃă. Pe măsură ce datele care trebuiesc citite trec pe sub spotul de scanare, lumina reflectată este modulată. Lumina modulată este colectată şi direcŃionată de către splitter-ul de rază către servo, apoi lumina converge către detectori. Detectorii schimbă modulaŃia de lumină în modulaŃia curentă, care este amplificată şi decodată [166].

Page 280: CartedlComanescu Bun v1

280

Sunt câteva tipuri de discuri optice care pot fi diferenŃiate prin tipul de date de pe pelicula de înregistrare. Câteva nume de marcă comercială sunt asociate cu cele patru tehnologii, aşa cum sunt arătate în tabelul 8.1.

Tabelul 8.1 Patru tehnologii pentru discuri optice CD-ROM sau DVD-ROM

Compact disc (CD) şi Digital Versatile Disc (DVD) folosesc tehnologia pit – type. CD şi DVD sunt memorii externe de tip read – only

CD-R Compact Disc Recordable (CD-R) foloseşte tehnologia dye – polimer. Acestea sunt utilizate pentru inscripŃionări de date, dar o dată ce informaŃiile au fost scrise, CD-R-ul nu mai poate fi reinscripționat

CD-RW Compact Disc Rewriteable (CD-RW) foloseşte tehnologia schimbării de fază. Datele pot fi şterse, iar pe disc se pot reînscripŃiona alte date.

MO Discurile reînscripŃionabile care folosesc tehnologia magneto – optică (MO). Datele pot fi şterse, iar discul poate fi reutilizat.

Tehnologia de tipărire de date prin adâncituri pentru CD-ROM şi DVD-ROM se bazează

pe un fenomen de difuzare foarte simplu. Majoritatea CD-urilor, cum ar fi cele de distribuŃie cu muzică şi date, sunt discuri ROM. Micile adâncituri sunt aranjate în formă de spirală în jurul centrului discului, aşa cum se arată în Figura 8.18. Lungimea adânciturilor este de aproximativ cuprinsă în intervalul 1 - 3 µm. Adâncimea lor de-a lungul unui circuit este aproape uniformă şi măsoară aproximativ de la o jumătate până la opt zecimi de micrometru. Pe măsură ce spotul de lumină trece peste o adâncitură, cea mai mare parte a luminii reflectate este difuzată. Lumina rămasă, colectată de lentilele obiective este mică în comparaŃie cu cantitatea de lumină care se colectează când spotul trece peste o porŃiune netedă a circuitului, unde suprafaŃa discului se comportă ca o oglindă pentru lumina focalizată.

Figura 8.19

Cantitatea de lumină difuzată de la fiecare adâncitură depinde de adâncimea şanŃului şi de

mărimea razei laser care-l luminează. O explicaŃie ar fi că porŃiunea spotului laser de pe şanŃ prezintă o schimbare de fază datorată circuitului adiŃional pe care lumina trebuie să-l traverseze în comparaŃie cu porŃiunea de spot laser care este reflectat de pe zona plană înconjurătoare a suprafeŃei de înregistrat. Cele două porŃiuni ale spotului interferează destructiv asupra propagării luminii înapoi spre lentile dacă adâncimea efectivă a şanŃului este o opŃiune din lungimea razei

Page 281: CartedlComanescu Bun v1

281

laser de iluminat. În practică, profilul adâncimii şanŃului este proiectat nu numai să furnizeze o bună modulaŃie de date, dar de asemenea o bună performanŃă de „circuit” [166].

Cu scopul de a creşte cantitatea de lumină reflectată către detector, întreaga suprafaŃă de înregistrare a CD-ului se acoperă cu un strat de aluminiu. Peste acest strat se depune un lac sau un alt înveliş protector. Sistemul optic de citire focalizează lumina de-a lungul suprafeŃei pe care se vor înregistra datele, aşa cum se arată în Figura 8.19. Suportul din plastic al CD-ului este gros de 1,2 mm şi este proiectat astfel încât „deteriorările” (amprentele digitale, zgârieturile de pe suprafaŃa discului, etc.) să nu afecteze procesul de citire.

Suportul DVD-ului are doar 0,6 mm grosime, de unde se deduce că DVD-urile pot fi mai sensibile decât CD-urile.

Utilizarea vopselurilor polimer sau monomer se face la produsele CD-R. Vopselurile polimer/monomer sunt filme organice care sunt utilizate pentru a forma şanŃuri de-a lungul pistei. Pentru a forma un şanŃ, un spot focalizat, de mare putere, încălzeşte o zonă de mărimea unui micron. Polimerul vopsea absoarbe un procentaj mare din energia laserului. Datorită conductivităŃii termale 4 mici a vopselei polimer, se pot atinge temperaturi extrem de mari. Deşi mecanismul exact al formării şanŃului nu este cunoscut, o explicaŃie simplă este aceea că, în zona încălzită, materialul este vaporizat sau încălzit până la punctul în care materialul curge şi formează o adâncitură (şanŃ). Pentru a citi datele, o rază laser de mică putere scanează pista, iar lumina colectată este sesizată de un singur detector. Lumina colectată este modulată. Având în vedere că procesul de înregistrare pentru CD-R este destructiv, utilizatorul nu poate să scrie date decât o dată. InscripŃionările de date nu pot fi şterse şi apoi rescrise.

Sunt trei tipuri de vopsele utilizate la CD-R-uri, şi anume: cianin, azo metalizat şi ftalocianin. La o lungime de undă de rază laser de până la 0,78 µm, unde CD-Player-erele sunt proiectate să funcŃioneze, sunt diferenŃe minore de performanŃă între vopsele, în timpul procesului de scriere. Toate vopselurile absorb lumină laser şi încălzesc suprafaŃa de înregistrare. Peste stratul de vopsea, CD-R-ul are aplicat un strat reflectorizant, ca şi CD-ROM-ul. Acest strat este de obicei din argint sau aur, în loc de aluminiu, cum este la CD-ROM.

Diferitele combinaŃii de vopseluri şi straturi reflectoare influenŃează aspectul vizual al CD-ului.

Tabelul 8.2 Materiale din care se confecŃionează CD-R, suprafeŃe reflectorizante şi culorile care se obŃin pe suprafaŃa discului

Material Culoarea discului Gold reflector Silver reflector Cyanine Verde Verde/albastru PhtaloCyanine Aurie - Azo metalizat - Albastru închis PhtaloCyanine îmbunătăŃită Aurie - Formazan (hibrid rezultat din combinaŃia Cyanine/ PhtaloCyanine)

Verde/Aurie -

Având în vedere că spectrul vizibil are lungimea de undă mai mică decât lungimea de

undă a razei laser de înregistrare pentru CD-uri, vopseaua apare cu o culoare caracteristică semitransparentă. Învelişul reflector are culoarea argintie sau aurie. În tabelul 8.2 sunt prezentate unele combinaŃii de culori, reflectori şi culoarea sintetizată rezultată pentru ochi. De exemplu CD-R-ul verde, cea mai ieftină combinaŃie, foloseşte vopseaua cianin (cyanine). Vopseaua cianin are culoarea albastră, dar împreună cu reflectorul auriu, suprafaŃa de înregistrare are culoarea verde. Abilitatea cianinului de a menŃine reflectivitatea este mică, ceea ce îi dă o durată de viaŃă de circa 10 ani. Cianinul cu formulă îmbunătăŃită (de culoare albastră sintetizată) are performanŃe mai bune, adică o durată de viaŃă mai mare de 20 de ani după înregistrare. CD-R-ul colorat auriu

Page 282: CartedlComanescu Bun v1

282

foloseşte ftalocianin şi o substanŃă reflectorizantă aurie. Stratul de vopsea este transparent, iar culoarea aurie o face să strălucească. ModulaŃia luminii reflectate, cauzată de scrierea pe un mediu auriu, este cea mai bună. Durata de viaŃă a unor asemenea CD-R-uri este de peste 100 ani. Suportul albastru este făcut din vopseluri azo. Ca şi cianinul, vopseaua azo este albastră, iar discurile au un strat reflectorizant argintiu [166].

Figura 8.20

Figura 8.21

CR-RW-urile folosesc un înveliş de înregistrare diferit de cel al CD-R-urilor. Acest tip de

CD permite utilizatorul de a scrie date. datele pot fi şterse în cicluri multiple, înainte de a se degrada. CD-RW-urile folosesc tehnologia de schimbare de fază, care se bazează pe stările amorfe ale aliajelor de semi-metale, cum ar fi AgInSbTe sau GeSbTe. Pentru a înregistra sau şterge datele, un spot focalizat de putere mare topeşte mediul, în regiuni de mărimea unui micron, pe măsură ce discul se roteşte. Ciclul termal al regiunilor locale determină dacă regiunea se va stabiliza într-o stare amorfă sau cristalină. Controlând energia spotului focalizat, ciclul termal şi starea materialului pot fi controlate. De exemplu, un puls laser de mare putere şi răcire rapidă transformă

Page 283: CartedlComanescu Bun v1

283

materialul în stare amorfă, aşa cum se arată în Figura 8.20, când laserul este trimis la nivelul cel mai înalt de energie. O rază laser de mică putere i o răcire înceată transformă materialul în stare cristalină. CD-RW-ul este un suport de „scriere întunecată”, ceea ce înseamnă că în stare amorfă a tipăririlor de date nu reflectă atâta lumină pe cât o realizează materialul cristalin. În Figura 8.20(a), o suprafaŃă neînregistrată este expusă unui anumit şablon de tipărire. Trei urme clar definite, întunecate şi amorfe, se formează de-a lungul pistei, unde fiecare dată tipărită corespunde unui puls laser, de cea mai mare putere. Puterea mare asigură că regiunile dintre tipărituri se transformă într-o stare cristalină de mare reflectivitate. Atunci când sunt scrise date noi pe pistă, aşa cum se arată în Figura 8.20(b), este folosită o secvenŃă similară de pulsuri laser, doar că pulsurile laser corespund cu tipul de tipărire a noilor date. Vechile date sunt înlocuite cu un material, fie cristalin, fie amorf, al noului şablon. Procesul de schimbare de fază implică inevitabil o deformare mecanică a materialului. De aceea numărul ciclurilor de rescriere este limitat la câteva mii. Ca şi la CD-Player, detectorul dintr-un CD-RW-player pur şi simplu ”simte” cantitatea de lumină colectată.

Semnalul de citire este optimizat într-un CD-RW player adăugând câteva învelişuri subŃiri de film în jurul materialului de înregistrare. Efectul acestor straturi este de a produce un filtru reflector. O configuraŃie tipică a depunerii de straturi pe suprafeŃele CD-RW este arătată în Figura 8.22. Raza laser focalizează pe straturile de înregistrare de pe filmul subŃire. Primul strat este un dielectric transparent. Al patrulea strat este unul cu proprietăŃi de reflexie ridicate. Grosimea acestor patru straturi este proiectată astfel încât proprietăŃile de reflecŃie sunt foarte bune pentru un semnal maxim de contrast şi sunt ajustate pentru a furniza o absorbŃie adecvată, în aşa fel încât o cantitate rezonabilă de putere laser poate fi folosită pentru scriere. Un înveliş protector, o etichetă şi un strat de tuş separă filmele fine de mediu [166].

Figura 8.22

Produsele magneto-optice (MO) stochează informaŃii în inscripŃionări magnetice mici de

date, care sunt cam de aceeaşi mărime ca şi şanŃurile de pe CD. Stratul de înregistrare este iniŃial şters în aşa fel încât toate particulele magnetice să fie aliniate într-o singură direcŃie, perpendicular pe suprafaŃa de înregistrare, aşa cum se arată în Figura 8.22(a). În această configuraŃie, particulele magnetice sunt extrem de stabile. Un câmp magnetic mare este necesar pentru a preîntâmpina momentul magnetic al particulei. Câmpul magnetic cerut pentru a reorienta particulele este numit coercitivitate. Pentru a înregistra date, un spot de mare putere focalizat este utilizat pentru a încălzi local suprafaŃa de înregistrare. Căldura reduce coercitivitate, astfel încât particulele magnetice din

Page 284: CartedlComanescu Bun v1

284

zona spotului focalizat pot fi reorientate cu un câmp magnetic exterior. Când raza laser are putere mică între date, statul de înregistrare nu este încălzit şi câmpul magnetic exterior nu are nici un efect asupra orientării particulelor. După cum se arată în Figura 8.22, raza laser este modulată între putere mare şi putere mică pe măsură ce discul se învârte cu scopul de a scrie un tip de date de-a lungul fiecărei piste [166].

Fiecare inscripŃionare conŃine particule magnetice orientate în direcŃia opusă, în comparaŃie cu celelalte particule magnetice. InscripŃionările au proprietatea că, pe măsură ce un spot de lumină de putere mică focalizat trece peste ele, polaritatea luminii reflectate este rotită, aşa cum se arată în Figura 8.22(b). RotaŃia de polarizare este datorată efectului polar Kerr. Când raza laser iluminează o inscripŃionare de date cu particulele orientate dincolo de raza laser, polarizarea lineară este rotită încet, invers sensului acelor de ceasornic. Când raza laser luminează regiunea dintre piste, polarizarea lineară este rotită în sensul acelor de ceasornic, cu scopul de a detecta semnalul de date, un detector este utilizat să „simtă” schimbarea în polarizarea luminii reflectate. De exemplu, o indicaŃie că lumina reflectată este rotită în direcŃie inversă acelor de ceasornic, implică faptul că spotul laser iluminează o inscripŃionare de date. Cu scopul de a şterge datele, câmpul magnetic extern din Figura 8.22(a) este inversat şi raza laser încălzeşte o secŃiune întreagă a pistei. O diferenŃă majoră între CD şi MO este că inscripŃionările MO sunt produse într-un sector cu o schimbare aproape nedetectabilă în topologia sectorului. Nu există aproape nici o deformare mecanică a sectorului pe măsură ce se înregistrează sau se şterg date. Această proprietate dă posibilitatea produselor MO să desfăşoare peste un milion de cicluri de ştergere, cu o mică degradare au chiar nici una.

8.3.4. Tehnologia Câteva aspecte importante ale tehnologiei de stocare optică de date sunt asociate cu

sistemul optico – mecanico – electric, care este folosit pentru a scrie şi citi date de pe disc. Această secŃiune prezintă concepte de bază necesare pentru a înŃelege cum funcŃionează aceste sisteme.

8.3.4.1. Densitatea datelor şi mărimea spotului

Capacitatea unui disc optic este determinată de densitatea datelor sale, care este numărul biŃilor de informaŃie stocate per zonă de unitate pe suprafaŃă şi zona de înregistrare.

Densitatea datelor este adesea specificată în gigabits (109 bits) pe inch2 pe zona de suprafaŃă de înregistrare (Gb-inch-2). De exemplu, un CD de 0,65 gigabyte (GB) are o zonă de înregistrare de aproximativ 14,5 inch2, aşa încât densitatea datelor este de: (0,65)(8)/14,5=0,36 Gb-inch-2, unde un byte = 8 bits.

O limitare fundamentală a densităŃii datelor se datorează mărimii razei laser focalizată, care iluminează suprafaŃa. Figura 8.23 arată o imagine detaliată a radiaŃiei laser apropiindu-se de suprafaŃă, unde radiaŃia este definită ca putere laser per zonă de unitate. În mod ideal, radiaŃia maximă este localizată pe materialul de înregistrare împreună cu cea mai mică mărime de spot s. Pe măsură ce distanŃa se măreşte de la focalizarea ideală, mărimea spotului creşte şi radiaŃia de vârf (maximă) descreşte. O distanŃă de defocalizare z∆ de doar 3 µm reduce dramatic radiaŃia maximă şi creşte mărimea spotului. O formulă aproximativă utilizată pentru a estima mărimea

ideală a spotului este ( )θλ sin=s , unde θ este unghiul marginal de rază de iluminare, aşa cum

se arată în Figura 8.22. Mărimea spotului s este lăŃimea distribuirii radiaŃiei la un nivel de iradiere de 1/e2 (13,5%), relativ către vârf. Valoarea lui θsin este adesea numită „apertură numerică” sau

NA, unde pentru CD, 78.0=λ µm şi NA = 0,47, a produce o mărime de spot de 1,7 µm.

Prezentarea sistemului DVD este 65.0=λ µm şi NA = 0,6, care produce o mărime de spot de 1,1 µm.

Page 285: CartedlComanescu Bun v1

285

8.3.4.2. Înregistrarea termică

Cu scopul de a scrie date pe un disc care se învârte, laserul trebuie adus la un nivel de mare putere.

Durata în timp a pulsului de mare putere determină lungimea tipăriturii de date care este scrisă pe suprafaŃă.

Figura 8.23

InscripŃionarea cu laser este posibil deoarece mediul este sensibil termal. Mediul prezintă o limită termală. Sub o limită, proprietăŃile mediului nu se schimbă

semnificativ. Dincolo de limită se întâmplă o schimbare fizică în cadrul mediului. Figura 8.23 arată linii de temperatură constantă care se numesc „izoterme”, generate pe o

suprafaŃă de aluminiu pentru un puls laser de 200 nano – secunde (200 x 10-9 sec). SuprafaŃa se mişcă cu 10 metri/secundă, astfel încât izotermele sunt împrăştiate de-a

lungul direcŃiei de scanare. Acest profil de reprezentativ pentru cele găsite pe discurile optice DVD. Trebuie observat faptul că încheierea pulsului generează un izoterm mai mare decât la

începutul pulsului, datorită căldurii care construieşte şi împrăştie pe suprafaŃa de scanare. Acest efect se numeşte „înflorire termală” (thermal blooming) şi este o problemă serioasă,

în special în sistemele magneto – optice, dacă nu se corectează variind proprietăŃile pulsului laser. Figura 8.23 indică dacă temperatura limită a mediului este egală cu 2000C , o

inscripŃionare de date de aproximativ 0,6 µm lăŃime şi 2,5 µm lungime va fi scrisă la această locaŃie, pe suprafaŃa discului [166].

8.3.4.3. Răspunsul de frecvenŃă şi egalizarea

Ultima limită a mărimii înregistrării pe suprafaŃa de înregistrare este determinată de răspunsul de frecvenŃă al sistemului optic. FrecvenŃa spaŃială este 1/T, unde T este perioada tipului de înregistrare. Pe măsură ce perioada descreşte, frecvenŃa spaŃială creşte. Răspunsul de frecvenŃă poate fi înŃeles pur şi simplu prin recunoaştere a comportamentului luminii reflectate şi cum lumina reflectată este colectată de lentile. De exemplu, Figura 8.24 arată distribuŃia luminii reflectate pentru un şablon periodic de inscripŃionare de-a lungul circuitului. Lumina reflectată este formată din trei conuri. ReflecŃia directă este conul central.

Cele două conuri exterioare se numesc „ordine de defracŃie” (diffracted orders).

Page 286: CartedlComanescu Bun v1

286

În aparenŃă ele sunt foarte asemănătoare cu conul central, dar ele sunt emise în afara unghiului ψ . Pe măsură ce T descreşte ψ creşte şi ordinele de defracŃie sunt emise pe o suprafaŃă

mai largă. ψ este invers proporŃional cu lungimea razei laser. Laserele cu lungimi de undă mai

mici emit ψ mai mici.

Figura 8.24

Când spotul scanează înregistrările de date, faza optică a fiecărui ordin de difracŃie se

schimbă, dar faza conului central nu se schimbă. DiferenŃa de fază dintre ordinele de difracŃie şi conul central produce o modulaŃie în zona de intersectare din cauza interferenŃei. Pe măsură ce spotul scanează tipăriturile de date, zonele de interferenŃă devine mai strălucitoare şi mai întunecată ca o funcŃie a poziŃiei relative dintre spot şi fiecare inscripŃionare. Strălucirea conului central nu variază. De aceea, contrastul modulaŃiei de semnal receptat de detectori este determinat de zona de limită. O zonă de limită mai mare produce un semnal de date de contrast mai mare. Pe măsură ce T descreşte şi zona de limită descreşte. În perioade critice de inscripŃionare, nu există o limită şi, în mod consecvent, nici o modulaŃi de semnal detector. Perioada critică de imprimare se numeşte limită de rezoluŃie TR a sistemului optic. O valoare numerică pentru TR este găsită din:

22

s

NATR == λ

unde NA este apertura numerică a lentilelor obiectiv şi s este mărimea spotului. Figura 8.25 arată funcŃia de transfer de modulaŃie pentru sistemele optice care prezintă

contrastul modulaŃiei curente de semnal cu frecvenŃa spaŃială a şablonului de imprimare. ModulaŃia maximă se observă pentru imprimări lungi. Contrastul se reduce gradual până la limita de rezoluŃie. De exemplu, cea mai scurtă perioadă de tipărire pe CD este în jur de 1,8 µm, care este un factor de două ori mai lung decât limita de rezoluŃie de 0,85 µm. Desigur, şabloanele (tiparele) reale de date sunt mai complicate decât tiparele periodice simple, dar fiecare şablon de date real poate fi descompus într-o colecŃie de şabloane periodice cântărite.

De aceea, funcŃia de transfer de modulaŃie este de asemenea folositor în descrierea comportamentului de sistem pentru şabloane (tipuri) de date reale.

Când tipurile de date reale conŃin componente şi de mare frecvenŃă şi de mică frecvenŃă, o diferenŃă importantă de contrast există în semnalul curent. Aceste diferenŃe de contrast duc la detectarea dificultăŃii tranziŃiei de semnal.

Page 287: CartedlComanescu Bun v1

287

Figura 8.25

Cu scopul de a minimiza diferenŃa de contrast, adesea sunt angajate circuite electronice în

timpul amplificării semnalului. Circuitele electronice egalizează parŃial funcŃia de transfer de modulaŃie şi furnizează o

decodare de semnal mai bună. Din păcate, limitările fizice ale circuitului electronic şi consideraŃiile despre zgomot nu

permit o egalizare perfectă, care ar păstra un contrast uniform pentru toate frecvenŃele spaŃiale, până la limita de rezoluŃie.

8.3.4.4. Efectele defocalizării

Figura 8.26

Page 288: CartedlComanescu Bun v1

288

Un exemplu de efect de defocalizare este arătat în Figura 8.27, unde radiaŃia de sistem de tip DVD cu NA = 0,6 şi mµλ 65.0= este schiŃat pentru câteva valori ale z∆ . La focalizarea de

z∆ = 0, spotul este bine delimitat şi doar o mică fracŃie din energia spotului este conŃinută de inelele de difracŃie încercuind lobul central. La z∆ = 0,5 µm, radiaŃia de vârf s-a redus uşor şi o cantitate mică de energie este mutată de la primul inel de defracŃie, mai aproape de lobul central. La D = 0,5 µm schimbările formei spotului nu va afecta în mod dramatic performanŃa. Pe măsură ce defocalizarea creşte dincolo de z∆ = 0,5 µm, radiaŃia de vârf se degradează rapid şi o cantitate semnificativă de energie este distribuită în inele de defracŃie. O estimare a „adâncimii focalizării”

permisă este ( ) ( )22 4/sin4// NAnnz λθλ −+=−+=∆ , unde n este indexul de refractare a

substratului discului. De exemplu, cu n = 1,5, z∆ = +/-0,67 µm. Efectul defocalizării unei funcŃii de transfer de modulaŃie neegalată se arată în Figura 8. 27, unde răspunsul de frecvenŃă medie a sistemului suferă degradări severe [166]. Viitoarele sisteme optice de iluminare vor folosi NA mare şi λ mai mic, cu scopul de a obŃine o mărime mai mică de spot şi o densitate a datelor mai

mare. Efectele folosirii unui NA mai mare şi a unui λ mai mic se arată în Figura 8.27 [166]. De exemplu, dacă NA al unui sistem DVD este crescut până la NA = 0,85, mărimea

spotului se reduce cu până la 30%. Defocalizarea permisă este redusă cu 50%. În mod alternativ, un laser albastru operând la λ = 0,405 µm şi NA = 0,60 prezintă o reducere de aproape 40 % la mărimea spotului cu cea mai bună focalizare, cu o penalitate de reducere a defocalizării cu acelaşi 40%. În general, este de preferat să se crească lungimea de undă decât să se crească NA, din cauza dificultăŃii descreşterii adâncimii focalizării.

8.3.4.5. Servo – optici

Mărimea spotului focalizat este foarte mică de-a lungul circuitului, ceea ce permite ca

multe date să fie scrise pentru fiecare revoluŃie a discului. Având în vedere că lumina spotului este de asemenea mică în direcŃia perpendiculară pe circuit, circuitele pot fi localizate strâns între ele (cu distanŃă mai mică între ele). În sistemele CD, şanŃul circuitului, unde şanŃul este un spaŃiu de pe circuit, centru către centru, în direcŃie radială, este de 1,6 µm. În sistemele DVD şanŃul circuitului este de 0,74 µm. LăŃimea inscripŃionării de date este, în mod normal, mai puŃin de jumătate din şanŃul circuitului cu scopul de a reduce efectul depăşirii inscripŃionării către piste adiacente. Spotul optic trebuie centrat peste inscripŃionări pe măsură ce discul se învârte pentru a obŃine amplitudinea maximă de semnal la decodare. O condiŃie tipică este că spotul trebuie Ńinut pe centrul pistei.

Figura 8.27

Page 289: CartedlComanescu Bun v1

289

Acest control al centrului spotului şi al poziŃiei de focalizare este complicat de faptul că discul optic şi motorul electric, care roteşte discul, suferă din cauza toleranŃei care induce variaŃii mari în poziŃia pistei pe măsură ce discul de învârte. De exemplu, grosime CD-urilor poate varia până la mai mult de 50 de ori de µm. Erorile din timpul procesului de modelare pot deplasa centrul pistei cu mai mult de 30 µm de la centrul rotaŃiei de disc. Devierea axei motorului poate induce variaŃii în poziŃia focalizării până la câteva sute de µm.

În sistemele comerciale de stocare optică de date, controlul poziŃiei este completat cu servo de feed-back ale buclelor. O diagramă elementară care ilustrează tehnica servo este prezentă în Figura 8.27.

DiferenŃa dintre poziŃia dorită a spotului şi o eroare de semnal care este derivată din poziŃia actuală a spotului este amplificată cu un G folosit ca intrare (input) într-una actuator H. Actuatorul este de obicei un obiect mecanic, ca o bobină, care mişcă un element optic, ce în schimb repoziŃionează spotul fie în direcŃia focalizării, fie de-a curmezişul pistei. PoziŃia spotului este determinată de senzorul de feedback şi noua informaŃie este trimisă înapoi buclei de control. Atât actuatorul de focalizare, cât şi de pistă se găsesc într-o singură unitate mecanică ce deplasează lentilele. O fotografie a dispozitivului de acŃionare de la un CD player comercial se arată în Figura 8.28. Lentilele sunt montate într-o suspensie care are o rată de mişcare de câŃiva mm în ambele direcŃii: a focalizării şi a pistei. Suspensia este rigidă. Partea fizică a suspensiei are magneŃi permanenŃi care sunt aliniaŃi cu bobine electrice pe partea mobilă a dispozitivului de acŃionare. Când circuitul electric trece prin bobine, câmpul magnetic indus prezintă o forŃă pe magneŃii permanenŃi şi mişcă suspensia. Dacă bobinele de circuit sunt activate, suspensia se mişcă traversând pista. Dacă bobinele de focalizare sunt activate, suspensia se mişcă în direcŃia focalizării. Mi şcând lentilele suspendate, poziŃia spotului pe disc poate fi schimbată. Când dispozitivele de acŃionare sunt combinate cu o buclă servo, controlul de acurateŃe al poziŃiei spotului este posibil, chiar în medii extreme, ca acelea găsite la player-ele portabile.

Figura 8.28

8.3.4.6. Senzori de feedback

O importantă parte a buclei servo prezentată în 6.17 este senzorul de feedback. De fapt, nu este posibil să controlezi poziŃia spotului mai bine decât un senzor poate detecta erorile de poziŃie. De regulă, senzorii diferiŃi de circuit şi de focus sunt implementaŃi în dispozitivele de stocare de date optice. Semnalul de eroare generat de senzorul de circuit se numeşte semnalul de eroare de circuit (tracking error signal) – TES şi semnalul de eroare generat de senzorul de focalizare se numeşte semnalul de eroare de focalizare (focus error signal) – FES. Următorii senzori TES şi FES sunt descrişi:

Page 290: CartedlComanescu Bun v1

290

Circuitul de împingere – tragere este o metodă de a furniza un semnal de eroare de circuit folosind un tip de şanŃ pe disc, unde perioada şanŃului este egală cu şanŃul pistei;

Circuitul cu trei spoturi – este o metodă de a furniza un semnal de eroare de circuit detectând semnalele de la cele trei spoturi focalizate pe disc, unde spotul central este fixat pe un circuit şi celelalte spoturi învecinate sunt de fiecare parte a spotului central, traversând pista;

Focalizare astigmatică – este o metodă pentru a furniza un semnal de eroare de focus fabricând o cantitate mică de astigmatism în servo – optici.

Generarea unui semnal TES folosind şanŃuri se arată în Figura 8.29. Pe lângă inscripŃionările de date, fiecare pistă conŃine o suprafaŃă de contact şi una de şanŃ. Datele sunt scrise de obicei pe suprafaŃa de contact care sunt mai aproape de lentilă decât şanŃurile. SuprafeŃele de contact şi de şanŃ formează o difracŃie în formă de reŃea, traversând pista. Când spotul este centrat pe buclă, faza fiecărui rodin de difracŃie este egală, astfel încât zonele de suprapunere sunt de o strălucire egală. Când spotul este în afară, faza ordinelor de difracŃie se schimbă şi strălucirea regiunilor de suprapunere devine neregulată.

Această asimetrie de strălucire este detectată cu un detector [166].

Figura 8.29

Semnalele curente A şi B sunt scăzute pentru a forma TES. Când spotul se mută într-o

direcŃie în afara centrului, puterea totală de pe detectorul A devine mai strălucitoare decât puterea totală de pe detectorul B. Semnalul TES este pozitiv. Pe măsură ce spotul continuă să se mişte în aceeaşi direcŃie, semnalele detectorului devin din ce în ce mai dezechilibrate, ceea ce creează un TES pozitiv. Dacă spotul se mişcă în direcŃia opusă, detectorii devin dezechilibraŃi în sens invers, care creează un TES negativ.

Lângă centrul pistei, TES este liniar şi furnizează un semnal de feedback de bună calitate care este direct proporŃional cu eroarea de poziŃie. TES este periodic cu o perioadă egală cu înclinarea pistei.

Acest tip de semnal TES se numeşte „pistă de împingere – tragere” care descrie comportamentul luminii pe detectori pe măsură ce spotul se mişcă dincolo de centrul pistei.

Pista de împingere – tragere este adesea utilizat la player-ele CD-R şi CD-RW. Atât tipurile de date cât şi şanŃurile produc ordine de difracŃie în lumina reflectată. Aceste

ordine se suprapun pe lentile, ca în Figura 8.30.

Page 291: CartedlComanescu Bun v1

291

Figura 8.30

Ordinele de difracŃie de la tipurile de imprimare se împrăştie paralel cu direcŃia de

scanare şi cantitatea împrăştiată este proporŃională cu frecvenŃa de imprimare de date. Ordinele de difracŃie de la şanŃuri împrăştiate perpendicular pe direcŃia de scanare şi

separarea lor este constantă. ModulaŃia se observă în zonele de suprapunere între ordinele de date şi lentile pe măsură

ce spotul scanează de-a lungul circuitului. Pe lângă modulaŃia datorată tipului de date, schimbări de strălucire se pot observa în zonele de strălucire între ordinele de şanŃ şi lentile în timp ce spotul se mişcă în afara pistei.

O a doua metodă folosită pentru a genera un TES se arată în Figura 8.30, care se numeşte „circuitul cu trei spoturi”. Pe lângă spotul laser central, sunt generate două alte spoturi laser. Aceste trei spoturi sunt focalizate pe detectori separaŃi A, B şi C de către servo – optici. Spotul conducător este reprezentat pe detectorul A şi spotul de pistă este reprezentat pe detectorul B. Spotul central care este folosit pentru a detecta semnalul de date este reprezentat pe detectorul C. Strălucirea spoturilor la detectori este determinată de mărimea suprapunerii dintre spot şi imprimarea de date. Când spotul este centrat pe o inscripŃionare de date, nivelul său corespunzător de nivel de lumină la detectori este cel mai redus. Când spotul de date este centrat pe o pistă, spoturile sunt deviate de la centru în direcŃia opusă, şi de mărime egală. Strălucirea lor la detectori este egală şi diferenŃa dintre semnalele de detector A şi B este zero. Când spotul iese uşor de pe circuit, aşa cum se arată în Figura 8.30, spotul principal suprapune mai puŃin datele şi spotul de pistă suprapune mai mult datele. De aceea strălucirea de pe detectorul A creşte şi strălucirea la detectorul B descreşte. DiferenŃa dintre detectorii A şi B este acum pozitivă. Când spotul de pe discul de transfer vine din direcŃia opusă, diferenŃa devine negativă. TES este generat de diferenŃa dintre curenŃii detectorilor A şi B şi furnizează un semnal de feedback de o bună calitate care este direct proporŃional cu eroarea de poziŃie din centrul pistei. Ca şi la circuitul de împingere – tragere, TES-ul pentru pista cu trei spoturi este periodic, cu o perioadă egală cu înclinarea pistei. Spre deosebire de tehnica tragere – împingere, TES-ul pentru pista cu trei spoturi cere ca spoturile să fie reprezentate din nou pe detectori.

Pista cu trei spoturi este adesea utilizată în playere-le CD pentru muzică, unde nu există un tip de şanŃ şi unul de zonă de contact, şi TES trebuie generat doar de la inscripŃionarea datelor.

Metoda „focus astigmatic” pentru a genera un semnal de eroare (FES) se arată în Figura 8.31 [166].

Page 292: CartedlComanescu Bun v1

292

Lumina reflectată este direcŃionată către servo – lentile, care afectează lumina de pe detectori. Spotul de lumină de pe detector îşi schimbă forma. Când discul este prea aproape de lentile, spotul de lumină se alungeşte de-a lungul diagonalei din dreapta a cadranelor detectorului A şi C. Când discul este focalizat, spotul de lumină devine circular. Când discul este prea departe de lentile, spotul de lumină se alungeşte de-a lungul diagonalei din stânga, pe cadranele B şi D ale detectorului. Semnalul FES este creat însumând cadranele diagonale şi apoi sustrăgând rezultatele. Dacă discul este prea aproape de lentile, FES este pozitiv. Dacă discul este focalizat, FES este zero.

Figura 8.31

Figura 8.32

Dacă discul este prea departe de lentile, FES este negativ. Aproape de condiŃia de

focalizare, FES este aproape liniar şi furnizează un semnal de feedback de o bună calitate pentru bucla servo. Comportamentul spotului prelungit se datorează unei cantităŃi mici de astigmatism în fabricarea servo – lentilelor. Astigmatismul este o diferenŃă în puterea de focalizare în direcŃii diagonale şi este similar cu astigmatismul care apare la ochiul uman.

Page 293: CartedlComanescu Bun v1

293

8.3.4.7. Zgomot şi instabilitate

Aşa cum se arată în Figura 8.33, limita de rezoluŃie a sistemului optic este determinată de funcŃia de transfer de modulaŃie zero. În practică nu este posibil să se obŃină această limită din cauza zgomotului. Zgomotul limitează abilitatea electronilor de detecŃie (detectoarelor) să determine tipul de bit potrivit de la semnalul de detectare. sursele de zgomot includ variaŃii de reflectivitate pe circuit, zgomot de foton în raza laser, zgomot de detectare şi alte surse.

Figura 8.33

Figura 8.34

Un semnal de detectare cu zgomot este prezentat în Figura 8.34 pentru un spot mare şi

unul mic. Tot atâta zgomot aleator se asum ambelor semnale. Cu scopul de a detecta tipul de bit, un nivel de limită se stabileşte pe baza amplitudinii de semnal. Când nivelul de semnal scade sub limită, se realizează o tranziŃie. Bitul de date (data bit) îşi schimbă valoarea de la 1 la 0 la tranziŃia din Figura 8.34, unde este un bit de date pentru fiecare inscripŃionare şi un bit de date pentru fiecare spaŃiu dintre inscripŃionări.

Această lungime minimă pentru inscripŃionare este o funcŃie a mărimii spotului s, şi de regulă este de 0,6 s. InscripŃionările şi spaŃiile pot fi mai lungi decât lungimea minimă de inscripŃionare, dar nu pot fi mai scurte.

Page 294: CartedlComanescu Bun v1

294

În schemele foarte simple de înregistrare, bitul de date poate reprezenta fluxul dorit de date de ieşire. În practică, tranziŃia semnalizează schimbarea valorii unui bit de canal, unde mai mult de un bit de canal este prezent pentru fiecare bit de date. BiŃii de canal sunt cei care determină fluxul de date de ieşire şi densitatea datelor. Fiecare bit de canal este definit ca o fereastră de bit de canal. Mărimea ferestrei este determinată de cât de mică poate fi fereastra înainte ca zgomotul să degradeze fiabilitatea detectării tranziŃiei.

O porŃiune mărită a regiunii de tranziŃie se arată în Figura 8.34.

Zgomotul de amplitudine Nσ de pe semnal creează incertitudinea Wσ în poziŃia

tranziŃiei. O eroare de detectare se întâmplă dacă zgomotul mută tranziŃia de la fereastra ideală la

cea din vecinătate. Mărimea ferestrei este de obicei specificată astfel încât incertitudinea Wσ

produce nu mai mult decât o eroare per 104 tranziŃii. variaŃia tranziŃiei din cadrul ferestrei de temporizare se numeşte variaŃie(instabilitate). Aşa cum se arată în Figura 8.34, mărimea lăŃimii

variaŃiei este o funcŃie a înclinării semnalului NW m σσ /= , unde m este înclinarea semnalului.

8.3.4.8. Codarea şi formatarea de date

Diferitele moduri de a organiza 1 şi 0 pe disc se numesc formate. Sunt câteva formate

diferite care se folosesc astăzi, inventându-se tot timpul unele noi. Unele sunt mai utilizate decât altele. Unele cer mecanisme de acŃionare speciale, în timp ce altele sunt compatibile unele cu altele până la un a numit punct. Această secŃiune descrie formatul CD – DA (digital audio). Detalii despre alte formate pentru CD-uri sunt prezentate în cărŃi de referinŃă. De exemplu, formatul CD-ROM urmăreşte „Cartea galbenă” (Yellow Book), CD-DA – „Cartea roşie” (Red Book) şi CD-R şi CD-RW – „Cartea portocalie” (Orange Book). Aceste standarde sunt importante pentru că asigură schimbul de informaŃii între diferite playere.

Setul de reguli folosit pentru a converti biŃii de date ai utilizatorului în reprezentări fizice ale datelor şi apoi pentru a-i aduce la loc se numeşte „codurile de canal”. Codul de canal pentru CD-ROM se numeşte modulaŃia de la opt la 6, EFM (eight to fourteen modulation). EFM interpretează datele utilizatorului împreună cu date de corecŃie de erori, date de adresă, date de sincronizare şi altele. Un exemplu de secvenŃă EFM se arată în Figura 8.35, unde este un minim de două zero-uri urmărind fiecare tranziŃie şi un maxim de 10 zero-uri, urmărind fiecare tranziŃie.

Figura 8.35

Numărul minim de zero-uri este fixat de cerinŃa de variaŃie, iar lungimea maximă este

fixată de nevoia de a furniza u semnal de sincronizare pentru ceasul de referinŃă din Figura 8.35. Conversia unui utilizator de 8 biŃi sub aceste restricŃii, la o secvenŃă de canal de 14 biŃi. O secvenŃă

Page 295: CartedlComanescu Bun v1

295

de canal se numeşte simbol. În timpul citirii, decodorul EFM al CD-ROM-ului merge în direcŃie opusă, aşa cum se arată în Figura 8.36, convertind semnalul curent într-un flux binar de date.

Poate exista o problemă dacă două simboluri urmează unul după altul. Dacă un „1” de la sfârşitul primului simbol este adiacent unui „1” de-al celui de-al doilea simbol, separarea „minimului” de două zero-uri nu se mai efectuează. Pentru a rezolva această problemă, 3 biŃi specială de canal sunt plasaŃi între cele două simboluri. pentru fiecare byte de utilizator de 8 biŃi, biŃii celui de-al 17-lea canal sunt utilizaŃi. secvenŃa de 17 biŃi se numeşte de asemenea simbol.

O unitate de informaŃii de bază stocată pe un CD se numeşte ramă de canal EFM (EFM channel frame), care conŃine un tip de sincronizare de 27 de biŃi şi simboluri de 32 de biŃi de canal 17.secvenŃa de simboluri se numeşte cadrul EFM (EFM frame) care conŃine simboluri de date de 24, un simbol de control de desfăşurare şi o corecŃie de eroare de 8 ECC (eight error correction), aşa cum se arată în tabelul 8.3. Cadrul de canal EFM este cea mai mică secvenŃă fizică recunoscută de-a lungul unui circuit. la CD-urile audio digitale, datele secvenŃiale de muzică sunt amestecate şi trec prin mai multe cadre, într-o manieră similară benzii audio digitale (DAT).

Tabelul 8.3 Canalul EFM al Compact discului Sistem Control şi

afişare Date utilizate BCC

27 biŃi 17 biŃi 408 biŃi 136 biŃi (8 simboluri)

←……………………561 biŃi = 1EFM ………………….→ ←…………………….588 biŃi = 1 EFM ………....………….……→

În timpul citirii, decodorul arătat în Figura 8.35 mai întâi determină simbolurile

secvenŃiale de pe disc, apoi le decodează pentru a produce fluxul de ieşire de date. La formatul CD-ROM, datele sunt organizate în mod logic pe sectoare care conŃin 2048

bytes de date, un tip de sincronizare de 12 bytes, identificarea sectorului de 4 byte şi 8 bytes adiŃionali care sunt folosiŃi pentru alte formate. O reprezentare a sectorului CD-ROM se arată în tabelul 8.4.

Tabelul 8.4 Sectorul logic după decodare al CD-ROM Sintaxa Adresa Mod Date utilizate BCC 12 bytes 3 bytes 1

byte 2048 bytes 280 bytes 8 bytes

←……………………………………2352 bytes ………………………….→ ←……………………………………98 EFM ... ………………………….→

Având în vedere că sectoarele sunt pur şi simplu o organizare logică a datelor, bytes

individuali din sector pot fi distribuiŃi pe suprafaŃa CD-ului. Un sector CD-ROM cuprinde 98 de cadre de suprafaŃă. Organizarea acestui sector este destul de diferită de sectoarele fizice de pe discurile magnetice, unde un sector logic corespunde unei lungimi continue a pistei. alte formate CD variază funcŃie de felul în care este definit sectorul.

8.3.4.9. ConfiguraŃii pentru suportul optic

Suportul optic poate fi produs în câteva configuraŃii diferite. Figura 8.35 arată patru configuraŃii care sunt de uz comercial sau au fost testate în laborator. Cea mai comună configuraŃie este discul cu un singur strat, cum este compact discul (CD), unde datele sunt înregistrate pe un singur nivel de stocare.

Cu scopul de a mări capacitatea discului, pot fi folosite mai multe straturi. Fiecare strat transmite parŃial, ceea ce permite unei porŃiuni de lumină să penetreze prin grosimea straturilor.

Page 296: CartedlComanescu Bun v1

296

spotul de scanare este ajustat prin refocalizarea iluminării, în aşa fel încât se citeşte strat cu strat. Unele formate DVD folosesc două straturi pe o parte a discului.

Datele mai pot fi înregistrate în configuraŃii volumetrice. Ca şi la discul cu mai multe straturi, spotul de scanare poate fi refocalizat prin volumul de material pentru a accesa informaŃiile. ConfiguraŃiile volumetrice oferă cea mai are eficienŃă pentru capacitatea de date.

ConfiguraŃia finală este de a plasa informaŃiile pe o suprafaŃă flexibilă, ca o panglică sau ca o bandă. Ca la banda magnetică, panglica este trasă sub spotul de scanare şi datele sunt înregistrate sau şterse. suportul flexibil are cam aceeaşi capacitate ca şi stocarea volumetrică. Avantajul unui mediu flexibil faŃă de mediul volumetric este acela că nu este necesară o refocalizare. dezavantajul este că un sistem mecanic oarecum complicat trebuie folosit pentru a transporta banda.

Figura 8.36

8.3.4.10. Surse laser

Dioda laser semiconductoare este elementul cheie al tehnologiei în stabilirea stocării optice de date. Deşi atât industria de comunicaŃii cât şi industria de stocare optică a datelor folosesc diode laser, cea din urmă foloseşte mai multe diode decât prima. Fiecare CD de pe piaŃă foloseşte o diodă laser AlGaAs care operează cu o lungime de undă de aproximativ 0,780 µm. Aceste mici surse de lumină sunt importante deoarece ele pot emite o rază relativ strălucitoare, sunt fiabile şi pot fi modulate direct cu circuite electronice simple.

Puterea de operare depinde de următoarele aspecte: dacă datele se scriu pe disc sau dacă datele sunt detectate în timpul citirii. Având în vedere că suportul de stocare optică este sensibil termic, o energie cu putere relativ mare se cere pentru a scrie date. De exemplu suporturile CD-R şi CD-RW cer de la 5mW până la 10 mW pe suprafaŃa discului în timpul scrierii. Deoarece sunt pierderi în sistemul optic asociate cu formarea razei laser a diodei şi direcŃionarea razei cu splittere de rază, eficienŃa căii optice este de aproximativ 50%. De aceea se cer diode laser care operează cu o energie (putere) mai mare de 20 mW. Pentru sistemele care scriu date mai repede decât timpul standard, se cere o putere mai mare deoarece discul se roteşte mai repede. În timpul citirii, energia este diminuată. Sistemele doar de citire cer doar 0,5 mW.

Page 297: CartedlComanescu Bun v1

297

Mai întâi sursa trebuie să manifeste o bună coerenŃă spaŃială deoarece majoritatea tehnicilor de pistă depind de un efect de interferenŃă între ordinele de defracŃie. De asemenea, structura longitudinală este importantă. Diodele laser pentru aplicaŃiile de stocare de date prezintă mai mult decât modul longitudinal. Acest comportament de mod este, în parte, datorat naturii inexpresive a mecanismului. Când sistemul optic citeşte date, o parte din lumina reflectată de la disc se întoarce înapoi la diodă. Efectele de feedback pot influenŃa ieşirea laserului şi pot creşte zgomotul laserului, care este o sursă de variaŃie. Având în vedere că variaŃia trebuie minimizată pentru a obŃine densitate mare, diodele laser sunt modulate la o frecvenŃă mare (aproximativ câteva sute MHz) cu scopul de a mixa structura de mod longitudinal şi de a preveni zgomotul datorat feedback-ului. Această modulaŃie de înaltă frecvenŃă produce o coerenŃă temporală mică, din cauza unui număr relative mare de moduri, observat pe lăŃimea benzii de detectare de date.

Având în vedere că limita de rezoluŃie este îmbunătăŃită utilizând lasere cu lungime scurtă de undă, sistemele moderne DVD folosesc diode de quantum multiplu produse în AlGaInP/GaInP de MOCVD. aceste diode emit cu o lungime de undă de la 0,635 µm până la 0,680 µm. Nivelele de energie de la diodă ajung la 35 mW până la 50 mW. Discurile optice din următoarea generaŃie vor folosi diode de laser violet InGaN, cu lungimi de undă de aproximativ 405 nm.

8.3.5. FuncŃionare Din punct de vedere constructiv o unitate CDROM este compusă din:

• un sistem de deplasare a sistemului de scriere-citire • un sistem de deplasare a discului (care poate fi cu tăviŃă sau de tip tray)

Trei caracteristici de funcŃionare importante de stocare optică de date sunt: • Capacitatea – este cantitatea maximă de date care poate fi stocată pe un singur disc.

Capacitatea se specifică în giga-bytes (GB) sau 109 bytes (1 byte = 8 biŃi). • Rata de transfer a datelor – este numărul biŃilor digitali pe secundă care sunt înregistrate sau

şterse de pe un disc în timpul transferului unui bloc mare de date. Rata datelor este specificată în termenii ca megabiŃi pe secundă (Mbps) sau 106 biŃi pe secundă.

• Timpul de acces – este intervalul de timp scurs între accesarea datelor şi momentul în care datele încep să fie transferate prin canalul de comunicare. Timpul de acces este specificat în milisecunde sau 10-3 secunde.

Rata de transfer a datelor şi timpul de acces determină puterea de tranzit a aparatului. Puterea de tranzit determină timpul cerut pentru a localiza şi a transmite date către şi de la mecanismul de stocare.

Rata de transfer a datelor poate fi diferită la scriere şi citire date pe un disc. În timpul inscripŃionării datelor, rata de transfer a datelor este determinată de cea mai mare viteză medie care produce inscripŃionări clare. În timpul citirii, rata de transfer a datelor este determinată de cea mai mare viteză medie care produce un raport suficient semnal – zgomot.

Tabelul 8.5 Viteza discurilor optice

Parametru CD 1X

CD 40X

DVD 1X

DVD 40X

Raza albastra 1X

Capacitate (GB) 0,64 0,64 4,7 4,7 20 Rata transfer date (Mbps) 1,2 48 10 400 25 CRP (capacity rate product)

0,77 30,7 47 4700 500

Timp recepŃionare (min) 70 1,7 62,7 1,6 106,7

Page 298: CartedlComanescu Bun v1

298

O modalitate de a creşte rata de transfer este de a utiliza mai mult de o rază laser o dată. Creşterea cantităŃii de date este aproape proporŃională cu numărul de raze.

Timpul de acces este determinat de latenŃa mecanică datorată rotaŃiei discului. cea mai mare latenŃă este timpul care-i ia discului să facă o mişcare de evoluŃie. Reducerea latenŃei cere mişcarea mai rapidă a discului.

ConsideraŃii importante pentru stocare sunt cererile de funcŃionare ale unei noi aplicaŃii. Un exemplu ilustrativ este piaŃa CD/DVD. Introdus în 1991, CD-ROM-ul avea o capacitate de 0,64 GB şi o rată de transfer a datelor de 1,2 Mbps. Deşi astăzi CD-ROM-ul are aceeaşi capacitate, piaŃa a adus rata de transfer a datelor la peste 50 Mbps.

O limitare serioasă există. Pe măsură ce rata de transfer a datelor creşte, timpul de rulare pentru o capacitate fixă, descreşte. AplicaŃiile care cer o rulare de mare durată trebuie să folosească mai multe discuri. De exemplu unui CD-Rom de 50 Mbps îi ia numai 102 secunde să citească întregul disc. Unui DVD-ROM ipotetic care operează la 400 Mbps îi ia mai puŃin de 100 secunde pentru a citi un disc de 4,7 GB.

Un lucru util este produsul capacitate – rată (capacity – rate product) (CRP), care este produsul capacităŃii în GB şi rata datelor în Mbps. CRP-u şi alte caracteristici sunt prezentate în tabelul 8.5. Factorul de accelerare a ratei de transfer a datelor este arătat ca 1X sau 40X, unde 1X se referă la rata datelor introduse mai întâi pe piaŃă, ca CD-ROM-ul în 1991. 40X se referă la o rată a datelor care este de 40 de ori mai rapidă decât rata 1X. În tabelul 8.5 sunt incluse date preliminare privind video – recorder – ul digital (digital video recorder) (DVR) sau BluRay, care este în desfăşurare.

8.3.6. Sisteme viitoare Parametrii a trei generaŃii de produse optice se arată în tabelul 8.6. Tabelul 8.6 Parametrii discului optic

Parametrul Unitate de măsură CD DVD Raza albastră

Lungime de undă µm 0,78 0,65 0,405 NA 0,45-0,5 0,6-0,65 0,85 ÎnălŃimea pistei µm 1,6 0,740 0,320 Şan µm 0,831 0,399 0,138 Densitate Gb/in2 0,4 2,8 15,9 Capacitate GB 0,65 4,7 27

Scurtând lungimea undei laser şi crescând NA, se reduce mărimea spotului şi creşte capacitatea. Sistemul Blu-ray (raza albastră), care operează la λ = 0,405 µm şi NA = 0,85, furnizează o capacitate de 27 GB pe strat. Sistemul Blu-ray este aproape de limită pentru sisteme optice convenŃionale cu materiale optice standard. De exemplu, creşterea NA dincolo de 0,85 este posibilă cu un sistem optic convenŃional, dar provocările inginereşti sunt substanŃiale. Cercetări recente arată două tehnologii promiŃătoare, care ar putea furniza discuri optice de a patra generaŃie.

Prima tehnologie se numeşte optici aproape de câmp (near – fields optics). Aceştia folosesc un captator, ca o mică gaură într-un film de metal sau un element special cu lentile, pentru a produce un spot de lumină care e mai mic decât mărimea ideală de spot, dată de NAs /λ= .

Inventate de prof. Gordon Kino şi colegii la Universitatea din Standford, lentilele de imersie solidă (solid immersion lens) (SIL) sunt investigate ca posibile candidate de captatori near – field. Sistemul SIL de bază se arată în Figura 8.37, unde sistemul optic este suplimentat cu un element de lentile semisferice. Când lumina focalizată de la lentilele de obiectiv intră în SIL, viteza luminii încetineşte, în acord cu „n”, indexul de refracŃie al lentilelor. Unghiul marginal de

rază, θ , nu este deviat de semisferă când intră în materialul cu lentile, deci θθ =' . Având în

Page 299: CartedlComanescu Bun v1

299

vedere că frecvenŃa laser nu se schimbă, lungimea efectivă a undei se reduce şi mărimea spotului

este dat acum de ( ) efNAs /sin ' λθλ == , unde efNA este apertura numerică efectivă.

O a doua posibilă tehnologie pentru discuri optice de a patra generaŃie se numeşte sistemul magneto – optic de amplificare magnetică (MAMMOS). MAMMOS este avantajat de faptul că limitarea de bază a rezoluŃiei în sistemul de stocare optică a datelor este citire de date. Cu un puls laser şi un câmp extern de modulare, domeniile magnetice pot fi scrise în stratul de înregistrare care sunt mult mai mici decât limita de rezoluŃie. Citirea acestor înregistrări în sistem MAMMOS este ilustrată în Figura 8.38, unde este utilizat un pachet MO cu mai multe straturi [166].

Figura 8.37

Fiecare strat MO reacŃionează diferit la căldura depozitată de raza laser, stratul de la baza

de jos, care se numeşte stratul de înregistrare, conŃine informaŃiile scrise sub forma unor biŃi mici. Acest strat are o coercivitate mare şi nu este afectat uşor de temperaturile relativ mici generate de raza de citire. Stratul de deasupra este stratul de expansiune şi are o coercivitate mică, pe lângă alte proprietăŃi speciale. Stratul din mijloc este un strat magnetic, subŃire. Când raza de citire încălzeşte stratul de expansiune, energia mecanică de la stratul de înregistrare se cuplează cu stratul de expansiune şi formează o copie a stratului de înregistrare. Doar o mică regiune a stratului de stocare din jurul centrului spotului laser este copiată. Capacitatea sistemelor MAMMOS s-a demonstrat a fi aproximativ de trei ori mai mare decât discurile Blu–Ray. O posibilă dificultate a sistemelor MAMMOS Ńine de partea economică a producerii discurilor.

Figura 8.38

Page 300: CartedlComanescu Bun v1

300

Şi alte sisteme sunt demne de a fi menŃionate. De exemplu, structurile de super – rezoluŃie near field (Super RENS) combină un strat de material optic neliniar cu o structură de suport convenŃional de schimbare de fază. Acest sistem are avantajul folosirii efectelor optice near field cu un sistem de citire convenŃional. Nu este necesar să se menŃină un mic spaŃiu liber, aşa cum se cere în sistemele SIL. De asemenea, sistemele de stocare volumetrică promit pe viitor. În loc să se înregistreze doar unul sau două straturi, sistemele volumetrice stochează date pe câteva sute de straturi. stocarea de date optice şi stocarea pe discuri magnetice pot converge într-o înregistrare hibridă, care foloseşte raza optică doar ca pe o sursă de căldură pentru a scădea coercivitatea scrisului magnetic. Citirea hibridă poate fi completată cu senzori magnetici şi înregistrarea hibridă poate folosi optici near – field.

8.3.6.1. Caracteristici ale pistei

CD-ul ca piesă fizică se prezintă ca un disc de dimensiuni mici (12 cm diametru şi 1,2 mm grosime), realizat din masă plastică.

Pentru a fi asigurată compatibilitatea disc - CDP (aparat de redare), toate dimensiunile elementelor constructive ale unui CD sunt standardizate. De asemenea este standardizată şi prelucrarea digitală a semnalelor AF [47, 48].

Înregistrarea semnalului audio (sub formă prelucrată - digital) constă dintr-o succesiune de adâncituri (pit) realizate pe una dintre suprafeŃele discului. Aceste adâncituri care formează semnalul primar sunt despărŃite de mici pauze între ele şi sunt înşirate pe suprafaŃa discului sub forma unei piste în spirală. Partea de bază a discului este formată dintr-un material plastic transparent (uzual, policarbonat). Acesta are de altfel şi o grosime de 1...1,1 mm din grosimea totală de 1,2 mm.

Înregistrarea este realizată pe una dintre suprafeŃele discului transparent și constă în mici adâncituri de ordinul a 0,11 µm. SuprafaŃa pe care s-a realizat înregistrarea este metalizată, pentru a deveni reflectorizantă, şi apoi protejată mecanic printr-o folie de protecŃie şi o etichetă comercială.

a - dispunerea spaŃiala a adânciturilor sub formă de pistă în spirală;

b - secŃiune a discului perpendiculară pe piste. Figura 8.39 Structura compact discului:

Page 301: CartedlComanescu Bun v1

301

Din direcŃia de ,,citire" a discului (suprafaŃa transparentă), adânciturile se percep ca mici ridicături însă în literatura de specialitate pentru ele se păstrează numele de ,,pits" (adâncituri). ÎnălŃimea ridicăturilor (semnalele audio digitate) este de 0,11 µm, comparabilă cu λ/4 a radiaŃiei laser cu care se face citirea, ceea ce face ca salturile respective (ridicătură - pauză şi invers) să fie uşor sesizabile la ,,citirea" optică.

Lungimile adânciturilor (ridicăturilor) cât şi ale pauzelor cu care alternează sunt limitate la 9 valori formate din 3... 11 unităŃi de circa 0,3 µm (mai exact 0,29 µm).

Pe un CD pot apărea deci alternativ adâncituri şi pauze ale căror lungimi au valori fixe: 0,87 µm; 1,16 µm; 1,45 µm; 1,74 µm; 2,03 µm; 2,32 µm; 2,61 µm; 2,90 µm şi 3,19µm.

LăŃimea adânciturilor (ridicăturilor) este de 0,5 µm iar distanŃa dintre axele a două piste (trasee ale spiralei) este de 1,6 µm.

PoziŃia pistelor pe disc este dată în Figura 8.39 [47, 48].

Figura 8.40 PoziŃionarea pistelor pe disc

Din toată suprafaŃa discului, numai pe o coroană circulară de 33 mm din cei 60 mm ai

razei sunt înregistrate semnale audio. Deşi suprafaŃa care conŃine înregistrarea are dimensiuni mici, datorită gabaritelor extrem

de reduse ale adânciturilor cât şi a densităŃii pistelor, pe un compact disc se realizează circa 6 miliarde de adâncituri dispuse pe 20.000 de piste, asigurând astfel un timp de audiŃie de peste o oră (până la 72 minute).

Din descrierea construcŃiei CD reiese că acesta este utilizabil pe o singură parte - cea transparentă. În consecinŃă, CD-ul este aşezat în CDP (aparatul de citire) cu eticheta în sus, citirea făcându-se de jos în sus cu ajutorul traductorului optic [47, 48].

Principalii parametri tehnici ai sistemului CD sunt daŃi în tabelul 8.7.

Page 302: CartedlComanescu Bun v1

302

Figura 8.41 Forma unui CD

Tabelul 8.7 Principalii parametri tehnici ai sistemului CD Nr. crt. Parametrul CD Formă şi dimensiuni Figura 8.40 Diametrul maxim al discului 120 mm Diametrul cercului de start 47 mm (interior) Diametrul cercului de decupare 117 mm (exterior) Mod înregistrare Spirală - 1faŃă Sensul înregistrării – spirală De la centru spre marginea exterioară LăŃime pistă 1,6 µm Număr piste/1 faŃă 20.625 (5300 m) Viteza unghiulară Maxim: 568 ture/min

Minim: 196 ture/min Viteza liniară Constantă: 1,2 m/s sau 1,4 m/s Durată 63 ... 74 minute

Principalii parametrii electrici ai sistemului CD sunt daŃi în tabelul 8.8. Tabelul 8.8 Principalii parametrii electrici ai sistemului CD

Nr. crt. Parametrul CD Banda de AF 20 Hz ... 20 kHz (±0,5 dB) Dinamica semnalului >90 dB (în toată gama) Raportul semnal – zgomot 90 dB Distorsiuni armonice <0,01% Separarea între canale ≥90 dB FluctuaŃii la redare De precizia cuarŃului (10-6)

Pe un disc laser, datele digitale sunt codate pe o pistă în formă de spirală, având

adâncituri de lungimi variate. Trăsăturile suprafeŃei pentru un CD şi un DVD sunt prezentate în Figura alăturată [171].

Page 303: CartedlComanescu Bun v1

303

Tehnologia discului se bazează pe o rază laser focalizată care trebuie să distingă circuitele de date şi să recunoască adânciturile de pe suprafaŃa reflectoare a discului. Cât de bine poate fi focalizată o rază laser, este un factor de limitare pentru capacitatea de stocare a datelor. Datorită fenomenului de difracŃie, această limită de focalizare este în relaŃie cu lungimea de undă sau cu culoare laserului folosit. Discurile audio CD obişnuite se bazează pe o diodă laser infraroşu. DVD-ul recent se bazează pe o diodă cu un laser roşu. În 1996, fabricanŃii de laser au atins un apogeu în dezvoltarea laserelor cu lumină albastră. Laserele albastre cu lungime de undă mai mică vor putea sprijini într-o bună zi o nouă generaŃie de compact discuri, care stochează mai multe date decât DVD-ul normal. ProprietăŃile fizice ale discului pentru tehnologia laser bazată pe laser infraroşu (CD), roşu (DVD) şi albastru (ipotetic) sunt prezentate mai jos.

A doua trăsătură de design este legată de partea mecanică de realizare a mişcării de rotaŃie a discului. Discurile laser pot fi proiectate fie pentru discuri cu viteză unghiulară constantă (CAV), fie pentru discuri cu viteză liniară constantă (CLV). Cu scopul de a menŃine o viteză constantă a capului de citire peste circuitul de date, CLV trebuie să se rotească mai repede când citeşte circuitul interior (mai scurt). În general, discurile CLV au o capacitate mai mare de stocare . Discurile CAV oferă un avantaj de funcŃionare – timp de accesare mai rapid. Pentru discurile CLV există un timp de aşteptare pentru ca discul să mărească viteza sau să încetinească pe măsură ce capul de citire se mişcă între pistele interioare şi cele exterioare. Pentru aplicaŃii care implică o accesare întâmplătoare a datelor, un disc CAV oferă un avantaj de funcŃionare. Discurile CLV cu capacitatea lor mai mare a datelor oferă o funcŃionare mai bună pentru asemenea aplicaŃii, cum ar fi video şi/sau muzică.

8.3.6.2. SuprafaŃa inelară de stocare a datelor şi înălŃimea pistei

În Figura 8.42 se indică dimensiunile unui compact disc standard şi pentru un disc CLV, precum şi regiunea circulară folosită pentru stocarea de date.

Figura 8.42

Un compact disc are un diametru de 120 mm. SuprafaŃa de stocare a datelor este o regiune circulară de 35,5 mm lăŃime şi o rază interioară de cerc de 22,5 mm şi o rază externă de 58 mm. O bandă de 2 mm pe exteriorul discului nu este folosită pentru inscripŃionarea de date [171].

Page 304: CartedlComanescu Bun v1

304

Cu ajutorul unei linii, se pot verifica aceste dimensiuni pe un CD audio, dimensiuni care sunt stabilite prin convenŃii internaŃionale.

Un circuit spiralat liniat este prezentat în Figura 8.43. Adâncitura pistei, indicată cu litera p pe desen, este distanŃa fixată între cicluri succesive ale spiralei.

Figura 8.43

8.3.7. Limite de difracŃie pentru înălŃimea pistei şi densitatea liniară a datelor

Pentru CD-uri audio convenŃionale, înclinarea pistei este de 1,6 µm (milionimi dintr-un

metru). Mărimea adânciturii este destul de mică încât fiecare milimetru de pistă poate codifica în medie 121 bytes de informaŃii. O rază laser este focalizată pe pista în mişcare, pe suprafaŃa CD-ului. Intensitatea luminii reflectate este modulată de prezenŃa (sau absenŃa) adânciturilor, care fac procesorul să adune date digitale de pe disc. Imaginea circulară de pe suprafaŃa CD-ului a razei laser este de aproximativ 2 µm în diametru. Înclinarea pistei şi imaginea razei laser sunt prezentate în Figura 8.44 [171].

Figura 8.44

Page 305: CartedlComanescu Bun v1

305

Aceste dimensiuni sunt foarte mici – cele mai mici entităŃi care sunt în mod curent

fabricate de tehnologia prezentă. O simplă particulă de praf (40 µm lăŃime) ar acoperi 20 de circuite pe un CD. Înclinarea pistei la un DVD este chiar mai mică.

Pentru a citi aceste mici adâncituri, o rază de lumină trebuie să fie foarte bine focalizată, ceea ce îi confruntă pe cei care realizează laserul cu fenomenul numit difracŃie. pentru a descrie mai bine problema focalizării ori rezoluŃiei, Figura 8.45 arată o configurare comună a elementelor optice. lumina este incidentă pe o lentilă după ce trece printr-o diafragmă restrictivă şi apoi este focalizată către un „punct” pe un substrat sau o suprafaŃă.

Această configuraŃie ar putea portretiza o cameră simplă, unde substratul este film, sau ochiul uman. unde diafragma este pupila şi substratul este retina. Această aranjare este o parte a echipamentului fotolitografic pentru a face un microcircuit de computer. Diafragma este masca ce conŃine diagrama circuitului inscripŃionat, iar substratul este suprafaŃa microcipului pe care circuitul va fi gravat. În cazul CD-urilor diafragma este lăŃimea razei diodei laser şi substratul este suprafaŃa CD-ului.

Imaginând razele luminii ca un curent de particule (fotoni), aşa cum a făcut Isaac Newton, se sugerează ca raza de lumină poate fi focalizată către un spot infinit de mic, un punct. Totuşi, în această situaŃie unde dimensiunile sunt microscopice, difracŃia devine un factor care limitează. conceptualizând lumina ca pe o undă, se furnizează un model care constă în observaŃie şi experiment fizic. De fapt, focalizarea către un punct, chiar cu echipament perfect, nu este posibilă. Pentru o configurare de focalizare dată, mărimea celui mai mic posibil spot de lumină,

numit rază îngustată (waist beam) l, este determinată de relaŃia D

xl fλ22.1= , unde f este

lungimea focală a lentilei, D este deschiderea diafragmei şi λ este lungimea undei de lumină de rază. ImplicaŃiile tehnologice ale informaŃiilor din această formulă sunt destul de surprinzătoare. O valoare mică a îngustării razei este critică pentru o imagine fotografică exactă, un circuit tipărit de o mare densitate sau, în acest caz, luminarea micilor adâncituri de pe disc. Îngustarea razei poate fi redusă prin mărirea diafragmei. Acest lucru forŃează lentila să fie mai mare. De asemenea, lungimea focalizării se va lungi pe măsură ce lentila se măreşte şi se îngroşă. Potrivind lungimea de undă se reduce de asemenea îngustarea razei. Din acest motiv, dezvoltarea razelor laser cu lumină albastră de la cipurile semiconductoare de gallium – nitrit a fost o tehnologie importantă în 1996. Designul final al configuraŃiei laser pentru un disc (cu diametrul îngustării razei rezultat) este o optimizare cu respect pentru multe variabile şi factori tehnici.

Figura 8.45

Page 306: CartedlComanescu Bun v1

306

Următorul tabel conŃine valori pentru îngustarea de rază a razei laser focalizate, pentru tehnologii de laser infraroşu (CD), roşu (DVD) şi albastru (ipotetic) [171].

Tabelul 8.9 ProprietăŃi fizice pentru trei tehnologii laser Culoare laser LăŃimea razei Rază îngustată Densitate liniară

de date infraroşu 780 nm 2 µm 121 bytes/mm roşu 640 nm 0,925 µm 387 bytes/mm albastru 410 nm 0,4 µm 800 bytes/mm

Îngustarea razei laser focalizate controlează înclinarea (panta) pistei, cât şi densitatea şi

mărimea adânciturilor care codifică datele. Înclinarea (panta) pistei este de 0,8 ori mai mare decât îngustarea razei. Densitatea liniară a datelor (date per lungime de unitate a pistei) depinde de mărimea adânciturilor şi de cât de apropiate au fost grupate împreună. Aceste dimensiuni sunt de asemenea controlate de rezoluŃia razei laser focalizate. Valori pentru densitatea liniară de date sunt listate pe ultima coloană a tabelului 8.9 pentru tehnologii de laser infraroşu, roşu şi albastru.

8.3.7.1. Calculul exact al lungimii spiralei

În coordonate polare, modelul matematic apropiat pentru o pistă este [171]:

bap

rr ≤≤+= θθπ

θ ,2

)( 1

unde: r1 – raza interioară (22,5 mm) p – înălŃimea pistei. Trebuie menŃionat faptul că θ trebuie să se rotească cu π2 radiani pentru fiecare ciclu,

raza ( )θr creşte cu înălŃimea pistei p, la un ciclu complet. Intervalul pentru θ va fi:

R×≤≤ πθ 20 , unde R reprezintă numărul total de cicluri pe o pistă. Raza regiunii inelare unde se pot

stoca date este de 35,5 mm, deci relaŃia dintre înălŃimea pistei p şi numărul de cicluri sau inele este:

p

R5.35= ,

unde p este măsurat în mm. Valoarea lui p pentru cele trei culori ale razei laser sunt obŃinute prin multiplicarea îngustării razei din tabelul 8.9 cu 0,8. łinând seama de cele de mai sus, ecuaŃia în coordonate polare (8.1) pentru pista în formă de spirală se poate scrie:

Rxp

pr ππθ

πθ 22

5.350,

25.22)( =≤+=

unde valoarea lui p este dată mai sus. În coordonate polare, lungimea arcului de cerc este dată de ecuaŃia diferenŃială:

2222 drdrds += θ

deci, pentru a calcula lungimea pistei pL funcŃie de p se va calcula cu ajutorul integralei:

θπ

θπ

π

dpp

LR

p

22

0

2

25.22

2

+

+= ∫

Page 307: CartedlComanescu Bun v1

307

Utilizând substituirea: 5.222

+= θπp

u , relaŃia de mai sus devine:

dup

up

Lp

258

5.22

2

22

+= ∫ ππ

Utilizând substituirea trigonometrică, relaŃia de mai sus devine:

58

5.22

2222

2ln

22

1

22

2

+

+

+=πππ

π pu

ppu

u

pLp

Cu ajutorul relaŃiei de mai sus se poate calcula lungimea de pistă pentru valori diferite ale

înălŃimii de pistă p. Rezultatele obŃinute sunt date în tabelul 8.10. Tabelul 8.10 Lungimea pistei calculată pentru CLV

ÎmpărŃind lungimea Lp din tabelul 8.10, cu valoarea 1.609 x 106, se va obŃine valoarea

acesteia în mile.

8.3.7.1.1. Metode alternative de estimare a lungimii de pistă Pentru calculul lungimii se vor utiliza trei metode [171]. Prin toate cele trei metode se

obŃin valori aproximative pentru lungimea de pistă, notată cu Ap (care depinde de înălŃimea pistei p):

pxxRAp

5.35

2

5.355.222

2

5.355.222

+=

+= ππ

unde p este înălŃimea pistei şi p

R5.35= reprezintă numărul de cicluri.

Înainte de a prezenta cele trei metode, în tabelul 8.11, se vor compara valorile obŃinute pentru Lp şi Ap.

Tabelul 8.11 Valorile exacte şi aproximative ale lungimii de pistă Culoare rază laser (nm)

ÎnălŃimea p (microni)

Lp (mm)

Ap (mm)

Eroare (mm)

Infraroşu (780) 1.60 5.611.300 5.611.179 121 Roşu (640) 0.74 12.132.335 12.132.279 56 Albastru (410) 0.32 28.055.919 28.055.895 24

Cea mai mare eroare este de 121 mm (aproximativ 5 inch). Erorile obŃinute au valori

mici.

Culoare laser (nm)

Rază îngustată (microni)

ÎnălŃime p (microni)

Număr cicluri R

Lungimea Lp (mm)

Lungime Lp (mile)

Infraroşu (780) 2.000 1.60 22.188 5.611.300 3.49 Roşu (640) 0.925 0.74 47.973 12.132.334 7.54 Albastru (410) 0.400 0.32 110.938 28.055.919 17.44

Page 308: CartedlComanescu Bun v1

308

8.3.7.1.1.1. Metoda A

Pentru a estima suma circumferinŃelor tuturor inelelor circulare concentrice se va înmulŃi media circumferinŃei inelului cu numărul total de inele. Astfel se va obŃine lungimea aproximativă a lungimii de pistă:

+=

+=p

xxRAp

5.35

2

5.355.222

2

5.355.222 ππ

8.3.7.1.1.2. Metoda B

O a doua metodă este de a estima lungimea pistei, calculată literal, a tuturor circumferinŃelor cercurilor concentrice, cu ajutorul formulei:

∑−

=

++≈1

01 2

15.222

R

np npA π

Acesta poate fi calculată cu formula ( )

∑=

+=N

n

NNn

0 2

1

Utilizând faptul că 335=pR , cea de-a doua formulă pentru calculul lungimii pistei, se

observă că aceasta este aproximativ egală cu Ap.

Se observă că expresia

+2

1n utilizată anterior poate fi înlocuită cu n sau ( )1+n ,

accesată înlocuire depinzând de aşezarea primului cerc concentric.

Valorile obŃinute în urma celor două înlocuiri sunt 3105.35 −+ xAp π metri sau

3105.35 −− xAp π metri. DiferenŃa între cele două estimări şi Ap este de

inchmm 4.45.1115.35 ≈≈π .

8.3.7.1.1.3. Metoda C

A treia metodă de calcul aproximativ a lungimii de pistă a fost elaborată de către David Carson. Această metodă se bazează pe faptul că lungimea totală a pistei, notată cu Lp, (care depinde de înălŃimea p) se poate aproxima ca fiind egală cu aria totală regiunii inelare de date (A).

( ) ( ) 5.352

5.355.2225.2258

2

5.225825.2258 22

+=−+=−= πππA

łinând seama de cele prezentate mai sus şi de faptul că p

R5.35= , se obŃine:

pAp

ArieA =≈

Şi prin această metodă se obŃin valori asemănătoare cu cele obŃinute utilizând primele două metode.

Se constată faptul că valorile obŃinute pentru Ap sunt foarte aproape de valorile calculate exact [171].

Considerăm pentru raza laser de culoare roşie valoarea lui mmxp 3106.1 −= . Prin

calcul se obŃin următoarele valori:

mmAp 179.611.5= ; mmLp 5.299.611.5=

Page 309: CartedlComanescu Bun v1

309

DiferenŃa dintre cele două valori calculate este de aproximativ 120 mm în 5 milioane de mm (mai puŃin de 5 inch la 3.5 mile). Această diferenŃă între Ap şi Lp se poate micşora pentru alte valori ale parametrului p.

ObŃinerea valorilor atât de apropiate poate avea două explicaŃii: prima explicaŃie implică estimarea integrală a arcului de cerc, iar cealaltă se bazează pe o simplă analogie.

dup

up

Lp

258

5.22

2

22

+= ∫ ππ

Se va folosi substituŃia π2

pa = şi dezvoltarea binomului

)(8

1

2

111 2 xhxxx +++=+ , unde h(x) va avea puteri mai mari de 3. Se va obŃine:

+

−+=+=

+u

ag

u

a

u

au

aau

a

pu

p

322

22

8

1

2

111

2

2

ππ

unde g(x) conŃine termeni cu puteri mai mari de 5.

Se va folosi notaŃia ∫ =58

5.22

1pAudu

a

∫ ≤

=58

5.22 5.22

58ln

2

1

2

1aadu

u

a şi ∫ ≤

−=

58

5.22

322

33

58

1

5.22

1

168

1a

adu

u

a

Pornind de la valoarea lui mmp

a 3102

−≤=π

şi mergând până la valoarea lui p (care

este 0,0016), se vor obŃine valori apropiate de ale lui Ap. Aproximarea se bazează pe modelarea spiralei ca inele, astfel „panta” (sau înălŃimea

pistei) nu este luată în calcul. Pista are o lungime de 3,5 mile (5,611,179 m). Raza laser parcurge o lungime de circa 35,5 mm de la raza interioară către cea exterioară. Prin analogie, se va compara într-un triunghi dreptunghic, lungimea ipotenuzei (notată cu h) funcŃie de lungimile celor două catete: cateta cea mai lungă are lungimea de 5,611,179 mm, iar cealaltă 35,5 mm). Astfel lungimea ipotenuzei este:

[ ]mmh 00011229.179.611.55.35179.611.5 22 =+=

8.3.8. Optimizarea inscripŃionării datelor Pentru discurile CAV, suprafaŃa optimă pentru inscripŃionarea datelor este una inelară,

care are raza exterioară mai mare decât raza interioară de 1,5 ori. Fie r variabila care reprezintă raza interioară a suprafeŃei inelare. Astfel, cantitate de date

scrise pe pista interioară va fi rxkπ2 , unde k reprezintă densitatea liniară a datelor (numărul de bytes a datelor pe unitatea de lungime). Dacă raza exterioară a discului este D, atunci numărul de

piste va fi dat de relaŃia p

dD −, unde p este înălŃimea pistei (distanŃa dintre piste). Atâta timp cât

cantitatea de date pe toate pistele (înregistrările) este aceeaşi, capacitatea totală C(r) a datelor este:

Page 310: CartedlComanescu Bun v1

310

( ) ( )rDKrp

dDxkxrrC −=−= π2

RelaŃia este o ecuaŃie de gradul 2 în r. Pentru a trasa graficul acestei se vor utiliza proprietăŃile parabolei, sau se va calcula derivata şi se va anula, pentru a găsi maximul pentru C(r)

până când 2

Dr = .

Lungimea efectivă a pistei pentru discul CAV este dată de numărul de inele sau de numărul de cicluri de parcurge a circumferinŃei interioare a inelului [171].

Lungimea pistei pentru discuri CAV este dată de relaŃia de mai jos:

px

pxxRdiscCAV

πππ 1682292

29292 ===

Rezultatele obŃinute pentru lungimea piste sunt prezentate în tabelul de mai jos. Tabelul 8.12 Lungimea efectivă a pistei pentru CAV

Culoare rază laser (nm)

ÎnălŃimea p (microni)

Număr inele

Lungimea efectivă (mm)

Lungime (mile)

Infraroşu (780) 1.60 17.125 3.302.599 2.05 Roşu (640) 0.74 39.189 7.140.755 4.44 Albastru (410) 0.32 90.625 16.512.996 10.26

8.3.8.1. Capacitatea de inscripŃionare a imaginilor

Tabelul 8.13 Capacitate Culoar

e rază laser (nm)

ÎnălŃime (µm)

Număr inele

Lungime (mm)

Lungime (mile)

Densitate (byte/mm)

MB min video

Meg-recors

Infraroşu (780)

2.000 1.60 22.188 5.611.179 3.49 121 679.0 18 13.6

Roşu (640)

0.925 0.74 47.973 12.132.279 7.54 387 4695.2 126 93.9

0.400 0.32 110.938

28.055.895 17.44 800 22444.7

603 448.9

Tabelul 8.14

Capacitate Culoare rază laser (nm)

ÎnălŃime (micron)

Număr inele

Lungime (mm)

Lungime (mile)

Densitate (byte/mm)

MB min video

Meg-recors

Infraroşu (780)

2.000 1.60 18,125 3,302,599 2,05 121 399,6 11 8,0

Roşu (640)

0.925 0.74 39,189 7,140,755 4,44 387 2763,5

74 55,3

0.400 0.32 90,625 16,512,996

10,26 800 13210,4

355 264,2

Page 311: CartedlComanescu Bun v1

311

Capacitatea discului, în megabytes, este dată de relaŃia:

liniaradensitatepistalungimecapacitate ⋅=

Capacitatea de stocare a imaginii este: 0,62 MB/s x 60 sec = 37,2 Rezultatele obŃinute sunt sintetizate în tabelele de mai sus.

8.3.8.2. Studiu comparativ al performanŃelor CD, CD-RW şi

DVD

8.3.8.2.1. DiferenŃe între discurile CD-R/CD-RW şi CD standard

Principala diferenŃă fizică dintre aceste două tipuri de discuri şi CD-ul standard (audio sau

CD-ROM) este că acesta din urmă nu are strat de imprimare/înregistrare; informaŃia este în mod permanent înregistrată în stratul de culoare argintie. Comparate cu CD-ul standard, CD-R-ul şi CD-RW-ul au o suprafaŃă amplasată deasupra, suprafaŃă ce este folosită pentru a selecta datele în vederea procesului de înregistrare, după care le împarte în două părŃi:

parte cuprinde suprafaŃa memoriei program ce conŃine la rândul ei numărul de titluri înregistrate, modul lor de ascultare şi punctele de oprire;

cealaltă parte cuprinde suprafaŃa de program de control, ce este folosită de CD-R-ule 870 pentru a controla energia de laser solicitată prin mijloace concise la o probă de înregistrare. Acest control este necesar pentru a permite producerea de toleranŃe între discurile individuale, variaŃiile de temperatură, etc. De asemenea acest control iniŃial (OPC) optimizează energia de laser cerută în cursul înregistrării (Figura 8.46).

Figura 8.46

Page 312: CartedlComanescu Bun v1

312

8.3.8.2.2. Discurile CD-R şi CD-RW Atât CD-R-ul cât şi CD-RW-ul au aceeaşi structură de bază, dar cu diferenŃe

semnificative de detaliu. Discul CD-R-ul are un strat de culoare pentru înregistrare, cu o reflectivitate de 40-70%, în timp ce CD-RW-ul are o fază de transformare a stratului de culoare pentru înregistrare cu o reflectivitate de 15-25 %. Ambele discuri au un strat adiŃional de culoare: galben pentru CD-R, şi argintiu pentru CD-RW.

Figura 8.47

Ambele tipuri de discuri au o structură elicoidală spre partea audio ce se tipăreşte/înscrie în timpul procesului de înregistrare. Această parte are o lăŃime de 0.6 mm. şi o înălŃime de 1.6 mm. Totodată mai are şi o uşoară deviere suprapusă de 0.3 mm. la o frecvenŃă de 22.05kHz. (Figura 8.47).

Figura 8.48

FrecvenŃa deviaŃiei sinusoidale este folosită de viteza de rotaŃie de control la înregistrare.

FrecvenŃa de afişare de pe disc este în mod constant monitorizată, iar viteza este ajustată atât cât este nevoie pentru a menŃine frecvenŃa la 22.05 kHz. AdiŃional este aplicată o modulaŃie de frecvenŃă de 1 kHz. pentru a alimenta înregistrarea cu un timp de referinŃă (Figura 8.48).

Page 313: CartedlComanescu Bun v1

313

8.3.8.2.2.1. Procesul de scriere : CD-R

InformaŃia digitală este inscripŃionată pe disc prin formarea petelor de coroziune pe suprafaŃa de înregistrare. Energia razei laser – de la şirul 4 la 11 mW – cauzează limite de căldură ale substratului şi a suprafeŃei de înregistrare până la aproximativ 250 C. La această temperatură înregistrarea dispare, reducând volumul, în timp ce substratul se extinde pentru a deveni disponibil /utilizabil.

8.3.8.2.2.2. Procesul de scriere: CD-RW

Pe discul CD-RW , suprafaŃa de înregistrare este făcută dintr-un aliaj de argint, indium stibiu şi telur. Totodată această suprafaŃă are şi o structură policristalină . În timpul procesului de înregistrare, laserul selectează temperatura la un nivel foarte mic. Pentru scriere CD-RW-ul foloseşte puterea laserului la cote situate între 8 şi 14 mW.

Energia eliberată de laser topeşte cristalele din aria încălzită şi le transformă în nişte non-cristale amorfe ce au un mai bun grad de reflexie faŃă de celelalte cristale rămase în aria încălzită. Această diferenŃă de grad de reflexie permite ca datele înregistrate să poată fi citite, producând un semnal similar cu cel produs de un CD standard. Caracteristicile fizice ale fazei amorfe sunt arătate în timpul procesului de răcire, făcând ca înregistrarea să fie permanentă la orice CD standard. (Figura 8.49).

Figura 8.49 Înregistrarea pe un CD-RW

8.3.8.2.2.3. Ştergerea

Ştergerea de pe un CD-RW se face prin returnarea materialului în locul de înregistrare

care a fost readus de la faza amorfă la cea cristalină. Aceasta se poate efectua printr-un proces de refacere / normalizare , având o temperatură de 200 C (mai mică decât punctul de topire), pe acre o menŃine pentru o perioadă destul de mare (practic, aceasta ia cam 37 minute pentru un disc complet). Astfel discul este readus în starea sa iniŃială, adică neînregistrat (Figura 8.50).

O strategie directă de suprascriere se obŃine prin combinarea scrierii cu tehnica ştergerii. În acest caz, noile puncte înregistrate folosesc aceeaşi energie a laserului ca şi cea folosită în strategia de scriere standard. Oricum, în zona dintre noile puncte înregistrate, o energie inferioară, raza laser este folosită pentru a scrie. Raza laser este în mod repetat întreruptă de energia joasă ce şterge nivelul dintre noile puncte, rezultând o ştergere completă de date ce au fost înregistrate în această zonă.

Page 314: CartedlComanescu Bun v1

314

Ca şi în scrierea unui CD, nivelul înalt de energie este folosit, iniŃial, pentru a crea temperatura necesară. Între punctele înregistrate, temperatura se reduce până la un nivel de refacere/ normalizare (Figura 8.51).

Figura 8.50 Ştergerea unei CD-RW

8.3.8.2.2.4. Suprascrierea

Figura 8.51 Suprascrierea unui CD-RW

Page 315: CartedlComanescu Bun v1

315

8.3.8.3. Teste comparative

A existat o perioadă în care a deŃine o unitate CD-ROM însemna o mare performanŃă

pentru utilizatorul obişnuit. Capacitatea de stocare foarte mare, relativ la celelalte medii disponibile la acea vreme, împreună cu durata de viaŃă de ordinul zecilor de ani a datelor stocate, făceau din unităŃile CD-ROM un accesoriu de lux. Ieftinirea tehnologiilor de realizare a unităŃilor CD-ROM a dus la răspândirea rapidă a acestora, astăzi unitatea CD-ROM sau cea DVD-ROM fiind o componentă nelipsită din orice sistem.

Primele unităŃi CD-ROM foloseau tehnologia de citire a datelor CLV (Constant Linear Velocity). CD-ul era rotit cu o viteză variabilă, în funcŃie de poziŃionarea capului de citire, pentru a asigura în acest fel o rată de transfer constantă a datelor. VariaŃia vitezei de rotaŃie nu este însă un lucru tocmai bun pentru motoraşul echipamentului, astfel că tehnologia CLV a fost înlocuită de CAV (Constant Angular Velocity) în cazul unităŃilor CD-ROM şi DVD-ROM disponibile astăzi. Acest lucru înseamnă că discul este rotit în unitate cu o viteză constantă, astfel că viteza liniară de citire a spiralei de date la exteriorul lui va fi mai mare decât viteza de citire la interior. De obicei, producătorul inscripŃionează pe cutia unităŃii doar viteza de citire la exterior (maxim), viteza medie de transfer a datelor fiind în mod evident mai mică. Aşa cum unitatea de disc flexibil de 5,25 inci a fost înlocuită la timpul ei de mult mai performanta unitate de 3,5 inci, ajunsă acum şi ea la capătul vieŃii, CD-ROM-ul se pare că va fi înlocuit în perioada următoare de o altă tehnologie, în plină ascensiune. DVD-ROM-ul (cu variantele sale reînscripŃionabile) [168].

Cel mai important dintre ele este capacitatea de stocare mult superioară. Dacă pe un CD-ROM se pot aduna până la 650-700 MB de date, pe un singur strat al unui DVD-ROM se pot stoca 4,7 GB. Spuneam "strat" pentru că este posibilă fabricarea discurilor cu două straturi şi două feŃe, capacitatea unui astfel de disc depăşind 18 GB. Viteza de citire este un alt argument important în favoarea DVD-ROM-ului. Trebuie precizat că un DVD-ROM 8X nu oferă aceeaşi viteză de citire ca a unui CD-ROM 8X. Dacă pentru unităŃile CD-ROM, rata de transfer se calculează ca un multiplu al ratei de transfer de bază (acel "x"), care echivalează cu 150 kBps, în cazul unităŃilor DVD-ROM, rata de transfer de bază este de 1,38 MBps. Aşadar, dacă o unitate CD-ROM 16X va oferi o rată maximă de transfer a datelor de 2,4 MBps, o unitate DVD-ROM 16X va oferi o rată maximă de transfer de 22 MBps. Cele două formate nu sunt incompatibile. Toate unităŃile DVD-ROM pot citi majoritatea formatelor CD, lucru benefic datorită faptului că, cel puŃin deocamdată, marea majoritate a aplicaŃiilor sunt oferite încă pe CD.

UnităŃile au fost testate în condiŃii identice, în mod repetat, verificându-se consistenŃa rezultatelor şi integritatea CD-urilor de test.

8.3.8.3.1. Teste comparative pentru CD-ROM

8.3.8.3.1.1. UnităŃi CD-ROM - Asus CD-S500/A

FuncŃionarea CAV a permis unităŃii să citească în limita 24x-48x CD-ul de test, potenŃialul fiind chiar mai ridicat pentru datele situate la exteriorul discului.

Unitatea echipată cu versiunea de firmware 1.1C s-a remarcat printr-un timp îmbunătăŃit de acces, fapt ce a contribuit la performanŃa generală indicată de scorul CD-ROM WinMark. În afară de acest aspect, ambele unităŃi au funcŃionat în parametrii specificaŃi de producător, cu performanŃe de extragere a track-urilor audio cuprinse între 7,4x - 21,1x (pentru cea dotată cu versiunea 1.0K a firmware-ului), respectiv între 14,7x - 32,4x (pentru versiunea 1.1C).

Pentru reducerea zgomotului şi a vibraŃiilor emise de unităŃile 50x, ce rotesc discul la aproximativ 10400 rpm, Asus a dezvoltat tehnologia DDSS II (Double Dynamic Suspension System). Nu numai că acestea ar fi deranjante pentru utilizator, însă efectele vibraŃiilor ar putea afecta şi performanŃa unităŃii.

Page 316: CartedlComanescu Bun v1

316

PerformanŃele de neegalat i-au confirmat poziŃia de mare performer al categoriei unităŃilor CD-ROM, fiind poate ultima şi cea mai bună alegere a unei tehnologii ajunse la capăt de viaŃă.

8.3.8.3.1.2. UnităŃi CD-ROM - LG CRD-8522B

Destul de zgomotoasă, unitatea nu a reuşit să Ńină pasul cu viteza mare de rotaŃie a discului, în aşa fel încât, după o scurtă perioadă în care a citit conform unei caracteristici normale CAV, a fost nevoită să încetinească către o comportare CLV. Citirea inconstantă a afectat puternic scorurile din teste, situaŃia fiind salvată de momentele de citire aleatoare unde rezonabilul timp de acces de 76 ms a ajutat-o întrucâtva. ExtracŃia audio a fost efectuată la rate cuprinse între 8,5x şi 15,6x.

Figura 8.52

8.3.8.4. Teste comparative pentru DVD-ROM

8.3.8.4.1.1. UnităŃi DVD-ROM - Creative DVD1243E

Figura 8.53

Page 317: CartedlComanescu Bun v1

317

Modelul de faŃă face parte din pachetul oferit de Creative Technology sub denumirea de PC-DVD Blaster 12x.

Spre deosebire de varianta bulk precedentă, modelul DVD1243E pare să fi mutat ajustarea parametrilor pentru o îmbunătăŃire a performanŃelor CD-ROM. Atât timpul de acces cât şi rata de transfer au fost îmbunătăŃite (cu aproximativ 10ms, respectiv 500.000 octeŃi/s pe toată suprafaŃa discului), în aşa fel încât scorul final a fost sensibil mai ridicat. De asemenea, extragerea track-urilor audio a fost îmbunătăŃită, aceasta oscilând în jurul a 12x-14x. Reversul medaliei a fost scăderea la fel de sensibilă a performanŃelor DVD-ROM. În acest caz, pare să se fi optat pentru menŃinerea unei viteze mai scăzute de citire în favoarea unei rate mai constante. Acest lucru pare să fi fost bine ales în cazul DVD-urilor ce presupun corecŃii constante, însă a afectat cu aproximativ 20 de secunde testul de copiere a structurii de fişiere.

8.3.9. Memorii holografice Holografia reprezintă o promisiune făcută acum mult timp tehnologiei de stocare a

datelor. Ideea holografiei îi aparŃine fizicianului maghiar Dennis Gabor, care în acea perioadă

(1947) lucra în Marea Britanie în domeniul microscopiei electronice. InvenŃia sa nu a putut însă fi aplicată pe scară largă decât după 1960, odată cu inventarea laserului. Pentru această realizare, Gabor a primit în 1971 Premiul Nobel pentru Fizică. Prima hologramă a unor obiecte tridimensionale a fost înregistrată în 1963 de fizicienii Emmett Leith şi Juris Upatnieks în Statele Unite ale Americii şi Yuri Denisyuk în Uniunea Sovietică. Din momentul în care Leith&Upatnieks au arătat cum informaŃiile stocate în format holografic pot fi reconstruite fără interferenŃele fascicolelor de imagine directe şi conjugate, holografia furnizează soluŃii potenŃiale la multe dintre probleme.

Sistemul de stocare holografică este folosit în scopul creşterii ratei de identificare a cadrului imaginii prin adoptarea unei tehnologii de supra-prelevare scăzute şi a unei unităŃi de control a creşterii, capabilă să furnizeze o creştere modificabilă. Sistemul de stocare holografică include : • primul fascicol de lumină ; • al doilea fascicol de lumină ; • o baza de date care include “n” unităŃi de prezentare a cadrului imaginii;

Al doilea fascicol de lumină este transformat în fascicolul semnal care conŃine cadrul imaginii după ce al doilea fascicol de lumină este proiectat pe baza de date. Fiecare unitate de prezentare proiectează o emisie de culoare deschisă sau de culoare închisă. • mediul de stocare (în care atât primul fascicol de lumină, cât şi fascicolul semnal sunt

concentrate pe un punct focal în mediul de stocare atunci când acesta înregistrează date; fascicolul de date este generat doar dacă primul fascicol de lumină este concentrat pe punctul focal în mediul de stocare când acesta citeşte date);

• dispozitiv de detectare care include “m” unităŃi de captare pentru primirea cadrelor imaginilor conŃinute în fascicolul de date şi fiecare unitate de captare poate genera un semnal de captare corespunzător, în care m/n este un număr întreg sau raŃional;

• m unităŃi de controlare a creşterii, conectate la m unităŃi de captare pentru a produce diferite creşteri, respectiv amplificări ale semnalelor de captare corespunzătoare emise de unităŃile de captare;

• n unităŃi de însumare, în care fiecare unitate de însumare poate emite un semnal de însumare care este suma dintre semnalele de captare parŃial amplificate cu m semnale de captare amplificate.

Page 318: CartedlComanescu Bun v1

318

În prezent există două tipuri de stocare holografică a datelor:

1) stocare holografică convenŃională 2) stocare holografică coliniară

1. Stocarea convenŃională înregistrează un bit o dată. Stocarea holografică deŃine rate mari de transfer pentru că înregistrează peste un milion de date într-o singură milisecundă de expunere laser. CapacităŃile ridicate se datorează sutelor de holograme, fiecare hologramă conŃinând peste un milion de biŃi, fiind înregistraŃi în acelaşi volum al materialului.

Stocarea datelor are la bază trei etape de înregistrare a datelor şi o etapă de redare a acestora:

1.IntersecŃia a două fascicole crează un tipar de interferenŃă a zonelor luminoase şi întunecate

2.Mediul fotosensibil înregistrează. tiparul de interferenŃă.

3.Holograma este imaginea tiparului de interferenŃă stocată în suport

4.Lumina unui fascicol strălucind pe hologramă reface tiparul de date

Figura 8.54

În mediul de stocare holografică a datelor, sursa laser transmite o lumină care este împărŃită în două fascicole, fascicolul-semnal (purtător de date) şi fascicolul de referinŃă. Datele în format digital care vor fi stocate sunt codate prin fascicolul-semnal printr-un modulator spaŃial de lumină. Datele (şirurile de biŃi), în primul rând, sunt aranjate în pagini sau în dispuneri largi. Valorile binare 0 şi 1 (ale paginilor cu date) sunt transformate în pixeli ai modulatorului spaŃial de lumină care, atât blochează, dar şi transmite lumina.

Lumina transmisă de fascicolul-semnal trece prin intermediul modulatorului şi apoi este codată sub formă de tipar cadrilat cu pagini de date. Acest fascicol codat interferează apoi cu fascicolul de referinŃă prin volumul unui mediu fotosensibil de înregistrare, stocând astfel paginile cu date digitale, ca în Figura 5.54.

Page 319: CartedlComanescu Bun v1

319

Tiparul de interferenŃă induce modulaŃii în indexul de refracŃie al materialului de înregistrare, renunŃând la stridenŃele difractate ale volumului. Fascicolul de referinŃă este folosit în timpul redării pentru a difracta stridenŃele înregistrate, reconstruind dispunerea de biŃi. Etalarea reconstruită este proiectată pe un detector care citeşte datele în paralel. Această redare paralelă a datelor imprimă holografiei avantajul vitezei mari a ratelor de transfer a datelor (de la 10 la 100 MB/secundă).

Redarea datelor depinde în mod sensibil de caracteristicile fascicolului de referinŃă. Prin variaŃia fascicolului de referinŃă (de exemplu, prin schimbarea unghiului de incidenŃa sau a lungimii de undă), multe pagini diferite de date pot fi înregistrate în acelaşi volum al materialului şi redat apoi prin aplicarea unui fascicol de referinŃă identic cu acela care a fost folosit la scriere.

Figura 8.55 Sistem de redare a datelor în tehnologia holografică convenŃională

Una din marile provocări ale acestui tip de stocare a reprezentat-o descoperirea unor

materiale potrivite pentru stocare. Suportul holografic trebuie să îndeplinească nişte cerinŃe foarte stricte, de exemplu alinierea dinamică mare, fotosensibilitate ridicată, stabilitate dimensională, claritate optică şi platitudine, redare ne-distructivă, grosime milimetrică şi stabilitate termică.

Odată cu dezvoltarea holografiei, a fost realizat suportul Tapestry1 pe baza unui nou fotopolimer chimic care a răspuns foarte bine la experimente, suport cu fotosensibilitate ridicată, de grosime milimetrică şi formate optice plate. Suportul îndeplineşte cel mai bine cerinŃele impuse de stocarea holografică. Suportul este rezultatul mixturii dintre două sisteme chimice independente polimerizate.

Discurile de înregistrare sunt formate din polimerizarea uneia din componente pentru a forma matricea sau suportul mediului, cealaltă componentă fotosensibilă, nesupusă nici unei reacŃii este dizolvată în matrice. Înregistrarea hologramelor se produce printr-un tipar spaŃial de polimerizare a speciilor fotosensibile care imită modelul interferenŃei optice generate în timpul scrierii holografice.

Panta de concentrare care rezultă din polimerizare duce la difuzia speciilor nepolimerizate care creează o modulaŃie index refractară (determinată de diferenŃa dintre indicii de refracŃie ai

1 Suportul Tapestry este realizat de către InPhase Technologies Inc.

Page 320: CartedlComanescu Bun v1

320

componentei fotosensibile şi matrice). În ceea ce priveşte aceste materiale, densităŃile de stocare de 31.5Gb/in2 (o densitate care ar duce la aproximativ 45Gb pe un disc de 5.25") au fost demonstrate prin înregistrarea şi redarea a peste 3000 de pagini digitale cu date. Noile materiale au capacitatea de a stoca densităŃi de peste 100 Gb/in2 cu rate de transfer foarte mari.

2. Holografia coliniară apropie alinierea celor două fascicole laser într-un singur fascicol de lumină coaxială, determinând o hologramă tri-dimensională compusă din franje de date. Sistemul foloseşte un singur obiectiv şi un sistem servo pentru a menŃine urma şi a se concentra asupra ei. Sistemul poate realiza 23 000 de pulsuri pe secundă în timp ce suportul este rotit cu 300 rpm. Sistemul se bazează pe fascicole de două lungimi de undă diferite: 532 nm – laser verde solid pentru înregistrarea şi citirea datelor şi un laser roşu semiconductor (care nu fotosensibilizează materialul de înregistrare holografică) pentru a controla urma şi a se concentra asupra ei. Laserul roşu citeşte urma de referinŃă realizată pe suport, substratul găurit de aluminiu şi semnalul reîntors fiind despărŃit într-un senzor separat pentru a menŃine concentrarea pe obiectiv.

Mediu

Lentile

Modulator spatial de

lumina

Tiparul cu informatii

Tiparul de referinta

Figura 8.56 Procesul de înregistrare

Cele două fascicole sunt poziŃionate pe aceeaşi cale optică de către oglinda cu două culori

instalată înaintea lentilelor obiectiv, fiind apoi incidente pe aceleaşi lentile. Mediul de înregistrare este învelit cu un film reflectorizant, iar lentilele obiectiv sunt controlate astfel încât fascicolul este adus pe acest film. Fascicolul laser de înregistrare este în primul rând divizat de despărŃitoarele de fascicol în fascicol cu informaŃii şi fascicol de referinŃă.

Fascicolul cu informaŃii este convertit în pagini de date bi-dimensionale de către dispozitivul de micro oglinzi digitale. Aceste două fascicole sunt unite din nou într-unul singur pe aceeaşi axă optică de către despărŃitoarele de fascicol, fiind incidente pe lentile. Datele sunt apoi înregistrate pe mediul de înregistrare holografică sub forma tiparului de interferenŃă.

Pentru a reconstrui informaŃia din holograma stocată, doar fascicolul de referinŃă este incident pe lentile, iar fascicolul reconstruit trece prin lentile şi este întors pentru a fi recepŃionat de senzorul CMOS şi decodat folosind un transformata Fourier rapidă.

În holografia coliniară, dacă fascicolul de referinŃă este aplicat pentru reproducere, un fascicol de difracŃie ca fascicol de reproducere şi partea care a rămas de la fascicolul de transmisie care nu a fost difractată sunt incidente coliniar pe un fotodetector.

Un sistem de interferenŃă coliniară cu polarizare reflectivă în care fascicolul de informaŃie este separat de fascicolul de referinŃă bazat pe fascicolul polarizat a fost propus ca un sistem de înregistrare nou care rezolvă toate problemele.

Page 321: CartedlComanescu Bun v1

321

Sistemul nou de interferenŃă coliniară foloseşte un modulator spaŃial de lumină pentru a genera fascicolul cu informaŃii şi un fascicol de referinŃă modulat pentru înregistrarea hologramei şi care separă fascicolul de referinŃă de fascicolul de reproducere, astfel încât fascicolul de reproducere şi fascicolul de referinŃă sunt polarizate separat în regiunea centrală şi în regiunea periferică a axelor optice.

Mediu

Reconstruit

Modulator spatial de lumina

Despartitor de fascicole

Lentile

Tiparul de referinta

Strat de reflexie

Figura 8.57 Procesul de reconstrucŃie

Modulator spatial de lumina

Lentilele obiectivului

Strat de acoperire

Strat de inregistrare Strat de reflexie

Interior: informatia Exterior: referinta

Fascicolul de transformare Fourier

Fascicolul referintei difractate (modulate)

Fascicolul informatiei difractate (pagini cu date)

Fascicolul de transformare

Figura 8.58 FuncŃionarea holografiei coliniare

După cum se poate observa în Figura 8.57 (procesul de înregistrare), există tiparul de referinŃă şi tiparul cu informaŃii care vor fi proiectate cu ajutorul modulatorului spaŃial de lumină printr-un sistem de lentile pe mediul de înregistrare.

În Figura 8.58 (procesul de reconstrucŃie), tiparul de referinŃă va fi proiectat cu ajutorul modulatorului spaŃial de lumină pe despărŃitorul de fascicole către sistemul de lentile pe mediul de înregistrare, iar cu ajutorul stratului de reflexie al mediului de înregistrare, fascicolul este reflectat prin sistemul de lentile, de unde, cu ajutorul despărŃitorului de fascicole se va obŃine tiparul de informaŃie reconstruit.

Page 322: CartedlComanescu Bun v1

322

Dopa cum se poate observa in Figura 8.58 funcŃionarea holografiei colineare se bazează pe fascicole de două lungimi de undă diferite: 532 nm – laser verde solid pentru înregistrarea şi citirea datelor şi un laser roşu semiconductor (care nu fotosensibilizează materialul de înregistrare holografică) pentru a controla urma şi a se concentra asupra ei. Laserul roşu citeşte urma de referinŃă realizată pe suport, substratul găurit de aluminiu şi semnalul reîntors fiind despărŃit într-un senzor separat pentru a menŃine concentrarea pe obiectiv. Fascicolul laser de înregistrare este în primul rând divizat de despărŃitoarele de fascicol în fascicol cu informaŃii şi fascicol de referinŃă.

Modulator spaŃial de lumină

Fascicol cu informaŃii 2 în 1 Fascicol de referinŃă principal Lentile

SSccrr iieerr eeaa ddiissccuulluuii

HVD

Figura 8.59 Scrierea discului

Fascicolul cu informaŃii este convertit în pagini de date bi-dimensionale. Aceste două

fascicole sunt unite din nou într-unul singur pe aceeaşi axă optică de către despărŃitoarele de fascicol, fiind incidente pe lentile. Datele sunt apoi înregistrate pe mediul de înregistrare holografică (holograma înregistrată) sub forma tiparului de interferenŃă.

Modulatorul spaŃial de lumină are rolul de a genera un fascicol cu informaŃii şi un fascicol de referinŃă modulat pentru înregistrarea hologramei şi care separă fascicolul de referinŃă de fascicolul de reproducere, astfel încât fascicolul de reproducere şi fascicolul de referinŃă sunt polarizate separat în regiunea centrală şi în regiunea periferică a axelor optice.

Pentru a reconstrui informaŃia din holograma stocată, doar fascicolul de referinŃă este incident pe lentile, iar fascicolul reconstruit trece prin lentile şi este întors pentru a fi recepŃionat de senzorul CMOS şi decodat folosind un transformata Fourier rapidă.

După cum se poate observa în Figura 8.59 (scrierea discului) este posibilă cu ajutorul unui fascicolul de referinŃă principal şi a unui fascicolul cu informaŃii 2 în 1 ce va fi proiectat cu ajutorul modulatorului spaŃial de lumină. Scrierea pe HVD este posibilă de la centru către exteriorul discului. De intensitatea schimbului dintre cele două fascicole depinde capacitatea de stocare și vom avea:

Holographic Versatile Disk (HVD) este numele unui standard optic aflat încă în stadiul de dezvoltare. El presupune folosirea tehnicii holografice coliniare, unde două raze laser, una roşie şi una albastră-verde, parcurg discul. Laserul roşu este folosit pentru citirea informaŃiilor cu privire la poziŃia capului de citire de pe un strat de aluminiu standard, iar cel albastru-verde efectuează citirea datelor de pe stratul holografic al discului.

Teoretic, aceste discuri pot stoca până la 3,9 TB, cam de 80 de ori mai mult decât un disc Blu-ray, iar rata de transfer poate ajunge la 1 Gbps.

Page 323: CartedlComanescu Bun v1

323

Faptul că stocarea datelor în format holografic reprezintă o provocare în materie de arhivare a informaŃiilor, din acest punct de vedere există numeroase avantaje: • aliniere dinamică – densitate ridicată de stocare şi rate ridicate de citire • fotosensibilitate – rate rapide de citire • grosime milimetrică – densitate de stocare ridicată pe un plan • stabilitate dimensională – fidelitate ridicată a recuperării datelor • planeitate optică – fidelitate crescută a imaginii paginilor cu date • difracŃie minimă – nivel scăzut de zgomot în recuperarea datelor • procesarea – fără solvenŃi • redare non-volatilă – fără ştergeri nedorite • durata lungă de viaŃă – aprox.5 ani • durata lungă de arhivare a datelor stocate – 50 ani • Posibilitatea arhivării în siguranŃă a datelor • InexistenŃa contactului direct dintre suport şi unitate înseamnă mai multă fiabilitate. • stabilitate termică/faŃă de mediul înconjurător – competitiv cu alte tehnologii optice • capacitatea şi performanŃa ridicată • sute de gigabytes pe un singur disc înseamnă o capacitate ridicată • acces în milisecunde la date înseamnă o performanŃă crescută a suportului (hard-drive) • protejarea datelor şi recuperarea acestora. • WORM previne modificările accidentale sau neautorizate • 4 niveluri de corecŃie a erorilor şi tehnologia de verificare a scrierii asigură recuperarea

datelor. • Impactul minim al defectelor pe suprafaŃa suportului, deoarece datele nu sunt stocate pe

suprafaŃa acestuia. • facilitatea integrării: • suport standard SCSI, canal fibră, interfeŃe Ethernet; • operează pe casetă sau prin emulaŃie optică WORM pentru o integrare rapidă software; • cel mai scăzut cost total: • preŃ mic pentru un suport de calitate; • protejarea investiŃiei prin posibilitatea păstrării informaŃiilor timp de trei generaŃii; • durata lungă de arhivare şi compatibilitatea mai multor generaŃii elimină ciclurile de migrare a

datelor. Analiştii previzionează că informaŃiile cu conŃinut fix vor creşte mai repede decât

tranzacŃiile tradiŃionale cu date. În mod tradiŃional, mai multe date electronice aparŃin unităŃii hard. SusŃinerile periodice furnizează, în plus, o copie offline a datelor recuperate în cazul în care au fost distruse (sau când prima copie nu este disponibilă). Oricum, această strategie de stocare «o mărime se potriveşte tuturor » nu mai este viabilă din punct de vedere economic.

Provocarea constă în produse profesionale de arhivare care întâlnesc nevoile clienŃilor din punct de vedere al longevităŃii datelor, al securităŃii, accesibilităŃii, dar şi competitive din punct de vedere al capacităŃii, performanŃei şi preŃului.

Creşterea masivă a volumului de cerinŃe în ceea ce priveşte stocarea datelor, determinată fiind de adoptarea unor formate clar definite şi de nevoia constantă de a îmbunătăŃi performanŃa minimă, accelerează trecerea către sisteme de stocare în reŃea, în industria video. Produsele Tapestry vin în întâmpinarea nevoilor lumii video mereu în schimbare.

Creşterea eficienŃei prin fluxul de muncă • înregistrare asemenea camerei digitale şi arhivare permanentă într-un singur pas; • copii digitale în timpul post-producŃiei ; • sursă digitală ;

Page 324: CartedlComanescu Bun v1

324

• distribuŃie de mare definiŃie; • arhivă permanentă .

Mai rapid decât în timp real pentru SD şi HD la o rată de transfer de 160 Mbps Holografia asigură protecŃia datelor (WORM – Write-Once-Read-Many) printr-un proces

fotochimic de înregistrare care garantează că datele nu pot fi modificate odată înregistrate. Stocare holografică convenŃională

Stocare holografică coliniară

Imagini 2D Imagini 3D Două fascicole Un singur fascicol Mecanism complicat voluminos Mecanism servo, dimensiune redusă Incompatibil cu CD şi DVD Compatibil cu CD şi DVD

Datorită faptului că stocarea holografica coliniară este compatibila cu sistemele de stocare anterioare CD şi DVD şi prezintă avantajele menŃionate am optat pentru proiectarea unei memorii externe holografice bazată pe tehnologia de stocare holografică coliniară. Posibilitatea de stocare pe HVD va fi de 200GB.

8.4. Caracteristicile unităŃii

8.4.1. Sistemul optic

Figura 8.60 Sistemul optic al unităŃii de referinŃă

Principalele setări ale sistemului optic al unităŃii de referinŃă folosită pentru măsurarea

parametrilor de scriere şi citire sunt ilustrate în Figura 1a. Sunt permise diferite componente şi locaŃii ale acestora cu condiŃia de a nu modifica performanŃele demonstrate în Figura 1a. Sistemul optic trebuie realizat astfel încât lumina detectată reflectată de suprafaŃa de intrare a discului este minimizată astfel încât să nu influenŃeze acurateŃea măsurătorilor.

Page 325: CartedlComanescu Bun v1

325

CombinaŃia dintre despărŃitorul de fascicole polarizant PBS2 şi discul pătrimii de undă separă fascicolul de înregistrare/citire incident şi fascicolul de înregistrare/citire reflectat de discul holografic. DespărŃitorul de fascicole polarizant PBS2 trebuie să aibă, la lungimea de undă a fascicolului de înregistrare/citire λR o rată de transmitere a intensităŃii p-s de cel puŃin 1000 şi o rată de reflectare a intensităŃii s-p de cel puŃin 80. DespărŃitorul de fascicole colorate DBS are o reflectare de cel puŃin 99% pentru lungimea de undă a fascicolului de urmărire/adresare λT şi o transmitere de cel puŃin 98% pentru lungimea de undă a fascicolului de înregistrare/citire λR. CombinaŃia dintre despărŃitorul de fascicole polarizant PBS1 şi discul pătrimii de undă separă fascicolul optic de urmărire/adresare incident şi fascicolul de urmărire/adresare reflectat de discul holografic. DespărŃitorul de fascicole polarizant PBS1 trebuie să aibă, la lungimea de undă a fascicolului de urmărire/adresare λT, o rată de reflectare a intensităŃii p-s de cel puŃin 100.

8.4.1.1. Semnale de monitorizare/poziŃionare /SDI

Semnalul radial de monitorizare a erorii trebuie să fie generat de curenŃi emişi de detectorul fotodiodă despărŃit, divizare din care pleacă paralel cu imaginea urmelor adânciturilor de pe diodă. Semnalul radial de urmărire a erorii se bazează pe diferenŃa în cantitatea de lumină în cele două jumătăŃi ale pupilei de ieşire a lentilelor obiectiv. Amplificatorul K1 este decuplat cu caracteristicile lăŃimii de bandă. Semnalul informaŃiei de adresare este generat din semnalul de citire rezultat din însumarea curenŃilor de ieşire ai detectorului fotodiodă despărŃit. Semnalul de citire a informaŃiei de adresare se bazează pe cantitatea totală de lumină în cadrul lentilelor obiectiv. Amplificatorul K2 va fi decuplat cu caracteristicile lăŃimii de bandă. Semnalul de adresă SDI va deriva din citirea conŃinutului zonei urmăririi datelor.

8.4.1.2. Modulatorul spaŃial de lumină

Modulatorul spaŃial de lumină va cuprinde 358x358 elemente care vor modula fascicolul de înregistrare într-o imagine de date reprezentând tiparul de date pentru înregistrarea sub forma hologramei pe stratul de înregistrare.

Figura 8.61 PoziŃia modulatorului spaŃial de lumină faŃă de axa optică (vedere din partea

fascicolului de intrare) Holograma va fi formată din franje rezultând din interferenŃa luminii generate de paginile

de date modulate şi lumina generată de zona de referinŃă circulară din jurul paginii de date (vezi 15.4).

Intensitatea elementelor modulatorului spaŃial va fi 13,68±0,02 µm Factorul lor de umplere va fi 85,2% ± 0,1%

Page 326: CartedlComanescu Bun v1

326

Rata de modulare a pixelilor pornit/oprit generaŃi de modulatorul spaŃial de lumină va fi cel puŃin 500.

Axele de orientare ale modulatorului spaŃial vor fi dispuse în direcŃia axelor de rotaŃie cu o toleranŃă α (Figura 8.62) mai bună decât ±0,01º.

Figura 8.62 PoziŃia modulatorului spaŃial de lumină faŃă de axa de rotaŃie (vedere din partea

fascicolului de intrare)

8.4.2. Descrierea generală a discului

Figura 8.63 Structura staturilor unui disc

Discul constă într-un strat circular cu un orificiu în mijloc suportând o stivă de straturi

care încorporează stratul de înregistrare holografică (Figura 8.63). Stratul de înregistrare este protejat de influenŃele mediului înconjurător de către stratul acoperitor protector laser transparent.

Centrarea discului pe axul unităŃii este realizată pe marginea orificiului central al substratului. Strângerea este realizată în zona de strângere (Figura 8.64).

Page 327: CartedlComanescu Bun v1

327

Figura 8.64 – Dimensiunile discului

Page 328: CartedlComanescu Bun v1

328

9. Adaptoare video Atunci când se realizează achiziŃia sau testarea unui adaptor video este bine să se

cunoască următoarele caracteristici ale unui astfel de echipament: • caracteristicile adaptorului video (performanŃă, posibilităŃi de lucru); • tipul programelor driver necesare pentru punerea în funcŃiune a adaptorului şi facilităŃile

oferite de acestea; • informaŃii cu privire la componenta BIOS a adaptorului. Majoritatea plăcilor grafice de ultimă

generaŃie au posibilitatea de realizare a unor actualizări ale BIOS-ului (flash); se rezolvă astfel unele probleme de compatibilitate sau se adaugă posibilităŃi noi de folosire a echipamentului (suportul pentru noi standarde, etc.);

• informaŃii cu privire la modurile VESA suportate; Intrând puŃin în amănunt, se poate vorbi despre următoarele caracteristici ale unui adaptor

video: • Video Adapter - Această informaŃie se referă la tipul adaptorului şi producătorul acestuia. • Total Memory - Memoria instalată pe placa grafică are implicaŃii directe asupra rezoluŃilor

grafice la care aceasta poate lucra. Este bine să nu se aleagă un astfel de adaptor care să nu aibă posibilitatea să lucreze la o rezoluŃie maximă de cel puŃin 1024x768 pixeli.

• AGP Memory - Cantitatea din memoria sistemului de calcul ce poate fi alocată în vederea folosirii de către placa video. De această cantitate beneficiază, bineînŃeles, numai plăcile care lucrează pe magistrala AGP, iar dimensiunea memoriei ce poate fi folosită depinde de cantitatea memoriei fizice instalată în sistemul de calcul.

• DIME Support (DIME – Direct Memory Execution) - Plăcile grafice AGP au posibilitatea de a realiza operaŃia de texturare direct în memoria AGP. Cealaltă posibilitate existentă este de a copia texturile din memoria AGP (cea a sistemului de calcul) în memoria locală (cea a plăcii grafice) prin intermediul canalului DMA (Direct Memory Acces).

• Hardware Revision - Acest amănunt este important de cunoscut în momentul în care se face alegerea programului driver pentru punerea în funcŃiune a adaptorului video.

• VESA/DDC Support - Indică posibilitatea driver-ului sau adaptorului de a folosi interfaŃa VESA/DDC (Display Data Channel), prin intermediul căreia se realizează comunicarea placă grafică – monitor în vederea stabilirii parametrilor optimi de funcŃionare (rate de reîmprospătare a imaginii, etc.).

• Video Modes - Este o caracteristică ce se referă la totalitatea modurilor grafice în care adaptorul grafic este capabil să lucreze. Pentru a fi folosite, modurile video trebuiesc suportate de asemenea şi de către monitorul care lucrează în conjuncŃie cu adaptorul grafic. Se poate întâmpla ca unele momitoare (cele LCD în special) să nu poată oferi decât un singur mod grafic nativ.

• Vertical Refresh Rate - Rata de reîmprospătare a ecranului este o caracteristică ce Ńine de ergonomia în utilizare a adaptorului video. O rată de reîmprospătare cu o valoare prea redusă (56 – 60 Hz) conduce la obosirea rapidă a utilizatorului. Se recomandă folosirea unei frecvenŃe de reîmprospătare verticală de cel puŃin 75-85 Hz. Pentru folosirea unor astfel de frecvenŃe ridicate este nevoie şi de un monitor modern care să le suporte. În general, monitoarele fabricate după 1997 se conformează cerinŃelor din acest punct de vedere. Dacă se utilizează un monitor cu cristale lichide (LCD), valoarea ratei de împrospătare nu este relevantă; o valoare de 60 Hz este suficientă, deşi există astfel de monitoare care suportă un refresh de 75 Hz sau mai mult.

• Video Driver ID & Version - Se recomandă folosirea ultimelor versiuni de drivere scrise pentru un adaptor video dat.

Page 329: CartedlComanescu Bun v1

329

• Plug & Play driver - Indică o caracteristică a plăcilor de extensie în general care se referă la autodetectarea acestora (Plug & Play - conectează şi utilizează) de către BIOS şi configurarea transparentă pentru utilizator a resurselor pe care le vor ocupa. Toate acceleratoarele grafice moderne oferă suport pentru Plug & Play.

• Supported Windows Version - Programele driver pentru adaptoare video sunt scrise pentru diferite versiuni de Windows. Înainte de instalarea unui driver, trebuie să se verifice dacă el a fost scris pentru versiunea de Windows instalată pe calculatorul respectiv.

• Video Acceleration. Se referă la cantitatea de funcŃii video care se doresc a fi accelerate prin intermediul acceleratorului grafic. În general, sub Windows, se recomandă nivelul de accelerare complet (full acceleration). Reducerea accelerării se justifică numai în cazul în care există probleme generate de driver/placa grafică.

• Video BIOS: manufacturer, date, version. BIOS-ul video (Basic Input Output System) conŃine codul software necesar punerii în funcŃiune a adaptorului video. El serveşte de asemenea şi ca interfaŃă între hardware şi software. Producătorul, data şi versiunea BIOS-ului sunt informaŃii utile atunci când se doreşte realizarea unei actualizări (update) a BIOS-ului.

• VESA BIOS - Aceasta este o interfaŃă generică prin care software-ul poate comunica cu adaptorul video. Majoritatea adaptoarelor moderne au această posibilitate, care era necesară pentru rularea aplicaŃiilor cu cerinŃe de înaltă rezoluŃie atunci când MS-DOS era sistemul de operare cel mai răspândit. Această interfaŃă nu mai este folosită sub sisteme de operare gen Windows.

• Linear Frame Buffer Address (LFB) - Aceasta este adresa la care memoria adaptorului video este “ mapată ” în spaŃiul de adrese ale procesorului. Adaptoarele care suportă LFB sunt mult mai rapide decât celelalte, deoarece memoria se accesează pe 32 biŃi, spre deosebire de celelalte, la care accesarea se face pe 16 biŃi.

• DirectX Support - DirectX este o colecŃie de biblioteci furnizate de Microsoft, necesare în special pentru rularea aplicaŃiilor multimedia şi jocuri, incluzând aplicaŃii de grafică 3D, sunete, muzică, controller-e de intrare (input devices), suport multi-player pentru jocuri.

• Direct Draw Support - DirectDraw este o interfaŃă software rulabilă sub Windows, care permite programelor să preia controlul direct al adaptorului video, fără să mai Ńină cont de GUI (Grafic User Interface=InterfaŃa Grafică Utilizator).

• Direct 3D Support - Direct3D este tot o componentă a setului de biblioteci, la fel ca şi DirectDraw. Aceasta permite “ rendering ”-ul jocurilor 3D şi al aplicaŃiilor multimedia care folosesc capabilităŃile 3D ale plăcii grafice.

• Open GL Support - OpenGL este un set standard de biblioteci destinate lucrului cu aplicaŃii ce necesită operaŃii 3D sofisticate. OpenGL a fost pus la punct de către SGI (Silicon Graphics) şi, spre deosebire de DirectX, dispune de suport multi-platformă (SGI, PC, MAC). Este utilizat cu precădere pentru aplicaŃiile grafice profesionale.

În continuare sunt date câteva recomandări privitoare la alegerea şi configurarea unei plăci grafice. • Unknown monitor - Trebuie evitat ca monitorul să fie configurat pe “ unknown monitor ”.

Urmările imediate ale acestei alegeri constau în incompatibilităŃi şi rate de reîmprospătare (refresh rates) de valori mici. Schimbarea modelului de monitor se face prin apelarea următoarelor meniuri: Control Panel\Display\Display Properties\Settings, click pe Advanced Properties\Monitor, click Change. Se selectează din lista apărută monitorul adecvat sau unul similar.

• Video Memory - Card-urile video care lucrează intern pe 64/128 biŃi necesită cel puŃin 4 MB de memorie video pentru a lucra la nivelul optim de performanŃă. Dacă adaptorul are implementate funcŃii 3D, atunci se recomandă o cantitate de cel puŃin 8 MB de memorie video, precum şi utilizarea unei interfeŃe AGP.

Page 330: CartedlComanescu Bun v1

330

• Color Depth - Modurile video pe 4 bit (16 culori) sunt învechite şi pot cauza probleme de compatibilitate. Se recomandă folosirea unui mod grafic care să furnizeze un minim de 256 culori (8 bit). Pe de altă parte, modurile grafice care utilizează culori cu o adâncime de 25 bit utilizează 3 bytes. Nefiind o putere a lui 2, această adâncime de culoare poate aduce descreşteri semnificative de performanŃă. În acest sens, este de preferat utilizarea de moduri grafice pe 32 bit (4 bytes=22), atunci când modurile pe 16 bit nu oferă un număr suficient de culori.

• Desktop resolution - Se va evita utilizarea rezoluŃiei de 640x480 la lucrul sub sistemele de operare Windows, deoarece majoritatea aplicaŃiilor software sunt concepute pentru a fi utilizate la o rezoluŃie a monitorului de cel puŃin 800x600 pixeli. Această rezoluŃie (800x600) este standardul pentru monitoarele de 15”, în timp ce, odată cu ieftinirea monitoarelor de 17’’, rezoluŃia de 1024x768 este pe cale să devină un standard universal acceptat.

• Video Drivers - La folosirea sistemelor de operare Windows 95/98/Me/NT se va evita folosirea pentru plăcile grafice de driver-e pe 16 biŃi. Este de preferat ca pentru un adaptor video dat să se instaleze cele mai recente drivere pe 32 biŃi disponibile.

• Plug & Play/DDC Driver - În sisteme de calcul actuale este posibilă instalarea unui astfel de driver, care să permită rezolvarea mai facilă a problemelor legate de configurare sau alocarea corectă a resurselor.

• VESA Interface - Această interfaŃă este inclusă în majoritatea acceleratoarelor grafice moderne, utilitatea ei fiind redusă la rularea aplicaŃiilor ce necesită înaltă rezoluŃie grafică sub sistemul de operare MS-DOS. Totuşi, în cazul în care nu este disponibilă o astfel de interfaŃă pentru un anume adaptor video, problema se poate rezolva prin realizarea unei actualizări a BIOS-ului plăcii grafice, sau prin instalarea unui BIOS VESA sub forma de program TSR (Terminate and Stay Resident). Aceleaşi considerente sunt valabile şi în cazul în care acceleratorul grafic nu suportă ultima versiune a interfeŃei VESA.

• Direct Draw. Direct 3D - AplicaŃiile Windows din categoria multimedia sau jocuri necesită componenta Direct Draw. În plus, pentru jocurile 3D recente este nevoie de Direct 3D. Pentru rezolvarea acestei situaŃii este necesară instalarea ultimei versiuni disponibile a colecŃiei DirectX de la Microsoft.

• Open GL - Programele care necesită reprezentări grafice 3D foarte sofisticate lucrează de obicei cu interfaŃa Open GL. Mai nou, ea a fost adoptată şi de către producătorii de jocuri. Deci, dacă pe un anume calculator urmează să se folosească astfel de aplicaŃii, este necesară instalarea unui driver (specific pentru fiecare adaptor video în parte), care să permită lucrul cu Open GL.

• Monitor Resolution - Dacă se utilizează modul grafic corespunzător rezoluŃiei cele mai mari care este suportată de monitor este posibil ca imaginea să prezinte anomalii ca: pierderea focalizării, culori şterse, luminozitate scăzută, interferenŃă. Aceste fenomene sunt însoŃite de obicei de scăderea ratei maxime de împrospătare suportată de monitor (de obicei sub 75 Hz). Dacă acestea devin supărătoare este necesară schimbarea modului grafic către unul ce oferă o rezoluŃie mai scăzută.

• Linear Frame Buffer (LFB) - Această facilitate a card-urilor video trebuie să fie activată acolo unde există suportul hardware pentru aceasta. În caz contrar, performanŃa video va avea de suferit.

• Desktop Wallpaper - În afara cazului în care sistemul de calcul dispune de putere de calcul şi de memorie RAM suficiente se recomandă dezactivarea imaginii de fond a desktop-ului (desktop wallpaper). Pentru a realiza aceasta este necesară parcurgerea următorului “ traseu ”: Control Panel\Display\Display Properties\Background. Aici se va comuta opŃiunea Wallpaper pe None.

• Video Driver - Atunci când driver-ul pentru placa video nu a fost utilizat la instalarea sistemului de operare Windows, deci a fost inclus în kit-ul de instalare al sistemului de

Page 331: CartedlComanescu Bun v1

331

operare şi a fost instalat automat, există posibilitatea actualizării acestuia (update) către o versiune mai nouă disponibilă de obicei pe pagina de Internet a producătorului plăcii grafice. Deşi există posibilitatea ca noul driver să nu fie certificat (testat de laboratoarele Microsoft), în majoritatea cazurilor se va obŃine o performanŃă video superioară.

Fig. 4.9 Exemplu de identificare a unei plăci grafice cuSiSoft Sandra

Figura 9.1 SiSoft

• Animated Cursors - Cursoarele animate pentru mouse au un aspect foarte plăcut, însă au

influenŃe negative asupra “ timpului de procesor ” consumat şi a memoriei operative (RAM) consumate. Dacă viteza unui calculator este mai importantă decât partea sa estetică, se recomandă dezactivarea acestora prin intermediul : Control Panel/ Mouse/ Pointers.

• 24/32 Modes - Modurile grafice pe 24/32 bit pun adesea probleme plăcilor grafice din punctul de vedere al vitezei şi a cantităŃii de memorie consumate pentru texturi. Dacă o anumită aplicaŃie grafică cu care se lucrează nu necesită în mod explicit unul din aceste moduri grafice se poate câştiga viteză de lucru prin trecerea într-un mod grafic pe 16 biŃi. O adâncime de culoare de 24/32 biŃi este de preferat pentru video playback (DVD, MPEG).

Figura 9.2 SiSoft exemplu de identificare a unei plăci grafice cu ajutorul utilitarului SiSoft Sandra.

Page 332: CartedlComanescu Bun v1

332

Se va face în continuare o trecere în revistă a programelor necesare testării proprietăŃilor adaptoarelor video.

SiSoft Sandra include un modul destinat testării proprietăŃilor tandemului monitor-placă grafică. Pe lângă identificarea caracteristicilor acestor dispozitive sunt furnizate şi câteva sfaturi pentru configurarea corectă a acestora. În Figura 9.1 este prezentat un exemplu de identificare a unei plăci grafice cu ajutorul acestui utilitar.

În Figura 9.2 se prezintă un exemplu de identificare a unei plăci grafice cu ajutorul utilitarului SiSoft Sandra.

Figura 9.3 Modurile VESA suportate

DR. Hardware are de asemenea posibilitatea identificării adaptorului video instalat în

sistem. Se pot afişa informaŃii referitoare la modurile VESA suportate, proprietăŃile driver-ului video şi funcŃiile de accelerare pentru care există suport hardware.

Figura 9.4

Page 333: CartedlComanescu Bun v1

333

În varianta ce rulează sub sistemul de operare MS-DOS a acestui utilitar se pot efectua cercetări referitoare la ratele de refresh suportate în mod implicit de către hardware-ul plăcii grafice pentru toate modurile grafice disponibile.

În Figura 9.2 este prezentat modul în care se face identificarea unei astfel de componente cu ajutorul acestui utilitar, iar în Figura 9.3 este arătat felul în care sunt detectate modurile VESA suportate, inclusiv, cantitatea de memorie video pentru afişarea acestora.

Figura 9.5

Figura 9.6

Page 334: CartedlComanescu Bun v1

334

InfoPro este un utilitar produs de compania Eastern Digital, fiind disponibil în versiune shareware la adresa http://www.dnttm.ro/edc. ConŃine module care permit identificarea majorităŃii componentelor unui sistem de calcul, inclusiv teste de performanŃă, acolo unde este cazul (hard disc, CPU, placa grafică).

În secŃiunea destinată testării adaptorului video se pot afla informaŃii privitoare la modelul card-ului instalat în sistem, dimensiunea memoriei video aferente, tipul convertorului DAC (Digital Analog Convertor), modurile grafice suportate, tipul monitorului instalat, versiunea curentă a driver-ului, caracteristicile interne ale adaptorului (funcŃiile pentru care există implementat suport hardware nativ).

a)

b)

c)

d)

e)

Figura 9.7 Checkit, utilitarul de la TouchStone oferă posibilitatea de a depista, pe lângă

caracteristicile comune ale adaptorului grafic, a unor informaŃii privind modurile grafice utilizabile sub Windows şi a ratelor de refresh maxime corespunzătoare, zona din memorie ocupată de driver-ul plăcii grafice, precum şi resursele de sistem ocupate de către aceasta. Cunoaşterea resurselor ocupate de către acceleratorul grafic este de mare importanŃă în momentul apariŃiei de “ conflicte ” între acesta şi o altă componentă a sistemului.

Page 335: CartedlComanescu Bun v1

335

Un astfel de conflict apare, după cum se ştie, atunci când două sau mai multe dispozitive împart aceleaşi resurse (IRQ sau DMA). Figura 9.5 arată un exemplu al unui rezultat obŃinut în urma testării configuraŃiei video cu ajutorul utilitarului Checkit.

Checkit mai oferă şi posibilitatea calibrării monitorului din punct de vedere al geometriei şi al culorilor. Aceste teste sunt interactive. Se realizează prin afişarea unor grile de test specifice (pattern-uri) destinate să pună în evidenŃă o anumită problemă. Acestea permit ajustarea controalelor monitorului în scopul obŃinerii unei distorsiuni cât mai reduse.

În cele ce urează se vor executa scurte descrieri ale testelor de calibrare, însoŃite de câteva sugestii în legătură cu măsurile ce se pot lua în vederea corectării erorilor de afişare.

Image size and placement – În cadrul acestui test se va genera o imagine (Figura 9.6), care va ajuta utilizatorul să ajusteze poziŃia şi dimensiunea imaginii pe ecranul monitorului. Pentru realizarea de corecŃii ale dimensiunii şi poziŃiei se pot utiliza controalele monitorului pentru stânga-dreapta, sus-jos, dimensiune pe orizontală, dimensiune pe verticală.

a)

a)

Fig. 4.16 b)

b)

Figura 9.8

Page 336: CartedlComanescu Bun v1

336

Grid test - În acest test se afişează 5 ecrane cu grile de test ce conŃin densităŃi diferite de linii. Acestea se folosesc la detectarea distorsiunilor geometrice în zone diferite ale ecranului monitorului. Toate pătratele formate la intersecŃia liniilor pe ecran trebuie să fie de dimensiuni egale, iar liniile care le determină trebuie să fie perfect drepte. Dacă se observă curburi în anumite zone, se va face uz de controalele de geometrie ale monitorului în vederea reducerii acestora. Figura 9.7 (a, b, c, d, e) prezintă aspectul acestor grile de test.

Fig.4.1

Figura 9.9

Horizontal Straightness. Vertical Straightness - Aceste teste se desfăşoară prin afişarea

unei serii de linii orizontale respectiv verticale. Dacă monitorul este bine reglat, atunci trebuie ca aceste linii să fie paralele între ele. În caz contrar, se va acŃiona asupra controalelor disponibile pentru corectarea geometriei imaginii monitorului. Grilele de testare utilizate pentru corecŃia acestor distorsiuni sunt prezentate în Figura 9.8 (a şi b) respectiv verticală, cu ajutorul grilelor de test.

Distortion - Grila pentru acest test constă din trei pătrate concentrice amplasate în zona care defineşte conturul imaginii afişate pe ecranul monitorului. Sunt puse astfel în evidenŃă distorsiuni precum: pernă, butoi, rotirea imaginii. Acestea sunt, în majoritatea cazurilor, reglabile cu ajutorul butoanelor corespunzătoare corecŃiei geometriei imaginii. Aspectul grilei de test poate fi observat în Figura 9.8 (pentru distorsiuni de tip pernă-butoi).

Horizontal Resolution. Vertical Resolution - Acest test afişează seturi de linii orizontale/verticale apropiate între ele. Se poate modifica distanŃa dintre aceste linii; în final se poate ajunge la situaŃia în care liniile nu se mai pot distinge clar. Pentru corectarea acestei situaŃii se va acŃiona asupra reglajelor de contrast şi luminozitate ale monitorului până când şi cele mai apropiate linii vor putea fi distinse. În Figura 9.9 (a, b, c, d) se prezintă câteva exemple de astfel de grile de test.

Moire Patterns - Fenomenul cunoscut sub numele de Moire se manifestă sub forma unor ondulaŃii care apar ca urmare a interferenŃei dintre liniile foarte apropiate de pe ecranul monitorului. Majoritatea monitoarelor moderne dispun de controale specializate pentru reducerea efectului acestui fenomen. Acolo unde aceste controale nu sunt disponibile se poate încerca

Page 337: CartedlComanescu Bun v1

337

reducerea efectului prin creşterea nivelului luminozităŃii. În Figura 9.11 se arată grilele pentru testarea apariŃiei fenomenului Moire.

Se observă din Figura 9.10 modul în care se pot corecta distorsiunile pe orizontală,

a)

b)

a) b)

c) d)

c) d)

Figura 9.10

Se observă din Figura 9.10 (a, b, c, d) setul de grile de test pentru reglarea rezoluŃiei pe orizontală, respectiv verticală.

Fig. 4.19 b)

Figura 9.11 Reverse Video Sharpness - Acest test afişează o grilă cu linii albe şi negre. Aceasta va evidenŃia problemele de claritate a imaginii la trecerea dintre zonele de alb şi

cele de negru.

Page 338: CartedlComanescu Bun v1

338

Pe un monitor de calitate, liniile negre vor fi la fel de bine conturate ca şi liniile albe. În caz contrar se poate încerca o corectare prin acŃionarea butonului de control a

luminozităŃii. Această grilă de test este prezentată în Figura 9.12.

Figura 9.12

Figura 9.13

Flicker Severity - Fenomenul de “ pâlpâire ” a imaginii monitorului este cauzat de

funcŃionarea acestuia la o rată scăzută de reîmprospătare a imaginii (refresh rate). Fenomenul este foarte supărător şi poate fi pus în evidenŃă prin afişarea unui ecran complet alb. Pentru reducerea “flickering”-ului se va face ajustarea corespunzătoare a ratei de refresh din Display Properties. De obicei, ratele de reîmprospătare a imaginii la care poate lucra adaptorul grafic au valori mai ridicate decât cele suportate de monitor. Dacă, prin alegerea unei anumite valori, imaginea

Page 339: CartedlComanescu Bun v1

339

monitorului începe să se desincronizeze, se va trece imediat la folosirea unei valori mai reduse. În majoritatea cazurilor, monitoarele suportă rate de refresh mai ridicate la rezoluŃiile scăzute (ex. 640x480 sau 800x600).

Glare Severity - Strălucirea imaginii este o problemă întâlnită la multe monitoare. Severitatea acestei probleme poate fi evaluată prin afişarea unei imagini negre în totalitate. Singurul remediu, în cazul în care suprafaŃa ecranului monitorului nu este acoperită cu un strat antireflectant, este orientarea acestuia astfel încât să fie evitată incidenŃa unei surse de lumină supărătoare pe ecran.

Interlacing Detection - Rata de împrospătare a imaginii unui monitor (refresh rate) semnifică de câte ori este redesenată imaginea într-un interval de o secundă. Pe un monitor normal, în mod neîntreŃesut (non-interlaced), fiecare linie de pixeli este redesenată la fiecare ciclu de refresh. Monitoarele care rulează în modul întreŃesut realizează actualizarea a numai jumătate dintre liniile care compun imaginea la fiecare ciclu de refresh. Acest lucru este observat sub forma unei pâlpâiri pronunŃate; imaginea astfel generată fiind foarte obositoare. De remarcat că acest mod (non-interlaced) este comun televizoarelor, însă efectul de oboseală nu este atât de pronunŃat datorită faptului că astfel de aparate afişează cu precădere secvenŃe de imagini în mişcare. Grila de test pentru întreŃeserea imaginii afişează semnal pe fiecare linie de pixeli, cauzând pâlpâirea exagerată a imaginii în cazul în care monitorul lucrează într-un mod întreŃesut. Singura soluŃie, în afară de înlocuirea monitorului, este comutarea rezoluŃiei către una care să permită funcŃionarea acestuia în modul neîntreŃesut. În Figura 9.14 se prezintă imaginea test pentru determinarea modului de lucru al monitorului (întreŃesut/neîntreŃesut).

Fig.4.22

Figura 9.14

Page 340: CartedlComanescu Bun v1

340

Fig. 4.23

Figura 9.15 Screen Regulation.- Calitatea unui monitor poate fi verificată şi din punctul de vedere al

distorsiunilor cauzate de schimbări bruşte ale strălucirii imaginii de pe ecran. Imaginile utilizate în acest test pun în evidenŃă distorsiunile de această natură prin schimbări frecvente de strălucire (brightness) în diferite puncte ale ecranului. Pe monitoarele de calitate slabă, imaginea va pierde din definiŃie în zonele extreme. Figura 9.15 conŃine câteva exemple de astfel de imagini de test.

În Figura 9.15 se prezintă imaginile de test pentru controlul afişării în cazul schimbării bruşte de strălucire.

Fig. 4.24

Figura 9.16

Page 341: CartedlComanescu Bun v1

341

Fig. 4.25

Figura 9.17

Primary Color Purity - Acest test afişează câte o bară verticală pentru fiecare dintre culorile primare (RGB). Culorile afişate trebuie să fie pure, în caz contrar, se pot efectua ajustări din controalele monitorului sau din driver-ul plăcii grafice, acolo unde este posibil. Felul în care se prezintă grila de test se poate observa din Figura 9.16.

Color Intensity Gradient - În cadrul acestui test se cercetează posibilitatea tandemului monitor – placă grafică de a afişa gradiente de culoare pornind de la şapte culori de bază.

Utilizând un mod grafic care oferă o paletă mai largă de culori se pot afişa treceri foarte line între modificările de intensitate derivate dintr-o culoare de bază.

În Figura 9.17 se poate observa aspectul acestei imagini de test.

Fig. 4.26

Figura 9.18

Page 342: CartedlComanescu Bun v1

342

Color Alignment Grid - Pe ecranul monitorului, culorile sunt produse de trei tunuri electronice separate. Ele generează culorile primare: roşu, verde, albastru. Celelalte culori sunt produse prin combinarea acestora. Dacă fiecare tun electronic luminează în acelaşi timp acelaşi pixel, rezultatul va fi un pixel de culoare albă. Când tunurile electronice sunt nealiniate, pixelul va avea o culoare diferită de alb. În Figura 9.25 se prezintă o grilă utilizată pentru alinierea tunurilor electronice. Acest lucru se face folosind controalele de convergenŃă ale monitorului.

Color Synchronization - Testul de sincronizare a culorilor va afişa o bandă de culoare încadrată de alte două benzi de culoare diferită. Dacă se observă o linie întunecată între oricare dintre benzi, atunci înseamnă că monitorul prezintă probleme de sincronizare. Acest neajuns se poate corecta tot cu ajutorul controalelor de convergenŃă ale monitorului. Testul folosit pentru verificarea sincronizării culorilor este arătat în Figura 9.18.

Deşi s-a discutat de nenumărate ori despre aceste două mari firme producătoare de chipuri grafice, acestea Ńin în continuare capul de afiş în domeniul acceleratoarelor grafice. Ca şi cum noile serii grafice, produse de cei doi gigantici nu erau de ajuns, iată că aceştia anunŃă o noua serie de placi video.

De la nVidia, avem o mulŃime de modele interesante. 9600GSO, 9600GT, 8800GT, 8800GS. În ceea ce-i priveşte pe cei de la ATI tot în segmentul mainstream avem HD 3650, HD 2600 PRO şi XT şi, veşnic tânăra serie X1900. Cu toate ca apar modele noi din ce în ce mai des, se pare ca producătorii nu pot renunŃa încă la modelele de succes.

ATI pregăteşte noua serie 4800 care are două modele şi anume 4850 și 4870. Marea noutate vine din partea modelului 4870 care utilizează memorii GDDR5 faŃa de modelul 4850 care utilizează memorii GDDR3. Momentan foarte multe date nu sunt oferite de către producător dar datorită tehnologiei de fabricaŃie folosită frecvenŃele la care vor fi tactate atât memoriile cât şi cipurile grafice vor fi destul de ridicate, mai ales în cazul plăcilor dotate cu memoriile GDDR5.

În cazul nVidia, modelele de interes poartă indicativele GTX 280 şi GTX 260. Nu se ştie dacă vreunul din ele va fi modelul de top al acestei noi serii dar, dacă se păstrează moda care s-a lansat acum ceva vreme, modelele dedicate segmentului high-end sunt primele lansate. Ceea ce surprinde la modelele nVidia este faptul că acestea vor utiliza în continuare bătrânele memorii GDDR3. Deşi ATi a trecut deja la memoriile GDDR5 (este adevărat, doar pentru modelele de top) se pare ca nVidia nu vrea să rişte utilizând ceea ce ştie că este bun şi verificat în timp.

În ultimul timp, ultimele modele lansate de firma canadiana nu au strălucit prea tare în faŃa modelelor similare ale celor de la nVidia, excepŃie făcând HD 3870 X2. În rest, modelele celor de la ATi au fost depăşite de seriile GeForce 8xxx şi 9xxx ale celor de la nVidia.

Deşi performante, acestea au suferit enorm de pe urma driver-elor insuficient de bine puse la punct. Dacă vechea serie Radeon 9600, 9700 şi 9800, cu variantele de rigoare, au însemnat un succes deplin, noile serii HD 2600, HD 3600 şi HD 3800 au făcut o figură mai puŃin frumoasă. Daca nu ar fi existat HD 3870 X2 probabil că situaŃia ar fi fost mult mai grea pentru ATi.

Cert este că asistăm la o nouă confruntare între cei doi giganŃi. Care va ieşi învingător de data aceasta vom vedea, fiecare abordând de pe poziŃii diferite această nouă provocare. Dacă nVidia stă confortabil, modelele sale fiind excelent primite de public, dar pe merit, fiind deosebit de performante, ATi vine din postura de outsider, având de recuperat o distanŃă destul de mare şi asta aşa cum zis mai sus ca urmare a driver-elor nu tocmai bine puse la punct. Dacă vor reuşi să pună la punct principala lor problemă şi anume driver-ele atunci probabil că se vor putea lupta de la egal la egal cu nVidia.

Avantajele introduse de 1 GB de memorie în combinaŃie cu un procesor grafic din gama mainstream rămân a fi demonstrate. Zotac a prezentat două plăci grafice echipate, fiecare, cu câte 1 GB de memorie video de tip GDDR2.

Primul produs, GeForce 8500 GT 1 GB, oferă 1024 MB de memorie video cu o interfaŃă pe 128 biŃi şi cu frecvenŃa de 667 MHz, în timp ce procesorul grafic lucrează cu 450 MHz. Placa beneficiază de o ieşire analogică VGA şi de un conector DVI dotat cu suport pentru HDCP,

Page 343: CartedlComanescu Bun v1

343

precum şi de tehnologie SLI, inovaŃie care permite funcŃionarea în tandem a două soluŃii grafice Nvidia.

La rândul său, produsul Zotac GeForce 8600 GT 1 GB propune servicii similare, cu singurele excepŃii că procesorul grafic rulează la o frecvenŃă de 540 MHz, iar memoria la 1000 MHz. În legătură cu preŃurile, reprezentanŃii companiei, au indicat faptul că adăugarea unei cantităŃi suplimentare de memorie nu va avea decât un impact limitat.

Figura 9.19

Cu toate că nu a încercat o schimbare de nume pe acest segment, compania Nvidia

utilizează chip-ul pe 65 nm G98 pentru realizarea plăcilor video entry-level GeForce 8400 GS. Acest procesor grafic (G98) asigură suport pentru interfaŃa PCI Express 2.0 şi pentru tehnologia Hybrid SLI, reuşind, într-o oarecare măsură, şi reducerea consumului electric (în comparaŃie cu precedenta versiune de GeForce 8400 GS). Plăcile video din seria GeForce 9300, bazate pe acelaşi chip G98, îşi vor face apariŃia la mijlocul anului 2008.

Compania Nvidia este preocupată de pregătirile vizând inovaŃiile bazate pe chip-ul GT200. În esenŃă, modelul GeForce 9400 GT nu este decât o variantă GeForce 8400 GS cu un bus al memoriei dublu, pe 128 de biŃi. Chip-ul din dotare are 16 procesoare de flux, iar frecvenŃele nominale de operare sunt egale cu 450/900/800 MHz (GPU/shader/memorii). Cu 256 MB de memorie de tip DDR2, card-ul GeForce 9400 GT beneficiază de suport pentru PCI Express 2.0.

Figura 9.20

Page 344: CartedlComanescu Bun v1

344

GeForce 9300 GS şi GeForce 9300 GE afişează un design standard, absolut identic, iar după anumite date indirecte, cele două produse utilizează un chip care are activate numai opt procesoare de flux (stream processors). În ambele cazuri, interfaŃa cu memoria grafică rămâne una pe 64 biŃi, în timp ce cantitatea de memorie se opreşte la 256 MB. DiferenŃele apar numai la nivelul frecvenŃelor de funcŃionare: GeForce 9300 GS operează la 567/1400/1000 MHz, în timp ce varianta GeForce 9300 GE este tactată la 540/1300/1000 MHz.

Figura 9.21

ApariŃia primelor imagini ale chip-ului GT200 permite dezvăluirea celor 240 de procesoare de flux. De asemenea, fotografiile (sau schiŃele) ce prezentau varianta GeForce GTX 280 sugerează dimensiunile impunătoare ale chip-ului GT200. Din anterioarele comentarii ale reprezentanŃilor Nvidia se înŃelege faptul că respectivul procesor grafic adună aproximativ un miliard de tranzistori.

Figura 9.22

Prima referinŃă legată de numărul de tranzistori ai chip-ului GT200 apare într-un

document oficial al companiei Nvidia. Există şi un screenshot care surprinde nucleul unui chip video (cel mai probabil, G80), în dreptul căruia se clamează, cu litere verzi, că: "un procesor grafic modern din seria GeForce dispune de aproximativ 1,2 miliarde de tranzistori".

Page 345: CartedlComanescu Bun v1

345

Figura 9.23

Imaginea prezentată nu ne permite să aflăm numărul de tranzistori sau frecvenŃele caracteristice, dar layout-ul blocurilor funcŃionale ne poate sugera câte ceva despre miezul chip-ului grafic GT200. Acesta este împărŃit în zece grupuri, fiecare dintre acestea încorporând câte 24 de procesoare de flux (stream processors). Prin urmare, GT200 poate aduna până la 240 de stream processors. În cazul în care Nvidia va utiliza procesul tehnologic pe 65 nm, nucleul va avea dimensiuni destul de mari şi va fi scump de produs. Se anticipează că îmbunătăŃirea acestor caracteristici ar permite trecerea la tehnologia de fabricare pe 55 nm.

VR-Zone reuşeşte să ne ofere şi un extras dintr-un slide în care sunt menŃionate preŃurile oficiale recomandate de Nvidia pentru GeForce GTX 280 (649 USD) şi GeForce GTX 260 (449 USD). Potrivit site-ului singaporez, partenerii companiei cameleon vor primi aceste carduri grafice la preŃurile de 485 USD şi, respectiv, 325 USD. GeForce 9800 GTX va continua să existe şi după lansarea lui GT200, iar modificări substanŃiale în ceea ce priveşte preŃul acestui model nu au fost prevăzute.

Page 346: CartedlComanescu Bun v1

346

10. Modemuri Modem-ul este o componentă hardware care permite comunicaŃia între două calculatoare

pe linii telefonice obişnuite. Aceasta se realizează prin modularea semnalelor digitale ale calculatorului cu semnale

analogice care pot fi trimise pe liniile telefonice, şi, la receptor, demodularea înapoi a semnalului pentru a obŃine semnalele digitale care pot fi interpretate de calculator.

Vizualizarea caracteristicilor unui modem poate fi făcută cu programe de test precum CheckIt.

Cu acest program se pot vizualiza o serie de caracteristici ale modem-ului cum ar fi: port-ul întrebuinŃat de acesta, resursele utilizate, modul în care este configurat portul.

Aceste informaŃii sunt foarte utile atunci când se caută să se depisteze cauzele din care un astfel de echipament are o funcŃionare necorespunzătoare.

În cazul în care nu este detectată prezenŃa vreunui modem, există posibilitatea ca acesta să fie extern şi să nu aibă conectată alimentarea.

Figura 10.1 arată tipul parametrilor modem-ului ce pot fi detectaŃi cu programul CheckIt.

Fig. 4.43

Figura 10.1 Verificarea funcŃionării modem-ului poate fi făcută cu orice program din categoria celor

descrise mai sus. CheckIt integrează un astfel de modul de test care se ocupă de verificarea funcŃionalităŃii următoarelor aspecte: • setul elementar de comenzi AT. Acest test verifică răspunsul corect al modem-ului atunci

când acesta primeşte solicitările respective.

Page 347: CartedlComanescu Bun v1

347

• setul avansat de comenzi AT. • comenzile FAX. Acest test va determina clasele de fax suportate de modem, inclusiv viteza cu

care acesta poate transmite şi primi faxurile. • tonul de telefon. Se verifică detectarea corectă de către modem a tonului telefonic. • şirul de iniŃializare. Acest test trimite o serie de coduri de iniŃializare elementare modem-ului

şi verifică răspunsul corect al acestuia. • caracteristici implicite (factory defaults). Se setează parametrii modem-ului la cei impliciŃi

definiŃi de producător şi apoi se realizează citirea acestora din regiştrii “S” ai modem-ului. Maximum Baud Rate. Se determină numărul maxim de bauds/s suportat de modem-ul în

cauză. Loop Back. Se realizează un test în buclă închisă pentru modem şi portul de comunicaŃie

care îi este corespunzător. Figura 10.2 prezintă un exemplu de rezultat al testării funcŃionalităŃii unui modem

generat de programul CheckIt.

Fig. 4.44

Figura 10.2

Page 348: CartedlComanescu Bun v1

348

11. Imprimante Ce ne poate spune o bucată de hârtie? Am fi surprinşi să aflăm câte amănunte pot fi

oferite de un document tipărit, imprimat sau scris de mână. Putem stabili cu ce maşină de scris sau imprimantă a fost creat sau copiat, când şi unde, şi uneori chiar şi de către cine. Multe dintre aceste întrebări reprezintă adesea cheia în identificarea persoanelor responsabile de fraudă, comunicări false sau alte activităŃi ce necesită a fi investigate.

De când s-a inventat hârtia, documentele au ocupat un loc major în societatea noastră. Ele joacă un rol important în domenii ca: educaŃia, comunicarea, cultura, arta şi este aproape imposibil să ne imaginăm viaŃa fără ele. Astăzi, când avantajul computerizării aşează schimbările de informaŃii în poziŃie privilegiată în societate, hârtia încă mai este preferată în cărŃi, note, contracte, testamente, scrisori, bilete, bancnote etc.

Imprimanta este perifericul ce permite realizarea unei copii tangibile a unui document depozitat în format electronic. Ea foloseşte ca mediu de stocare hârtia.

Imprimantele sunt proiectate pentru un volum mic de imprimat. În general sunt încete, 30 pagini/minut fiind considerat rapid.

Au fost dezvoltate mai multe tehnologii de imprimare, fiecare capabilă de nivele diferite de calitate, viteză de imprimare, cost şi zgomot.

Imprimantele pe bază de toner funcŃionează prin aderarea tonerului pe un tambur de imprimare sensibil la lumină, apoi folosind electricitate statică pentru transferarea tonerului pe mediul de imprimare fuzionând cu ajutorul căldurii şi presării.

Cea mai utilizată imprimantă pe bază de toner este imprimanta laser care foloseşte lasere de precizie pentru a adera tonerul. Imprimantele laser sunt cunoscute pentru imprimare de înaltă calitate şi viteza de imprimare bună.

Studii recente au descoperit că imprimantele laser emit particule ultrafine ce sunt potenŃial periculoase. Aceste particule pot cauza probleme de sănătate ale sistemului respirator şi cauzează poluare echivalentă cu cea a Ńigărilor. Nivelul emisiilor de particule variază în funcŃie de generaŃia, modelul şi proiectul fiecărei imprimante dar e proporŃional cu cantitatea de toner utilizat în imprimare.

11.1. Hârtia Mărturiile găsite în peşteri sub formă de oase sau desene, de exemplu, reprezintă

începuturile comunicării în era preistorică cu ajutorul pietrelor, tăbliŃelor de lut, etc. Cuvântul hârtie provine de la „papyrus”, o plantă ce creştea de-a lungul Nilului în Egipt şi a cărei denumire a fost împrumutată din anul 3500 î.H. Foile de papirus s-au obŃinut prin tăierea unor secŃiuni din plantă, presarea acestora în unghiuri drepte şi apoi păstrarea sub formă de sul. Încă din anul 1000 î.H. hârtia de pergament folosită în Asia Mijlocie se obŃinea din piele animală, în special viŃel. Este probabil ca hârtia pe care o cunoaştem noi astăzi să fi apărut treptat, chiar dacă se creditează ideea că ea s-a inventat în anul 605 d.H., în China, de către Ts'Ai Lun. Astăzi hârtia se consideră ca fiind obŃinută din celuloza din lemn sau din ierburi.

Chinezii au pierdut secretul fabricării hârtiei în faŃa arabilor în timpul războiului din 751 d.H. Spania a fost prima Ńară europeană care a produs hârtie în 1151, ElveŃia în 1411 şi se pare că în Germania, la sfârşitul secolului XIV a existat prima fabrică producătoare de hârtie.

Mai târziu, Anglia (1494) şi America (1600) s-au alăturat pe lista producătorilor de hârtie. După inventarea tiparului cu litere mobile de către Gutenberg în Germania şi a primului cilindru în Olanda, producŃia de hârtie a crescut exponenŃial de-a lungul secolului XV.

Page 349: CartedlComanescu Bun v1

349

De atunci, principala problemă a fost disponibilitatea materiilor prime. Astfel fibrele tăiate de bumbac au înlocuit celuloza din lemn în secolul XIX. Prima metodă chimică (metoda sodă) a fost introdusă în 1857 de către Houghton.

11.2. Cerneala Scrisul cu cerneală a fost folosit în Egipt pentru scrierea pe papirus. Aceste cerneluri

aveau la bază compuşi carbonilici extraşi din cefalopode (calmar). Cernelurile pe bază de galotanat de fier au fost folosite încă din secolul XII care

combinate cu săruri de fier devin albastre. Sărurile de vanadiu şi anilină utilizate încă din secolul XIX nu au avut o utilitate prea mare. Astăzi, cernelurile sunt bazate pe apă (stilou, imprimante inkjet) sau pe glicol (pix cu pastă).

Pixurile s-au dezvoltat în Europa în 1930 de către Biro şi produse comercial încă din 1944 în U.S.A. Încă din 1950, cernelurile conŃineau galotanat de fier sau coloranŃi lavabili pe bază de solvenŃi organici. Din 1950, cele mai multe cerneluri sunt pe bază de glicol, iar pigmenŃii (exemplu ftalocianină de cupru) au fost introduşi încă din 1954 [6,7].

Imprimarea inkjet este o metodă rapidă de documentare şi de comunicare, datorită costului scăzut al echipamentului şi al reproducerii culorii. În consecinŃă, mulŃi producători de hârtie sunt în curs de a dezvolta lucrări ce sunt compatibile cu prezentul proces. InteracŃiile hârtie cerneală joacă un rol major în dezvoltarea unei imprimări de calitate. InformaŃii detaliate referitoare la astfel de mecanisme nu pot fi obŃinute numai cu un tipar de calitate tradiŃional ci şi cu ajutorul unor metode de măsurare. Ca urmare sunt necesare metode analitice care pot detecta atât interacŃiunile fizice cât şi chimice.

Utilizarea imprimantelor şi a fotocopiatoarelor a crescut considerabil de-a lungul ultimilor 20 ani. Ca urmare, fotocopierea documentelor a devenit rapidă, simplă şi puŃin costisitoare. Un inconvenient important al maşinii de fotocopiat este că este accesibilă activităŃilor ilegale cum ar fi contrabanda, frauda, documente false, scrisori anonime, materiale confidenŃiale şi acŃiuni teroriste. Identificarea surselor documentelor fotocopiate nu este o operaŃiune uşoară deoarece caracteristicile fizice şi chimice ale tuşurilor şi tonerelor sunt apropiate pentru o gamă variată de imprimante şi fotocopiatoare. Capacitatea de a atribui amprentele digitale chimice ale probelor a putut fi folosită la investigarea documentelor problemă.

11.3. Imprimante inkjet Tehnologia inkjet a fost trasată încă de acum 200 ani. În 1754, L'Abbe Nolle a efectuat

cercetări cu privire la efectele electricităŃii statice ale fluxului de picături de lichid din tuburile capilare. În tehnologia inkjet, minuscule picături de tuş sunt proiectate direct pe suprafaŃă, realizându-se un contact fizic între aceasta şi dispozitivul de imprimare. Plasarea fiecărei picături de tuş este controlată electronic.

Principiul generării picăturilor variază în funcŃie de tehnologiile inkjet folosite. Astfel, pot fi folosite fenomene electrostatice, magnetice, piezoelectrice (presiune acustică), electrotermice (căldura Joule). Imprimarea este însoŃită de o deplasare a imprimantei de-a lungul hârtiei şi viceversa. Înalta calitate a imprimării se poate realiza prin controlarea mărimii picăturii de tuş cu o rezoluŃie de imprimare începând cu 40 de puncte pe milimetru.

Imprimantele inkjet sunt formate din următoarele elemente principale: rezervorul de tuş inkjet, sistemul de circulaŃie al tuşului, sistemul de generare şi accelerare a picăturilor de tuş, sistemul de dirijare şi amplasare pe hârtie a picăturilor.

Se utilizează trei tipuri de imprimante, în funcŃie de metoda de generare a picăturilor: • Cu jet continuu de picături;

Page 350: CartedlComanescu Bun v1

350

• Cu picături comandate; • Cu jet intermitent de picături.

Fiecare din aceste tipuri utilizează una din următoarele metode de dirijare şi amplasare a picăturilor: • Deflexia electrostatică; • Deplasarea capului de imprimare sau a hârtiei şi comanda jetului în poziŃiile corespunzătoare

punctelor ce trebuie imprimate; • Selectarea ajutajelor capului de imprimare.

Există mai multe tehnologii de realizare a imprimantelor inkjet, în funcŃie de metoda de generare a picăturilor. Cele mai utilizate metode sunt metoda termică şi metoda cu cristal piezoelectric.

Metoda termică. Procesul care stă la baza metodei termice a fost descoperit la sfârşitul anilor 1970 de către cercetătorii de la firmele Canon şi Hewlett-Packard. Prima imprimantă bazată pe această metodă, care a fost şi prima imprimantă inkjet, a fost imprimanta ThinkJet a firmei Hewlett-Packard, realizată în anul 1984.

În cazul metodei termice, numită şi metoda cu bule, capul de imprimare este format dintr-un rezervor cu pereŃi elastici, în care se menŃine o anumită presiune. Din acest rezervor, tuşul ajunge în camera de generare a picăturilor, care este prevăzută cu un ajutaj în care tuşul pătrunde prin capilare. Pe unul din pereŃii camerei se află un element de încălzire sub forma unei pelicule subŃiri.

Generarea unei picături se realizează prin încălzirea foarte rapidă a tuşului, cu câteva sute de grade pe secundă. Se va încălzi numai un strat subŃire ce este în contact direct cu încălzitorul şi care va ajunge apoi la temperatura de fierbere. Se produc vapori de tuş şi o presiune suplimentară ce va genera o picătură, expulzată prin ajutajul duzei.

Elementul de încălzire este apoi răcit, astfel încât tuşul îşi reduce volumul şi presiunea, iar cel expulzat este înlocuit cu cel din rezervor. Metoda termică impune anumite limitări asupra procesului de tipărire. Astfel, tuşul utilizat trebuie să fie rezistent la căldură. Capul de imprimare trebuie să fie rezistent la ciclurile repetate de încălzire şi răcire rapidă.

Procesul de răcire duce la o întârziere, ceea ce reduce într-o anumită măsură viteza de imprimare. Ciclurile repetate de încălzire şi răcire reprezintă principalul dezavantaj al metodei termice. Capul de imprimare se va uza după un timp relativ scurt, fiind necesară înlocuirea periodică a acestuia.

Unii producători, cum este Hewlett-Packard, combină într-un singur cartuş capul de imprimare cu rezervorul de tuş astfel încât înlocuirea rezervorului implică automat şi înlocuirea capului. La alŃi producători, este posibilă înlocuirea separată a capului de imprimare.

Metoda piezoelectrică. Această metodă a fost elaborată de firma Epson şi se bazează pe efectul piezoelectric. Dacă se exercită o presiune asupra unui cristal piezoelectric, se va produce o tensiune electrică. Dacă se aplică o tensiune electrică unui cristal piezoelectric, acesta va suferi o deformare mecanică. În cele mai multe cazuri, se utilizează un cristal piezoelectric sub forma unui disc, care este plasat în spatele rezervorului. Discul se deformează atunci când i se aplică o tensiune electrică. Această deformare produce o presiune care va determina expulzarea unei picături. În cazul unei alte tehnici, se plasează un tub subŃire de sticlă în interiorul unui cristal piezoelectric. La aplicarea unei tensiuni electrice, cristalul se contractă şi exercită o presiune asupra tubului de sticlă, producând expulzarea unei picături.

Firma Epson este autoarea unei tehnologii numită MACH (Multi-layer Actuator Head), în care se utilizează un dispozitiv piezoelectric multistrat ce vibrează pentru producerea picăturilor de cerneală. Dispozitivul multistrat este format din fire piezoelectrice foarte fine, aşezate în paralel unele cu altele într-un spaŃiu redus.

Page 351: CartedlComanescu Bun v1

351

Atunci când li se aplică un impuls electric, firele îşi măresc lungimea şi acŃionează asupra unei plăci vibratoare care modifică volumul camerei în care se află tuşul. Această tehnologie este utilizată în special la imprimantele Epson din seria Stylus.

Metoda piezoelectrică este utilizată de imprimantele firmelor Epson, Brother şi Tektronix. O variantă a tehnologiei multistrat, numită Microjet, a fost elaborată de firma Cambridge Consultants. Imprimantele realizate pe baza metodei piezoelectrice sunt mai rapide, mai fiabile şi au costul de imprimare pe pagină mai redus decât cele termice.

Calitatea tipăririi în cazul imprimantelor cu jet de cerneală în general, şi a imprimantelor color în special, este determinată în mare măsură de două elemente: calitatea tuşului şi calitatea hârtiei. Există două tipuri de tuşuri utilizate. Primul tip este cu uscare lentă şi este utilizat la imprimantele monocrom. Al doilea tip este cu uscare rapidă şi este utilizat la imprimantele color. La aceste imprimante, deoarece se realizează mixarea tuşurilor, acestea trebuie să aibă un timp de uscare cât mai redus pentru a se evita alterarea culorilor prin unirea unor puncte apropiate.

În general, tuşul utilizat la imprimantele cu jet se bazează pe coloranŃi diluaŃi în apă, ceea ce poate crea anumite probleme. La imprimantele din generaŃiile anterioare, pătarea hârtiei era o problemă frecventă, dar în ultimii ani au fost realizate îmbunătăŃiri considerabile ale compoziŃiei chimice a tuşurilor. Deşi producătorii au realizat progrese şi în domeniul dezvoltării tuşurilor rezistente la contactul cu apa, rezultatele nu sunt încă satisfăcătoare. Unii producători oferă tuşuri neapoase sau hârtii ce permit fixarea tuşurilor solubile pentru a preveni alterarea rezultatului tipăririi.

Una din preocupările producătorilor este elaborarea unor tuşuri care să permită tipărirea pe o gamă largă de suporturi. Cercetările efectuate au ca scop îmbunătăŃirea coloranŃilor şi a pigmenŃilor utilizaŃi, astfel încât să se asigure calitatea tipăririi şi o rezistenŃa în timp a acesteia pe diferite tipuri de suporturi, fără a fi necesară utilizarea unei hârtii speciale, cu costuri ridicate.

De obicei, se utilizează cerneluri cian, magenta şi galben care se bazează pe coloranŃi, cu molecule de dimensiuni mici (sub 50 nm). Acestea au un grad ridicat de strălucire şi permit obŃinerea unei game largi de culori, dar nu sunt suficient de rezistente la apă şi se decolorează în timp.

11.3.1. CompoziŃia tuşurilor inkjet CompoziŃia complexă a tuşurilor implică o varietate foarte mare a acestora. O dată cu

evoluŃia instrumentelor de scris, a dezvoltării tehnicii de calcul şi a diversificării metodelor de a obŃine înscrisuri pe suporturi celulozice (imprimante, fotocopiatoare, metode noi de tipărire, etc.), compoziŃiile tuşurilor variază în funcŃie de modul de aplicare pe suport. Următoarele proprietăŃi sunt necesare pentru tuşurile folosite la imprimante: să fie netoxice, să aibă un contrast înalt, să prezinte o rezistenŃă bună la căldură (se aplică numai pentru Bubble Jet), să nu fie corozive, să aibă o vâscozitate redusă, un pH neutru, o tensiune superficială înaltă şi un timp de uscare rapid pe suportul de hârtie [29-45].

În general un tuş conŃine următoarele tipuri de componenŃi: • materiale de colorare; • materiale care determină fluiditatea şi viteza de uscare a tuşurilor, numite generic vehicule; • alŃi aditivi, care determină proprietăŃile specifice ale unui tuş.

Prin termenul “materiale de colorare” se înŃelege complexul tuturor acelor substanŃe care dacă se aplică sau sunt prezente într-un material determină o culoare. Se estimează că sunt prezenŃi pe piaŃă peste 3000 de compuşi chimici diferiŃi, folosiŃi ca substanŃe colorante. Alegerea materialelor de colorare şi a combinaŃiilor lor atunci când se vrea să se obŃină o culoare egală cu aceea a unei referinŃe este o problemă complexă a cărei rezolvare cere multă practică şi un ochi sensibil şi bine instruit.

Page 352: CartedlComanescu Bun v1

352

Materialele de colorare pot fi coloranŃi (sunt solubili în vehicul şi pot fi acizi, baze etc.) sau pigmenŃi (granule multimoleculare insolubile în vehicule).

PigmenŃi sunt denumiŃi ca acele substanŃe colorate care nu-şi modifică propria structură în timpul procesului de colorare: o caracteristică particulară a pigmenŃilor este insolubilitatea lor în apă şi minima solubilitate în solvenŃii organici, prin care trebuie să fie introduşi în fibră sau să fie legaŃi de aceasta. PigmenŃii pot fi anorganici sau organici. Primii sunt relativ puŃini, chiar dacă unii au o mare importanŃă industrială ca de exemplu oxizii de fier sau negru de fum. PigmenŃii organici au o culoare mai pură şi mai strălucitoare decât aceea prezentată la pigmenŃii anorganici: ca exemplu pigmenŃii galbeni, portocalii şi roşii sunt: monoazo, diazo, săruri de calciu şi de bariu şi azoderivaŃi; pigmenŃii albaştri şi verzi sunt derivaŃi din ftalocianină.

ColoranŃii sunt formaŃi din molecule colorate, solubile, dispersate în apă sau în alŃi solvenŃi, ce pot pătrunde în interiorul unei fibre ducând la colorarea acesteia. Cu toate acestea, coloranŃii sunt legaŃi fizic de fibră, prin una sau mai multe forŃe fizice cum ar fi legătură de hidrogen, forŃe Van der Waals sau forŃe ionice şi în anumite cazuri prin legături covalente.

La rândul lor, coloranŃii se pot împărŃi în hidrosolubili şi insolubili, iar cei hidrosolubili în cationici şi anionici. Aşa cum s-a mai spus, hârtiile colorate sunt fabricate pentru a fi folosite individual şi de aceea este nevoie ca această colorare să aibă un anumit indice de soliditate (rezistenŃă) la lumină, la baze, la acizi, la umezeală, la solvenŃi.

RezistenŃa la lumină este necesară cu atât mai mult cu cât hârtia sau cartonul sunt permanent expuse acŃiunii razelor solare sau a agenŃilor atmosferici, aşa cum este cazul hârtiei folosită la fabricarea maselor plastice laminate.

RezistenŃa la baze este importantă pentru acele hârtii sau cartoane care sunt tratate cu adezivi alcalini.

RezistenŃa la acizi este necesară atunci când se folosesc tuşuri (cerneluri) acide; hârtiile sunt tratate cu acizi adezivi sau conŃin produse acide.

RezistenŃa la apă sau la umezeală sunt cerute în cazul unor produse cum ar fi de exemplu, şerveŃelele (pentru curăŃirea feŃei sau pentru uz casnic), pentru sacoşe sau ambalaje.

11.3.2. ProprietăŃile tuşurilor inkjet ProprietăŃile fizice ale tuşului trebuie să fie compatibile cu tehnologia inkjet deoarece

acesta este parte integrantă a mecanismului imprimării în timpul operaŃiei. Tuşurile utilizate în jet continuu au conductivitate electrică înaltă (rezistenŃă < 1000Ω) şi vâscozitate redusă (<4 mm2/s ). Tuşurile inkjet impuls nu au nevoie de conductivitate, dar au vâscozitate mare (<20 mm2/s). În Bubble Jet, componentele tuşului sunt stabile termic la 3000C.

CerinŃele proprietăŃilor imprimării. Probleme cum ar fi crustele, coroziunea, precipitarea, întârzierea primei picături produsă în căldura imprimării inkjet pot afecta imprimarea. Imprimarea pe diverse substraturi produse la aceleaşi calităŃi (densitate, precizie) se realizează cu timp rapid de uscare şi cu o bună stabilitate în timp. Tuşul trebuie să conŃină substanŃe chimice bune şi densitate optică înaltă.

Tensiunea superficială. DistanŃa dintre moleculele unui lichid este mică, iar forŃele ce se exercită între moleculele lui acŃionează la distanŃe de ordinul 10-6 cm.

Moleculele unui lichid sunt într-o continuă mişcare şi aceasta produce în interiorul său o presiune internă foarte mare, care este însă contrabalansată de forŃele de atracŃie intermoleculare.

Totodată această forŃă îndreptată spre interior face ca stratul superficial să aibă un conŃinut mai bogat în energie decât celelalte molecule şi tinde să strângă lichidul într-un volum cât mai mic posibil, să micşoreze suprafaŃa lichidului, lucrând ca o membrană elastic. Această forŃă de atracŃie a suprafeŃei lichidului se numeşte tensiune superficială şi se exprimă în N/m2.

Tensiunea superficială a unei soluŃii este diferită de cea a solventului pur. În cazul soluŃiilor apoase de agenŃi tensioactivi, moleculele acestora se adsorb la suprafaŃa de separaŃie

Page 353: CartedlComanescu Bun v1

353

lichid-aer, micşorând tensiunea superficială. CantităŃi mici de produs tensioactiv produc scăderea puternică a tensiunii superficiale.

Fenomenele capilare reprezintă un ansamblu de fenomene datorate forŃelor de interacŃiune dintre un lichid şi un corp solid şi care conduc la abaterea, de la forma de plan orizontal, a suprafeŃei libere a lichidului.

Deplasarea relativ uşoară a moleculele de lichid, unele faŃă de altele, determină apariŃia unei proprietăŃi caracteristice numită curgere. Atât în curgerea liberă cât şi în cea forŃată a unui lichid printr-un tub se poate constata că nu tot lichidul curge cu aceeaşi viteză.

Straturile ce se găsesc în contact cu pereŃii tubului se deplasează mult mai încet, în timp ce straturile adiacente de lichid se deplasează cu o viteză crescândă în direcŃia de curgere. RezistenŃa ce se opune la deplasarea unui strat de lichid în raport cu altul poartă numele de frecare internă sau vâscozitate.

Stabilitatea este un aspect cheie pentru tuşurile inkjet din punct de vedere al dezvoltării noilor formule de tuş, folosind pigmenŃii. Sedimentarea poate avea loc în astfel de sisteme, datorită diferenŃei de densitate a particulelor de pigment, comparativ cu fază continuă. Acest fenomen nu poate fi eliminat deoarece vâscozitatea creşte datorită constrângerilor tehnice din cartuş. Toate aceste fenomene pot apărea, de asemenea şi în timpul ambalării.

Figura 11.1 Vedere subansamblu imprimare

Figura 11.2 Suport cartuş cu 2 compartimente (negru și color)

Page 354: CartedlComanescu Bun v1

354

Figura 11.3 Subansamblu cinematic imprimanta

11.3.3. InteracŃiunea tuş / hârtie în procesul de imprimare inkjet

Calitatea documentelor realizate prin tehnologia inkjet depinde semnificativ de alegerea combinaŃiei hârtie-culoare. Penetrarea tuşului inkjet trebuie să fie scăzută pe hârtie. SuprafaŃa hârtiei joacă de asemenea un rol important, fiind necesară controlarea absorbŃiei acesteia. Cele mai multe tuşuri color de imprimantă sunt soluŃii diluate a unuia sau a mai multor coloranŃi acizi. SolvenŃii reprezintă până la 98% din greutatea tuşului şi sunt amestecuri de apă cu diferite materiale organice, de obicei, alcooli.

Pentru un aspect bun al tipăririi, coloranŃii ar trebui să fie fixaŃi doar pe partea exterioară a suprafeŃei hârtiei, variindu-se doar poziŃia impactului picăturii. De fapt, fixarea coloranŃilor este cheia calităŃii de imprimare inkjet incluzând densităŃi mari optice sau intensităŃi de culoare, înaltă rezoluŃie sau claritatea picăturii de tuş.

Studiile tuşurilor pentru imprimantele inkjet au arătat că doar culoarea neagră este rezistentă la lumină. Toate celelalte culori ale tuşurilor bazate pe apă nu sunt rezistente. Astfel la documentele tipărite color este accelerat procesul de îmbătrânire al suprafeŃei hârtiei. Caracteristica procesului de imprimare inkjet depinde de fixarea coloranŃilor pe suprafaŃa hârtiei. Răşinile nevâscoase sunt prezente pentru a controla mişcarea colorantului.

Natura tuşului necesită utilizarea stratului absorbant de hârtie care în cazul imprimării de înaltă calitate este greu de realizat. În prezent, acoperirea cu silice reprezintă starea de înaltă calitate a lucrărilor cu inkjet. Cu toate acestea, din motive economice, se căută să se înlocuiască silica. De exemplu, acoperirile constituite din aceleaşi componente de imprimare convenŃionale ar fi opŃiuni interesante ca mediu de imprimare pentru că ele oferă un cost mai mic pentru pagina imprimată.

Oricum, dezavantajele lor cu privire la imprimarea inkjet sunt minore şi se referă la afinităŃile pentru coloranŃi a substanŃelor de acoperire şi la incapacitatea lor de a absorbi lichidul la suprafaŃă.

Acest lucru rezultă din densităŃile optice scăzute, din imprimarea lentă, uscarea şi eventual din slaba calitate de imprimare. Prin urmare, compoziŃia pigmentului sau polimerului trebuie să fie modificată pentru a îmbunătăŃi absorbŃia tuşului. Există în general două tipuri de

Page 355: CartedlComanescu Bun v1

355

acoperiri în tehnologia inkjet şi anume cu pigment şi cu sisteme de răşină. Lucrările tipărite prin tehnologia inkjet care sunt disponibile pe piaŃă astăzi sunt predominante pe hârtie prelucrată. Acestea sunt adecvate pentru cele mai multe aplicaŃii de rutină. Cu toate acestea, suprafaŃa acestor hârtii nu permit imprimări foarte bune din punct de vedere al aspectului şi al imaginii.

Cele din urmă sunt realizate prin formule speciale de aplicare a unui strat de protecŃie pe suprafaŃa hârtiei. Astfel au fost testaŃi doi pigmenŃi - silice şi respectiv carbonat de calciu precipitat (PCC) - împreună cu alcool polivinilic (PVA) ca liant.

11.4. Imprimante laser şi fotocopiatoare Imprimantele electrofotografice (numite, în mod obişnuit, imprimante cu laser) au fost

dezvoltate pornind de la fotocopiatoarele bazate pe un proces numit electrofotografie. Acestea utilizau o sursă de lumină pentru capturarea unei imagini şi redarea ei se face cu ajutorul unei substanŃe pigmentate solide pe bază de praf de carbon, substanŃă numită toner. Procesul electrofotografic a fost dezvoltat de firma Canon în anii 1960. Prima aplicaŃie comercială a acestei tehnologii, care a fost numită New Process pentru a o deosebi de procedeul mai vechi de xerografie utilizat în tipografie, a fost un fotocopiator Canon prezentat în anul 1968.

Prima demonstraŃie a unei imprimante electrofotografice a fost realizată de firma Canon în anul 1975 pe baza unui fotocopiator modificat. Prima imprimantă comercială electrofotografică a fost prezentată de firma Hewlett-Packard în anul 1984, la introducerea primei imprimante din seria LaserJet, care a fost bazată pe tehnologia elaborată de firma Canon.

FuncŃionarea unei imprimante electrofotografice este similară cu cea a unui fotocopiator, deosebirea principală constând în sursa de lumină utilizată.

Fiecare bandă orizontală de puncte de pe pagină este cunoscută ca linie de raster sau linie de scanare. Crearea de imagine pentru a fi tipărite, se face de către Procesorul de Imagine a Rasterului (PIR), de obicei construit în imprimanta laser. Material sursă poate fi codificat în orice număr de limbaje speciale de descriere a paginii cum ar fi Adobe PostScript (PS), HP Limbajul de comandă al Imprimantei (PCL) sau Microsoft XML SpecificaŃiile Paginii (XPS), precum şi data numai-text neformatată. Procesorul RIP foloseşte limbajul special de descriere a paginii pentru a genera un bitmap a paginii în final în memoria rasterului. După ce toată pagina a fost generată în memorie, imprimanta este gată să înceapă procesul de trimitere a şirului de puncte din raster către hârtie într-un şir continuu.

Figura 11.4

Page 356: CartedlComanescu Bun v1

356

În figură se poate vedea cum este generată data de imagine a rasterului.

11.4.1. Încărcarea Un fir corona, la modelele mai vechi, sau o rolă primară încărcată proiectează o sarcină

electrostatică către fotoreceptor, denumit şi unitatea fotoconductoare, reprezentat de un tambur sau curea fotosensibilă, capabilă să menŃină o sarcină electrostatică atât timp cât suprafaŃa este în întuneric.

Numeroase patente au ca strat acoperitor al tamburului fotosensibil un sandviş de silicon cu un strat fotoîncârcabil, un strat barieră împotriva evadării încărcării electrice (photocharging layer, a charge leakage barrier layer) şi un strat de suprafaŃă.

O versiune foloseşte silicon amorf conŃinând ca hidrogen ca stratul primitor de lumină, nitrură de bor ca strat barieră şi ca strat de suprafaŃă silicon dopat cu impurităŃi, în general silicon cu oxigen sau nitrogen. Efectul fiind acela al unei diode încărcabile cu scurgeri minime şi cu rezistenŃă la uzură prin frecare.

Figura 11.5

În figură se observă încărcarea nu ioni negativi a tamburului fotosensibil

11.4.2. Expunerea Laserul este Ńintit la o oglindă poligonală rotativă care direcŃionează raza laser printr-un

sistem de lentile şi oglinzi pe fotoreceptor. Raza străbate fotoreceptorul la un unghi pentru a face întreaga pagină. Cilindrul continuă rotaŃia în timpul acesta şi unghiul compensează această mişcare.

Şirul de date din memorie controlează pornirea şi oprirea laserului pentru a forma punctele pe cilindru. Laserele sunt folosite deoarece generează o rază îngustă pe distanŃe mari. Raza laser neutralizează sau inversează sarcina electrică pe partea albă a imaginii, lăsând o

Page 357: CartedlComanescu Bun v1

357

imagine electrică statică negativă pe suprafaŃa fotoreceptorului pentru a ridica particulele tonerului.

Figura 11.6

În figură se vede transferul imaginii din buffer pe tamburul fotoreceptor

11.4.3. Developarea SuprafaŃa cu imaginea latentă este expusă tonerului, particule fine de praf uscat de plastic

amestecate cu carbon negru sau coloranŃi. Particulele de toner sunt încărcate cu sarcină negativă şi sunt electrostatic atrase către fotoreceptorul pe care laserul a format imaginea latentă. Tonerul încărcat cu sarcina negativă nu va atinge tamburul unde raza laser nu a îndepărtat sarcina negativă.

Întunecimea totală a imaginii imprimate este controlată de sarcina de înaltă tensiune aplicată furnizorului de toner. După ce tonerul încărcat atinge suprafaŃa tamburului, sarcina negativă a tonerului nu permite aderarea excesului de toner. Dacă tensiunea este mică atunci stratul subŃire de pe tambur va fi prea slab pentru a îndepărta excesul de toner. Mai mult toner va adera până când sarcina de pe tambur este din nou destul de înaltă să îndepărteze tonerul în exces. La cea mai întunecată setare, tensiunea aplicată furnizorului de toner va fi atât de înaltă încât va acoperi şi zonele de pe tambur unde sarcina iniŃială este încă prezentă dând astfel paginii o umbră întunecată.

11.4.4. Transferul Fotoreceptorul este presat sau rulat peste o hârtie, astfel făcându-se transferul de imagine.

UnităŃile performante utilizează o rolă de transfer cu sarcină pozitivă pe partea din spate a hârtiei pentru atrage tonerul de pe fotoreceptor pe hârtie.

11.4.5. Contopirea (fuzionarea) Hârtia trece printre role în ansamblul de fuzionare unde căldură şi presare sunt aplicate,

până la 200° C, pentru fixarea pudrei de plastic pe hârtie. O rolă este de obicei alezată, ceea de încălzire, şi cealaltă este o rolă de plastic de sprijin,

pentru presare. O lampă de căldură radiantă este suspendată în centrul rolei alezate, energia infraroşie încălzeşte uniform rola din interior. Pentru o fixare corectă a tonerului, rola de fuzionare trebuie sa fie uniform încălzită.

Page 358: CartedlComanescu Bun v1

358

Ansamblul de fuzionare reprezintă până la 90% din energia utilizată. Căldura de la ansamblul de fuzionare poate dăuna alte componente ale imprimantei, de aceea este aerisită de ventilatoare pentru a îndepărta căldura din interior. Principala caracteristică de salvare a energiei este oprirea ansamblului de fuzionare şi permiterea răcirii acestuia. Reluarea funcŃionării normale necesită aşteptarea ca ansamblul de fuzionare să ajungă la temperatura nominală de funcŃionare.

Unele imprimante utilizează o rolă de fuzionare din metal flexibil foarte subŃire, astfel nu mai e necesară multă căldură pentru a încălzi rola şi astfel ajunge la temperatura nominală mult mai rapid. Acest lucru creşte viteza de imprimare dintr-o stare de neutilizare şi permite oprirea ansamblului mai frecvent pentru conservarea energiei.

Dacă hârtia trece prin ansamblu mai încet, timpul de contact cu rola pentru topirea tonerului e mai mare şi ansamblul poate opera la temperaturi mai joase.

Figura 11.7

În figură se observă ansamblu de fuzionare

11.4.6. CurăŃarea Când imprimarea este completă, o lamă de plastic de sarcină electrică neutră curăŃă orice

exces de toner de pe fotoreceptor şi îl depozitează într-un rezervor de deşeuri, apoi o lampă de descărcare îndepărtează sarcinile electrice rămase pe fotoreceptor.

Tonerul poate ocazional să rămână pe fotoreceptor când se blochează calea hârtiei. Tonerul este pe fotoconductor pregătit pentru imprimare dar operaŃia nu poate continua. Atunci tonerul trebuie curăŃat şi procesul reîncepe.

Tonerul uzat nu poate fi reutilizat deoarece poate conŃine praf sau fibre de hârtie. O imagine imprimată de calitate are nevoie de toner pur și curat. Reutilizarea tonerului contaminat rezultă în zone de imprimare pătate sau o proastă fuzionare a tonerului pe hârtie.

O dată ce imaginea raster e generată toate etapele imprimării se pot succede rapid. Acest lucru permite utilizarea unei unităŃi mici şi compacte, unde fotoreceptorul este încărcat, rotit câteva grade şi scanat, rotit din nou câteva grade şi developat şi tot aşa. Întregul proces se poate termina înainte ca tamburul să termine o rotaŃie completă.

Page 359: CartedlComanescu Bun v1

359

11.4.7. Exemplu constructiv Acest exemplu reprezintă o formă constructivă a aparatelor de formarea imagini prin

utilizarea unui sistem electrofotografic, ce foloseşte un developator format din două componente: toner şi purtător.

ConvenŃional, într-un aparat de formarea imaginii prin metodă electrofotografică , un sistem de developare magnetic utilizând un developator compus din două componente un purtător magnetic şi un toner este adoptat pentru a developa o imagine latentă formata electrostatic pe un purtător de imagine latent. Normal, un mecanism de developare bazat pe acest sistem conŃine o rolă magnetică internă formată dintr-un corp magnetic ce are mai mulŃi poli magnetici, un cadru pentru a susŃine rola magnetică şi o manşetă de developare care este un purtător cilindric de developare care este susŃinut astfel încât se poate roti. Acestui purtător îi este ataşat un toner Ńinut de forŃa magnetică al rolei magnetice pe suprafaŃa manşetei developante şi transpus deasupra unei regiuni unde se realizează developarea. Pentru a îmbunătăŃi caracteristicile fluide ale tonerului, particule anorganice foarte fine, precum siliciu, sunt adăugate tonerului ca un aditiv extern.

A existat tendinŃa de a reduce mărimea particulelor tonerului şi a purtătorului magnetic, reducerea intervalului dintre corpul fotosensibil ce reprezintă purtătorul de imagine şi rola developatoare ce reprezintă purtătorul developator. Dar, odată cu micşorarea particulelor tonerului şi micşorarea purtătorului, aşa şi suprafaŃa particulelor de cuprins devine mai mare în raport cu masa tonerului şi purtătorului. Astfel contactul dintre particulele tonerului, particulele tonerului şi ale purtătorului devin pasibile de fricŃiune ce poate degrada fluiditatea. Mai mult, deoarece crestătura, adică spaŃiul netipărit, suprafeŃei devine mai mic atunci aditivul tonerului, siliciu, care este folosit pentru îmbunătăŃirea fluidităŃii tonerului, devine inclus în suprafaŃa tonerului astfel posibilitatea deteriorări fluidit ăŃii peste timp devine mai mare.

În principiu, aditivul tonerului având o mărime a particulelor mică intră între particulele tonerului respectiv şi dintre particulele tonerului şi particulele purtătorului magnetic, împiedicând microparticulele tonerului şi purtătorului magnetic să adere una de alta astfel crescând fluiditatea.

Determinarea cantităŃii de aditivi ce trebuie adăugaŃi în raport cu tonerul este important în formarea de imagini dezirabile.

O metodă de developare ce utilizează un developator format din două componente este considerat a produce imagini de o calitate mai mare şi mai stabilă.

Primul obiectiv este crearea unui aparat de creat imagini ce previne deteriorarea peste timp a fluidităŃii tonerului, totuşi creând imagini de calitate mare folosind toner şi purtător cu mărime de particule mică, păstrarea unei sarcini stabile a tonerului, chiar şi într-un mediu cu umiditate scăzută.

Al doilea obiectiv este acela de a reduce mărimea aparatului de formare imagini dar păstrând înalta calitate a imaginii. Reducerea apariŃiei aderenŃei purtătorului în zonele tipărite şi cele de margine a zonei tipărite, reducerea anormalităŃilor, pierderea tonerului etc.

Acest aparat cuprinde un purtător de imagine ce are o imagine latentă electrostatică pe suprafaŃa sa, un purtător developator cu un generator fix de câmp magnetic care se roteşte în timp ce Ńine un developator format dintr-un purtător magnetic şi toner pe suprafaŃa opusă a purtătorului de imagine; un generator de câmp electric pentru zona dintre purtătorul de imagine şi purtătorul developatorului. Imaginea latentă electrostatică de pe purtătorul de imagine este transformată într-o imagine a tonerului prin câmpul electric al developatorului, Ńinând tonerul pe purtătorul developatorului. Volumul mediu al particulelor tonerului est de 5.5-8 µm. Volumul mediu al particulelor purtătorului magnetic este de 20-40 µm. DistanŃa dintre purtătorul de imagine şi purtătorul developator este de 0.3-0.6 mm iar toleranŃa este ±0.125 mm.

Aparatul de formarea imaginii din această invenŃie este compus dintr-un tambur fotosensibil, având un strat pe care imaginea latentă electrostatică este formată şi o unitate de developare ce conŃine un toner şi un purtător, înzestrat cu o manşetă developatoare ce Ńine cele

Page 360: CartedlComanescu Bun v1

360

două componente developatoare într-o poziŃie opusă tamburului. Diametrul exterior al tamburului este de 20-70 mm şi grosimea stratului de film 20-40 µm. Diametrul exterior al manşetei developatoare este de 10-30 mm. DistanŃa dintre tambur şi manşetă din poziŃia opusă este de 0.2-0.5 mm. Mărimea medie a particulelor ale tonerului este de 3.5-7.5 µm, a purtătorului este de 20-60 µm, o rezistenŃă statică de 1010-1016 Ωcm şi o saturaŃie magnetică de 40-90 emu/g.

Figura 11.8

În această figură se observă relaŃia dintre mărimea particulelor tonerului şi a purtătorului

magnetic şi calitatea imaginii. În acest caz distanŃa developatoare este de 0.5 mm.

Figura 11.9

Page 361: CartedlComanescu Bun v1

361

În Figura din stânga este o vedere a particulelor tonerului şi particulele purtătorului în

cazul în care doar silicat de mărime foarte mică a fost adăugat, iar în partea stângă este aceeaşi vedere dar şi cu prezenŃa particulelor de silicat mai mare.

Figura 11.10

În această figură este diagrama cu componentele generale a unei imprimante cu patru

tambururi în tandem. Imprimanta PR este compusă din unitatea de formarea imagini 1, unitatea optică de scris

2, sertarul pentru hârtie 3, unitatea de aprovizionare a hârtiei 5, unitatea de transfer 6, unitate de fixare 7, secŃiunea de ieşire a hârtiei 8. Imprimanta creează o imagine pe hârtie aprovizionată din sertarul 3 şi iese prin secŃiunea 8. Unitatea de formarea imaginii formată din patru staŃii de formare 1M, 1C, 1Y şi 1K. 1M foloseşte un toner magenta, 1C foloseşte un toner cyan, 1Y foloseşte toner galben şi 1K foloseşte toner negru.

Figura 11.11

Page 362: CartedlComanescu Bun v1

362

Această imagine prezintă componentele staŃiei de formare 1Y: • 10Y – unitatea de încărcare şi curăŃare • 20Y – unitatea de developare • 11Y – corp fotosensibil • L – lumină laser • 10Y, 20Y şi 11Y formează purtătorul de formarea imaginii. Lumina laser ce scrie optic prin

iradierea suprafeŃei corpului fotosensibil 11Y. Unitatea de încărcare şi curăŃare 10Y este compusă din:

• 15Y – tambur de încărcare uniformă • 12Y – pensulă de curăŃare • 13Y – cârlig de separare

Pensula de curăŃare recuperează toner rezidual de pe corpul fotosensibil şi orice toner care nu este recuperat este separat cu cârligul, aducând astfel corpul fotosensibil într-o stare pregătită pentru următoarea formare de imagine. Unitatea de developare 20Y este compusă din:

• 22Y – manşetă de developare • 23Y – tambur de amestecare • 24Y – tambur de transport • 25Y – lamă • 26Y – senzor de densitate a tonerului • 27Y – recipient toner • 21Y – cuva de developare

Tonerul din recipientul de aprovizionare al cuvei este transmis rolei de amestecare, prin amestecare este transmis manşetei unde este încărcat prin fricŃiune şi acumulează un potenŃial electric. Tonerul mutat pe suprafaŃa manşetei este restricŃionat la o grosime prescrisă folosind lama şi este mutat într-o zonă de developare opusă corpului fotosensibil prin rotaŃia manşetei. În această regiune, imaginea latentă este formată de laser, developat de toner şi transformat într-o imagine a tonerului. Într-o zonă de transfer imaginea tonerului formata pe corpul fotosensibil este transferată pe hârtie. Tonerul rămas pe suprafaŃa corpului fotosensibil e curăŃat şi separat.

Page 363: CartedlComanescu Bun v1

363

12. Scanerul

Scanerul este perifericul ce permite scanarea optică a imaginilor, text, obiecte şi le transpune într-o imagine digitală.

Scanerele moderne folosesc în general un senzor CCD(charghed coupled device) sau senzor CIS (senzor de contact cu imaginea) ca senzor de imagine.

Un scaner flatbed are în componenŃă un panou de sticlă sub care este o sursă puternică de lumină, în general xenon sau catod fluorescent rece care iluminează panoul şi o matrice optică mobilă CCD de scanare.

Scanarele CCD au în componenŃă trei rânduri de senzori de culoare roşu, verde şi albastru. Scanerele CIS au în componenŃă un set de LED-uri strobe roşii, verde şi albastru pentru iluminare şi o matrice de fotodiode monocromatice conectate pentru colectarea luminii.

Imaginile de scanat sunt amplasate cu faŃa în jos pe panoul de sticlă, deasupra se pune un capac opac pentru a nu permite crearea de interferenŃe cauzate de lumina ambiantă şi matricea de senzori şi sursa de lumină se mişcă pe suprafaŃa panoului pentru a scana întreaga suprafaŃă. O imagine e vizibilă detectorului numai datorită reflecŃiei luminii. Imaginile transparente nu pot fi scanate astfel, ele având nevoie de accesorii ce permit iluminarea de deasupra.

Scanerele citesc în general date de culoare RGB (roşu-verde-albastru) de la matrice. Aceste date sunt procesate cu un algoritm pentru a corecta diferite condiŃii de expunere şi trimise către calculator.

Adâncimea de culoare variază în funcŃie de caracteristicile matricii de scanare, în general fiind de cel puŃin 24 de biŃi. Modelele de înaltă calitate au 48 de biŃi sau mai mult.

RezoluŃia este alt parametru pentru determinarea calităŃii unui scaner, măsurată în pixeli per inch (ppi). Producătorii în loc să folosească adevărata rezoluŃie optică a scanerului, singurul parametru semnificativ, ei fac referinŃă la rezoluŃia interpolată, care e mult mai mare datorită interpolării software.

Din 2004 un scaner flatbed bun are o rezoluŃie optică de 1600-3200 ppi iar unul de calitate înaltă poate scana până la 5400 ppi.

Producătorii susŃin de multe ori că rezoluŃia interpolată este de 19200 ppi, acest număr neavând însă valoare deoarece numărul de pixeli interpolaŃi este nelimitat.

Mărimea fişierelor create creşte cu pătratul rezoluŃiei, dublând rezoluŃia mărimea fişierului va fi de patru ori mai mare. RezoluŃia trebuie aleasă în raza capacităŃii echipamentului, să menŃină destule detalii şi să nu producă fişiere extrem de mari . Mărimea fişierului se reduce utilizând metode de comprimare, asemenea formatului JPEG, dar cu o scădere a calităŃii datorită formatului JPEG care face o comprimare cu pierderi. Pentru cea mai bună calitate se folosesc formate de comprimare fără pierderi precum formatul TIFF sau PNG.

Al treilea parametru pentru un scaner este gama de densitate. O gamă de densitate mare înseamnă că scanerul poate reproduce detalii ale umbrei şi luminozităŃii dintr-o singură scanare.

12.1. Datele de ieşire Rezultatul scanării este o imagine necompresată RGB care poate fi transferată memoriei

calculatorului. Unele scanere fac o comprimare şi o curăŃare a imaginii folosind firmware-ul. Pe calculator imaginea e procesată şi salvată. Pozele sunt salvate în format necomprimat BITMAP, comprimate cu pierderi în formatul JPEG sau comprimate fără pierderi în formatul TIFF sau PNG.

Documentele sunt cel mai bine salvate în formatul TIFF sau PDF.

Page 364: CartedlComanescu Bun v1

364

Scanarea documentelor pentru salvare şi depozitare are nevoie de alte cerinŃe ale echipamentului de scanare decât scanarea pozelor. Când se scanată cantităŃi mari de documente, viteza şi modul de manipulare al lor este foarte important, dar rezoluŃia poate fi mai mică decât cea necesară pentru o reproducere bună a pozelor.

Scanerele de documente au Alimentator de Documente Automat (ADF – Automatic Document Feeder). Scanările se realizează la viteze înalte, de la 20 la 150 pagini per minut, de obicei în nuanŃe de gri (grayscale), deşi multe scanere pot scana şi color. Multe scanere pot procesa ambele feŃe ale documentului, adică faŃă-verso, cu ajutorul funcŃiei duplex. Scanerele de documente sofisticate au firmware sau software care curăŃă textul scanat de semne accidentale sau pete. Fişierele create sunt comprimate în timpul procesului de realizare a scanării. RezoluŃia optică utilizată în general fiind de 150-300 dpi (dots per inch – puncte per inch), chiar dacă ele pot fi capabile de rezoluŃii mai înalte. La această rezoluŃie imaginile textului sunt destul de bune pentru a putea fi citite şi pentru a fi recunoscute de programe de Recunoaşterea Optică a Caracterelor OCR - Optical Character Regonition).

Majoritatea scanerelor folosesc drivere ISIS sau TWAIN pentru a scana documentele în formatul TIFF astfel încât paginile scanate să poată fi utilizate într-un program dedicat de arhivarea şi managementul paginilor scanate.

Deşi alimentarea cu documente şi scanarea se fac rapid şi automat, pregătirea şi indexarea documentelor reprezintă o muncă ce trebuie făcută manual.

Indexarea reprezintă asocierea de cuvinte cheie fişierelor pentru a fi găsite uşor după cuprins. Acest proces poate fi automatizat până la un anumit nivel, dar mai mult ca sigur va fi necesară muncă manuală. O utilizare generală pentru indexare este folosirea tehnologiei de recunoaştere a codului de bare, în timpul pregătiri, pagini cu un cod de bare ce conŃine numele directoarelor sunt inserate în documente. Astfel în timpul scanării documentele sunt salvate în foldere specificate şi un index este creat pentru integrarea într-un sistem de managementul documentelor.

O formă specializată de scanare de documente este scanarea cărŃilor. DificultăŃi tehnice apar datorită caracterului fragil şi de neînlocuit al cărŃii. Unii producători au dezvoltat maşinării specializate, de exemplu scanerul Atiz DIY foloseşte un leagăn în formă de V şi o placă transparentă tot în formă de V pentru a scana cărŃile fragile. În general mecanisme robotizate sunt folosite pentru a automatiza datul paginii şi procesul de scanare.

12.2. Exemplu constructiv Un dispozitiv optic de scanare care deviază mai multe fascicole de lumina pentru a scana

o porŃiune scrisa pe suprafaŃa de scanare într-o direcŃie de scanare principala este configurată să continuă o sursă de lumina care are o multitudine de zone de propagare dispuse în două dimensiuni pe un plan în paralel cu direcția de scanare principala și pe direcția de sub-scanare perpendiculara pe direcția de scanare principala. Există o multitudine de porțiuni de propagare emise de fascicolele de lumina din zonele de propagare; un deviator care abate multitudinea de fascicole de lumina din zonele de propagare; un element de captare a luminii care primește fascicole de lumina și care ies sub forma unui semnal sincron de detectare în concordanta cu fascicolul de lumina primit; o unitate (de control) care controlează selectiv oricare dintre zonele de propagare a fascicolului de lumina pentru fiecare scanare și permite fascicolului sa cada incident pe elementul de captare a luminii via deviator.

Referitor la Figura 12.1, este descrisă structura dispozitivului optic de scanare 100. Acesta conŃine: o sursă de lumina 10, lentile pereche 11, un orificiu de deschidere 12, lentile de formare a imaginii lineare 13 și o oglindă poligonală 15, toate acestea fiind dispuse secvenŃial față de sursa de lumina 10 ca un punct de pornire pe o linie dreapta care face un unghi de 70º cu axa x,

Page 365: CartedlComanescu Bun v1

365

prima și a doua lentila de scanare 16, 17 și o oglindă de reflectare 18 care sunt dispuse în serie pe axa x, un element de captare a imaginii 19, un conducător de sursă de lumină 101.

Figura 12.1

Figura 12.2

Sursa de lumina 10 reprezintă o suprafață care emite laseri semiconductori pe care sunt

aranjate în două dimensiuni puncte luminoase precum VCSEL. 40 VCSEL sunt aranjați în matrice de 4 rânduri, 10 coloane pe un plan de propagare a luminii (direcția axei X). Rândurile sunt aranjate în paralel cu linia dreapta L1 care face un unghi θ1 cu axa Y, iar coloanele – paralele cu axa Z.

Page 366: CartedlComanescu Bun v1

366

Figura 12.3

Figura 12.4 Vedere subansamblu scanare

Figura 12.5 Mecanism antrenor subansamblu optic

12.3. Alimentatorul automat de documente Alimentatorul automat de documente are rolul de a lua mai multe pagini şi apoi să

alimenteze scanerul cu câte o foaie pe rând, permiŃând utilizatorului scanarea mai multor pagini fără a fi nevoit să schimbe fiecare pagină.

Page 367: CartedlComanescu Bun v1

367

Majoritatea copiatoarelor au funcŃia de alegere a modului de scanare, fie prin intermediul panoului de sticlă fie cu ajutorul alimentatorului automat de documente.

Există şi alimentatoare de documente mai complexe capabile să scaneze ambele feŃe ale paginii de scanat, reprezentată de funcŃia Duplex. Acestea sunt împărŃite în două tipuri:

A) Alimentator automat de documente reversibil (RADF - Reversing Automatic Document Feeder ) – ce scanează o parte a foii, o întoarce şi apoi scanează şi cealaltă faŃă a foii.

B) Alimentator automat de documente duplexor (DADF - Duplexing Automatic Document Feeder) – ce scanează ambele feŃe ale foii dintr-o singură trecere. Avantajul DADF-ului este o viteză de scanare mult mai mare pentru foile scrise faŃă-verso.

Alimentatoarele RADF şi DADF sunt apreciate în ipm (imagini per minut), numărul de feŃe alo foii scanate în fiecare minut

Figura 12.6

Documentele de scanat 220 sunt aşezate pe tava de alimentare201. Ansamblul de role 202

transportă documentul spre regiunea de scanare 211 prin calea de hârtie 208. Când documentul este transportat peste regiunea de scanare, modulul de scanare 207 scanează prima faŃă a documentului. A doua rolă conducătoare 2042 al celui de al doilea ansamblu de role de descărcare e rotită anti-trigonometric pentru a conduce rotaŃia trigonometrică a celei de a doua role conduse 2041 astfel încât ansamblul 204 să transporte documentul pe calea 209 la primul ansamblu de role de descărcare 203. Prima rolă conducătoare 2032 e rotită astfel încât să conducă prima rolă condusă 2031 ca documentul să fie descărcat pe prima tavă de descărcare 205. O mare partea documentului întră pe prima tavă de descărcare dar capătul din spate al documentului este prins între rolele 2031 şi 2032 al ansamblului de descărcare 203. Rola 2031 este rotită anti-trigonometric ca documentul din prima tavă de descărcare să fie transportat în regiunea de scanare 211 prin calea hârtiei 210. În momentul în care documentul ajunge în regiunea de scanare, modulul 207 scanează şi verso documentul. După scanare a doua rolă de descărcare 2041, al celui de al doilea ansamblu de role de descărcare 204, este rotită astfel încât documentul sa fie descărcat pe cea de a doua tavă 206.

12.4. Multifunc Ńionale Producătorii de multifuncŃionale au divizat multifuncŃionalele în diferite segmente în

funcŃie de viteza de lucru, adică pagini per minut, şi ciclul de funcŃionare. Deşi există multe categorii în care se pot înscrie unele modele sunt şi în versiunea “doar

imprimantă”, fiind acelaşi model doar lipsind unitatea de scanare. MultifuncŃionalele sunt concepute pentru uz personal, afaceri mici, întreprinderi şi uz

comercial. În funcŃie de uzul necesar costul, robusteŃea, calitatea etc. variază. Oricum, toate au în general aceleaşi funcŃii: PRINT, SCAN, FAX, FOTOCOPIERE. Deşi nu există o definiŃie formală, produsele cad într-una din categoriile următoare:

Page 368: CartedlComanescu Bun v1

368

a) AIO (All in One – Toate Într-una) – o unitate mică destinată uzului casnic sau de birou. În general funcŃiile pe care unitatea AIO se concentrează sunt funcŃiile SCAN şi PRINT,

şi pot veni cu software pentru organizarea fotografiilor, un OCR simplu şi alte software-uri de interes pentru un utilizator casnic. Majoritatea având funcŃia de copiere şi câteva cu capacităŃi de fax.

MultifuncŃionalele All in One în general nu sunt legate la vreo reŃea şi se conectează la calculator prin USB sau Parallel.

Ele nu au funcŃiile de citire carduri de memorie, conectarea directă la cameră digitală sau alte echipamente similare.

MultifuncŃionalele All in One se bazează pe conceptul unei imprimante INKJET sau Laser pentru un sistem desktop personal. Pot fi monocromatice sau color.

b) SOHO (Small Office / Home Office – Birou Mic / Birou Personal) – sunt concepute pentru birouri mici sau birou personal. De obicei forma multifuncŃionalei, adică desktop sau freestanding, depinde de opŃiunile adăugate cum ar fi sertarele de hârtie etc.

Uzual multifuncŃionalele SOHO vor avea doar funcŃiile de bază PRINT, COPY, SCAN, FAX. Spre limita superioară a acestei game pot include funcŃii de managementul documentelor scanate, funcŃii de autentificare de bază reducând diferenŃa dintre multifuncŃionalele SOHO de nivel înalt şi cele din gama Office mai simple.

Ele în general sunt legate la reŃea dar se pot conecta la calculator şi prin USB sau Parallel. Mai pot avea funcŃii de editare finală precum duplexarea, capsarea şi perforarea, deşi aceste funcŃii sunt rare. În general sortarea şi aranjarea sunt funcŃii standard.

Prin comparare cu o multifuncŃională All in One, multifuncŃionalele SOHO au mai probabil un ADF (automatic document feeder – alimentator automat de documente), capacităŃi de fax mai bune şi performanŃe mai ridicate.

Tehnologia se bazează pe fotocopiatoare monocrome. c) Office – sunt unităŃi freestanding, adică independente, de mărime medie, concepute ca

sistem de birou central. În general aceste unităŃi sunt cele mai complete din punct de vedere al funcŃiilor, includ funcŃiile PRINT, COPY, SCAN cu posibilitatea alegerii funcŃiilor FAX cât şi stocarea documentelor cu securizare pe reŃea, autentificarea făcându-se utilizând datele de reŃea ale utilizatorului, posibilitatea de a rula un software personalizat.

În general au şi funcŃii de finisare precum duplexarea, capsarea, perforarea, mod offset şi crea de broşuri.

Sunt aproape întotdeauna legate la reŃea dar opŃional sau standard pot avea legătură la calculator prin USB sau Parallel.

Tehnologia se bazează pe fotocopiatoare monocrome şi recent pe tehnologia Inkjet. d) MultifuncŃionale industriale – sunt unităŃi independente de dimensiuni mari, concepute

pentru o funcŃionare de dispozitiv de imprimare central. Aceste unităŃi deşi nu au funcŃionalitatea în reŃea a multifuncŃionalelor Office, se bazează

pe viteză mare, calitate ridicată şi funcŃii avansate de finisare, incluzând crearea de cărŃi cu inserare de copertă, adică îmbinarea cu lipici fierbinte.

Ele sunt împărŃite pe două categorii: a) producŃie mică – la 100 de pagini per minut b) producŃie mare Deoarece se concentrează pe imprimare, deşi au unitate de scanare ea este utilizată rar şi

are o funcŃionalitate de bază.

Page 369: CartedlComanescu Bun v1

369

13. Camere web, foto şi video digitale

13.1. Introducere Există numeroase camere digitale, multe dintre ele asemănătoare în ceea ce priveşte

aspectul, dar şi funcŃiile pe care le oferă. În acest capitol prezentăm principalii parametri ai unei camere video digitale (unii dintre aceştia fiind întâlniŃi atât la camerele foto digitale cât şi la camerele wb) factorii importanŃi ce trebuie luaŃi în considerare atunci când intenŃionam sa achiziŃionam un astfel de echipament. Realizăm abordarea în comun a parametrilor de referinŃă ai unei camere web, foto digitale şi ai unei camere video digitale, ca urmare a faptului ca unii dintre parametrii sunt comuni, precum şi pentru faptul că o serie largă de camere video digitale au şi facilitate de cameră foto digitală. Revenind la achiziŃionarea unei camere digitale, este evident, ca acest lucru depinde în primul rând de modul în care se doreşte utilizarea camerei foto/video digitale şi în cel de-al doilea rând de bugetul avut la dispoziŃie. Astfel, criteriile cele mai importante sunt numărul de megapixeli, optica (incluzând zoom-ul) şi tipul de card de memorie pe care-l foloseşte. În afara acestor criterii, există de asemenea mai multe caracteristici destul de greu de identificat care pot afecta în mod serios alegerea unei camere digitale, şi pe care le voi prezenta în prezenta lucrare.

În ultimul timp fotografia digitală s-a dezvoltat foarte mult, iar astăzi se poate spune cu siguranŃă că poate concura cu un film de 35mm, în special în ceea ce priveşte piaŃa camerelor compacte. Însă fără a şti cum se foloseşte o cameră şi Photoshop-ul, nu se pot obŃine rezultate mai bune sau mai consistente. Un avantaj considerabil este ecranul LCD de pe spatele camerei care permite vizualizarea înregistrării, oferind posibilitatea de a încerca din nou în cazul în care înregistrarea nu este una reuşită, toate acestea fără nici un fel de cheltuieli suplimentare cu filmul sau developarea. Dar pentru a beneficia de acest avantaj, este necesar să se cunoască câte ceva despre rezoluŃie, white balance, nivele/curbe, cropping, unsharp mask şi multe alte lucruri.

Camerele cunoscute sub denumirea de Single Lens Reflex (SLR) cu lentile interschimbabile folosite de profesionişti şi de persoane mai mult decât amatoare, sunt disponibile în variante digitale de acum câŃiva ani, iar datorită preŃurilor acestora care scad din ce în ce mai rapid, mulŃi consumatori sunt tentaŃi să le cumpere. Acest material nu îşi propune să explice toate amănuntele despre aceste camere, dar trebuie ştiut ce trebuie achiziŃionat înainte de a cheltui o sumă de bani mare pe o cameră, card de memorie şi lentile. MulŃi cumpărători au fost dezamăgiŃi de noul Canon EOS 10D, prima camera digitala SLR care satisface chiar şi aşteptările celor mai pretenŃioşi consumatori, pentru că pur şi simplu este foarte complexă. Aceasta a fost creată pentru a fi un instrument profesional şi mai mult ca sigur, dacă se va folosi ca pe un aparat automat "point and shoot", rezultatele vor fi mult mai slabe decât cele obŃinute cu o camera special creată pentru acest lucru.

13.2. Factori şi parametri semnificativi

13.2.1. Megapixeli Aproape pe toate site-urile web, ca şi pe rafturile magazinelor, camerele digitale sunt

catalogate după numărul de megapixeli. Megapixel înseamnă pur şi simplu milioane de fotoelemente ale imaginii, sau puncte care formează imaginea. În timp ce camerele cu film de 35mm oferă un format al imaginii de 3:2 (10 x 15 cm la imprimare), camerele digitale în general urmează ecranul calculatorului de 4:3. Numărul de pixeli este numărul de pixeli orizontali înmulŃi

Page 370: CartedlComanescu Bun v1

370

cu cei verticali, de exemplu 1600 x 1200=1.920.000 pixeli, număr care va fi rotunjit de orice departament de marketing în jurul a 2 megapixeli.

Este foarte important să ştim de câŃi megapixeli avem nevoie sau dacă facem o fotografie digitală la ce rezoluŃie o facem raportându-ne la utilizarea ulterioară a fotografiei. Exemplu: Dacă avem intenŃia de a pune fotografiile pe o pagina web, imaginea de 1.3 megapixeli este de aproape 5 ori mai mare decât ceea de care am avea nevoie, iar dacă am dori o calitate decenta la imprimare de 28 x 20 cm, avem nevoie cu siguranŃă de o cameră de 4 megapixeli.

În tabelul 13.1 prezint care este numărul de megapixeli necesari pentru fiecare mărime de imprimare şi care este rezoluŃia pe care o oferă. Mărimile de imprimare sunt date în 300 şi 150 PPI, sau Pixels per inch. 300 este privită în general ca rezoluŃie optimă, dar printările de mărimi mai mari tind să fie tot mai mult solicitate, aşa că puteŃi foarte bine să obŃineti un PPI mai redus.

Tabelul 13.1 - Megapixeli vs. RezoluŃie vs. Mărimi de imprimare

Megapixeli RezoluŃii Imprimare 300PPI Imprimare 150PPI 1.2 1280 x 960 10.8 x 8.1 cm 21.6 x 16.2 cm 2 1600 x 1200 13.6 x 10.2 cm 27.2 x 20.4 cm 3 2048 x 1536 17.3 x 13 cm 34.6 x 26 cm 4 2272 x 1704 19.2 x 14.4 cm 38.4 x 28.8 cm 5 2592 x 1944 22 x 16.5 cm 44 x 33 cm

Dar aceasta nu este totul. Producătorii nu pun camerelor cu rezoluŃie mică senzorii CCD

sau CMOS cei mai buni (componenta sensibilă la lumina din spatele lentilelor care înregistrează imaginea) şi nici lentilele cele mai bune, aşa că este foarte posibil, chiar şi atunci când imaginea este scalată la rezoluŃia 600 x 450 pentru folosirea pe o pagina web, să se cunoască diferenŃa dintre o cameră de 4 megapixeli şi una de 1.3. În majoritatea cazurilor dacă avem o cameră de 2 MP şi facem o imprimare de 10x15 cm, vom obŃine în general o calitate similară, dacă nu mai bună cu cea obŃinută în urma folosirii unui aparat de 35mm.

13.2.2. Lentilele Optica cu zoom pentru camerele digitale, la fel ca şi cea a aparatelor cu film de 35mm pot

fi de o calitate îndoielnică, iar adesea lentilele fixe pot fi opŃiunea care oferă cea mai mare calitate. Lentilele fixe sunt ataşate în general doar modelelor cu rezoluŃie mai mică, iar acestea sunt de obicei mai ieftine şi mai bune din punct de vedere calitativ decât aparatele cu zoom.

Deoarece camerele digitale au dimensiune a suprafeŃei foto-sensibile mult mai mică decât un negativ mare de 35mm, acestea au nevoie de o distanŃă focală a lentilelor foarte mică pentru a obŃine aceeaşi imagine. Adesea se vede pe obiectiv scrisă distanŃa focală sub forma unor valori mult mai mici faŃă de cea a unui obiectiv al unui aparat cu film de 35mm (de exemplu un zoom optic 8-24mm pe un aparat digital poate fi echivalent cu 35-70mm de pe un aparat clasic). Lentilele cu o distanŃă focală mică au însă două mari dezavantaje: faptul ca este foarte greu să obŃii lentile cu adevărat WIDE (cu unghi larg), o distanŃă focală de 37mm echivalentă cu cea a unui film de 35mm este adesea cea mai mare pe care o puteŃi găsi cu excepŃia unor modele mult mai scumpe pentru profesionişti (acelea care arată că o camera SLR, dar fără lentilele interschimbabile). Al doilea dezavantaj este o adâncime de câmp prea mare. Deşi echivalentul de 35mm este la fel, de fapt vom avea o lentila de 7mm. Deci chiar dacă este vorba de f2.8 acest lucru va însemna ca aproape orice întră în cadru este focalizat, ceea ce nu conduce la obŃinerea unor imagini extraordinare. Dacă se doreşte un unghi cu adevărat larg, 28mm, este necesară o camera din gama de vârf, deşi pentru unele camere din gama de mijloc puteŃi să achiziŃionaŃi un adaptor wide angle care se montează în faŃa obiectivului.

Page 371: CartedlComanescu Bun v1

371

Am menŃionat "f2.8". Aceasta valoare se referă la cât de multă lumină o lentilă lasă să pătrundă, acel număr indicând maximum pentru lentila dvs. cu diafragma complet deschisă. Cu cât lentila lasă să pătrundă mai puŃină lumină cu atât numărul este mai mare. Aceasta este diafragma lentilelor (lens’ aperture, termenul latin pentru "deschidere" sau "diafragma"). 2.8 este aproape numărul cel mai mic pe care-l puteai găsi, iar acest număr creşte de obicei cu distanŃa focală a zoomului, prin urmare un zoom de 35-100 poate fi f2.8 la 35mm, dar mai mare la celalalt capăt. Aşadar, datorită distanŃei focale mici a lentilelor pentru camere digitale, în comparaŃie cu cea a filmelor de 35mm, deschiderea este mare şi pentru distanŃe focale mari (capătul tele). În mod normal, ar trebui să vedem un f3 la capătul wide şi un f4-5 la capătul tele. Deşi aceste lucruri există sub forma de zoom cu diafragma fixa, nu le vom găsi la aparatele compacte digitale.

Uneori în specificaŃii se vor găsi 4 valori (de exemplu f3.1-8 și f4.6-11.3). Acest lucru înseamnă că la capătul wide diafragma maximă este f3.1, iar cea minimă este f8, acelaşi lucru pentru celelalte două valori care se aplică la capătul tele. În acest caz f8 însemnă cât de mult poate închide diafragma pentru a obŃine o expunere potrivită, dar acest lucru nu este chiar atât de important. Cu excepŃia câtorva, valorile mai mici de obicei înseamnă lentile mai bune pentru ca nu doar lasă să pătrundă mai multă lumină prin lentile, ceea ce are ca efect folosirea într-o mai mică măsura a blitzului şi mai puŃin zgomot al imaginii, ci imaginile sunt de obicei mai clare şi oferă un contrast mai mare.

13.3. Timpul de răspuns Înainte de a face o fotografie, camera trebuie să focalizeze, să regleze expunerea şi încă

câteva operaŃii înainte de a fi gata. Timpul care se scurge din momentul în care declanşatorul este apăsat şi momentul în care imaginea este înregistrată se numeşte timpul de răspuns al declanşatorului. Acesta este o problemă la multe camere compacte şi chiar la mai multe camere digitale. Aceasta întârziere diferă de la o camera la alta, iar acest parametru este cel de care depinde pierderea "momentului decisiv", astfel încât obiectul să nu se mişte din cadru înainte ca fotografia să fie făcută. O modalitate de a optimiza acest lucru la orice camera este pre-focalizarea. Atunci când se apasă butonul declanşatorului pe jumătate, camera va focaliza, va seta expunerea, iar dacă este nevoie ca blitzul să se încarce, atunci când va fi gata acest lucru va fi afişat pe display sau obiectiv.

13.3.1. Blitzul În caz că există, atunci când luminozitatea este redusă este recomandat să se folosească

blitz-ul incorporat al camerei. Există însă şi camere mai “pretenŃioase” la acest capitol, camere ce oferă posibilitatea ataşării unui blitz extern, oferind astfel o calitate mult mai mare decât a unui blitz încorporat.

13.3.2. Carduri de memorie Există un număr în continuă creştere de tipuri de carduri de memorie disponibile în

momentul de faŃă, însă acestea nu diferă foarte mult. SmartMedia: Deşi numit astfel, acesta este cel mai slab dezvoltat tip de card din punct de

vedere tehnic. Acesta este cel mai ieftin tip de card și se poate observa pe piaŃă că cele mai ieftine camere folosesc acest tip de card de memorie. Dar datorită popularităŃii celorlalte tipuri de carduri, avantajul preŃului pare să fi dispărut, în unele zone cardurile CompactFlash având preŃurile mai scăzute decât SM (SmartMedia). Pentru imaginile mici create cu camerele de 1.3 și 2MP, viteza de transfer pe care o oferă aceste carduri este potrivită, deci nu există nici un motiv pentru a le evita.

Page 372: CartedlComanescu Bun v1

372

CompactFlash: acest tip de card este unul dintre cele mai vechi tipuri, fiind disponibil în două variante tipul I şi II. Cardurile de tip II sunt mai groase şi toate microdrive-urile sunt de tipul II. Nu toate camerele suporta ambele tipuri aşa că în cazul achiziŃionării unui astfel de card trebuie mai întâi studiat dacă camera este compatibilă cu acesta. Cardurile CF (CompactFlash) se folosesc mai ales de către camerele profesionale deoarece sunt foarte rapide. Se pot achiziŃiona la diverse viteze (2x, 4x, 10x, 25x, ajungându-se până la 70x) la un preŃ care în mod evident creşte odată cu mărimea vitezei. Pentru "snapshooting" viteza standard cea mai ieftină va fi suficient de rapidă, doar profesioniştii având nevoie de 4 imagini pe secundă la cea mai bună calitate, acest lucru putând fi obŃinut cu ajutorul unei viteze de minim 25x. Totuşi viteza cardului nu influenŃează în mod direct performanŃa unei camere. Timpul necesar pentru a face şi a stoca o imagine depinde la fel de mult (daca nu mai mult) şi de camera, decât de viteza card-ului CF. Cele mai rapide carduri pot permite imaginilor să fie scrise cu 50% mai repede decât un card mai puŃin rapid, dar la o camera digitală obişnuită s-ar putea să nu se nu se observe această diferenŃă. Acum câŃiva ani, Lexar a introdus caracteristica WA (Write Acceleration) noilor carduri profesionale CF, ceea ce permite operaŃii cu 20% mai rapide atunci când sunt folosite împreună cu anumite camere ce suportă WA. Procesul WA cere ca şi camera şi cardul să suporte WA, aşa că folosind un card WA cu un aparat non WA nu vom obŃine performanŃa aşteptată.

MicroDrive: Acesta este de fapt un HDD (cu piese în mişcare) de mărimea unui card CompactFlash. La acest tip de card s-au ridicat întrebări legate de consumul de putere, căldura eliberată și fiabilitate. Deşi teoretic și practice aceste probleme pot exista, în utilizarea lor efectiva acestea nu cad foarte des. Într-un timp microdrive-urile erau mult mai ieftine decât echivalentul lor cu memorie clasica electronica (solid state memory), dar cu preŃul în scădere al acestora din urma și cu scăderea avantajului preŃului pe megabyte, chiar și la cea mai mare dimensiune disponibila (1GB) această diferenŃă se reduce numai la 10-20%. De asemenea trebuie știut că există probleme de compatibilitate; chiar dacă ar trebuie să funcționeze în orice cameră compatibilă CompactFlash Tip II, în realitate nu funcționează, așa că ar trebui în prealabil să fie consultat producătorul în această problemă.

MemoryStick: Acesta este proprietatea Sony. Este fiabil, rapid și nu foarte scump față de standardele competitoare. Singura problema este aceea ca va fi nevoie de noi carduri de memorie daca se renunŃa la camera Sony. In timp ce exista și alte firme care produc aceste carduri, nici un alt tip de camera nu le foloseşte.

MultiMedia și Secure Digital: Aceste carduri sunt uşor asemănătoare. Sunt cele mai mici carduri și ambele folosesc acelaşi tip de capsula, însă cardul SD are mai mulŃi pini conectori. Cardul SecureDigital difera față de MMC în aceea ca oferă drepturi de management digitale în interiorul cardului. Se poate folosi un card MultiMedia într-un dispozitiv care este echipat cu slot de extensie SecureDigital, invers însă nu este posibil prin urmare cardurile SD nu vor funcŃiona într-un dispozitiv cu slot MMC.

Figura 13.2 - Număr de imagini pe card de memorie și megapixeli Mărimea cardului 1.2 MP 2 MP 3 MP 4 MB 5 MP 16Mb 23 14 9 6 4 32Mb 46 29 18 13 9 64Mb 93 59 36 26 18 128Mb 187 119 72 52 37 256Mb 374 238 145 104 74

Carduri xD Picture: Dezvoltat de Fuji și Olympus, xD înseamnă "eXtreme Digital". La fel

ca și cardurile MMC/SD, acestea sunt foarte mici și pot suporta memorii de până la 8Gb, deşi mărimea maxima disponibila a memoriilor este doar de 1Gb. Cei de la Olympus spun ca adaptoarele vor putea folosi cardurile xD în echipament CompactFlash, dar oricum nu ar fi rostul rentabil Ńinând cont de faptul ca CF sunt în prezent mult mai ieftine decât cele xD.

Page 373: CartedlComanescu Bun v1

373

In tabelul 13.2 prezint care ar fi număr de imagini ce se poate realiza cu o camera digitala, în funcŃie de capacitatea de stocare a cardului de memorie. Datele însă sunt estimative deoarece acest lucru depinde de mai mulŃi factori, cel mai important fiind diferenŃa de comprimare JPEG la diferite modele și conŃinutul imaginii (un peisaj frumos este mai uşor de comprimat decât o imagine luata cu ajutorul blitzului noaptea). Nu am prezentat și numărul de imagini ce se pot realiza în cazul memoriilor de 1Gb sau 2Gb deoarece acesta se poate calcula cu uşurinŃa folosind factorul de multiplicare adecvat.

13.3.3. Formatul fi şierului de imagine Fiecare camera oferă o opŃiune JPEG și în general va recomandam sa folosiŃi setarea cu

cea mai mare calitate JPEG la cea mai mare rezoluŃie a camerei. Acest lucru va conduce la o calitate și o mărime a imaginii satisfăcătoare. Majoritatea camerelor digitale scumpe oferă de asemenea și opțiunea de stocare a imaginilor în format TIFF sau RAW. TIFF este un format standard fără compresie (sau compresie fără pierdere de calitate utilizând protocolul LZH). Totuși fișierele rezultate sunt imense. RAW este implementat diferit de către diferiți producători și este într-adevăr imaginea bruta, neprelucrata de pe CCD, care de asemenea tinde sa fie destul de mare, dar oricum nu atât de mare precum mărimea unui fișier TIFF. Imaginea nu este prelucrata în interiorul camerei deloc, fiind posibila setarea balansului de alb și alte lucruri puțin mai târziu după ce fotografia a fost deja făcută.

13.3.4. Conectarea la calculator Majoritatea camerelor se conectează la calculator prin USB (universal serial bus) sau prin

portul firewire 1394. Conectarea la portul USB se face prin 2 metode. Unele se conectează doar cu drivere speciale, care trebuie instalate împreună cu o aplicație proprietară, numai cu ajutorul acesteia putând fi transferate fișierele de imagine în calculator. Însă, cea mai buna soluție este daca aparatul dvs. se comporta ca un dispozitiv de stocare USB. In acest caz nu este nevoie sa fie folosit CD-ul cu drivere ce însoŃeşte aparatul. Un avantaj în acest caz , este acela ca aceste dispozitive permit copierea oricărui fișier pe/ de pe cardul de memorie. Alta opțiune este aceea de a cumpăra un reader USB de carduri de memorie. Acestea pot fi de doua feluri: unele care citesc doar un tip de card de memorie, iar altele care dețin mai multe sloturi pentru diferitele tipuri de carduri de memorie. Ambele se comporta ca un dispozitiv de stocare detașabil și astfel suntem eliberați de drivere și aplicațiile proprietare. Unii utilizatori le prefera pentru ca astfel evita consumarea bateriilor camerei în timpul transferului fișierelor.

USB 1.1 transfera fișiere la o viteza maxima de 11Mbit/sec. Teoretic acest lucru înseamnă puțin mai mult decât 1MB/sec. (ex: un card de 128MB are nevoie de aproape 2 minute pentru a transfera datele în calculator). Din păcate, acest lucru depinde foarte mult de tipul camerei și de cat de repede cardul de memorie poate sa elibereze informațiile, așa că de fapt jumătate din transferuri se realizează la o viteza cu 25% mai mica decât aceasta. Totuși viteza este suficient de mare atât cat sa nu fie deranjanta.

USB 2.0 folosește aceleași cabluri și conectori ca și USB 1.1, dar transfera datele la o viteza mult mai mare de 480Mbit, teoretic datele de pe un card de memorie de 128MB sunt transferate în PC în mai puțin de 3 secunde.

Firewire, cunoscut și sub numele de IEEE 1394, este un standard mai vechi decât cele doua variante USB, dar în mod sigur nu unul mai prost. Transferul cu viteze de până la 400Mbit este rapid și este folosit pentru multe alte aplicații altele decât camerele. Acesta este și standardul folosit pentru transferul imaginilor video digitale în PC pentru editarea în pachete ca Adobe Premiere, și de asemenea foarte popular în rândul camerelor video digitale și scannerelor din gama de vârf. În cazul scannerelor a luat locul interfeței SCSI din ce în ce mai mult, mai ales de

Page 374: CartedlComanescu Bun v1

374

când Apple cu mult timp în urma a început sa pună porturi firewire pe Mac-uri. Nu este ușor sa găsiți o placa de baza care sa va ofere acest standard incorporat, dar exista carduri PCI care oferă aceasta facilitate.

13.4. Camere web Web cam-ul este camera de mici dimensiuni ce se atașează PC-ului și transmite imagini

în timp real, imagini ce pot fi accesate folosind World Wide Web-ul, mesageria instantanee sau o aplicație de video calling pe PC.

In general, camera transmite imaginile către un Web server, fie continuu, fie la intervale regulate. Cu un Web cam poți trimite mesaje video pe e-mail, poți face fotografii pe care sa le editezi și sa le trimiți ulterior. De fapt, aceste camere schimba sensul ideii de relație la distanta. Prietenii și rudele de pe întreg globul se pot vedea "în direct" ca și cum ar fi față în față.

13.4.1. Prezentarea principalilor parametrii Prima data trebuie sa ne gândim la destinația primara a web cam-ului. Cu alte cuvinte, ce

vrem sa facem cu el. Îl putem folosi doar pentru mesagerie instantanee, pentru "monitorizare" sau pentru înregistrarea de videoclipuri. In al doilea rând trebuie sa ne gândești la cele două caracteristici cheie: "cadre pe secunda" și "rezoluŃia". • Cadrele (frame-urile)- Sunt imagini fixe individuale care se succed repede în timpul unei

secvenŃe video, sugerând mişcarea. Cu cat vezi mai multe cadre pe secunda, cu atât calitatea imaginii este mai buna. Daca Web cam-ul reda un număr mai mare de frame-uri pe secunda, va afişa un flux video mai uniform. Majoritatea Web cam-urilor oferă între 20 și 30 de cadre pe secunda.

• RezoluŃia - Este un alt factor important care trebuie luat în considerare. Daca Web cam-ul va fi folosit pentru a trimite prin e-mail fotografii, nu este necesara o rezoluŃie foarte mare, întrucât majoritatea utilizatorilor prefera sa transmită e-mail-uri de dimensiuni mici. Modelele noi, în general, sunt capabile sa realizeze captura video la o rezoluŃie maxima de 640x480. In acest mod clipurile obŃinute au o calitate decenta.

• Calitatea imaginii - Este un factor esenŃial pentru orice tip de camera. In general, modelele cu senzor CMOS oferă o calitate puŃin mai scăzuta decât cele cu senzor CCD. Din păcate, calitatea transmisei de imagine nu este determinata numai de capacitățile camerei Web, ci și de conexiunea la Internet. Astfel, daca fluxul de date nu este constant, camera Web nu va fi capabila sa furnizeze o imagine corecta.

• Microfon incorporat/extern - Daca se doreste folosirea camerei Web pentru video-conferinta, atunci sunetul joaca un rol foarte important. In primul rand microfonul incorporat sau extern trebuie sa redea sunetele cu o acuratete buna. Se intampla adesea sa existe decalaje între imagine și sunet din cauza conexiunii slabe la Internet sau zgomot de fond și fasait din cauza calitatii proaste a microfonului.

• Facilitati optionale - In functie de tipul de activitate pentru care vreti sa folositi Web cam-ul achizitionat, puteti opta pentru un model care are integrat un senzor de miscare (pentru supraveghere) sau pentru noul concept de PC-Cam. Acesta din urma reprezinta practic un hibrid între o camera foto digitala și o camera Web. In acest mod se castiga doua mari avantaje: veŃi putea face poze la rezoluŃii mai mari decât cu un Web cam obişnuit și veŃi câştiga un plus de mobilitate prin posibilitatea folosirii aparatului independent de PC pentru captarea de imagini sau chiar de secvenŃe video, în funcŃie de capacitatea totala de stocare interna. Evident aceste facilitaŃi se răsfrâng în preŃul produsului.

• Memoria Daca Web cam-ul ales este "detaşabil", dimensiunea memoriei este importanta. Unele Web cam-uri au memorie, altele - nu. Cele care da, au fie memorie interna, fie carduri

Page 375: CartedlComanescu Bun v1

375

de memorie. In principiu, cu cat este mai mult spaŃiu de stocare disponibil, cu atât mai multe fotografii vei putea face. De exemplu, Creative PC-CAM 600 are 16 MB de stocare.

13.5. Camere foto digitale Recomandări privind achiziŃionarea unui camere foto digitale și prezentarea principalilor

parametrii Camerele foto digitale au devenit din ce în ce mai populare de când preturile lor au scăzut

deosebit de mult. Multitudinea de oferte de pe piaŃa pun potenŃialul cumpărător într-o mare dilema în momentul achiziŃiei. ExplicaŃiile personalului de la standuri se reduc de cele mai multe ori la clasicul "e cea mai ieftina camera cu numărul asta mare de megapixeli". Totuşi, pentru a putea alege o camera foto digitala perfomanța trebuie analizaŃi mai mulŃi factori în funcŃie de ceea ce doreşte ulterior achiziŃiei sa se facă cu aceasta.

Astfel, pentru cei ce nu au pretenŃii și care doresc sa facă doar fotografii în lumina naturala este suficient ca în funcŃie de buget, sa achiziŃioneze camera foto digitala cu cel mai mare număr de megapixeli. Categoria utilizatorilor care au pretenŃia sa facă fotografii bune în interior și afara, pe lumina și semiîntuneric, de la distanta și de aproape, pe loc sau în mişcare, sau care doresc ca măcar o parte dintre aceste cerinŃe sa fie îndeplinite trebuie sa ia mult mai mulŃi factori în considerare.

13.5.1. RezoluŃia Aşa cum am precizat și anterior pixelii reprezintă mici pătrate de o anumita culoare ce

puşi unul lângă altul atât pe verticala, cat și pe orizontala creează o fotografie. Cu cat numărul de pixeli este mai mare cu atât fotografia este mai clara și poate fi mărita mai mult fără a i se vedea punctele ce o alcătuiesc. In concluzie, cu cat numărul de pixeli respectiv megapixeli este mai mare cu atât camera este mai buna.

13.5.2. Optica Un alt element ce asigura claritatea unei fotografii și calitatea unei camere foto este optica

de care dispune. Aici vârful de gama este reprezentat de aparatele profesionale cu obiective interşanjabile unde putem pune ce obiective și ce filtre dorim. Aparatele semiprofesionale au lentile de calitate (Canon, Olympus Karl Zeiss etc) de dimensiuni mari. Cele mai ieftine aparate beneficiază de lentile de plastic, iar fotografiile ies fără prea multe detalii.

Clasamentul preferinŃelor utilizatorilor porneşte de la ceea ce se doreşte de la o camera foto: calitatea fotografiei, vizionarea fotografiilor pe ecranul LCD, controlul complet (point & shoot), editarea fotografiei, imprimarea și procesarea fotografiilor, distribuirea către alte echipamente, organizarea și arhivarea fotografiilor. Utilizatorii "fani" ai unei mărci ar fi bine sa se orienteze în gama de produse oferite de acel producător. Un alt lucru important în preferinŃele utilizatorilor o reprezintă mărimea acesteia: ultracompacte, compacte, mediu și mari. In funcŃie de mărimea aparatului este definita și dimensiunea lentilelor. In cazul în care se doreşte o camera foto ultraperformantă se ia modelul cel mai mare, iar modelele ultracompacte sunt destinate celor ce doresc sa le aibă la îndemână oricând fără ca aparatul sa-i încurce.

RezoluŃia pe care un utilizator o poate alege este situata între 0,3 megapixeli și peste 12 megapixeli. In funcŃie de dorinŃele utilizatorilor, și nu în ultimul rând de buget, în cazul achiziŃiei se poate alege una dintre variantele cu un număr mare de megapixeli. Aceste elemente sunt cele mai importante pentru a obŃine o fotografie la nivelul de calitate dorit.

Camerele foto digitale au și alte elemente ce pot influenta decizia de achiziŃie. Astfel, zoom-ul optic este un element important pentru fotografiile de la distanta.

Page 376: CartedlComanescu Bun v1

376

Zoom-ul digital nu îl recomandam deoarece se scade calitatea fotografiei. Un alt element este reprezentat de controlul automat/manual ce este permis de camera. Fotografii amatori cu experienŃa doresc sa facă poze artistice și vor sa aibă un control mai mare asupra aparatului. Echipamentele ce oferă aceasta facilitate sunt în general mai scumpe. Multe dintre aparatele foto digitale oferă posibilitatea de a filma secvenŃe scurte, iar acest element poate fi extrem de util uneori. Calitatea și lungimea videoclipurilor fac diferenŃa între camerele digitale.

Camerele foto din gama de vârf pot face chiar și o "rafala" de fotografii, dar aceasta facilitate necesita utilizarea unei tehnologii scumpe, cu buffere ultra-rapide și de mare capacitate.

13.6. Camere video digitale Prezentarea principalelor componente ale unei camere video digitale Principalele 6 componente care fac sa funcŃioneze o camera video digitala sunt: lentilele,

dispozitivul de captare al imaginii (pickup device), video recorder-ul, microfonul, playback-ul video și bateria.

Componentele unei camere video digitale sunt • Lentilele: Aceasta este componenta camerei video care captează lumina și focalizează. Lentila

trebuie sa capteze destula lumina pentru a înregistra o imagine buna și sa focalizeze în mod adecvat.

• Dispozitiv de captare (pickup device): Lumina este focalizata din lentile în dispozitivul de captare. La toate camerele video de astăzi, acest dispozitiv realizează conversia luminii în semnale electrice. Aceste semnale sunt transmise către video recorder.

• Video Recorder: După ce se realizează conversia luminii în semnale electrice. Aceste semnale sunt tratate ca orice semnale video de către Video Recorder care le înregistrează pe caseta video. Acesta este aproape identic cu un aparat video VCR, exceptând faptul ca nu conŃine un tuner TV sau un cronometru.

• Microfon: Toate camerele video au un microfon care înregistrează sunetul și îl sincronizează cu înregistrarea video.

• Playback Video: In afara de funcŃia de înregistrare, fiecare camera video are o funcŃie de playback video, aceasta va permite sa vizualizaŃi informaŃiile înregistrate printr-un ocular, pe un televizor, sau sa fie copiate pe un aparat video VCR. Aceasta funcŃie permite derularea înregistrare. Toate camerele video conŃin cabluri sau adaptoare ce permit conectarea direct la televizor pentru playback. Desigur, camerele video au butoane standard pentru controlul playback: play, pauza, derulare înapoi, etc.

• Bateria: Fiecare camera video este alimentata de o baterie. Din moment ce camerele video sunt folosite în locuri unde nu exista acces la prize de alimentare, ele trebuie sa funcŃioneze pe baza de baterii. Bateriile camerelor video sunt reîncărcabile, în mod normal putând fi utilizate de-a lungul mai multor ani (la utilizare normala), înainte de a fi nevoie sa fie înlocuite. Orice camera video are în dotare și un adaptor AC. Unele camere video care vin cu baterii reîncărcabile mai oferă și posibilitatea utilizării de baterii standard AA. Deşi acest lucru este costisitor, este totuşi un avantaj sa se poată folosi baterii tip AA atunci când cele reîncărcabile s-au golit și exista încă necesitatea filmării.

• Lentilele Distanta de focalizare: Lentilele fotografice sunt clasificate în funcŃie de un termen numit distanta de focalizare. Acesta se refera la "dimensiunea" lentilelor, sau la dimensiunea imaginii pe care o va înregistra aparatul. Setarea lentilelor pentru unghiuri largi capturează o imagine panoramica, în timp ce telefoto face ca obiectele îndepărtate sa para mai aproape decât sunt.

• Lentile Zoom: Majoritatea camerelor video vin cu lentile ZOOM. O lentila zoom este de fapt un dispozitiv alcătuit din mai multe lentile suprapuse. Poate modifica focalizarea de la lentila

Page 377: CartedlComanescu Bun v1

377

de unghi larg la lentila telefoto doar prin apăsarea unui buton. Lentilele de zoom sunt clasificate în funcŃie de rata lor de zoom. Aceasta reprezintă diferenŃa dintre unghiul larg minim și telefoto maxim. Lentilele de zoom ale camerelor video obişnuite au o rata de 3:1. La utilizarea telefoto, cu rata sa de zoom, putem face ca un obiect sa para de 3 ori mai aproape decât la utilizarea unui unghi larg.

• Zoom Optic: Lentilele de zoom operează cu mai multe elemente de sticla care sunt aranjate în diferite poziŃii la apăsarea butonului de zoom. Modificând spaŃiul dintre elementele de sticla schimbam distanta de focalizare. Acest sistem este numit zoom optic deoarece distanta de focalizare este modificata folosind poziŃionarea elementelor lentilelor de sticla. Ratele de zoom optic la camerele video variază între 6:1 și 20:1 sau chiar mai mult. Zoom-ul optic va oferă cea mai buna calitate a imaginii cat și versatilitate, prin aceasta înțelegând posibilitatea modificării distantei de focalizare. Pentru majoritatea utilizatorilor, un zoom de circa 16:1 sau 18:1 este mulŃumitor.

• Zoom Digital: Datorita utilizării diverselor tehnici digitale speciale, producătorii de camere video au reuşit sa pună la punct și modalitatea de a creste electronic rata de zoom pentru multe modele de aparate. Astfel, un zoom optic de 10:1 combinat cu un zoom digital de 2:1 va da o rata totala de zoom de 20:1. In general, zoom-urile digitale sunt folositoare atunci când cadre de foarte aproape nu se pot lua în nici un alt mod. Zoom-uri digitale superioare (triplu sau mai mult) creează adesea o imagine "digitalizata" - pixelii apar ca și cum ar fi "împietriŃi". Acest lucru poate fi acceptat în multe cazuri, dar nu întotdeauna.

Figura 13.1 Principalele componente ale unei camere video digitale

Dezavantaje ale utilizării telephoto: MulŃi utilizatori nu realizează ca folosind lentilele pentru telefoto un timp îndelungat la filmare, acest lucru va crea dificultatea la vizualizarea imaginilor înregistrate. Atunci când o lentila este fixata pe telefoto, orice mişcare nedorita a camerei poate fi observata foarte uşor ca o mişcare a imaginii. Chiar și cea mai mica mişcare nedorita a camerei este exagerata, iar rezultatul este o trepidaŃie a imaginii. Sunt doua soluŃii pentru a minimaliza acest dezavantaj. Prima este aceea a utilizării unui trepied. O alta soluŃie este stabilizatorul de imagine incorporat. Stabilizatorul de imagine diagnostichează micul tremur al imaginii și îl elimina, rezultatul fiind o imagine mult mai clara și stabila.

Page 378: CartedlComanescu Bun v1

378

Focalizare: Toate camerele video de astăzi vin cu un sistem de auto-focalizare. Camerele video folosesc diverse tehnici pentru a măsura distanta dintre obiectiv și subiectul filmării. Acestea se focalizează automat asupra subiectului. La unele sisteme însă, luminile de intensități foarte mici sau foarte mari pot afecta acurateŃea sistemului de autofocalizare. O indicaŃie importanta pentru focalizare: Cea mai buna metoda de focalizare manuala atunci când sunt folosite lentile de zoom este acea de a comuta pe focalizare manuala, efectuându-se zoom-in asupra subiectului, astfel obŃinându-se cea mai buna focalizare posibila. Apoi se efectuează zoom-out la distanta de la care se doreşte a se filma. Aceste setări sunt operaŃii ce trebuie făcute înainte de a începe filmarea. Daca se focalizează la setarea telefoto, atunci toate cadrele care vor fi filmate la aceeaşi distanta vor fi focalizate.

Focalizare Macro: Lentilele au o distanta minima de focalizare, iar daca un obiect ar fi mai aproape decât este distanta minima, atunci imaginea ar fi neclara. Pentru lentilele zoom, aceasta distanta este de obicei sub un metro. Focalizarea Macro permite unei lentile sa focalizeze pe obiecte mici aflate la distante foarte mici. In setarea macro, obiectele mici pot umple cadrul imaginii. Toate camerele video cu lentile zoom includ și funcŃia macro. Focalizarea Macro este foarte populara printre cei ce înregistrează imagini în mijlocul naturii și mai este foarte des utilizata de către cei ce iau imagini ale obiectelor ce sunt inventariate pentru a fi asigurate.

13.6.1. Control calitativ al imaginii Irisul: Irisul (sau apertura) este deschiderea lentilei ce se comporta ca și pupila unui ochi.

Permite trecerea luminii către dispozitivul de captare. Pentru a obŃine o intensitate luminoasa propice pentru o imagine de calitate, sau altfel spus o "expunere corecta", irisul trebuie ajustat corect. Fără un iris, o camera video ar da imagini "inundate" într-o lumina puternica, sau imagini fără contrast în întuneric. Toate camerele video de astăzi au un iris automat, care se ajustează automat în funcŃie de cantitatea de lumina ce vine prin lentile. Nu trebuie sa fii un expert în reglarea luminozităŃii pentru a obŃine imagini de calitate.

Controlul luminii de fundal (backlight): Uneori, un utilizator al camerei video poate filma în condiŃii de luminozitate pe care irisul automat nu le poate controla. De exemplu, daca subiectul se afla în față ferestrelor inundate de lumina. Intensitatea luminii pe fundalul imaginii este foarte mare. Camera video tine cont de aceasta intensitate luminoasa puternica și micşorează irisul, exact aşa cum pupila unui ochi se micşorează în lumina puternica a soarelui. Din nefericire, lumina este în spatele subiectului, nu în față lui, unde se filmează de fapt. Si de vreme ce irisul se micşorează, subiectul va apare foarte întunecat în film, în timp ce fundalul este expus corect. Astfel se poate obŃine o imagine foarte buna a unei siluete. Aceasta se numeşte lumina de fundal. Camera video ia în considerare lumina puternica din spatele subiectului, nu lumina reflectata de subiect. Majoritatea camerelor video rezolva aceasta problema cu ajutorul Controlului luminii de fundal. Se apasă un buton atunci când se filmează într-o situaŃie ca cea descrisa mai sus (lumina puternica în spatele subiectului). Irisul se deschide puŃin mai mult, putând astfel obŃine o imagine mult mai buna a subiectului (fundalul poate părea luminat prea puternic, dar subiectul are toate detaliile pe care le-am dori).

Viteza variabila a obturatorului: Toate camerele video au o viteza de închidere a obturatorului de circa 1/60 dintr-o secunda. Aceasta înseamnă ca iau un "instantaneu" al luminii ce întra în lentile de 60 de ori pe secunda. (In realitate nu exista un obturator mecanic într-o camera video digitala, scanarea este efectuata de dispozitivul de captare care se comporta ca un obturator mecanic al unei camere video obişnuite).

Cu o viteza a obturatorului de circa 1/60 dintr-o secunda, fie ca am putea filma imagini cu desfăşurare rapida sau nu, unele dintre imagini pot apărea neclare atunci când folosim derularea cu încetinitorul. Viteza variabila a obturatorului rezolva aceasta problema. Daca am folosi camera

Page 379: CartedlComanescu Bun v1

379

video cu viteza variabila a obturatorului, putem filma orice subiect în mişcare rapida, iar la rularea imaginilor cu încetinitorul, putem vedea întreaga desfăşurare a acŃiunii foarte clar.

Setările vitezei obturatorului pot varia la diferite camere video, unele camere pot oferi viteze adiŃionale de 1/250 sau 1/500 dintr-o secunda. Se poate ajunge chiar și până la 1/10.000 dintr-o secunda. Cu o viteza de circa 1/4.000 dintr-o secunda sau mai mare, putem înregistra mişcarea unui glonŃ.

Este necesar însă ca viteze mari ale obturatorului trebuie sa fie folosite în aer liber în condiŃii de iluminare buna. Mai putina lumina ajunge în lentila atunci când este folosită o viteza mai mare a obturatorului. ObŃinerea unei imagini color de foarte buna calitate poate fi mai dificila atunci la folosirea unui obturator cu viteza mare în interior sau în exterior unde condiŃiile de luminozitate nu sunt prea bune.

Fader (modificarea graduala a imaginii): Controlul fader-ului permite modificarea graduala a imaginii, fiind de preferat în locul unui început sau final abrupt al filmului. La început gradual (fade in), irisul porneşte de la poziŃia închis și se deschide gradual, iar la final gradual (fade out) irisul se închide lent. Majoritatea modelelor încep gradual de la ecran negru și se închid gradual tot către ecran negru, totuşi, unele modele încep gradual de la ecran alb și se închid gradual tot către ecran alb. Exista chiar unele modele care permit alegerea diverselor culori și a diferitelor efecte speciale digitale la modificarea graduala a imaginii.

In afara de modificarea graduala, unele camere video au în plus și efectul "Wipes" pentru a face tranziŃia de la o scena la alta mult mai interesanta. Wipe (scoate) este un efect vizual prin care o imagine "scoate" din ecran imaginea anterioara, înlocuind-o brusc.

13.6.2. Stabilizarea imaginii Stabilizarea imaginii este un sistem care ajuta la eliminarea inevitabilului tremur al

imaginii datorat folosirii lentilelor în modul telefoto. Dar nu se limitează numai la uzul în modul telefoto. Cum astăzi camerele video au devenit tot mai mici și mai uşoare, utilizatorii pot cu destula greutate sa le tina stabil. De vreme ce nu se sprijină pe umăr, singura susŃinere provine de la mana sau de la braŃ - și astfel sunt într-o poziŃie destul de instabila.

Nu toate sistemele de stabilizare sunt identice. Unul dintre ele foloseşte un sistem bazat pe percepŃia optica, altele sunt bazate pe percepŃia electronica. Sistemul bazat pe percepŃia optica este mai scump, dar are și cea mai mica influenta negativa asupra calităŃii imaginii. Sistemul bazat pe percepŃia electronica este mai ieftin dat are un impact negativ asupra calităŃii imaginii.

Stabilizarea optica a imaginii (OIS): Acest sistem foloseşte doua lentile de sticla cu un lichid suspendat între ele. Daca camera video este scuturata, lichidul cauzează mişcarea uneia din lentile în raport cu cealaltă. Lumina se modifica, camera video percepe schimbarea și ajustează imaginea în concordanta cu aceasta. Acest sistem este costisitor și se poate găsi la camerele video cele mai scumpe. Marele avantaj este acela ca sistemul nu produce o degradare a imaginii.

Stabilizarea electronica a imaginii (EIS): Exista doua variante ale acestui sistem. Ambele utilizează tehnologia digitala pentru a detecta și apoi pentru a corecta mişcarea sau scuturarea camerei video. DiferenŃa majora între aceste sisteme și cel optic este ca pot produce, în anumite cazuri, o uşoara degradare a calităŃii imaginii. Aceasta se poate observa ca o uşoara granulaŃie a imaginii (imagine compusa din particule mai mari).

In cazul utilizării stabilizării de imagine este necesara existenta unor acumulatori suplimentari daca nu exista sursa de energie în locaŃia unde se realizează înregistrarea, deoarece acesta funcŃie utilizează mai multa energie decât înregistrarea normala. Nu este mai puŃin adevărat ca stabilizarea optica sau digitala este una din funcŃiile cele mai utilizate în prezent. Camerele video sunt adesea utilizate în situaŃii în care trepiedul este un inconvenient, și orice mod de reducere al tremurului imaginii este de mare avantaj utilizatorilor.

Page 380: CartedlComanescu Bun v1

380

Dispozitivul de captare (pickup device) este acea parte a camerei video care transforma imaginea optica din lentile în semnale electrice care pot fi înregistrate sau vizualizate. Primele camere video apărute utilizau tuburi video ca dispozitiv de captare, dar în prezent toate camerele video folosesc dispozitive numite CMOS sau cipuri CCD.

Marea majoritate a aparatelor digitale este echipata cu senzori CCD. Tehnologia CCD a fost implementata prima data în telescoapele astronomice și în scannere. Numele, Charge-Coupled Devices, vine de la modul după care este transmisă sarcina electrică după expunere: o data ce expunerea s-a încheiat fiecare fotoelement este încărcat cu o anumita sarcina electrica, primul rând de pixeli își transfera sarcinile într-o zona de unde sarcinile sunt amplificate și trecute printr-un convertor analog-digital, când acest proces a fost terminat cu prima linie, pixelii de pe prima linie nu mai au sarcina electrica (fiecare linie este cuplata cu cea de deasupra, pixel cu pixel) iar apoi a doua linie își transferă sarcina pixelilor de pe prima linie, care o transfer în acea zona de unde sarcina e amplificata și convertita în date. Si linie cu linie fiecare pixel își transmite sarcina mai departe. Senzorii CCD folosesc sistemul Bayer - RGB (red, green, blue) cu de doua ori mai mulŃi pixeli verzi decât roşii sau albaştri.

Figura 13.2 Senzor CCD și senzor CMOS

Senzorii CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor ) sunt realizaŃi în fabrici

alături de procesoare, memorii, și alte circuite realizate pe cip-uri de silicon, pe când senzorii CCD necesita o linie de producŃie dedicata, și costurile de realizare sunt mult mai mari. Practic senzori CMOS se pot realiza și într-o fabrica de microprocesoare de calculator, astfel costurile sunt reduse cu aproximativ doua treimi, însă economia este mai mare, pentru ca la senzorii CMOS circuitele ce procesează informaŃia se afla pe senzor, iar la CCD ele trebuie sa fie separate. Senzorii CCD sunt de dimensiuni mai mici decât cei CMOS, la ora actuala se produc senzori CMOS de mărimea unui clişeu de film 24 x 36 mm. Iar daca aceşti senzori ar fi incorporaŃi în aparatele digitale SLR cu obiective interschimbabile (precum Canon D1, D30, D60, Nikon D1H, D1X, D100) atunci nu ar mai exista un factor de magnificare al obiectivului.

O diferenŃa importanta între cip-uri este numărul de pixeli disponibili. Unele cip-uri au numai 200.000 de pixeli, în timp ce altele au 400.000 de pixeli sau chiar mai mult. Cu cat sunt mai multe elemente ale imaginii, cu atât rezoluŃia potenŃiala a imaginii poate fi mai mare.

Din nefericire, unele persoane se arata mult prea interesate de numărul de pixeli. Mai mulŃi pixeli pentru dispozitivul de captare sugerează o potenŃiala rezoluŃie mai mare. Oricum, semnalul de la dispozitivul de captare trebuie sa fie înregistrat. Majoritatea camerelor digitale dau rezoluŃii similare imaginilor produse. Trebuie subliniat ca în timp ce dispozitivul de captare al unui anume model de camera video poate avea câteva mii de pixeli în plus față de alte modele, exista alte părți ale camerelor video care limitează claritatea finala a imaginii. De fapt, singurul mod de a compara cu adevărat numărul de pixeli este de a compara camere provenind de la acelaşi producător.

Page 381: CartedlComanescu Bun v1

381

Număr de dispozitive de captare: Aproape toate camerele video profesionale folosite de către studiourile TV au 3 dispozitive de captare: roşu, verde și albastru. Asta deoarece profesioniştii au nevoie de cea mai buna calitate posibila a culorii imaginii pentru retransmisie și duplicare. Unele camere video, pe de alta parte, folosesc în mod normal un singur cip pentru imagine și pentru toate culorile. Acest lucru permite producătorilor sa menŃină la un nivel scăzut preturile și dimensiunile. Ocazional se poate vedea o camera video cu 2 sau 3 cip-uri dar care este foarte scumpa.

Lux: Dispozitivele de captare ale camerelor video sunt clasificate în funcŃie de luminozitatea necesara pentru a produce o imagine. Unitatea de măsura se numeşte LUX. Lux este un standard de măsura al luminii, dar în acest domeniu standardizarea este departe de a fi bine pusa la punct. Nu toŃi producătorii folosesc aceeaşi scala și nici aceleaşi metode de testare. Astfel, comparând "Rating-ul Lux" la modele de la diferiŃi producători nu ne putem edifica asupra diferenŃelor de calitate ale imaginilor. Multe persoane dau o importanta prea mare numărului de lucşi decât ar trebui. O imagine "vizibila" nu înseamnă o imagine în culori superbe. Majoritatea producătorilor recomanda utilizarea unui reflector atunci când se filmează în interior. O reproducere perfecta a culorilor necesita multa lumina.

Balans alb: La camerele video, o imagine cu o culoare buna ia în considerare temperatura culorii din lumina din cadru. Lumina solara nu are aceleaşi caracteristici de culoare ca și lumina provenita dintr-o lampa. Lumina din diferite surse diferă în funcŃie de temperatura culorii. Toate camerele video de astăzi vin cu BALANS ALB AUTOMAT. Când camera este în modul automat, își ajustează automat condiŃiile de luminozitate.

Orice camera video are incorporat un microfon pentru a înregistra sunetul. La unele camere video, poziŃia microfonului este cat se poate de clara: este montat în față deasupra obiectivului și acoperit cu burete pentru a reduce zgomotul produs de vânt. La camerele video compacte, microfonul este adesea incorporat în interiorul aparatului. Astfel, poate sa para ca nu are de loc microfon. Camerele stereo de înalta fidelitate HiFi au microfoane stereo.

ProtecŃia împotriva vântului (wind buffer): Camerele video cu microfon au și un dispozitiv numit protecŃie împotriva vântului (wind buffer). La camerele cu microfon montat în exterior, stratul de burete ce înconjoară microfonul previne înregistrarea zgomotelor provocate de vânt. Modelele cu microfon incorporat nu pot folosi un strat de burete pentru a preveni înregistrarea zgomotelor provocate de vânt. In schimb, producătorul adaugă o egalizare electronica pentru a reduce sunetul în frecventele unde zgomotul produs de vânt este mai proeminent. Daca înregistrarea se face în exterior într-o zi calma, nu este necesar sa fie apăsat switch-ul de protecŃie împotriva vântului deoarece afectează acurateŃea sunetului. Oricum, în zilele cu vânt acesta va face diferenŃa între a avea un sonor mai slab și a nu avea sonor deloc.

Intrare Microfon: Unele camere video au și o intrare pentru microfon. Aceasta este utilizata atunci când se filmează persoane aflate mai departe de camera. La distanta, microfonul incorporat nu înregistrează vocile foarte bine. Prin urmare se poate conecta cablul de la un microfon extern sau se poate folosi un microfon fără fir, conectând receptorul acestuia în intrarea de microfon. Aceasta varianta mai este utilizata atunci când sunt multe zgomote în mediul în care se filmează și care ar face ca subiecŃii sa nu fie auziŃi.

Baterii nichel-cadmiu (NiCad): Majoritatea camerelor video de astăzi vin cu baterii reîncărcabile nichel-cadmiu (NiCad). O baterie nichel-cadmiu are o durata de viata de circa 1.000 de reîncărcări, ceea ce ar trebui sa însemne ani de utilizare chiar și pentru cei mai împătimiți utilizatori de camere video. Bateriile mai sunt caracterizate și de numărul de ore cat durează o încărcare. Bateriile incluse camerelor video au o durata de funcŃionare de circa 1-2 ore, dar mai sunt disponibile și baterii de 4 ore. Aceste valori sunt pentru a ne ghida mai degrabă, decât sa fie absolute. Folosind anumite funcŃii ale camerei video - ce consuma multa energie - cum ar fi: zoom motorizat, ecran LCD, auto focalizare, EIS, lumina incorporata, etc., se va reduce durata de timp

Page 382: CartedlComanescu Bun v1

382

de funcŃionare pentru bateriile încărcate. Este recomandabil sa achitionăm cel puŃin o baterie de rezerva pentru a nu rămâne fără baterii în timpul unei filmări importante.

Memoria bateriei: O caracteristica a bateriilor NiCad care a suscitat interes în rândul utilizatorilor este "memoria" bateriei. Bateriile nichel-cadmiu au o comportare ciudata, aceea de a "memora" cantitatea de energie pe care o acumulează la încărcare. Daca se descarcă doar parŃial și o puneŃi la reîncărcat, de mai multe ori la rând, bateria începe sa "creadă" ca încărcarea parŃiala este o încărcare completa. Ca rezultat, o baterie de 1 ora va poate da doar ½ de ora de utilizare. Iar daca mai folosiŃi și acele funcŃii ce consuma multa energie, menŃionate anterior, este posibil sa utilizam camera pentru un timp și mai scurt. Pentru a preveni sa nu se întâmple acest lucru, este foarte important este sa nu reîncarcați o baterie NiCad până nu are nevoie de reîncărcare. La o camera video, indicatorul de baterie scăzuta va spune când bateriile trebuie reîncărcate. Pana indicatorul nu indica acest lucru, nu trebuie sa pusei bateriile la încărcat.

Nichel-Metal Hidrid (NiMH): O soluŃie și mai buna este acum disponibila - un nou tip de baterii reîncărcabile numite Nichel-Metal Hidrid. Aceste baterii se pot reîncărca de cel puŃin tot atâtea ori ca și cele cu nichel-cadmiu, dar nu prezintă problema "memorării".

Litiu-Ion (L-Ion): Aceste baterii uşoare, ce acumulează mai multa energie, se încărca uşor și sunt folositoare în special la produse ce necesita baterii mici, cum ar fi camere video, notebook-uri, telefoane celulare. Deşi sunt mai scumpe decât bateriile NiCad, nu prezintă problema memorării asociata bateriilor NiCad. Deşi noile tipuri de baterii nu prezintă problema memorării, toate bateriile au o capacitate limitata. Altfel spus, bateriile de rezerva sunt o necesitate pentru orice persoana care are o camera video.

Orice camera video vine și cu un adaptor AC. Acesta este folosit în doua situaŃii: pentru a alimenta direct camera video în apropierea unei prize și pentru a reîncărca bateriile. Durata de timp de reîncărcare a bateriilor variază. Chiar și încărcătoarele cele mai rapide au nevoie pentru o încărcare de dublul timpului de funcŃionare al bateriei. De exemplu, o baterie de 1 ora are nevoie de 2 ore pentru reîncărcare, o baterie de 2 ore are nevoie de cel puŃin 4 ore pentru reîncărcare. Prima reîncărcare durează chiar și mai mult.

Baterii standard AA: Unele camere video oferă opŃiunea de utilizare a bateriilor standard AA.

13.6.3. Standarde internaŃionale DV este un standard internaŃional folosit de toate companiile din lume ce produc

aparatura specifica acestuia. Sunt trei tipuri de medii de stocare pe banda: MiniDV (majoritatea companiilor), DVCAM (Propietar Sony), și DVCPRO (Propietar Panasonic). Toate 3 folosesc aceeaşi metoda de compresie: DV25 și care de multe ori este numita pur și simplu DV. Aceleaşi date sunt stocate în cazul fiecărui format din cele 3 enumerate mai sus, diferenŃa constând prin modul în care informaŃia este stocata pe banda. Mai este și Digital8 (format proprietar Sony) foloseşte tot compresie DV, care însă are o viteza de 1.5 ori mai mare decât în cazul DV și un spaŃiu de stocare cam de 2/3. Daca ar fi sa se compare calitatea pe o scara de 1/10, cam acesta ar fi clasamentul în funcŃie de posibilitatea de achiziție normale: • DV, DVCAM, DVCPRO (D-7), Digital8 – 9 • Hi8, SVHS - 5.5 • Video 8, Betamax - 4 • VHS - 3.5

SpecificaŃii DV25 (sau cum se foloseşte în mod curent pur și simplu DV, deşi nu este corect): DV25 este codecul folosit pentru a comprima materialul video pe o banda (caseta) MiniDV, DVCAM, și DVCPRO. Aceasta se întâmpla când informaŃia este scrisa pe banda. Deşi se spune ca

Page 383: CartedlComanescu Bun v1

383

materialul DV este necomprimat, este incorect deoarece acesta este întotdeauna comprimat însă la un raport destul de mic.

SpecificaŃii comprimare DV25: • Compression Ratio: 5:1 Rata fixa. • Data Rate: 25 Mbps. De aceea se numeşte DV25. Aceasta rata este întotdeauna constanta

indiferent de ceea ce se filmează, secvenŃe rapide, lumina puternica sau întuneric. Ca o observaŃie personala, DV are nevoie de lumina foarte buna pentru a înregistra la calitate maxima.

Prezint și câteva mărimi aproximative: 1 Secunda = 3.5 MB 1 Minut = 215 MB 4 Minute, 40 Secunde = 1 GB 1 Ora = 13 GB Am prezentat aceste date pentru a avea idee despre spaŃiul necesar pentru un transfer prin

intermediul firewire în computer. Compression Method: DV25 foloseşte Intraframe Discrete Cosine Transform (DCT),

ceea ce înseamnă ca vom avea numai I-frame-uri. Se foloseşte aşa deoarece daca se doreşte editarea ulterioara se poate face oriunde pe parcursul filmului ştiut fiind faptul ca editarea se poate face numai în dreptul frame-urilor (imaginilor ar fi traducerea dar ca sa nu se crea confuzii voi folosi în continuare cuvântul "frame") de tip I.

Aspect Ratio: 720x576 în cazul PAL. Color Sampling (spaŃiul de culoare): YUY2 PAL DV foloseşte 4:2:0, iar NTSC DV

foloseşte 4:1:1 Transferul pe calculator: Transferul prin IEEE-1394 (FireWire) este un transfer de

informaŃie bit cu bit de pe banda care este identica cu originalul și nu se numeşte captura. Captura se poate face de exemplu prin tv tuner prin ieşirea S-video sau RCA a camerei video, moment în care aceasta se poate comprima cu un codec la alegere din cele instalate în computer.

Partea hard presupune o placa de captura firewire și un cablu firewire. IEEE-1394 sau FireWire este un standard pentru "transfer de date pe distanta scurta la viteza mare".

In funcŃie de diferite metode de transfer prezint o notaŃie a calităŃii în funcŃie de modul de transfer: • IEEE-1394 – 10 • Analog Component (Y, R-Y, B-Y) – 9 • Y/C ("S-video") – 8 • Analog Composite – 5

Am trecut aceste note deoarece majoritatea vor calitate maxima iar aceasta porneşte de la transfer, în afara de faptul ca se poate cumpăra o camera video din ce în ce mai performanta.

Partea soft presupune un program care odată făcute conexiunile poate transfera informaŃia. Dintre acestea se pot enumera Windows Movie Maker, Pinnacle Studio 8, și în general acestea vin odată cu camera. Pentru cei care nu au aceste programe și doresc ceva free, o alternativa ar fi: WinDV. Nu este nici o diferenŃa în ceea ce priveşte transferul între un soft pe bani sau unul free sau între o placa FireWire ieftina sau una scumpa. Toate fac acelaşi lucru: transfer.

Materialul video transferat este în format DV interlaced (întreŃesut) la majoritatea camerelor fiind foarte rare cele care o fac în mod progresiv și de aceea la urmărirea acestor imagini pe PC se vor vedea nişte margini zimŃate ceea ce pe un televizor nu se vede, imaginea fiind perfecta.

Daca se foloseşte pentru transfer programul WinDV și se doreşte ca ceea ce va transfera pe calculator sa fie sub forma unui singur film (cu setările iniŃiale desparte tot materialul după "scene" rezultând mai multe filmuleŃe mici) se vor face următoarele setări:

Page 384: CartedlComanescu Bun v1

384

• Discontinuity threshold (sec): 0 • Max AVI size (frames): o valoare mare (recomandat > 100000; 1 caseta de 60 min în mod SP

are cam 90000

13.6.4. SoluŃii constructive, inovaŃii, apari Ńii și tendinŃe în domeniul camerelor video digitale

Producătorul de semiconductoare Dalsa a anunŃat de curând ca a produs și livrat cel mai

puternic senzor de imagine de pe piaŃa. Din păcate pentru iubitorii de fotografie, nu este vorba de un senzor care va ajunge vreodată într-o camera digitala, CCD-ul de forma pătrata cu o latura de 10 centimetri fiind destinat domeniului ştiinŃific.

Acesta este primul senzor care trece de bariere de 100 de milioane de pixeli, Dalsa reuşind sa adune laolaltă 111 milioane. Compania canadiana a realizat senzorul după un proiect al STA (Semiconductor Technology Associates) pentru Departamentul de Astronometrie al Observatorului Naval American (USNO).

Dispozitivul va ajuta USNO sa determine poziŃia și mişcările stelelor, obiectelor din sistemul solar și sa stabilească sisteme de referinŃa cosmice. "Similar cu alte proiecte de senzori de imagine, sunt foarte mulŃumit de versatilitatea și capabilitatea Dalsa Semiconductor de a aduce schimbări procesului și de a dezvolta produse CCD complexe ca acesta", a declarat Preşedintele STA, Richard Bredthauer.

Figura 13.3 Senzorul Dalsa de 100 de milioane de pixeli

Camera video Panasonic NV-GS400 a primit premiul EISA, cel mai prestigios premiu de

acest fel în Europa. Este a treia oara când Panasonic obŃine acest premiu pentru camerele video e-cam și a doua oara consecutiv după premiul obŃinut în 2003/2004.

Sistemul de camera cu 3CCD pe care l-a dezvoltat Panasonic, pentru a asigura imagini fidele, pline de viata, în cazul camerelor video de studio TV, este acum aplicat la camerele video pentru amatori. Sistemul de camera cu 3CCD al modelului Panasonic GS400 asigura o reproducere reala a culorilor, în timp ce obiectivul Leica Dicomar asigura captarea nuanŃelor insesizabile ale mediului ambiental. In combinaŃie cu stabilizatorul optic de imagine, aceste facilitaŃi permit modelului GS400 surprinderea expresivităŃii imaginilor video cu foarte mare performanta.

Modelul GS400 înregistrează, de asemenea, imagini statice de 4-megapixeli, ceea ce reprezintă cea mai ridicata valoare pentru o camera video digitala, rivalizând cu calitatea camerelor foto digitale.

Page 385: CartedlComanescu Bun v1

385

In mod Pro-Cinema, modelul NV-GS400 filmează cu 25 cadre/secunda și de aceea poate reproduce acelaşi tip de mişcare lina pe care o vedeŃi în filme. La modelul NV-GS400, comutarea pe modul Pro-Cinema activează, de asemenea, modurile High-Picture-Quality Wide Mode și Cine-Like.

Figura 13.4 Camera video Panasonic NV-GS400

Figura 13.5 Canon MVX330i MVX330i este rezultatul implementării de către Canon a patru tehnologii: Genuine

Canon Optics, DIGIC DV Image Processor, Megapixel CCD Image Sensor şi Print and Share. Camcoder-ul este dotat cu zoom optic 18x rapid, lentilele fiind produse „inhouse”. Senzorul de 1,3 megapixeli CCD se laudă cu posibilitatea de a filma nativ în format wide, fiind suportat şi formatul 4:3. Stocarea se face pe casete MiniDV (format 16:9 şi 4:3) şi pe carduri de memorie (SD, MMC). Canon permite funcŃionarea camerei în modurile easy şi pro, acesta din urmă acceptând controlul total al setărilor camerei. Printre punctele tari ale produsului menŃionăm prezenŃa stabilizatorului de imagine electronic şi posibilitatea setării balansului de alb. Pentru utilizarea în condiŃii de iluminare slabă, sunt prezente flash-ul încorporat şi cele patru moduri de filmare pe timp de noapte. Camcoder-ul este dotat cu un display LCD de 2,5” (123.000 px) fără touchscreen şi viewfinder de 0.33” color. Deşi a reuşit un produs bun per ansamblu, Canon ar fi putut lucra mai mult la capitolul ergonomie. Modul în care sunt aranjate butoanele nu permite efectuarea setărilor şi filmarea în acelaşi timp. Este uşor deranjant şi zgomotul mecanismelor care derulează banda, acesta fiind sesizat de microfonul camerei şi de aceea a fost perceptibil pe fundalul înregistrării. (B.O.)

Sony DCR DVD803E este un model ce împachetează o sumedenie de inovaŃii. În primul rând se renunŃă la banda magnetică ca mediu de stocare şi este folosit un disc optic mini DVD.

Page 386: CartedlComanescu Bun v1

386

SoluŃia este mult mai elegantă, mai ales atunci când se doreşte prelucrarea filmării pe calculator. Un disc de 1,4 GB asigură spaŃiu pentru 30 de minute de film.

În plus dotările camerei îi permit să înregistreze în regim audio 5.1, fiind asigurată astfel şi tuşa de surround. Prin activarea funcŃiei Super NightShot se compensează lipsa iluminării şi se permit filmările pe timp de noapte, în condiŃii de 0 lux. La optică jocurile sunt făcute de lentilele Carl Zeiss VarioTessar, iar camera oferă un zoom optic 10x şi unul digital 120x. Sony DVD803E este în schimb o cameră video care poate face şi poze. OpŃiunea este în acest caz un câştig şi nu un compromis - nu vorbesc aici de poze gen „stop cadru” ci chiar de fotografii „adevărate” la 3 Megapixeli. Reglajele se fac foarte uşor cu ajutorul LCD-ului de 2.7” din dotare, care în acest caz este şi un touchscreen. Cu un disc de o capacitate mai mare camera se pretează foarte bine ca un înlocuitor al modelelor cu bandă magnetică

Modelul SONY Handycam DCR-HC1000E PAL reprezintă cel mai nou model de cameră video, al acestui producător, cu casetă miniDV. Calitatea filmării este asigurată în cazul de faŃă de lentilele Carl Zeiss prezente şi de cei 3 senzori CCD de 1 megapixel fiecare, ce asigură obŃinerea unei imagini de o foarte bună calitate.

Ca ajutor pentru filmare, este prezentă funcŃia Super SteadyShot ce înlătură mişcarea cadrului cauzată de eventualul tremurat al mâinii. Ecranul LCD din dotare este şi el de bună calitate (211 K) şi deŃine touch panel.

Sunetul este capturat cu ajutorul a două microfoane (stânga-dreapta), dar i se mai pot ataşa încă două, moment în care vom înregistra sunet pe 4 canale. Camerei îi lipseşte însă lampa de iluminat, dar există un suport pentru aceasta. Pe lângă filme, aparatul mai ştie să facă şi poze, iar acestea pot fi stocate fie pe casetă, fie pe card-ul de memorie din dotare (8 MB).

Exista posibilitatea de a regla focusul atât manual cu ajutorul unui inel aflat în dreptul lentilelor, cât şi automat.

JVC a lansat astăzi o noua serie de camere video digitale – Everio G – acestea fiind mult mai performante decât predecesoarele. Seria JVC Everio G conŃine patru modele. Dintre acestea GZ-MG20 și GZ-MG40 sunt dotate cu un hard disc de 20 GB, iar modelele GZ-MG30, GZ-MG50 cu unul de 30 GB. Conform datelor anunŃate de JVC, în modul top quality camerele Everio G înregistrează în format MPEG 2 la 9 Mbps. In acest format hard discurile de 20 de GB asigura înregistrarea a 4 ore și jumătate, iar cele de 30 GB ajung până la 7 ore. Camerele Everio G pot înregistra și numai la 1,7 Mbps, caz în care se pot stoca 37 și respectiv 25 de ore de film, în funcŃie de mărimea hard discului.

JVC Everio GZ-MG50 este singurul model dotat cu un senzor CCD de 1,33 megapixeli, ce suporta o rezoluŃie maxima de 1.152 x 864 pixel, restul având CCD-uri de 0,68 megapixeli. Toate modelele includ însă un ecran LCD de 2,5 inch și un slot de memorie SD, iar înregistrările pot fi transferate prin conexiuni de tip USB 2.0.

Figura 13.6 JVC GZ-MG505

Page 387: CartedlComanescu Bun v1

387

Noua camera video digitala GZ-MG505 are cel mai sigur sistem de protecŃie și un nou

sistem de suspensii care reduce daunele cauzate de vibraŃii cu ajutorul unor bureŃi anti-soc fabricaŃi din polimeri speciali.

GZ-MG505 3CCD deŃine o capacitate de stocare de 30 GB (poate înregistra până la şapte ore în format DVD movie-quality, mai mult de zece ore în format DVD camcorder-quality și până la 10.000 imagini statice), beneficiază de tehnologia pixel-shift, care oferă o rezoluŃie de 5 megapixeli, putând, de asemenea, sa ofere o “rezoluŃie nativa” de 16:9 (1173 x 660 x3 pixeli) și de 4:3 pentru formatul DVD movie quality.

Noul model MG505 include și aplicaŃii software ca PowerProducer 3 NE de la CyberLink pentru authoring de DVD-uri, PowerDirector Express NE pentru editare și PowerDVD 5 NE pentru playback. Pentru utilizatorii de Macintosh exista programe speciale, ca soft-ul Capty MPEG Edit EX de la PIXELA pentru editare și Mono DVD pentru authoring de DVD-uri.

Include, de asemenea, și o lentila optical zoom high resolution de 10x (8x pentru imagini statice), cu unghiuri de 16:9 pentru clipuri și o posibilitate de conectare la un burner JVC DVD - CU-VD10 SHARE STATION.

Dar GZ-MG505 prezintă și un widescreen 16:9 LCD de 2.7”, numeroase porturi USB, un microfon built-in și o noua funcŃie Megabrid Imaging Engine, ce are rolul de a procesa separat clipurile de imaginile statice pentru a oferi performante sporite.

Chiar daca nu a fost prima astfel de camera video de pe piaŃa, soluŃia stocării filmului pe hard-disk a fost adoptata și de compania nipona Sony, care a prezentat modelul SONY DCR-SR100 în cadrul evenimentului CES, organizat în Las Vegas. Numai JVC a mai anunŃat astfel de camere video care stochează pe hard-disk, prima inovaŃie din ultimii ani în materie de camere video, care, până acum, stocau numai pe caseta sau pe DVD. Tehnologia de salvare a filmului recurge la comprimarea Mpeg-2, iar principalul avantaj al acestei soluŃii este posibilitatea de vizionare directa pe ecranul televizorului sau pe computer, fără sa mai fie necesara recodarea conŃinutului respectiv.

Figura 13.9 Sony DCD-SR100

Modelul DCD-SR100 de la Sony înregistrează în format Mpeg-2 și cu suport de sunet Dolby 5.1. Utilizatorul are posibilitatea de selectare a formatului de înregistrare între 16:9 și 4:3 prin simpla apăsare a unui buton dedicat, iar capacitatea de stocare este suficienta pentru 7 ore și 20 de minute la calitate DVD, iar în modul economic, filmarea se va opri numai după 21 de ore. Pentru aceasta, Sony a inclus camerei un hard-disk de 1,8" cu capacitatea de stocare de 30 GB. Camera DCD-SR100 include un senzor CCD de 3 megapixeli, oferă zoom optic de 10x și include flash. Vizualizarea filmelor se poate face direct pe ecranul LCD de 2,7 inch şi de 123.000 de pixeli.

Glosar de termeni folosiŃi în descrierile camerelor web, foto și video digitale: 8mm – format numit astfel datorită benzii casetei, lată de 8 mm. Chiar daca casetele sunt

similare ca mărime cu casetele VHS-C, iar calitatea imaginii este similară, casetele de 8 mm nu

Page 388: CartedlComanescu Bun v1

388

pot fi redate în aparatele video standard VCR. Pentru a vizualiza acest tip de casetă trebuie folosit un video care să suporte acest tip sau cameră poate fi conectată direct la televizor.

Adaptor AC – Adaptoarele AC sunt folosite în două scopuri: pentru a alimenta camera video la priză sau pentru a reîncărca bateria. Timpul de reîncărcare variază. Chiar și cele mai rapide încărcătoare au nevoie de dublul timpului de funcŃionare al bateriei pentru a încărca bateria complet.

Compatibilitatea cu bateriile AA Alkaline – reprezintă o soluŃie la problemele cu memoria ale bateriilor NiCad. Dacă bateria de NiCad s-a terminat, se pot introduce nişte baterii AA alkaline.

Apertura (Iris) – Apertura (sau IRIS-ul) este deschizătura din lentile care se comportă ca pupila ochiului. Aceasta permite luminii să treacă spre dispozitivul de captare. Pentru a prelua cantitatea necesară de lumină pentru o imagine bună, numita "expunere corectă", apertura trebuie ajustată corect. Fără apertură imaginile ar ieşi prea întunecate în condiŃii de lumină slabă şi prea luminoase în condiŃii de lumină puternică.

Moduri de Auto-Expunere (AE)– Acestea permit folosirea setărilor variate de expunere. Se poate alege modul de expunere potrivit pentru situaŃia în care realizează filmarea. Soare puternic, amurg, sporturi de mare viteză, etc.

Controlul luminii de fundal (Backlight Control) – Camera înregistrează lumina puternică, nu lumina reflectată de subiect, ceea ce poate duce la lipsa de detaliu şi lasă doar o siluetă. Multe camere rezolvă această problemă prin controlul luminii de fundal. Nu trebuie decât apăsat butonul Backlight Control la filmarea în situaŃii cu lumină de fundal puternică. Irisul se va deschide un pic mai mult, oferind o imagine mai bună a subiectului. Fundalul ar putea părea prea luminos, însă subiectul va avea toate detaliile de care aveŃi nevoie.

Durata de viaŃă a bateriei – Bateriile au indicată durata maximă de activitate, care estimează cât de mult va funcŃiona bateria până va trebui reîncărcată. Aceasta este durata maximă în condiŃii ideale. Caracteristici ca lumina sau ecranul LCD consumă multă putere scurtând durata de funcŃionare a bateriei.

Tipul bateriei – Bateriile camerelor sunt reîncărcabile şi în mod normal vor rezista câŃiva ani până vor ceda şi va fi necesară înlocuirea lor. În mare, sunt trei tipuri de baterii ce sunt utilizate de către camerele video: Litiu-Ion (Li-ion), Nichel-Cadmiu (NiCd) şi Nichel-Metal Hibrid (NiMH). Cea mai utilizată la camerele digitale (Digital8, MiniDV) şi cele analogice superioare este bateria Li-ion deoarece are o putere mare şi poate asigura putere maximă chiar şi atunci când mai are puŃin şi se consuma. Deoarece bateriile Li-ion au un mod special de încărcare, ele nu se pot interschimb în mod normal cu baterii NiCd şi NiMH.

Bluetooth – Această nouă tehnologie fără fir permite utilizatorului să se conecteze la Internet fără a fi nevoie să-și conecteze PC-ul. În schimb, foloseşte un adaptor pentru a se conecta direct la o linie telefonică, după care poate folosi o gamă largă de aparate, de la telefoane mobile şi până la camere de luat vederi, pentru a avea internet de la o distanŃă de 10 m de adaptorul Bluetooth. Această tehnologie este similară unei telecomenzi care foloseşte frecvenŃe radio pentru a permite altor dispozitive de a se conecta fără a fi nevoie să fie în linie directă de vedere unul faŃă de altul.

Titrări încorporate – Unele camere video sunt livrate cu titrări reinstalate ce pot fi adăugate peste înregistrarea efectuată (La mulŃi ani, Felicitări, etc). Alte camere vă oferă posibilitatea de crea propriile titrări prin intermediul telecomenzii.

Reflector încorporat – Camerele ce dispun de un reflector de lumină oferă şansa de a filma în condiŃii slabe de lumină. Majoritatea acestor reflectoare pot fi setate să pornească automat atunci când este nevoie.

CCD (charge-coupled device) – tip de lentilă la o camera video ce capturează imagini care pot fi vizionate pe televizor sau PC. Cu cât valoarea CCD-ului este mai mare, cu atât calitatea imaginii este mai bună.

Page 389: CartedlComanescu Bun v1

389

Oculare Color – permit vizualizarea în culori a ceea ce se filmează. Adaptor/încărcător de maşină –accesoriu cu rol de a reîncărca bateriile pentru camera

video în maşină. DVD-R – Mediu de stocare proiectat pentru a fi înregistrat continuu. DVD-R sunt

compatibile cu majoritatea DVD player-elelor, ceea ce înseamnă că pot rula înregistrările făcute cu o camera video DVD imediat după finalizarea filmării. Au o structură similară cu CD-ROM-urile şi se pot scrie numai pe una dintre feŃe (25 de minute în Mod Fine).

DVD-RAM – Mediu de stocare proiectat pentru înregistrare şi editare, foarte versatil. DVD-RAM poate înregistra atât film cât şi poze şi permite utilizatorilor să înregistreze pe acelaşi cadru de mai mult de 100.000 de ori. DVD-RAM oferă şi o mare capacitate de stocare, permiŃând utilizatorilor să înregistreze 30 de minute pe fiecare faŃă a discului în Mod Fine, sau de două ori mai mult în mod standard. DVD-RAM este compatibilă cu majoritatea DVD player-elor construite după 2001.

Marcarea Datei/Orei - Marcarea datei/orei se poate face pe înregistrarea video şi se poate vedea şi în ocular. Se poate marca sau nu în funcŃie de preferinŃe.

Efecte digitale - Efectele digitale sunt setări încorporate camerei destinate înregistrării. Se pot adăuga efecte pe orizontală sau verticală, sau se pot înregistra în ton. Se pot obŃine imagini stil "vestul sălbatic", etc.

Capabilitatea de imagine digitală stop-cadru - Multe din camerele video de astăzi permit realizarea de poze instantanee. În timp ce anumite camere stochează imaginile doar pe caseta, altele stochează şi imagini pe un cip de memorie şi putem spune că au şi funcŃie de camera foto digitală.

Stocare digitală – O serie de camere video permit stocarea de imagini instantanee pe cipuri de memorie internă sau externă. Acest lucru le permite acestor camere video să aibă şi funcŃie de camera foto digitală. Chipurile de memorie externă vin într-o varietate de tipuri - incluzând carduri Memory Stick, Compact Flash, MultiMedia, SD (Secure Digital) şi SmartMedia. Deşi nu sunt clasificate ca având "capabilitate de imagine digitală stop-cadru", anumite camere video pot stoca instantanee digitale pe mediul de înregistrare video - cum ar fi Hi8, MiniDV, sau Mini DVD.

Video Digital - Video Digital oferă 500 de linii de rezoluŃie pentru imagini clare în culori de calitate obŃinute de o bandă largă de frecvenŃă color. Imaginea Video Digital oferită este cu 50% mai detaliată decât cea mai bună recepŃie a unei transmisii TV, iar camerele digitale pot înregistra şi sunet calitate CD - totul pe o casetă miniaturală care are 1/12 din dimensiunea unei casete standard VHS.

Zoom Digital - Digital se poate mări o imagine pentru a atinge o rată zoom mai mare decât capabilitatea de zoom optic a camerei. Folosit cu moderaŃie, poate mări imaginea şi se poate obŃine o calitate excelentă, dar atunci când se utilizează la valoarea maximă imaginile tind să devină "pixelate".

Moduri de editare - Aceasta caracteristică indică faptul că aparatul permite editarea, video sau audio, şi oferă posibilitatea conectării la alte componente sau la PC. Poate include şi asamblare, care vă permite marcarea şi copierea diferitelor scene de pe caseta originală în orice ordine se doreşte pe o caseta copie. Formate avansate cum ar fi MICRO MV permit utilizatorilor sa acceseze clipuri în vederea editării prin intermediul camerei video alegând un instantaneu care reprezintă clipul de editat, mai degrabă decât derulând imaginea înainte sau înapoi.

Control ochi - Aceasta funcŃie permite acŃionarea start, stop, focalizare pe un subiect, chiar şi fade-out sau fade-in la o scenă — totul fără să se apese vreun buton. Tot ceea ce se urmăreşte prin intermediul camerei, va fi focalizat.

Fader (modificarea graduala a imaginii) - Un control fader modifica gradual imaginea la început sau la final, fiind de preferat în locul unui început sau final abrupt al filmului.

Page 390: CartedlComanescu Bun v1

390

Finalizare - După înregistrarea de imagini pe un mediu DVD-R, aceasta procedura simpla trebuie dusa la îndeplinire înainte ca mediul sa fie vizionat pe un DVD-player.

Conexiune FireWire (IEEE 1394) - Tip de conexiune ce permite un transfer de date foarte rapid. FireWire, cunoscuta și sub denumirea de i.Link, poate transmite date cu o viteza de 400 Mbps. Camerele video cu ieşire IEEE1394 pot transfera imagini de pe caseta pe PC prin intermediul unui cablu compatibil.

Cap de ştergere "zburător" - Cap special care permite pornirea și oprirea filmului și editarea lui fără a lăsa "urme" între scene (adică fără a denatura înregistrarea în locurile unde se editează).

Format - Se refera la tipul de sistem de înregistrare utilizat de camerele video. Principalele formate de astăzi sunt VHS-C, Super VHS-C, Hi8, Digital 8mm, Mini Digital Video (MiniDV), MicroMV și Mini DVD.

Distanta de focalizare - Lentilele fotografice sunt clasificate în funcŃie de distanta de focalizare a acestora. Distanta de focalizare se refera la "dimensiunea" lentilelor, sau la dimensiunea imaginii pe care o produce. Lentilele de unghi larg produc o imagine panoramica, lentilele telefoto fac obiecte de la mare distanta sa para mai apropiate.

Hi8 - VHS și VHS-C au o rezoluŃie înalta numita Super VHS. 8MM are o rezoluŃie mai buna numita Hi8. Ca și Super VHS, este de circa 400 de linii.

Stabilizarea imaginii - Caracteristica ce oferă siguranŃa faptului ca imaginea nu va fi instabila atunci când se vizionează înregistrările. Folosind stabilizator de imagine electronic sau optic, aceste sisteme pot compensa tremurul imaginii și mişcarea imaginii apăruta atunci când filmarea s-a făcut în timpul deplasării.

Stabilizarea imaginii (Electronica) - Compensează electronic orice tremur al imaginii considerat nenatural. Este foarte utila la utilizarea zoom asupra unui subiect - atunci când "tremurul" poate deveni foarte vizibil.

Stabilizarea imaginii (Optica) - Acest sistem foloseşte doua lentile de sticla cu un lichid suspendat între ele. Daca este scuturata camera video, lichidul cauzează mişcarea uneia din lentile în raport cu cealaltă, astfel ca lumina se modifica, camera video percepe schimbarea și ajustează imaginea în concordanta cu aceasta.

Zoom instantaneu - Zoom-ul digital al camerelor video poate fi mărit de 1.5 ori la atingerea unui buton. Daca zoom-ul camerei este de 12:1 și se apasă butonul zoom instantaneu, rata zoom va creste imediat la valoarea de 18 :1.

Iris (Apertura) - Apertura (sau IRIS-ul) este deschizătura din lentile care se comporta ca pupila ochiului, permiŃând luminii sa treacă spre dispozitivul de captare. Pentru a prelua cantitatea necesara de lumina pentru o imagine buna, numita "expunere corecta", apertura trebuie ajustata corect. Fără apertura imaginile ar ieşi prea întunecate în condiŃii de lumina slaba și prea luminoase în condiŃii de lumina puternica.

Ecran LCD - Măreşte aria de vizibilitate atunci când se înregistrează și se urmăresc simultan imaginile. In plus, se pot revedea înregistrările imediat pe ecranul LCD, sau se pot chiar edita.

Dimensiunea LCD - Se măsoară în diagonala, între doua colturi opuse, în inci. Cu cat ecranul este mai mare, cu atât vizibilitatea este mai buna. Un ecran mai mare permite filmarea cu camera video mai departe de ochi.

Lentilele - Este componenta camerei video care captează lumina și focalizează. Lentila trebuie sa capteze destula lumina pentru a înregistra o imagine buna și pentru a focaliza în mod adecvat.

Reflector – poate fi incorporat în camera video sau poate fi achiziŃionat pentru a avea un set complet de accesorii.

Litiu-Ion - Bateriile Litiu-Ion (Li-ion) pot fi găsite în mai multe variante, sunt foarte bune. "Curba de descărcare plata" le permite se alimenteze la putere maxima până la descărcarea

Page 391: CartedlComanescu Bun v1

391

completa. Alte avantaje sunt capacitatea mare cat și voltajul înalt, imunitate totala la "efectul de memorie" și abilitatea de a-și păstra acumularea de putere atunci când nu sunt utilizate.

LUX - Lux este un standard de măsura al luminii care indica ce cantitate minima de lumina este necesara unei camere video pentru a funcŃiona normal. In general, indicele lux este util când se compara modele de camere ale aceluiaşi producător.

Focalizare Macro - Permite unei lentile sa focalizeze pe obiecte mici aflate la distante foarte mici. Cu focalizarea macro, obiectele mici pot umple cadrul imaginii.

Card/Stick de memorie – Sunt chipuri de memorie foarte mici cu o capacitate de stocare mult mai mare decât o discheta floppy. Exista o mulŃime de cai de a transfera datele din aceste memorii către PC, inclusiv folosirea de adaptor floppy în care se introduce memoria. Un alt avantaj este ca odată ce s-a umplut o memorie aceasta se poate înlocui cu alta.

Efectul de memorie - Se refera la reducerea în timp a capacitaŃii de a stoca energie a bateriei. Este întâlnita la baterii reîncărcabile Nichel-Cadmiu. Efectul se accelerează daca bateriile nu se descărca complet înainte de reîncărcare.

MicroMV – este cel mai mic și mai puternic format de camera video Sony cu memorie de 64k care oferă transfer de date rapid și utilizează compresia MPEG-2. MicroMV crează un instantaneu la fiecare început și final de înregistrare, facilitând găsirea clipurilor. MICRO MV are și capabilități Bluetooth.

Microfon - Toate camerele video au microfon pentru înregistrarea sunetului. Unele au microfoane mono, altele stereo.

Mini DVD - Este un nou format de disc DVD, mai mic decât dimensiunea standard. In prezent, exista doua variante, Mini DVD-R și Mini DVD-RAM. Mini DVD-R pot fi scrise o singura data și doar în format video și sunt compatibili cu majoritatea DVD player-elor. Mini DVD-RAM nu pot rula în DVD playere standard sau unități DVD-ROM pe PC, se pot şterge și reînregistra de mii de ori și pot stoca și poze.

Compresie MPEG-2 - Este un mod de compresie îmbunătățit pentru codarea conŃinutului multimedia digital. MPEG-2 este tehnologia utilizata de serviciile de satelit, DVD și MICRO MV, datorita eficientei și economisirii de memorie ce duce la un transfer foarte rapid.

Nichel-Cadmiu – reprezintă unul din cele mai vechi tipuri de baterii reîncărcabile care poate fi găsit la o mare varietate de produse. In afara preŃului scăzut, bateriile NiCd permit mai multe cicluri de încărcare-descărcare decât alte tipuri de baterii reîncărcabile. Deşi bateriile NiCd prezintă "efectul de memorie", ce diminuează capacitatea de stocare, vulnerabilitatea la acest efect a fost redusa în ultimii ani.

Nichel-Metal Hidrid - Bateriile NiMH au apărut ca o alternativa la bateriile reîncărcabile NiCd. Sunt virtual imune la "efectul de memorie" al celor NiCd, pot stoca de doua ori mai multa energie și pierd mai putina putere atunci când nu sunt utilizate.

Tehnologii pentru înregistrarea pe timp de noapte - Majoritatea camerelor video au moduri de înregistrare ce permit funcŃionarea în regim de lumina slaba. Panasonic (MagicVu), JVC (NightAlive), Sony (NightShot și Super NightShot), Sharp (Cat's Eye Lux) și Hitachi (Lux Minimum Illumination) - folosesc tehnologii similare.

NTSC (National Television System Committee) - transmite imagini cu 525 linii/cadru. Este folosit de tari de pe continentul american și din Asia, inclusiv Japonia.

Conectare Optica - Un emițător infraroşu din camera video trimite semnal video către un receptor ataşat la televizor , astfel ca nu sunt necesare cabluri între camera video și televizor atunci când se rulează înregistrările video.

Zoom Optic - Lentilele de zoom operează cu mai multe elemente de sticla care sunt aranjate în diferite poziŃii la apăsarea butonului de zoom. Modificarea spaŃiul dintre elementele de sticla duce la schimbarea distantei de focalizare. Acest sistem este numit zoom optic deoarece distanta de focalizare este modificata folosind poziŃionarea elementelor lentilelor de sticla.

Page 392: CartedlComanescu Bun v1

392

Ieşire către PC - Permite conectarea camerei video la PC și sa transferarea pozelor și/sau filmelor pentru a fi stocate, editate și eventual tipărite.

PAL - Standardul PAL (Phase Alternating Line) utilizează o lărgime de banda pentru canale mai mari decât permite NTSC, rezultând o calitate a imaginii mai buna. PAL reda 625 linii/cadru.

Dispozitiv de captare (pickup device) - Lumina este focalizata din lentile în dispozitivul de captare. Acest dispozitiv realizează conversia luminii în semnale electrice care sunt transmise către secŃiunea de înregistrare. FuncŃie de calitatea dispozitivului, cresc la un nivel mai înalt claritatea și rezoluŃia imaginii.

CCD cu scanare progresiva - Tehnologia cu scanare progresiva crează imagini care, la apăsarea butonului de pauza, sunt foarte clare prin înregistrarea întregului cadru, neexistând decalaje și imagini neclare.

ProtecŃie pentru lentile - Previne zgârierea lentilelor - fie la curăŃare (care poate distruge multi-straturile de pe suprafața lentilelor) fie la impact cu vreun obiect.

Telecomanda – Facilitează utilizarea camerei de la distanta. Unele camere video au telecomanda cu butoane Vizionează, Înregistrează, Rulare înainte și înapoi.

SECAM - Standardul SECAM (Sequential Couleur Avec Memoire sau Culoare SecvenŃiala cu Memorie) SECAM foloseşte aceeaşi lărgime de banda ca și PAL dar transmite informaŃia legata de culoare secvenŃial și reda 625 linii/cadru.

Porturi seriale - Transmit informaŃia bit-cu-bit la o viteza mult mai mica decât în transferul de informaŃii prin porturi USB și FireWire

Capete SP/SLP – Reprezintă capete de înregistrare cu care sunt echipate unele camere VHS-C pentru a creste calitatea înregistrării în ambele moduri - standard și super long play.

S-VHS – Folosit pentru obŃinerea unor înregistrări de imagini cu mai multe detalii. Camerele cu o astfel de dotare pot oferi o imagine cu 400 de linii de rezoluŃie.

Ceas (Timer Recording) - Permite filmarea pe o durata de timp prestabilita sau pornirea înregistrării după trecerea în față obiectivului.

Time Lapse - Permite filmarea unor evenimente ce vor fi redate apoi mult mai rapid, cum ar fi înflorirea unui mugur, traficul într-un magazin sau pe o strada, etc.

Trepied - Dispozitiv ce oferă stabilitate și profesionalism înregistrărilor prin fixarea camerei în timpul înregistrării.

USB, USB 2.0 - Porturile USB (universal serial bus) permit un transfer de date mai rapid între camera și PC. Viteza maxima este 480 Mbps. USB 2.0 transfera informaŃia de 40 de ori mai rapid (circa 1GB în mai puŃin de 1 minut). Porturile USB sunt populare și datorita suportului plug-and-play.

Viteza variabila zoom – Prin modificarea acesteia se pot crea diverse efecte video. Viteza variabila a obturatorului - O camera video cu obturator cu viteza variabila poate

filma obiecte cu mişcare rapida, iar la redarea cu încetinitorul acŃiunea se vede foarte clar. VHS – Caseta VHS poate fi vizionata pe un aparat video VCR fără a fi necesar vreun

adaptor. Redarea (Playback) - SecŃiune de redare a unei camera video care permite rularea casetei

și vizualizarea a ceea ce a fost filmat. Înregistrarea (Recorder) - SecŃiunea camerei video care plasează sunetul și imaginea pe

caseta. Balans alb – Permite auto-ajustarea la condiŃiile de luminozitate din ambientul în care se filmează.

ProtecŃia împotriva vântului (wind buffer): Camerele video cu microfon au un dispozitiv de egalizare electronica pentru a reduce sunetul în frecventele unde zgomotul produs de vânt este mai proeminent. In cazul înregistrărilor în condiŃii de vânt, acesta va face diferenŃa între a avea un sonor mai slab și a nu avea sonor deloc. Zero Lux - Indica faptul ca se poate filma pe timp de noapte folosind dispozitivul infraroşu.

Page 393: CartedlComanescu Bun v1

393

14. BENCHMARKING - proces de evaluare a competitivităŃii

În ultimul deceniu se observă pregnant pe plan mondial, introducerea şi aplicarea

conceptului de benchmarking, apariŃia unor noi organizaŃii şi dezvoltarea reŃelelor caracteristice acestei tendinŃe moderne.

Benchmarkingul este un proces folosit în management, în general şi în cel strategic, în particular, în care organizaŃiile evaluează aspecte variate ale proceselor în relaŃie cu cea mai buna practică în domeniu. Aceasta le permite ulterior să dezvolte planuri cu privire la adoptarea unor asemenea practici, în scopul creşterii aspectelor legate de performanŃa. Benchmarkingul este tratat ca un proces continuu în care organizaŃiile caută să interogheze propriile practici.

Ca unealtă de management, este una puternică pentru că depăşeşte “punctul critic al paradigmei” (definit ca modul de a gândi): ”felul cum acŃionam este cel mai bun pentru că acesta este modul cum am acŃionat mereu”. Benchmarkingul deschide organizaŃiile către metode, idei şi unelte noi pentru a-şi îmbunătăŃii eficienŃa, le ajută să depăşească rezistența la schimbare, la nou, demonstrând că și alte metode pentru rezolvarea problemelor pot fi aplicate.

Benchmarking-ul merge dincolo de analiza concurenŃială tradiŃională, caută cea mai bună practică, asigură modul în care aceasta a fost obŃinută, apreciază şansele de a o egala sau chiar de a o depăşi, evaluează efortul şi resursele necesare atingerii scopului fixat, pe direcŃiile în care premizele există, respectiv evită risipa de resurse, pe direcŃiile în care perspectivele lipsesc, conducând în final la un salt al performanŃelor.

Benchmarkingul este procesul determinării celui mai bun, a celui care impune standardul şi care creează acel standard.

Ce este un benchmark? 1) Un standard de referinŃă sau de măsură în vederea comparaŃiei. 2) Măsurarea performanŃei ce reprezintă standardul de excelentă pentru un anumit proces. 3) Un studiu ce permite evaluarea caracteristicilor optime.

Câteva dintre procedurile benchmarkingului sunt: • identificarea zonelor cu probleme: în orice activitate, proces sau funcŃie, o gamă largă de

tehnici de cercetare sunt necesare, cum ar fi cercetarea explorativă, cercetarea cantitativă, controlul calităŃii, diagramele proceselor , analiza ratei financiare etc.;

• identificarea organizaŃiilor-lidere: prin consultarea clienŃilor, furnizorilor, asociaŃiilor; • analiza de metode şi practici ; • implementarea practicilor noi şi îmbunătăŃite.

Ideea de benchmarking a migrat de la aplicaŃiile inginereşti cu măsurările aproape precise şi standarde determinabile la ştiinŃele sociale cu măsurări “vagi” și standarde mai puŃin bine definite. Asta nu înseamnă că ştiinŃele sociale vor beneficia mai puŃin de pe urma utilizării benchmarkingului.

Benchmarkingul tehnic se aplica evaluării performanŃelor cu scopul îmbunătăŃirii calităŃii şi a modului cum procesele şi producŃia sunt controlate învăŃând “de la cel mai bun în domeniu”.

Benchmarkingul are trei utilizări comune: evaluarea unor noi produse, monitorizare şi diagnostic şi alocarea resurselor. În tehnică, benchmarkingurile sunt teste standard de măsurare a performanŃelor ce rulează un computer, dispozitive periferice sau aplicaŃii. Un benchmark poate indica un diagnostic general al sistemului sau unul specific, privind de exemplu aspectul grafic, operaŃii în matrici, scriere şi citire de fişiere. În timp ce nici un benchmark nu poate caracteriza performanŃele generale rezultatele unei game de benchmarkuri pot indica informaŃii preŃioase cu privire la performanŃele reale aşteptate.

Page 394: CartedlComanescu Bun v1

394

Termenul de benchmark e deseori folosit pentru însăşi programele destinate benchmarkingului. Benchmarkingul oferă o metodă de a compara performanŃele unor variate arhitecturi de sistem. PoŃi crea scenarii care să testeze manevrabilitatea, performanŃa în utilizare, diferite metode de încărcare a datelor şi chiar efectul folosirii produselor noi lansate asupra aplicaŃiilor. Pe măsură ce arhitectura de sistem a avansat a devenit din ce în ce mai dificil să compari caracteristicile unor variate sisteme tehnice doar pe baza specificaŃiilor. Astfel s-au realizat teste ce pot rula pe diferite sisteme permiŃând compararea rezultatelor din arhitecturi diferite (Figura 14.1).

Figura 14.1- Efectul unui proiect de benchmarking

Figura 14.2 – EvoluŃia conceptului de benchmarking

EvoluŃia conceptului de benchmarking poate fi privită ca o evoluŃie stratificată în cinci nivele (Figura 14.2): 1) Analiza produselor competitive – în această fază activitatea de benchmarking se concentrează

asupra comparării caracteristicilor funcŃionale şi de performanŃă ale produselor studiate;

Page 395: CartedlComanescu Bun v1

395

2) Benchmarking concurenŃial – a fost aplicat pentru prima dată de firma Rank Xerox, care a analizat costurile proprii de fabricaŃie, comparându-le cu costurile concurenŃei. Se analizează eficienŃa proceselor şi nu numai calităŃile produselor:

3) Benchmarking de proces – sub acest aspect, numeroşi manageri în jurul anului 1980 au ajuns la concluzia că pot învăŃa din experienŃa unor organizaŃii din alte sectoare de activitate. Se utilizează informaŃii de la organizaŃii neconcurente;

4) Benchmarking strategic – este un proces sistematic de evaluare a scenariilor alternative cu scopul implementării unor strategii de îmbunătăŃirea performanŃelor prin înŃelegerea şi adoptarea convenabilă a strategiei altor organizaŃii (concurente sau nu). Acest tip de benchmarking diferă de cel de proces, scopul său fiind mai larg;

5) Benchmarking global – este cel mai modern concept, incluzând analize ale diferenŃelor existente între organizaŃii la nivel mondial. Acest concept are în vedere multitudinea de condiŃii care afectează localizarea organizaŃiilor (legale, administrative, educaŃionale, sociale, de mediu etc)

În tabelul 14.1 se prezintă principalele tipuri de benchmarking conform clasificării acceptate de OrganizaŃia Europeană pentru calitate.

Tabelul 14.1

Tipul de benchmarking

DefiniŃie Nivelul resurselor necesare

DE PERFORMANłĂ

Analiza performanŃelor relative în afaceri între concurenŃi direcŃi sau indirecŃi. Este realizată pe baza datelor oficiale publicate ale organizaŃiilor luate în studiu sau conduse ca “studii oarbe” apelând la firme de consultanŃă.

Reduse

STRATEGIC

Analiza companiilor lideri mondiali în cadrul industriilor neconcurente, în scopul determinării oportunităŃilor de schimbare şi strategie în procesele principale. Elaborate de specialişti instruiŃi în tehnicile de benchmarking

Mediu-redus

DE PROCES

Analiza performanŃelor în procesele-cheie ale companiilor identificate ca lideri, indiferent de domeniul de activitate. Studiile de acest fel sunt conduse de echipe din interiorul procesului.

Ridicat

Benchmarking-ul reprezintă un demers care constă în confruntarea propriilor practici ale organizaŃiei cu cele ale altor organizaŃii. A practica Benchmarking-ul este echivalent cu a merge în căutarea celor mai bune metode utilizate într-o activitate, aceste metode permiŃând companiei să-şi amelioreze performanŃele.

Conceptul de benchmarking, care provine din cuvântul englez „benchmark” (bornă, referinŃă) este foarte practicat în SUA. Acest concept se bazează pe faptul că lumea exterioară este într-o continuă evoluŃie şi constă în compararea propriei organizaŃii cu una sau mai multe organizaŃii identificate ca fiind de referinŃă într-un anumit domeniu.

Două ipoteze istorice ilustrează în mod convingător de când datează aplicarea benchmarkingului, sub diferite forme şi de ce acesta este atât de necesar. Prima ipoteză sugerează ca este vechi de peste 2500 de ani şi este originar din China. Cea de-a doua ne spune ca, este greu să se ştie de când datează, însă el provine din Japonia, Ńară în care este practicat cu foarte mare succes.

Page 396: CartedlComanescu Bun v1

396

În anul 500 î.c., Sun Tzu, un general chinez, scria: „dacă îŃi cunoşti duşmanul şi te cunoşti şi pe tine însuŃi, nu trebui să te temi de rezultatul a o sută de bătălii”. Cuvintele lui Sun Tzu reprezintă de fapt calea succesului în toate tipurile de situaŃii de afaceri. Rezolvarea problemelor curente de afaceri, conducerea bătăliilor de management şi supravieŃuirea pe piaŃă reprezintă toate forme de război, care pot fi conduse după aceleaşi reguli ca cele ale generalului Sun Tzu.

Din cea de-a doua abordare, aflăm că în limba japoneză, „dantotsu”, înseamnă să fii „cel mai bun dintre cei mai buni”. Aceasta este chiar esenŃa benchmarking-ului.

Benchmarking-ul este practicat încă din anii ’50 de către anumite companii de talie internaŃională. Termenul acoperă o idee destul de simplă, şi anume aceea de a găsi în lume acea companie sau acele companii care realizează în modul cel mai performant un proces sau o sarcină, pentru a adapta ulterior acel proces în cadrul companiei proprii.

Cu alte cuvinte, este vorba de a se compara cu campionii dintr-un anume domeniu, de a se inspira din experienŃa lor în scopul apropierii de excelenŃă. Uneori, rezultatele unei acŃiuni de benchmarking sunt spectaculoase.

Conform definiŃiei lui David T. Kearns, de la compania Xerox, benchmarking-ul reprezintă „un proces continuu de măsurare a produselor, serviciilor şi a practicilor unei companii cu cei mai puternici competitori sau cu acele companii considerate ca fiind liderii într-un anumit domeniu”.

Această definiŃie comportă câteva aspecte care merită supuse atenŃiei, şi anume: • Proces continuu. Benchmarking-ul este un proces de management ce se manifestă prin

autoîmbunătăŃire, deci este un proces care trebuie să fie realizat în mod continuu pentru a-şi dovedi eficienŃa. Astfel, nu poate fi vorba despre un proces care a fost o dată executat şi care poate fi uitat, considerându-se că sarcina s-a încheiat. Benchmarking-ul trebuie să fie un proces continuu deoarece practicile se modifică în mod constant. Prin urmare, liderii în toate sectoarele de activitate devin din ce în ce mai puternici. Doar acele firme care urmăresc procesul de bechmarking cu disciplină vor putea dobândi performanŃe superioare. Într-un mediu în care schimbarea este la ordinea zilei, firmele care nu Ńin cont de acest lucru sunt sortite falimentului.

• Măsurare. Termenul de benchmarking implică măsurare. Măsurarea se poate obŃine în două modalităŃi. Practicile interne şi cele externe pot fi comparate şi un rezultat al diferenŃelor semnificative poate fi analizat şi luat în considerare. Acest rezultat oferă oportunitatea ajungerii la cele mai bune practici. Totuşi, benchmarking-ul nu reprezintă doar o investigare de ordin cantitativ, ci el determină şi ce practici sunt folosite pentru a conduce la îmbunătăŃirea performanŃei. În consecinŃă, benchmarking-ul nu este doar un studiu al concurenŃei, ci este un proces de determinare a eficienŃei liderilor dintr-un sector prin măsurarea rezultatelor lor.

• Produse, servicii şi practici. Studiul de benchmarking poate fi aplicat oricărei faŃete a unei afaceri. Astfel, el poate fi aplicat produselor şi serviciilor, poate fi aplicat procesului de fabricare a bunurilor şi serviciilor, în mare, el poate fi aplicat tuturor practicilor şi metodelor ce contribuie la realizarea bunurilor şi serviciilor până la satisfacerea nevoilor clienŃilor. Benchmarking-ul merge dincolo de tradiŃionala analiză competitivă deoarece nu relevă numai care sunt cele mai bune practici, dar şi obŃine o înŃelegere clară a modului în care aceste practici sunt folosite. Cele mai multe activităŃi din domeniul afacerilor pot fi analizate ca şi procese. Astfel, cele mai multe activităŃi au un început, un rezultat şi o acŃiune principală. De asemenea, există o ieşire din proces, care constă în ceea ce doreşte următorul client, indiferent dacă este vorba despre un client intern sau extern, sau clientul final.

• Companii recunoscute ca lideri în domeniu. Benchmarking-ul nu va fi direcŃionat doar către concurenŃii direcŃi. De fapt, acest lucru ar putea fi o greşeală din moment ce ei pot avea practici care nu sunt de dorit. Benchmarking-ul trebuie orientat către acele companii care sunt recunoscute ca fiind liderii într-un domeniu de activitate (de exemplu, cum sunt percepute

Page 397: CartedlComanescu Bun v1

397

băncile pentru procesarea fără erori a documentelor). Compania care serveşte drept partener în cadrul studiului de benchmarking nu este întotdeauna evidentă, o investigare atentă fiind necesară în acest sens. Din fericire, există mai multe modalităŃi prin care se pot depista care sunt companiile demne de ales ca şi parteneri-reper în cadrul anchetei de benchmarking.

O definiŃie mai pragmatică a benchmarking-ului este următoarea: „Benchmarking-ul reprezintă căutarea celor mai bune practici care conduc la performanŃă

superioară”. Această definiŃie se concentrează pe practici, ea fiind preferată de unităŃile de afaceri orientate către partea operaŃională.

Benchmarking-ul este un demers care vizează să scoată beneficii din experienŃele reuşite ale altor organizaŃii care şi-au ameliorat performanŃele. Această abordare acŃionează în mod direct şi rapid, chiar imediat, asupra competitivităŃii companiei. Ea se realizează proces cu proces, în funcŃie de nevoile companiei în termeni de progres. Astfel, la nivelul funcŃiunilor, pot fi supuse anchetei de benchmarking: funcŃiunea comercială, de calitate, gestiunea relaŃiei cu clienŃii, funcŃiunea sistemului de informare, funcŃiunea achiziŃii, etc.

De asemenea, procese precum: „determinarea nevoilor clienŃilor”, „dezvoltarea noilor produse”, „implicarea personalului” pot face obiectul unui studiu de benchmarking. Conduita unei astfel de abordări vizează ameliorarea considerabilă a performanŃelor unei companii (salturi de performanŃă – în principal de productivitate şi de competitivitate), conduce la creşterea eficienŃei, accelerează şi orientează managementul, forŃează compania să privească mai departe şi, într-un final, sfârşeşte prin ameliorarea nivelului de satisfacŃie al clienŃilor.

Multi-sectorialitatea acŃiunii de benchmarking, adică faptul că organizaŃia îşi apleacă privirea şi asupra altor sectoare de activitate, conduce la ameliorarea eficienŃei acesteia. Din păcate însă, adesea, acŃiunile desemnate prin termenul de benchmarking se confundă cu cele de supraveghere concurenŃială, deoarece se limitează doar la tratarea informaŃiilor obŃinute, în timp ce o acŃiune reală de benchmarking vizează schimburi cu privire la cele mai bune practici ale fiecăruia dintre partenerii de benchmarking şi punerea imediată în acŃiune a unui plan de eficientizare.

1.1. Etapele procesului de benchmarking

Pentru a debuta un plan de benchmarking, trebuie numit un responsabil însărcinat să culeagă informaŃii care să răspundă la întrebarea: “Care este activitatea din cadrul companiei noastre care ne permite să avansăm şi să avem un avantaj în ceea ce priveşte concurenŃa?”

Orice aspect al comportamentului unei organizaŃii sau al performanŃei sale poate să fie subiectul unui plan de benchmarking: produse, servicii, procese, sisteme de suport, personal, costuri, capital, valoarea percepută de către client, etc.

Obiectivele finale pot, de asemenea, să varieze foarte mult: strategii noi, un plan de reducere a costurilor, centrarea pe performanŃă, idei noi, ameliorarea calităŃii, etc.

Există cel puŃin două modalităŃi de a clarifica o definiŃie a „produsului” unei funcŃii sau a unui departament. Prima constă în a pleca de sus, adică de la conceptul strategic, şi a coborî până la unitatea “livrabilă”. A doua modalitate procedează la evaluarea unei liste de întrebări care pot să scoată în evidenŃă produsele sau problemele care necesită o operaŃiune de benchmarking.

Odată cu încheierea primei etape, trebuie subdivizate „produsele” identificate în rubrici ce pot face obiectul unui studiu de benchmarking. Dificultatea constă în evaluarea gradului de detaliu la care trebuie să se ajungă.

Este important să se plece de la un „produs” global, deoarece la un anumit moment, va fi nevoie să se arate efectul agregat al operaŃiunilor detaliate de benchmarking, iar acest rezumat se va realiza în funcŃie de acest “produs”. Un ansamblu coerent de rubrici se va putea realiza prin

Page 398: CartedlComanescu Bun v1

398

tatonări. Aceste rubrici vor putea fi ulterior diversificate sau reduse de-a lungul anchetei de benchmarking, în funcŃie de necesităŃi.

O metodă pentru a defini rubricile care vor face obiectul benchmarkingului constă în a pleca de la măsurile utilizate în mod curent pentru diferite rapoarte stabilite în cadrul funcŃionării normale a companiei. Totuşi, trebuie Ńinut cont de faptul că, adesea, sistemul de evaluare este orientat către aspectul financiar şi nu furnizează suficiente date operaŃionale. Mai mult, acest tip de raportări nu este întotdeauna exhaustiv.

Suplimentar faŃă de sudiviziunile logice succesive, se poate utiliza un test bazat pe un chestionar supus personalului implicat. În mod special trebuie să se verifice dacă întrebările puse sau domeniile alese să fie exploatate oferă o descriere directă a metodelor şi a practicilor pentru care se face studiul de benchmarking. În spatele valorii de referinŃă (“benchmarkul” = bornă) se află o metodă, un proces ce trebuie înŃeles pentru a putea fi apoi pus în practică.

O altă modalitate de a identifica rubricile candidate la benchmarking constă în a face o listă a problemelor şi a provocărilor cu care se confruntă serviciul (departamentul) respectiv. Plecând de la această listă, se stabileşte o diagramă cauză-efect care permite elaborarea unui chestionar exhaustiv.

Ar fi indicat să se înceapă cu un plan de benchmarking puŃin ambiŃios, care să se limiteze la a exporta ceea ce se face foarte bine de la un departament sau filială la un alt departament sau la o altă filial ă în cadrul aceleiaşi companii. În orice caz, trebuie să se ajungă prin consens la concluzia referitoare la ce trebuie ameliorat, evitându-se să se caute perfecŃiunea pentru lucruri inutile.

Nivelul de detalii ce trebuie reŃinut reprezintă o chestiune de evaluare: el trebuie să fie destul de ridicat pentru a putea cuantifica beneficiile aduse de schimbare, însă nu foarte ridicat pentru a putea evalua impactul asupra gestiunii. Înainte de a se începe o analiză de benchmarking asupra metodelor de lucru, este important să se cunoască bine propria funcŃionare internă. Trebuie, prin urmare, să se analizeze etapele diferite ale procesului, metodele utilizate şi trebuie să se definească măsurile critice utilizate.

Pentru a se putea estima la ce distanŃă faŃă de situaŃia ideală se află un aspect al companiei ce este supus ameliorării, trebuie să se aleagă câŃiva parametri sau indicatori care permit să se obŃină o primă evaluare a acestei distanŃe. Aceşti parametri trebuie să fie, pe cât posibil, cantitativi ei măsurând rezultatele obŃinute în realizarea respectivei activităŃi. Aceşti indicatori ar trebui să măsoare roti sau doar o parte, din aceste faŃete tipice: • costuri: unităŃi monetare necesare pentru realizarea acelei activităŃi; • timp: care va măsura rapiditatea sau încetineala procedeului în sine, sau rotaŃia materialelor

implicate în cadrul procedeului (stocuri, de exemplu); • calitate: nivelul de calitate perceput de către client – intern sau extern- exprimat în procente.

14.1.1. Analiza performanŃelor şi identificarea cauzelor de varianŃă

Odată ce datele au fost culese, urmează etapa de analiză şi de comparaŃie cu datele interne. Această analiză permite evaluarea şi cuantificarea unei diferenŃe concurenŃiale. Această analiză este vitală, deoarece de ea aceasta depind posibilităŃile de ameliorare. În continuare, se observă cum este posibil ca acest interval să fie cuantificat, şi apoi cum se poate determina cea mai bună metodă printre cele observate de-a lungul culegerii de informaŃii.

Această etapă de benchmarking cere un spirit de analiză foarte ascuŃit şi creativitate. De asemenea, de analiza performanŃelor şi identificarea cauzelor de varianŃă vor depinde toate acŃiunile companiei în urma anchetei de benchmarking.

Page 399: CartedlComanescu Bun v1

399

14.1.1.1. Diferitele tipuri de diferen Ńe

O primă analiză a datelor permite determinarea rapidă a intervalului de eficacitate

existent între diferiŃi parteneri ai benchmarkingului şi serviciul intern. De această estimare va depinde ulterior orientarea analizei.

14.1.1.1.1. DiferenŃă negativă

Acest caz arată în mod clar că metodele exterioare sunt mai performante şi că ar trebui să

servească drept referinŃă. O analiză detaliată va permite astfel să se găsească cauzele acestor diferenŃe, şi, în consecinŃă, să le diminueze.

14.1.1.1.2. Nu există nici o diferenŃă

În acest caz, diferenŃele nu sunt semnificative. O astfel de situaŃie este rară şi adesea este

temporară, obiectivul benchmarkingului fiind existenŃa unei evoluŃii permanente.

14.1.1.1.3. DiferenŃa pozitivă În acest caz, funcŃionarea internă se adevereşte în mod evident a fi mai performantă decât

cea a concurenŃei. În consecinŃă, benchmarking-ul în sine nu poate să aducă soluŃii de ameliorare.

14.1.1.2. Analiza comparativă de interval

În continuare, se analizează cauzele diferenŃelor negative şi se cuantifică aceste diferenŃe

în scopul fixării obiectivului, şi anume în scopul fixării benchmark-ului (bornei, reperului).

14.1.1.2.1. Analiza calitativă a oportunităŃii Această etapă trebuie să arate de ce metodele observate în exterior oferă o posibilitate de

ameliorare a metodelor interne. Maniera cea mai răspândită constă în divizarea tuturor operaŃiunilor studiate în etape elementare şi în compararea, cu ajutorul unui tablou, a tuturor metodelor utilizate de către parteneri. Acest tablou pune în evidenŃă metodele cheie ce trebuie utilizate ca şi referinŃă.

14.1.1.2.2. Măsura numerică a performanŃei

Analiza calitativă permite determinarea cauzelor de varianŃă, însă ea nu este suficientă. O

măsură cantitativă este necesară, deoarece ea va măsura amploarea intervalului (diferenŃei), a obiectivului de atins, a investiŃiei de previzionat, şi a fezabilităŃii evoluŃiei. Măsura trebuie să fie un număr care reflectă valoarea unei metode comparativ cu alte metode. Această valoare se bazează atât pe cifre obŃinute de-a lungul căutării de date, precum costul unitar al unui proces, cât şi pe note arbitrare acordate unei metode (de exemplu metoda pentru utilizarea unei tehnologii de vârf). Acest număr trebuie calculat cu mare atenŃie, deoarece el va constitui obiectivul de atins.

Evident, nu este vorba de a avea o precizie perfectă, ci mai degrabă de a obŃine un interval care pune în evidenŃă punctele esenŃiale ce trebuie atinse, care par accesibile şi care motivează eforturile personalului implicat în procesul de ameliorare.

Page 400: CartedlComanescu Bun v1

400

14.1.1.2.3. Identificarea metodelor de referinŃă Odată fixate benchmark-urile (bornele de referinŃă), trebuie găsite cele mai bune metode,

printre cele observate la parteneri, pentru ca firma să-şi poată atinge obiectivele propuse. Astfel, se pune următoarea întrebare: Cum se poate recunoaşte metoda de referinŃă? 1) Superioritatea metodei este evidente Se poate întâmpla ca un proces să fie în mod vizibil mai

performant decât un altul, prin simplicitatea sau prin rentabilitatea sa. Această metodă, devine, în mod evident, referinŃa ce trebuie atinsă.

2) DiferenŃa este importantă: superioritatea analitică Măsura descrisă mai sus poate servi în scopul departajării a două metode complet diferite în situaŃia în care alegerea uneia dintre metode nu este evidentă.

3) Evaluarea experŃilor Atunci când nota acordată nu mai permite să se facă diferenŃierea între două procese, se poate face apel la un expert din domeniul considerat sau la consultanŃi pentru a determina metoda ce trebuie adoptată.

4) Metoda este larg răspândită Superioritatea unei metode apare ca fiind evidentă atunci când ea este folosită de majoritatea partenerilor. Astfel, se utilizează indirect rezultatele serviciului de benchmarking al celorlalte companii.

5) Superioritatea pe piaŃă Din ce mai mult, companiile specializate sau nu îşi propun serviciile către exterior. Reuşita unei astfel de demers este evidentă, deoarece piaŃa determină în mod liber care este metoda cea mai eficientă. Această etapă importantă permite, deci, utilizarea datelor culese în scopul stabilirii punctelor care trebuie să se amelioreze în cadrul companiei şi în scopul fixării unui obiectiv ce trebuie atins. De asemenea, permite identificarea, printre toate metodele observate la parteneri, a celei mai eficiente metode în scopul aplicării, dacă este posibil, în interiorul companiei.

14.1.1.2.4. Fixarea nivelurilor de performanŃă După ce au fost strânse şi analizate datele privind performanŃele companiilor supuse

analizei de benchmarking şi după ce au fost identificate cauzele diferenŃelor de performanŃă, compania va pune benchmarkuri (borne), adică îşi va fixa obiectivele referitoare la factorii cheie (determinaŃi de studiul anterior şi care sunt responsabili de succesul companiilor în care aceştia au fost întâlniŃi). Pentru a valoriza informaŃiile strânse de-a lungul studiului, în mod particular diferenŃele de performanŃe între companiile concurente şi compania considerată, se utilizează curba de sinteză denumită „Curba în Z”. Aceasta va permite o mai bună delimitare a noŃiunii de diferenŃă şi va permite, deci, fixarea de obiective în funcŃie de această diferenŃă.

14.1.1.2.5. Planificarea intervalelor de performanŃă

Curba în „Z” - Această curbă ilustrează amploarea diferenŃei de productivitate prezente şi

viitoare între companie şi concurenŃă. Ea permite, de asemenea, înŃelegerea acestei diferenŃe la nivel de costuri unitare de fabricaŃie, la nivel de costuri privind preluarea comenzilor, etc.

În acest scop este util ca această curbă să se bazeze pe o statistică unică, coerentă cu activitatea departamentului sau a echipei implicate în studiu. Statistica cea mai frecvent utilizată este indicatorul costuri/cifra de afaceri (acesta este foarte semnificativ, pentru că oferă oricând posibilitatea să se revină la datele iniŃiale). Mai mult, acest indicator ilustrează diferenŃa de benchmarking, deoarece el poate fi interpretat în funcŃie de contribuŃia sa la rentabilitate, adică comparaŃia dintre valorile de referinŃă şi indicatorul pentru fiecare funcŃie a companiei, ce arată care nivele de referinŃă trebuie atinse pentru a menŃine rentabilitatea sau pentru a creşte marjele de

Page 401: CartedlComanescu Bun v1

401

profit. Curba în “Z” ( Figura 14.3) este divizată în 3 părŃi: înainte, în timpul şi după efectuarea studiului.

Figura 14.3 Curba în Z

Curba în “Z” :

1) Curba de productivitate medie: Este vorba de prima parte a curbei, ea reprezentând o curbă de reducere a costurilor. De fapt, cele mai multe companii nu rămân statice, ci obŃin o creştere a productivităŃii pe termen lung. Curba de productivitate medie este deci, o dreaptă cu o pantă descrescătoare care se opreşte în momentul studiului de benchmarking.

2) DiferenŃa de benchmarking: La sfârşitul anchetei de benchmarking, nivelul de diferenŃă este cunoscut şi el figurează pe curbă sub forma unui segment vertical de talie egală cu diferenŃa, situat în momentul studiului. El provoacă o ruptură în cadrul curbei.

3) Curba de productivitate viitoare: Ea este reprezentată de către o semidreaptă de pantă negativă, ce pleacă din momentul de măsurare al diferenŃei. După parcurgerea diferenŃei, rata de productivitate trebuie să fie situată cel puŃin la nivelul ratei ce aparŃine companiilor concurente pentru a menŃine egalitatea, şi, dacă este posibil, să o depăşească.

Analiza curbei în „Z” permite luarea în considerare a diferenŃei, chiar dacă departamentul implicat nu percepe imediat faptul că aceasta reprezintă exigenŃa schimbării. Personalul implicat în procesul de benchmarking are tendinŃa să creadă că este suficientă o singură modificare majoră de metodă şi că ulterior fiecare îşi poate relua vechile obiceiuri. În schimb, benchmarkingul arată că această autosatifacŃie nu mai este admisibilă: pentru a obŃine rezultate superioare, trebuie procedat în permanenŃă la schimbări definite în funcŃie de un obiectiv precis şi bine înŃeles. Curba în „Z” arată în mod egal necesitatea unei actualizări permanente a informaŃiilor. Este nevoie ca firma să fie la curent cu evoluŃia metodelor din domeniul său de activitate şi să reevalueze curbele de productivitate ale concurenŃilor.

Compania trebuie să facă predicŃii cu privire la ratele de productivitate viitoare atât ale sale cât şi ale concurenŃilor. De asemenea, compania trebuie să-şi modifice în mod constant predicŃiile în funcŃie de informaŃiile pe care le culege şi le cercetează în mod constant. Pentru a putea înŃelege mai bine acest interval (diferenŃă), se poate face distincŃia între măsurile de ordin tactic şi măsurile de ordin strategic ce trebuie luate, şi anume: • Măsurile tactice: În absenŃa anchetei de benchmarking, creşterile de productivitate reprezintă

fructul unei evoluŃii graduale, iar nivelul lor pare acceptabil pentru companie. Schimbările sunt de natură tactică, în cele mai multe din situaŃii fiind rezultatul acŃiunilor întreprinse pe plan intern. Ameliorările, ce vizează creşterea productivităŃii şi a eficienŃei, sunt în mod esenŃial fundamentate pe experienŃa funcŃiei şi a cunoaşterii operaŃiilor. Ratele de productivitate variază, ca regulă generală, de la 0 la 5%, cu o medie situată între 2-3%.

Page 402: CartedlComanescu Bun v1

402

• Măsurile strategice: DiferenŃele majore de metodă pe care le-au relevat anchetele necesită, în general, măsuri de ordin strategic. Dimensiunea efortului ce trebuie realizat este pus în evidenŃă de către curba în „Z”, iar schimbările necesare trebuie traduse nu numai în termeni tactici, dar şi în termeni strategici. De fapt, schimbările strategice de metodă trebuie asociate cu o evoluŃie continuă a parŃii tactice. Numai prin combinarea acestor două tipuri de acŃiuni compania va ajunge la performanŃele companiilor concurente.

• 14.1.1.2.6. Fixarea obiectivelor

1) Obiectivul de benchmarking vis-a-vis de diferenŃă

Obiectivele fixate sau reperele pot să fie de naturi diferite, însă ele au toate ca scop ameliorarea productivităŃii companiei şi reducerea diferenŃei în funcŃie de rezultatele anchetei de benchmarking. În cazul în care diferenŃa nu este nulă, atunci ea nu poate fi redusă instantaneu. Prin urmare, obiectivele fixate ar trebui să fie obiective progresive stabilite pe termen mediu şi lung (Figura 14.4).

PerformanŃasuperioară

Interval

ScadenŃaAni

ConcurenŃa

FuncŃia logisticăinternă

Astăzi

Figura 14.4 Obiectivele benchmarkingului

2) Natura obiectivelor ExperienŃa a demonstrat că mai multe aspecte ale fixării de obiective joacă un rol

primordial în reuşita unei operaŃiuni de benchmarking. Anumite aspecte pot să pară evidente, însă este util să se revină prin analizarea precisă a funcŃiei lor faŃă de benchmarking. În cercetarea celor mai bune metode, benchmarkingul ar trebui să se traducă prin obiective enunŃate în termeni operaŃionali, limitaŃi la ceea ce este esenŃial şi care implică schimbări de metodă. 3) Termeni operaŃionali:

Aceasta constă în a traduce ceea ce a fost descoperit în exteriorul companiei în limbajul propriu al departamentului implicat în ancheta de benchmarking. Această fază este esenŃială pentru ca obiectivele propuse să fie bine înŃelese şi acceptate. Odată descoperite, metodele performante trebuie să fie evaluate, iar efectele aplicării lor trebuie să fie cuantificate. Acest fapt trebuie să se traducă prin obiective realizabile. De exemplu, “reducerea numărului de trepte ale unei reŃele de distribuŃie de la patru la trei” sau “trecerea de la o proporŃie de mână de lucru indirectă în raport cu mâna de lucru directă de 2 la 1” reprezintă obiective cifrate, enunŃate în termeni operaŃionali. Prin urmare, compania implicată în procesul de benchmarking are o linie de acŃiune foarte clar trasată. 4) Obiective numeroase:

Odată ce ancheta şi analizele care urmează au fost definitivate, pentru companie este relativ uşor să determine care sunt valorile de referinŃă cele mai semnificative. Aceste valori de referinŃă vor fi acelea care vor afecta costul unitar, sau rotaŃia activelor. Din acest punct de vedere, este util, chiar mai mult, este necesar ca obiectivele să fie clasate în funcŃie de prioritate. Evident, acele obiective care pot să aducă cea mai mare contribuŃie la realizarea diferenŃei de benchmarking

Page 403: CartedlComanescu Bun v1

403

sunt obiectivele care trebuie să prezinte cel mai mare interes. În consecinŃă, toate eforturile ar trebui să se concentreze pe aceste obiective. 5) Modificările de metodă:

DefiniŃiile obiectivelor trebuie să indice care sunt metodele descoperite şi propuse pentru a fi aplicate. Descrierea lor reprezintă adesea cea mai mare provocare, deoarece aceste obiective sunt cele care vor conduce firma către succes. Iată câteva exemple: pregătirea comenzilor gestionate de către calculator, trierea coletelor prin citirea codului de bare, dispunerea articolelor în funcŃie de periodicitatea de comandă, etc.

Având în vedere că nivelele de performanŃă sunt planificate şi că obiectivele sunt fixate, rezultatele analizei vor putea fi comunicate, apoi puse în practică prin intermediul unui plan de acŃiune care rămâne încă de definit în această etapă.

14.1.1.2.7. Stabilirea obiectivelor funcŃionale

Această etapă tratează relaŃiile dintre benchmarking şi obiective, şi de asemenea,

mijloacele eficiente de prezentare a obiectivelor rezultate din studiul de benchmarking pentru a le face să fie acceptate de către companie. Aceste obiective, reieşite din cercetarea celor mai bune metode exterioare, reprezintă expresia performanŃelor prevăzute pentru companie. Odată stabilite obiectivele, trebuie găsită modalitatea de a le exprima, menŃionând ce trebuie modificat în mod concret în funcŃionarea companiei. Abordarea cea mai frecventă constă în transpunerea rezultatelor cele mai importante ale benchmarkingului în principii operatorii. Aceste principii informează compania despre elementele de care se va Ńine cont în timpul deciziilor de schimbare, despre modalitatea în care compania este invitată să evalueze şi despre fizionomia pe care aceasta o va avea atunci când va fi atinsă poziŃia de maturitate derivată din benchmarking.

14.1.1.2.8. Obiectivele funcŃionale şi benchmarkingul

Fiecare companie are propriul sistem de fixare de obiective. În continuare, sunt abordate

logica şi procesul de fixare a obiectivelor în funcŃie de benchmarking. Prin natura sa, benchmarkingul reprezintă o reexaminare a obiectivelor şi a procesului lor

de stabilire. După ancheta de benchmarking, trebuie stabilită o listă de obiective, în cazul în care ea nu există deja (uneori trebuie regrupate obiectivele formulate pe diferite documente: prezentarea anuală a obiectivelor, bugetul anual, planurile strategice pe termen mediu şi lung ale companiei).

Apoi, aceste obiective trebuie reanalizate în lumina metodelor descoperite prin intermediul anchetei de benchmarking. Adesea, este preferabil ca rezultatele anchetei să fie traduse în termeni de unelte strategice utilizate în mod frecvent în cadrul companiei: astfel, acestea vor fi mai uşor acceptate. Ceea ce trebuie modificat nu sunt unităŃile de măsură sau statisticile de referinŃă utilizate în mod curent de către companie, ci obiectivele în sine. ReferinŃele aduse de benchmarking poate afecta obiectivele în diverse moduri. De exemplu, acestea pot să confirme obiectivele care merg în direcŃia bună: costul unitar trebuie diminuat, rotaŃia stocurilor trebuie să crească, etc. De asemenea, noile referinŃe pot să inducă o modificare a ordinii de prioritate acordată obiectivelor: accentul poate să fie pus pe ceva ce până acum nu părea a fi prioritar (de exemplu, accentul pus asupra calităŃii). Totuşi, această modificare trebuie făcută cu prudenŃă, avându-se în vedere faptul că datele nu pot fi precise decât dacă o masă mare de informaŃii a fot adunată. În acest caz, este mai bine să se opteze pentru valoare medie fixată pentru un obiectiv.

În procesul de modificări trebuie să se Ńină cont de repercusiunile asupra firmelor din amonte şi din aval. Trebuie să se aibă în vedere şi costul acestei modificări. De asemenea, modificările trebuie să fie acceptate de către conducerea companiei, argumentând prin gradul de competitivitate şi nivelul de performanŃă pe care acestea îl oferă.

Page 404: CartedlComanescu Bun v1

404

Nu în ultimul rând, trebuie să se analizeze impactul pe care noile obiective îl vor avea asupra nivelului de satisfacŃie al clienŃilor.

În ceea ce priveşte misiunea, programul de benchmarking trebuie să o susŃină şi să pornească de la ea. Principiile operatorii reprezintă o modalitate eficientă de a comunica metodele reieşite din benchmarking şi preconizate de către companie.

Aceste principii reprezintă un enunŃ cantitativ al metodelor de referinŃă, în timp ce obiectivele de performanŃă reprezintă traducerea cantitativă. Se trece apoi la strategii şi tactici (Figura 14.5).

Figura 14.5 Strategii şi tactici specifice benchmarkingului

În general, nu se pot fixa obiective satisfăcătoare care să nu fie bazate pe benchmarking.

În acest scop, benchmarking-ul ar trebui să preceadă orice definiŃie de obiective şi să facă parte integrantă din proces, deoarece el Ńine cont de necesitatea de a satisface exigenŃele clientelei, bazându-se pe cele mai bune metode existente.

Rezultatele studiului de benchmarking demonstrează în mod invariabil existenŃa unei diferenŃe de performanŃă care trebuie acoperită. łinând cont de informaŃiile culese, este relativ uşor să se previzioneze ce se va modifica la fiecare nivel ierarhic în parte, mergându-se până la nivelul individual. Concluziile studiului de benchmarking pot să fie uneori traumatizante: de exemplu, se poate ajunge la întrebarea dacă anumite unităŃi sau posturi mai sunt utile.

14.1.1.3. Dezvoltarea unui plan de acŃiune

Etapa următoare constă în pregătirea unui plan de acŃiune în scopul atingerii obiectivelor propuse. Acest plan de acŃiune va viza aplicarea unei metode determinată anterior.

Page 405: CartedlComanescu Bun v1

405

14.1.1.3.1. Determinarea metodei Există două modalităŃi de a determina metoda ce răspunde problemei, ce corespund

pentru două abordări diferite de benchmarking. a) Abordarea DivergenŃă ConvergenŃă

Grupul responsabil de benchmarking, regrupează ansamblul de date culese de-a lungul anchetei şi le analizează. Plecând de la aceste date şi cunoscând nivelul de performanŃă cerut, grupul va putea determina soluŃiile şi o va putea alege pe cea mai adecvată pentru companie. Acest tip de abordare îşi demonstrează eficienŃa atâta timp cât se bazează fapte. Însă, acest lucru poate să constituie şi o slăbiciune, deoarece grupul de benchmarking riscă să se piardă în informaŃii în detrimentul soluŃiilor.

b) Abordarea prin ipoteze O companie ce conduce un studiu de benchmarking, are în majoritatea cazurilor o intuiŃie

în ceea ce priveşte acŃiunile ce trebuie întreprinse pentru a-şi ameliora performanŃele. Acest tip de abordare constă, deci, în a face ipoteze referitoare la planurile de acŃiuni ce trebuie puse în practică plecând de la situaŃia existentă, şi în a analiza minuŃios aceste ipoteze, în scopul determinării celei mai adecvate soluŃii.

Această viziune permite obŃinerea de rezultate mai rapid, prin analogie cu cazul existent. Totuşi, riscul este acela de a pierde beneficiile inovaŃiei prin cantonarea într-o copie a elementelor preexistente. În toate cazurile, grupul de benchmarking trebuie să fie conştient că planul de acŃiune ce va fi prezentat colegilor va trebui să Ńină cont de funcŃionarea normală a companiei. Astfel, schimbarea trebuie să fie negociată într-o manieră armonioasă, Ńinându-se cont de specificităŃile fiecărui departament, mergând până la specificităŃile fiecărui individ în parte. Prin urmare, o manieră eficientă de abordare constă în integrarea obiectivelor, şi deci a planului ce trebuie pus în practică în obiectivele unui nou proiect. Astfel, obiectivele proiectului şi demersul de benchmarking se confundă.

14.1.1.3.2. Aplicarea metodei

Planul de acŃiune, care determină în mod precis punerea în acŃiune a unei metode mai bune, se bazează pe două aspecte: sarcinile şi oamenii.

a) Sarcinile Schimbarea de metodă într-un departament implică un anumit număr de noi sarcini ce

trebuie îndeplinite. Acest fapt poate să inducă, de asemenea, o modificare a metodelor deja implementate. Prin urmare, planul de acŃiune trebuie să precizeze în mod clar: • Definirea sarcinilor: acest aspect oferă detalierea metodelor şi defineşte în mod precis munca. • Decuparea sarcinilor: descrie înlănŃuirea logică a proceselor. • Alocarea de resurse; • Calendarul de punere în funcŃiune; • ÎmpărŃirea responsabilităŃilor; • Rezultatele aşteptate; • Mijloacele de control.

b) Resursele umane Factorul uman reprezintă un punct crucial în schimbarea vizată de procesul de

benchmarking. Succesul planului de acŃiune se bazează pe acceptarea de către personal a metodelor alese. De fapt, metoda ce va fi aplicată trebuie să fie clar exprimată. Scopul este ca fiecare persoană implicată în punerea în practică a metodelor să fie în măsură să înŃeleagă cum va fi afectată de această schimbare şi care sunt dificultăŃile pe care le-ar putea întâlni. Doar prin

Page 406: CartedlComanescu Bun v1

406

adeziunea personalului, printr-o bună campanie de informare şi prin angajamentul concret al conducerii, poate avea succes un astfel de plan de acŃiune.

14.2. PredicŃii asupra aspectelor cantitative de apreciere a calităŃii produselor

Extrem de dificile prin conŃinut şi foarte importante prin consecinŃele lor asupra aspectelor de apreciere a calităŃii noilor produse, metodele de predicŃie şi estimare a efectelor economice privind asimilarea produselor calitativ superioare, obligă cercetătorul şi desigur proiectantul la o atenŃie deosebită şi o competenŃă profesională de nivel ştiinŃific foarte ridicat. La fundamentarea deciziilor de alegere a variantelor optime de dezvoltare şi asimilare de noi produse, trebuie să se Ńină seama de necesitatea asigurării unor efecte economice superioare la producător, în condiŃiile unei calităŃi deosebite a produselor la beneficiar, de asemenea, de necesitatea ca eficienŃa testată la producător să se manifeste ca atare în aşa fel încât la nivelul întregii unităŃi să se obŃină supremaŃia pe piaŃă a produsului lansat.

În acest context este deosebit de important de a se utiliza metode fundamentate ştiinŃific de predicŃie şi aprecierea cantitativă a calităŃii noilor produse.

14.2.1. Metode multiatribut

Fie o mulŃime de variante mVVVV ......, , , 21= şi o mulŃime de criterii

nCCCC ,....., , 21= . Pentru fiecare criteriu , ....., ,1 , njC j = se asociază fiecărei variante

, ......, ,2 ,1 , miVi = un vector reprezentând rezultatul evaluării predicŃionale a acelei variante în

raport cu criteriul jC . Aceşti vectori formează liniile unei matrice A, numită matricea

consecinŃelor; Criterii

Variante

1C

2C

……..

nC

1V 11a 12a ……..

na1

A = 2V 21a 22a ……..

na2

………. . . …….. .

mV 1ma 2ma …….. mna

Problema caracterizată de o matrice

( ) , ......, ,2 ,1 ,....., ,2 ,1 , njmiaA ij ===

unde ija reprezintă evaluarea variantei , ......, ,2 ,1 , miVi = prin criteriul

, ....., ,2 ,1 , njC j =

se numeşte problemă de predicŃie multiatribut cardinală. Dacă se furnizează direct ierarhii ale mulŃimii variantelor pentru fiecare criteriu în parte,

se spune că există o problemă de predicŃie (sau decizie) multiatribut ordinală. Orice problemă cardinală poate fi redusă la o problemă ordinală, ordinea valorilor

Page 407: CartedlComanescu Bun v1

407

, ,......, , 21 mjjj aaa

indicând un clasament al variantelor pentru fiecare criteriu . ......., ,2 ,1 , njC j = În

cazul în care în model sunt considerate şi stările naturii , 1,.....,k , qNk = matricea consecinŃelor

este o matrice tridimensională ( ) , ,....,1 , ,....,1 , ,.....,1 , qknjmiaA ijk ==== iar ijka

reprezintă evaluarea variantei iV în raport cu criteriul jC în starea naturii .kN

Se urmăreşte o ordonare a variantelor de la cea mai bună la cea mai slabă, în raport cu toate criteriile. O astfel de ordonare odată obŃinută va da şi varianta optimă, care este varianta cea mai bună în raport cu toate criteriile. Determinarea soluŃiei problemei deciziilor multi-atribut constă în ordonarea variantelor, fie în găsirea variantei optime direct.

Un criteriu (de exemplu raportul calitate-cost, etc), ale cărui valori sunt cu atât mai bune cu cât sunt mai mari, se numeşte criteriu de maxim, iar criteriul, ale cărui valori bune sunt cele mai mici (de exemplu costul, investiŃia specifică etc), se numeşte criteriu de minim.

Desigur că, sunt situaŃii în care nu toate criteriile sunt la fel de importante. ImportanŃa

criteriilor este evaluată prin coeficienŃii de importanŃă , ,..., 1 , njp j = care sunt numere care

exprimă importanŃa pe care decidentul o acordă fiecărui criteriu în parte. Aceştia formează

vectorul ( ).,....,, 21 npppP = De obicei se presupune că:

∑=

=n

jjp

1

1

se consideră criteriile ca fiind de aceeaşi importanŃă dacă .....21 nppp ==

Datele pentru o problemă cardinală de decizii multiatribut pot fi aranjate, în acest caz, într-un tabel: Criterii Variante

1C 2C ……………. nC

1V 11a 12a ………………. na1

2V 21a 22a ……………….. na2

…………. ………………. ………………… ………………… ……….

mV 1ma 2ma ………………… mna

Coeficient de importanŃă P

1p 2p …………………. np

Este însă evident faptul că metodele care propun alegerea variantei optime cu ajutorul

acestor coeficienŃi au un anumit grad de subiectivitate. Pentru determinarea soluŃiei problemei deciziilor multi-atribut se cunosc o serie de

metode, în funcŃie de modul în care matricea consecinŃelor conŃine, în general, date neomogene, numerice sau nenumerice. În marea majoritate a metodelor este necesară omogenizarea lor. Această omogenizare se realizează prin procedeul denumit normalizare.

În metodele directe ordonarea variantelor se face pe baza unor funcŃii care măsoară utilitatea fiecărei variante în raport cu toate criteriile. Aceste funcŃii se numesc funcŃii de utilitate.

Se poate defini funcŃia de utilitate prin funcŃii aditive de forma:

Page 408: CartedlComanescu Bun v1

408

( ) ∑=

==m

jijji miapVu

1

' . ....., ,2,1 ,

De asemenea, se mai poate defini funcŃia de utilitate cu interacŃiune:

( ) ( )∑ ∑ ∑= = >

+++=n

j

n

j jjijijjjijijjjijji nn

aapaapapVu1 1

....

1 12

112121,.........

pentru .,.......2,1 mi =

unde 21 jjp este un coeficient de interacŃiune a criteriului

1jC cu criteriul ,

2jC iar

njjp

....1

este coeficientul de interacŃiune a tuturor criteriilor între ele.

Există şi alte metode care determină un vector cât mai fidel matricei utilităŃilor în raport cu un criteriu de fidelitate explicit formulat. Criteriul de fidelitate se poate exprima astfel. Fie un

vector ( )nxxxX ,....,, 21= de componente reale. Matricea utilităŃilor U, având m linii, defineşte

m vectori din .nR Evaluăm fidelitatea lui X prin distanŃa de la X la cei m vectori asociaŃi lui U:

( ) ( )∑=

=n

jjj UXFpUXd

1

,, ,

unde ( )jUXF , este o funcŃie de utilitate pentru criteriul ,,.....,2,1 , njC j = şi jU

este coloana j din matricea U. Varianta optimă este caracterizată de vectorul X pentru care distanŃa d(X,U) este minimă. Metodele indirecte dau clasificarea variantelor pe baza unor algoritmi, ca de exemplu metoda ELECTRE cu variantele sale.

Conceptul de utilitate folosit de metodele directe, cât şi de cele indirecte, ca urmare a necesităŃii de a compara între ele variante cu evaluări diferite pentru criterii distincte, se defineşte ca o mărime subiectivă ce depinde de decident, dar care trebuie să verifice următoarele axiome:

• AXIOMA 1. Două variante iV şi jV pot fi comparate între ele, decidentul putându-se

pronunŃa asupra următoarelor opŃiuni ( )mjiji ,.....,2,1 , , ∈≠ :

• preferă pe iV lui jV : ,ji VV f

• preferă pe jV lui iV : ,ij VV f

• cele două variante îi sunt indiferente: .~ ji VV

• AXIOMA 2 . RelaŃia de preferinŃă f este tranzitivă, iar relaŃia de indiferenŃă ~ este tranzitivă şi simetrică.

• AXIOMA 3 . Pe lângă variantele simple ,,....,, 21 mVVV decidentul poate considera şi mixturi

de variante de tipul ( )[ ],1 ,'ji VppVV = unde p este probabilitatea realizării variantei iV

şi 1 – p probabilitatea realizării variantei .,....,2,1, , mjiV j ∈

• AXIOMA 4 . Fiind date variantele ji VV , şi kV şi un decident care exprimă relaŃia de

preferinŃă ,,......,2,1,, , mkjiVVV kji ∈ff există o mixtură :

( )[ ]ki VpVpV ′′=′ 1 , astfel ca jVV f′

şi o altă mixtură :

Page 409: CartedlComanescu Bun v1

409

( )[ ]ki VpVpV ′′′′=′′ 1 , astfel ca .VV j ′′f

• AXIOMA 5 . Dacă varianta iV este preferată variantei jV , atunci o mixtură ( )[ ]ki VppV 1 ,

va fi totdeauna preferată mixturii ( )[ ] .,...,2,1,, ,1 , mkjiVppV kj ∈

Pe baza acestor axiome se introduce o funcŃie de utilitate RVu →:

cu proprietăŃile :

1) Dacă iV şi jV sunt două variante, atunci ji VV f dacă şi numai dacă ( ) ( ).ji VuVu >

( )[ ] ( ) ( ) ( ). 11 , jiji VupVpuVppVu +=

2) Dacă o funcŃie de utilitate are proprietăŃile 1 şi 2, atunci aceasta poate fi supusă transformării liniare :

( ) ( ) ,bVauVu ii +=′ unde .0 ≥ ,0 ba >

Practic, determinarea utilităŃilor se face pornind cu două utilităŃi cunoscute, apoi celelalte se determină cu ajutorul proprietăŃii 2. De obicei se atribuie valoarea 1 variantei optime şi 0

variantei pentru acelaşi criteriu jC , iar utilităŃile pentru celelalte variante se calculează prin

interpolare :

iji

iji

iji

ij

ij aa

aau

min-max

min-=

Modelele de decizii multi-atribut pot fi clasificate după modul de agregare a criteriilor în modele necompensatoare şi modele compensatoare.

Modelele necompensatoare sunt modelele în care între criterii nu există o compensare în sensul că un dezavantaj într-un anumit criteriu nu poate fi compensat printr-un dezavantaj în alt criteriu.

Modele compensatoare sunt cele în care un dezavantaj într-un anumit criteriu poate fi compensat prin avantaje în alte criterii. Modelele compensatoare pot fi : modele de tip performanŃă, modele de tip compromis şi modele de tip concordanŃă. Modelele de tip performanŃă sunt cele în care se urmăreşte alegerea unei variante care să fie cea mai performantă. Modelele de tip compromis sunt cele în care se alege o variantă cât mai apropiată de cea ideală. Modelele de tip concordanŃă sunt cele care ordonează o mulŃime de preferinŃe în funcŃie de o măsură de concordanŃă.

O prezentare comparativă a celor două clase de probleme – clasa problemelor de decizii multiatribut şi clasa problemelor de decizii multiobiectiv - se prezintă în tabelul următor.

Clasă Caracteristici

MADM MODM

Criterii definite prin Atribute Obiective Obiective urmărite Implicite Explicite Atributele Explicite Implicite RestricŃii Inactive, încorporate în atribute Active Variante Numai în număr finit Număr infinit InteracŃiune cu decidentul Mare Mai mică Utilizare SelecŃie/evaluare Proiectare

Page 410: CartedlComanescu Bun v1

410

14.2.2. Metode de evaluare a coeficienŃilor de importan Ńă

În problema deciziilor multiatribut apar două tipuri de criterii : cantitative şi calitative.

Criteriile cantitative sunt acelea în raport cu care evaluările variantelor se exprimă cantitativ. Criteriile calitative sunt acele criterii în raport cu care evaluarea variantelor se face calitativ. Dar, şi cele cantitative sunt în general evaluate în unităŃi de măsură diferite. Pentru a putea compare între ele criterii neomogene este necesară o omogenizare a acestora. Omogenizarea se face realizând o corespondenŃă între mulŃimea valorilor criteriilor şi o anumită mulŃime, corespondenŃă care se va numi scalare. Există trei tipuri de scalări : ordinală, într-un interval şi normalizare.

Scalarea ordinală este aceea în care mulŃimea cu care se face corespondenŃa este mulŃimea numerelor naturale. Această scalare nu dă şi distanŃa între entităŃi, ci numai ordinea lor.

Scalare într-un interval este aceea în care mulŃimea de corespondenŃă este un interval. Aceasta dă şi distanŃa între entităŃi, măsurată de la origine.

Normalizarea reprezintă transformarea matricei consecinŃelor A într-o matrice R cu elemente cuprinse în intervalul [0,1].

Fie matricea

( ) , ,....,2,1 , ,....,2,1 , njmiaA ij ===

şi ( ) , ,.....,2,1 , ,....,2,1 , njmirR ij === matricea normalizată. Există mai multe

moduri de normalizare. 1) Normalizarea vectorială:

;sau

∑∑11

2

m

iij

ijijm

iij

ijij

a

ar

a

ar

==

==

2) Normalizarea prin transformări liniare: a) pentru acele criterii care urmăresc maximul se aplică formula:

; max unde , maxmax ij

ij

j

ijij aa

a

ar ==

b) pentru acele criterii care urmăresc minimul se aplică formula:

,1maxj

ijij a

ar =

Evident, . ,....,2,1 oricepentru ,1≤≤0 mirij =

Pentru criteriile care urmăresc maximul se poate aplica formula:

,minmax

max

jj

ijjij aa

aar =

iar pentru cele care urmăresc minimul:

. min unde , minminmax

min

iji

jjj

jijij aa

aa

aar ==

3) Un alt tip de normalizare utilizat este de forma:

Page 411: CartedlComanescu Bun v1

411

maxj

ijij a

ar =

pentru criteriile de maxim şi de forma:

ij

ijij

a

ar

1 max

1

=

pentru criteriile de minim. Criteriile calitative se omogenizează printr-o scalare ordinală sau printr-o scalare într-un

interval. Scalarea într-un interval, datorită naturii imprecise a exprimării calitative, este mai dificil ă. Tehnica de scalare într-un interval a criteriilor calitative în general urmăreşte tehnica de transformare a atributelor fuzzy în atribute nefuzzy pe baza operaŃiilor cu mulŃimi fuzzy.

14.2.2.1. Metoda vectorului propriu

În multe metode de rezolvare a problemei deciziilor calitative multiatribut se utilizează

vectorul coeficienŃilor de importanŃă ( )npppP ,.....,, 21= cu ∑1

,1n

iip

=

= care exprimă

importanŃa acordată de decident fiecărui criteriu. Evaluarea acestor coeficienŃi, Ńinând cont de importanŃa relativă a criteriilor, se poate face

prin mai multe metode. În cele ce urmează se prezintă câteva dintre acestea. Decidentul stabileşte matricea:

=

n

nnn

n

n

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

B

......

........................

......

......

21

2

2

2

1

2

1

2

1

1

1

care exprimă importanŃa relativă a criteriilor. Elementele ijb ale matricei B au

proprietăŃile:

nkjib

bb

bb

jk

ikij

jiij

,....,1,, ,

1

==

=

Calculând

,TT mPBP =

unde TP este vectorul coloană

Page 412: CartedlComanescu Bun v1

412

=

n

T

p

p

p

P...

2

1

rezultă ( ) ,0- =TPnEB unde E este matricea unitate. Vectorul TP este vector propriu

al matricei B. Valorile lui TP se obŃin astfel: a) Se porneşte de la matricea B estimată de decident şi se găsesc valorile proprii ale acesteia,

rezolvând ecuaŃia caracteristică: ( ) .0-det =EB λ

b) Se rezolvă ecuaŃia : ,maxTT PBP λ= unde maxλ este cea mai mare valoare proprie.

În sprijinul celor afirmate mai sus se prezintă următorul exemplu numeric: fie matricea:

=

1 31

2

3 1 321

31

1

B ecuaŃia caracteristică este ( ) 0

1 31

2

3 1 3 21

31

1

det =

=−

λ

λ

λ

λEB

se obŃine 0536,3max =λ şi rezultă ecuaŃia matriceală ,maxTT PBP λ=

,0

0536,2 31 2

3 0536,2 3 21

31

0536,2

3

2

1

=

p

p

p

din care se obŃine: ( ).2493,0 ;5936,0 ;1571,0=P

Pentru a stabili importanŃa relativă j

i

p

p se dă o scară de importanŃă conform tabelului de

mai jos: Intensitatea importanŃei

DefiniŃie ExplicaŃie

1 ImportanŃă egală Cele două criterii contribuie egal la obiectiv.

3 ImportanŃă slabă ExperienŃa demonstrează o uşoară importanŃă a unui criteriu faŃă de celălalt.

5 ImportanŃă puternică ExperienŃa demonstrează o importanŃă mai puternică a unui criteriu faŃa de celălalt.

7 ImportanŃă demonstrată Practica a dovedit importanŃa unui criteriu faŃă de celălalt.

9 ImportanŃă absolută În mod evident un criteriu este mai important ca celălalt.

2, 4, 6, 8 ImportanŃă de valori intermediare

Se utilizează în cazul unui compromis

Page 413: CartedlComanescu Bun v1

413

14.2.2.2. Metoda celor mai mici pătrate

Această metodă porneşte de la matricea B din metoda precedentă. Valorile coeficienŃilor

de importanŃă nppp ,.....,, 21 se obŃin cunoscând rapoartele tuturor perechilor de coeficienŃi de

importanŃă, care sunt elementele matricei B. Se pune condiŃia ca suma pătratelor distanŃelor între

coeficienŃii de importanŃă teoretici şi cei exprimaŃi prin intermediul importanŃei relative ijb să fie

minimă. Valorile nppp ,.....,, 21 se obŃin prin rezolvarea problemei de optimizare:

( )∑∑= =

−=n

i

n

jijij ppbz

1 1

2,min

cu ∑=

>=n

iii pp

1

.0 ,1

Scriind funcŃia lui Lagrange

( )∑∑ ∑= = =

−+−=n

i

n

j

n

iijij ppbL

1 1 1

2 ,12λ

unde λ este multiplicatorul lui Lagrange, şi derivând în raport cu ip se obŃine funcŃia:

( ) ( )∑ ∑= =

=+−−−=′n

i

n

jljljililil nlppbbppbL

1 1

,.....,2,1 ,22 2 λ

Rezultă sistemul de n+1 ecuaŃii liniare cu n+1 necunoscute:

∑=

==′n

iipL

1

.1 ,0

SoluŃiile acestui sistem sunt coeficienŃii de importanŃă nppp ,.....,, 21 şi multiplicatorul

lui Lagrange λ . Pentru a se elucida modul de operare în acest caz, se apelează la un exemplu numeric. Fie matricea importanŃelor B de forma:

=

1 31

2

3 1 321

31

1

B

sistemul anterior devine (se consideră n=3):

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

1

0 2

0 2

0 2

321

3223

2132233211331

332232232

21211221

33113221121231

221

=++=+++++−+−

=++−++++−

=++−+−++

ppp

pbbpbbpbb

pbbpbbpbb

pbbpbbpbb

λλ

λ

Înlocuind elementele ,3,2,1, , =jibij cu valorile lor din matricea B, se obŃine sistemul

Page 414: CartedlComanescu Bun v1

414

0445

310

25

03

10920

310

025

310

15

321

321

321

=++−−

=+−+−

=+−−

λ

λ

λ

ppp

ppp

ppp

a cărui soluŃie este ( ),2206,0 ;6059,0 ;1735,0=P care este destul de apropiată de cea

obŃinută prin metoda vectorului propriu din exemplul precedent.

14.2.2.3. Metoda entropiei

În metoda entropiei se porneşte de la matricea

( ) ,,.....,2,1 ,,....,2,1 , njmiaA ij ===

şi de la entropia H ca măsură a incertitudinii unei repartiŃii de probabilitate

nppp ,....,, 21 cu

( ) ∑=

−=n

jjjn ppkpppH

121 ln,.....,,

unde k este o constantă. Se calculează rezultatele normalizate ale criteriului j pentru orice

mi ,....,2,1∈ :

,,....,2,1 ,

1

nja

ap m

iij

ijij ==∑

=

Entropia jH a mulŃimii de rezultate normalizate ale criteriului j este:

∑=

=−=m

iijijj m

kppkH1 ln

1 unde ln

Rezultă .,...,2,1 ,10 njH j =≤≤ Gradul de diversificare a informaŃiei date de

rezultatele criteriului j se poate defini astfel:

.,.....,2,1 ,1 njHd jj =−=

CoeficienŃii de importanŃă sunt

=

=

=

==

n

jj

n

jj

jj

p

njd

dp

1

1

.1

,,....,2,1 ,

Page 415: CartedlComanescu Bun v1

415

Dacă decidentul acordă o importanŃă subiectivă criteriilor, exprimată printr-un vector al

coeficienŃilor de importanŃă ( ),,....,, 21 nλλλλ = atunci metoda entropiei presupune calculul

unor ponderi de forma:

∑ ∑

= =

=

==

==

n

j

n

jjj

m

jjj

jjj

p

njp

pp

1 1

0

1

0

.1 ,1

,,....,2,1 ,

λ

λ

λ

Pentru exemplificare se consideră problema de decizii multiatribut cu patru variante, şase criterii şi matricea consecinŃelor după cum urmează:

=

5

7

5

9

5

7

3

53

0,5

5,4

5,6

5,5

000 20

000 21

000 18

000 20

000 1

000 2

700 2

500 1

2,2

8,1

5,2

0,2654321

4

3

2

1

CCCCCC

V

V

V

V

A

Matricea rezultatelor normalizate va fi:

=

1923,0

2692,0

1923,0

3462,0

25,0

35,0

15,0

25,0

2326,0

2093,0

3023,0

2558,0

2532,0

2658,0

2278,0

2523,0

2250,0

2500,0

3375,0

1873,0

2588,0

2118,0

2941,0

2118,0654321

4

3

2

1

CCCCCC

V

V

V

V

R

Entropia, gradul de diversificare şi coeficienŃii de importanŃă sunt prezentaŃi în tabelul de mai jos:

jC

Indicatori

1C 2C 3C 4C 5C

6C

jH

0,9946 0,9829 0,9989 0,9931 0,7903 0,9770

jd

0,0054 0,0171 0,0011 0,0069 0,0297 0,0230

jp

0,0649 0,2055 0,0133 0,0829 0,3570 0,2764

14.2.2.4. Metoda LINMAP

Page 416: CartedlComanescu Bun v1

416

În metoda LINMAP (Linear Programming Technique for Multidimensional Analysis of

Preference) cele m variante mVVV ,.....,, 21 se interpretează ca vectori în spaŃiul n-dimensional al

criteriilor. Se presupune că decidentul cunoaşte un vector ideal care reprezintă o variantă ideală

preferată de decident. CoeficienŃii de importanŃă nppp ,....,, 21 se obŃin minimizând distanŃa

euclidiană ponderată prin rezolvarea următoarei probleme de programare liniară:

( ) ,,....,2,1 , min2

1

1

2* miaapdn

jjijjj =

−= ∑

=

cu∑=

=n

jjp

1

,1

unde ( )**2

*1

* ,.......,, nj aaaa = este soluŃia ideală. Se presupune că pentru modelul descris

decidentul cunoaşte soluŃia ideală .,.....,, 002

01

0naaaV = Cunoscându-se soluŃia ideală, se poate

alege o variantă care se află la cea mai mică distanŃă de soluŃia ideală. O variantă iV poate fi

caracterizată pe baza distanŃei acesteia la soluŃia ideală:

( ) ,,......,1 ,2

1

1

20 miaapdn

jjijji =

−= ∑

=

unde ija sunt elementele matricei A a modelului dat, iar ip reprezintă ponderea criteriului

( ).,....,, ; 21 npppPj =

Fie ( ) lk,=ω mulŃimea perechilor ordonate ( )lk, şi mulŃimea

( ) ( ) ω∈=Ω lkVV lk , ,, de perechi de variante care au următoarea semnificaŃie: varianta kV

este preferată variantei lV . MulŃimea Ω are ( )

21−mm

elemente. Se notează

.,...,1 ,2 miSd ii == Pentru orice pereche ( ) Ω∈lk VV , soluŃia ( )** ,VP se poate obŃine din

modelul distanŃei ponderate , dacă .kl SS ≥ Deci, problema este de a determina soluŃia ( ),, ** VP

pentru care condiŃiile impuse de relaŃia anterioară sunt încălcate cât mai puŃin posibil. Se notează

( ) ( )

<−−=

≥=− −

,dacă

,0max

,dacă,0

kllk

lk

kl

kl

SSSS

SS

SS

SS

Se urmăreşte determinarea soluŃiei ( )** ,VP astfel ca ( )( )∑

Ω∈

−−=lk VV

kl SSB,

să fie

minim. Se notează

( )

<≥−

=− +

,dacă,0

,dacă,

kl

klklkl SS

SSSSSS

Page 417: CartedlComanescu Bun v1

417

şi ( )( )∑

Ω∈−=

lk VVkl SSG

,

. Atunci G >B se poate transforma în G-B=h şi soluŃia ( )** ,VP

se obŃine ca soluŃia următorului model de programare liniară:

( ) ( )∑

Ω∈−=

lk VVlk SSB

.

,0 max min în condiŃiile ( )( )∑

Ω∈=−

lk VVkl hSS

,

( )

( ) ( )

( ) ( )( )∑

Ω∈

Ω∈

Ω∈≥=−

Ω∈≥+−

lk

lk

VVlkklkl

lklklkVV

kl

VVZhSS

VVZSSZ

,

,

.,pentru 0 , şi

,pentru ,0cu minsau

Înlocuind kl SS şi din prima relaŃie în cea anterioară şi notând ,*jjj apy = se obŃine

( )∑

Ω∈lk VVklZ

,

min

în condiŃiile:

( ) ( )∑ ∑= =

≥+−−−n

j

n

jklkjljjkjljj Zaayaap

1 1

22 ,02

pentru ( ) ,, Ω∈lk VV

( ) ( )( )( )

∑ ∑ ∑ ∑= Ω∈ = Ω∈

=−−−n

j VV

n

j VVkjljjkjljj

lk lk

haayaap1 , 1 ,

22 ,2 ,0≥jp

( ) .,pentru 0 Ω∈≥ lkkl VVZ

Se disting următoarele cazuri pentru soluŃia modelului de programare liniară:

• dacă , atunci ,0 *

***

j

jjij p

yap =>

• dacă ,0 atunci ,0 şi 0 *** === jjj ayp

• dacă , atunci ,0 şi 0 *** +∞=>= jjj ayp

• dacă . atunci ,0 şi 0 *** −∞=<= jjj ayp

Rezolvând modelul ale cărui necunoscute sunt , şi , jjkl ypZ se obŃine soluŃia ideală

*V şi coeficienŃii *jp şi apoi se alege varianta care are distanŃa iS cea mai mică; aceasta este

varianta optimă. Se poate utiliza şi o altă formă a distanŃei id şi anume

.,.....,1 ,1

miapdn

jijji =−= ∑

=

Modelul corespunzător este

( )∑

Ω∈lk VVklZ

,

min

în condiŃiile

Page 418: CartedlComanescu Bun v1

418

( ) ( )∑=

Ω∈>+−n

jlkklljkjj VVZaap

1

,,pentru 0

( )( )

( ) .,pentru 0 ,,....,1 ,0

,1 ,

Ω∈≥=≥

=−∑ ∑= Ω∈

lkkl

n

j VVljkjj

VVZnjp

haaplk

Pentru exemplificare se consideră următorul caz concret al unui model de apreciere calitativă cu două criterii şi cinci variante:

,

1

3

2

4

5

4

1

0

5

021

5

4

3

2

1

=

CC

V

V

V

V

V

A

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ),,,,,,,,,

,,,,,,,,,,

5453345242

3215141321

VVVVVVVVVV

VVVVVVVVVV=Ω

Pentru perechea ( )21,VV se obŃine prima restricŃie a modelului:

( ) ( )∑ ∑= =

≥+−−−n

j

n

jjjjjjj Zaayaap

1 11212

221

22 ,02

adică

( ) ( ) ( ) ( ) ,05420525405 122122

222

1 ≥+−−−−−+− Zyypp

sau

0210925 122121 ≥++−− Zyypp

În mod asemănător se procedează cu celelalte perechi şi se obŃine modelul

[ ]45354325242351413112min zzzzzzzzzzz +++++++++=

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

48220

46815

2816

225

62159

28724

4101225

882416

4216

6 21

210925

45

35

43

25

24

23

51

41

31

12

2121

2121

2121

2121

2121

2121

2121

2121

2121

22

2121

≥≥+≥+≥+≥+≥+≥+≥+≥+≥+≥+

+++−+−−+−−++−−++−−++−−++−−−++−

−++−−

+−−

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

yypp

yypp

yypp

yypp

yypp

yypp

yypp

yypp

yypp

yp

yypp

Page 419: CartedlComanescu Bun v1

419

4535432524235141311221 z,z,z,z,z,z,z,z,z,z,p,p

a cărui soluŃie optimă este

( ) ( ).1944,0 ;0833,0* şi 0554,0 ;0277,0*

,0 ,25,0

25,0*

45354325242351413112

============

=

yp

zzzzzzzzzz

z

Vectorul pătratelor distanŃelor este:

( ).5,13 ;5,4 ;5,13 ;5,4 ;5,13=S

Se observă că variantele 42 şi VV au distanŃa la soluŃia ideală minimă, deci acestea vor fi

selectate ca optime.

14.3. Metoda ELECTRE generalizată şi versiunile acesteia

O metodă propusă în 1965 de un grup de cercetători francezi cunoscută sub denumirea de

metoda ELECTRE, se aplică într-un număr mare de probleme de decizii multicriteriale. Ulterior s-au propus o serie de variante ale acestei metode.

Metoda ELECTRE I porneşte de la matricea consecinŃelor normalizată:

n

mnmmm

n

n

nij

pppP

rrrV

rrrV

rrrV

CCCVC

...

...

.....

...

...

...\

21

21

222212

112111

21

Pentru fiecare criteriu jC se notează ( )mjjjj rrrC ,....,, 21= mulŃimea rezultatelor,

numite stări, la care conduce analiza variantelor mulŃimii V în funcŃie de criteriul jC . Compararea

elementelor mulŃimii V în raport cu mulŃimea nCCCC ×××= ...21 nu este posibilă decât dacă oricare două elemente ale lui V se pot compara în funcŃie de fiecare criteriu. Deci fiecărui criteriu

,,.....,1 njC j = I se va asocia un graf ( ), , jj UCG = în care elementele mulŃimii variantelor

V vor constitui vârfurile grafului, iar între orice două noduri ,,...,1, , şi mkiVV ki ∈ se trasează

un arc jU orientat de la kki VVV dacă la depăşeşte pe iV în ordonarea după criteriul jG dacă în

această ordonare ki VV şi sunt echivalente, se trasează între acestea un arc în ambele sensuri.

Graful ,jG graf tranzitiv şi complet, dă o reprezentare clară a relaŃiei de preordine definite pe V în

raport cu criteriul jC . Rezultatul acestei comparaŃii se sintetizează într-o ordine finală, cu ajutorul

Page 420: CartedlComanescu Bun v1

420

unui graf-sinteză ( )00 ,UVG = al celor n grafuri jG , de la care să se poată aduce o ordonare a

elementelor din V în funcŃie de toate criteriile .jC

Graful sinteză 0G va avea loc de la nodul iV la nodul kV dacă în toate grafurile

jG există arce de la iV la kV . Pentru a putea efectua o ordonare completă cu 0G se introduc

indicatorii de concordanŃă şi de discordanŃă între orice două variabile.

Indicatorul de concordanŃă între ,,...,1, şi mrkVV rk = care arată nivelul de depăşire a

unei variante kV de către o variantă rV , se defineşte astfel:

( ) ∑=+++

=n

jj

nrk p

pppVVc

121

,...

1,

unde njp j ,...,2,1 , = reprezintă coeficienŃii de importanŃă ai criteriilor jC . Suma

∑j

jp se face pentru acei indici j, pentru care .tjkj rr ≥

Indicatorul de discordanŃă, care dă o informaŃie despre modul în care varianta tV este

depăşită de varianta ,,....,1, , mktVk ∈ se defineşte astfel:

( )

=>

=

.,...,2,1 oricepentru dacă ,0

; carepentru

aceipentru ia se maximul ;max1

,

njrr

rr

jrrd

VVd

ijkj

tjkj

tjkj

tk

valoarea d este diferenŃa maximă între valorile din matricea R.

Pe mulŃimea V se introduce o relaŃie în felul următor – varianta kV surclasează o variantă

tV , dacă ( ) ( ) ,, şi , qVVdpVVc tktk ≤≥ unde p şi q sunt praguri cuprinse între 0 şi 1. Pentru

fiecare pereche (p, q) I se asociază un graf:

( ) ( )( )pqUVqpG ,,, =

în care ( ) ( )qpUVV tk ,, ∈ dacă şi numai dacă

( ) ( ) ., şi , qVVdpVVC tktk ≤≥

În practică, se porneşte de la valorile p=1 şi q=0 şi se micşorează valoarea lui p, cu un pas h stabilit de utilizator, iar cea a lui q se măreşte până când se obŃine o variantă V* care le surclasează pe toate celelalte, adică

( ) ( ) .,...,2,1 ,*, şi *, niqVVdpVVc ii =≤≥

Surclasarea este cu atât mai puternică, cu cât p este mai apropiat de 1, iar q mai apropiat de 0. Este de remarcat că cei doi indicatori au semnificaŃii diferite. ConcordanŃa este un raport între sume a unor coeficienŃi de importanŃă (aceasta denotă subiectivism), iar discordanŃa este un raport de diferenŃe între note. Se remarcă însă că metoda nu Ńine seama în nici un fel de dependenŃa sau independenŃa criteriilor.

Spre exemplu, pentru realizarea unui produs nou este necesar un material compozit texturat cu fibre de oŃel, rezistent la şocuri mecanice şi termice. Deci se pot utiliza mai multe

Page 421: CartedlComanescu Bun v1

421

calităŃi de fibre de oŃel şi anume: .,,, 4321 VVVV La baza alegerii variantelor ,4,3,2,1 , =iVi

stau următoarele criterii:C – rezistenŃa admisibilă maximă maxaσ , 2C - alungirea maximă la

rupere, 3C - consumul minim de oŃel în Kg la 1 Kg de material compozit,4C - costul minim de

livrare pe 1 Kg de material compozit,5C - consumul minim de timp în om – h pentru executarea

texturării unui Kg de material compozit,6C - durata minimă în care se poate face aprovizionarea

cu cantitatea de fibre de oŃel necesare. Caracteristicile fiecărei variante în raport cu fiecare criteriu în parte se pot sintetiza într-o matrice:

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

124365

90744,1094,3166883600

30203,651,3103,71143400

20636,654,36284212900

10625,824,444115272100

zile h om lei/m Kg/m cm/m daN/cm Atribute\Variante

4

3

2

1

653

43

322

1

P

V

V

V

V

CCCCCC

Matricea utilităŃilor devine:

123465

00195,001

75,0193,0131,087,0

87,090,066,061,068,053,0

147,00010

4

3

2

1

654321

P

V

V

V

V

CCCCCC

Matricea coeficienŃilor de concordanŃă este:

38,057,057,0

62,066,066,0

43,033,066,0

43,033,033,0

4

3

2

1

4321

V

V

V

V

VVVV

Matricea coeficienŃilor de discordanŃă este:

190,01

13,037,069,0

47,039,032,0

1166,0

4

3

2

1

4321

V

V

V

V

VVVV

Page 422: CartedlComanescu Bun v1

422

Dacă se consideră pasul h=0,1, se obŃine, pentru p=0,3 şi q=0,7, varianta 3V ca fiind

optimă. Dacă se ia pasul h=0.01, se obŃine varianta optimă 3V cu p=0,31 şi q=0,69.

Metoda ELECTRE – BOLDUR – În această metodă atribuirea notelor de apreciere, care “normalizează” evaluările şi care produce confuzii la calculul coeficienŃilor de discordanŃă este

înlocuită cu calculul unor utilităŃi ,,...,1 ,,...,1 ,10 , njmiuu ijij ==≤≤ estimate printr-o

metodă oarecare, iar cei doi indicatori de concordanŃă şi discordanŃă au aceeaşi dimensiune, fiind definiŃi astfel: • coeficientul normalizat de concordanŃă este

( ) ( )∑ −=i

rjkjjrk uupVVc ,, *

în care suma se face după acei indici j, pentru care rjkj aa > ;

• coeficientul normalizat de discordanŃă este

( ) ( )∑ −=j

kjrjjjk uupVVd ,, *

în care suma se face după acei indici, j, pentru care .rjkj uu <

Se observă că, ( ) ( ),, *, * krrk VVdVVc = adică concordanŃa între rk VV şi este egală

cu discordanŃa între kr VV şi , ceea ce, desigur, este firesc.

Metoda ELECTRE II. Această versiune a metodei a fost propusă în anul 1972. În acest caz, se stabileşte o relaŃie de ordine completă pe mulŃimea variantelor, în funcŃie de coeficienŃii de importanŃă, cu ajutorul indicatorilor de concordanŃă şi de discordanŃă.

Fie

( ) ., şi ,...,2,1 VVVVnI rk ×∈=

Se definesc familiile de indici:

( ) ( ) ( ) .,

,,

,,

rikirk

rikirk

rikirk

uuIiVVI

uuIiVVI

uuIiVVI

<∈=

=∈=

>∈=

=

+

şi sumele

( )( )

( )( )

( )( )∑

=

+

=

+

=

=

=

rk

rk

rk

VVIiirk

VVIiirk

VVIiirk

pVVp

pVVp

pVVp

,

,

,

.,

,,

,,

Deci

( ) ( ) ( ) ∑=

−=+ =++n

iirkrKrk pVVpVVpVVp

1

.,,,

Indicatorul de concordanŃă al variantelor rk VV şi se defineşte astfel:

Page 423: CartedlComanescu Bun v1

423

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )rkrkrk

rkrkrk VVpVVpVVp

VVpVVpVVc

,,,,,

, −=+

=+

+++=

CondiŃiile de concordanŃă vor fi de forma

( ) ( ) ( ),,, şi ˆ, rkrrik VVpVVpcVVc −+ ≥≥

unde c este un prag de concordanŃă al cărui nivel este stabilit anterior de către decident

(de obicei se ia 5,0ˆ >c ).

Deci indicatorul de concordanŃă măsoară cât de des varianta kV este preferată

variantei rV (frecvenŃa în sensul numărului criteriilor).

DiscordanŃa variantelor rk VV şi se face prin intermediul spaŃiilor de

discordanŃă IiDi ∈ , : ( ) iriki Duu ∈, dacă şi numai dacă ,ikiri quu >− unde , , Iiqi ∈

sunt praguri stabilite anterior de decident. DiscordanŃa măsoară mărimea relativă a diferenŃei între aprecierea variantelor

rk VV şi pentru acele criterii, pentru care rV este preferat lui kV .

RelaŃii de ordine. Procedeul de ierarhizare dat de metoda ELECTRE II se

bazează pe două relaŃii de ordine: ordinea tare FS şi ordinea slabă fS .

Se consideră trei praguri de concordanŃă: concordanŃa mare c*, concordanŃa

medie 0c şi concordanŃa mică −c , astfel încât:

.5,0*1 0 ≥≥≥≥ −ccc

De asemenea se consideră pentru fiecare Ii ∈ trei praguri de discordanŃă astfel încât:

kirii uuq −<* dacă şi numai dacă ( ) *, iriki Duu ∈ , rezultă discordanŃă mare (care nu

este acceptată); *0ikirii quuq ≤−< dacă şi numai dacă ( ) 0, iriki Duu ∈ şi ( ) ,, *

iriki Duu ∉ rezultă

discordanŃă medie ( )0*ii DD ⊂ ;

−≤− ikiri quu dacă şi numai dacă ( ) ,, −∉ iriki Duu rezultă discordanŃă mică.

RelaŃiile de ordine fF SS şi se definesc astfel:

krFk VVSV ( este în ordine tare cu )rV dacă şi numai dacă ),(),( rkrk VVpVVp −+ ≥ şi

1. ( ) ∗≥ cVVc rk , şi ( ) 0, iriki Duu ∈ şi ( ) ( )rkiriki VVIiDuu , ,, −∗ ∈∉ sau

2. ( ) 0, cVVc rk ≥ şi ( ) ( );,;, 0rkiriki VVIiDuu −∈∉

krfk VVSV ( este în ordine slabă cu )rV dacă şi numai dacă ( ) ( )rkrk VVpVVp ,, −+ ≥

1) 1. ( ) −≥ cVVc rk , şi ( ) ( )rkiriki VVIiDuu ,;, 0 −∈∉ sau

2) 2. ( ) 0, cVVc rk ≥ şi ( ) 0, iriki Duu ∈ şi ( ) ( )rkiriki VVIiDuu ,;, 0 −∈∉

Aceste două relaŃii binare definesc două grafuri. Eliminând toate buclele şi circuitele din

graful asociat relaŃiei FS , se obŃine un graf redus ( )., FF UVG = Un arc ( ) Frk UVV ∈, dacă şi

numai dacă .rFk VSV

Page 424: CartedlComanescu Bun v1

424

Se defineşte apoi graful ( ),, fFf UUVG ∪= în care fU este mulŃimea arcelor cu

proprietatea ,rfk VSV dar care nu aparŃin lui .FU

Procedură de ierarhizare. Procesul ierarhizării variantelor prin procedura ce urmează comportă trei etape:

Etapa 1 este denumită preierarhizarea. Aceasta constă în ataşarea fiecărei variante kV

câte un rang υ′ astfel – fie ( ) VV =1 mulŃimea variantelor şi kV o submulŃime a lui ( )1V .

MulŃimea variantelor preferate ( )kA se alege din ( )kV şi i se atribuie un rang υ′ în conformitate

cu procedura următoare, formată din patru paşi:

1) Se aleg toate nodurile grafului FG din ( )kV care nu au precedent. Această mulŃime se

notează cu ( )kC şi se numeşte mulŃimea variantelor nedominante.

2) Se construieşte graful ( )( )fUkC , în care fU este mulŃimea arcelor din fU cu ambele

extremităŃi în ( ).kC

3) Se aleg toate nodurile din graful ( )( )fUkC , care nu au precedent. Această mulŃime, notată

cu ( )kA , corespunde cu mulŃimea tuturor variantelor nedominante în iteraŃia k şi este

mulŃimea nodurilor care nu au precedent nici în fG nici în FG .MulŃimile ( )kV şi ( )kA

se construiesc iterativ. 4) Se defineşte υ′ astfel:

a) Se ia 1=k şi ( ) .1 VV =

b) Se identifică ( )kV şi ( )kA .

c) Se ia ( ) kVi =′ν pentru orice ( )kAVi ∈ .

d) Se ia ( ) ( ) ( )kAkVkV −=+1 şi se şterg toate arcele lui ( )kA incidente spre exterior.

i) Dacă ( ) ,=+ φ1kV atunci toate elementele graficului redus au fost

preierarhizate.

ii) Dacă ( ) φ≠+1kV , se ia 1+= kk şi se trece la b.

Etapa 2 este denumită reierarhizare. În această etapă fiecărei variante i se ataşează un rang υ ′′ astfel:

1) Se schimbă direcŃia arcelor FG şi direcŃia arcelor fU ale lui fG astfel încât se obŃine o

relaŃie de ordine simetrică.

2) Se obŃine un rang ( )kVα pentru fiecare variantă kV în grafurile obŃinute la 1. După

procedeul lui υ′ . 3) Se calculează:

( ) ( ) ( ). 1 max kkVV

k VVVi

ααυ −+=′′∈

Etapa 3 este denumită ierarhizare mediană. În această etapă fiecărei variante i se

ataşează un rang υ astfel:

( ) ( ) ( )2

kkk

VVV

υυυ ′′+′=

Page 425: CartedlComanescu Bun v1

425

varianta optimă este cea care are ( )kVυ cel mai mic.

Spre exemplu, se presupune că pentru realizarea unei noi strategii de marketing s-au propus cinci variante de soluŃii calitative.

Variantele sunt evaluate în raport cu următoarele criterii:

1C - valoarea investiŃiei;

2C - termenul de recuperare a investiŃiei;

3C - volumul acumulărilor medii anuale obŃinut după lansarea noii strategii.

Se presupune că matricea normalizată este cunoscută:

8,0

9,0

2,0

8,0

1,0

6,0

7,0

8,0

3,0

7,0

3,0

2,0

8,0

5,0

9,0

5

4

3

2

1

321

V

V

V

V

VCCC

Vectorul coeficienŃilor de importanŃă este

( ).1,0;2,0;7,0=P

Pragurile de concordanŃă considerate sunt

,5,0 ;6,0 ;8,0* 0 === −ccc

iar cele de discordanŃă

.5,0 ;6,0 ;8,0* 0 === −ddd

ConcordanŃa perechilor de variante este dată de matricea

119,01

1118,0

1111

9,0111

18,011

5

4

3

2

1

54321

V

V

V

V

V

VVVVV

iar

+

7,01,02,01,0

3,01,03,01,0

9,09,09,03,0

7,07,01,01,0

9,07,07,09,0

5

4

3

2

1

54321

V

V

V

V

V

VVVVVp

;

3,09,07,09,0

7,09,07,07,0

1,01,01,07,0

2,03,09,09,0

1,01,03,01,0

5

4

3

2

1

54321

V

V

V

V

V

VVVVVp

Page 426: CartedlComanescu Bun v1

426

SpaŃiile de discordanŃă sunt:

[ ] ]( ]( 1;8,0 ;8,0;6,0 ;6,0;5,0 *0 ===−iii DDD

pentru orice i.

RelaŃia de ordine tare FS este:

535241

434231

45235121

VSVVSVVSV

VSVVSVVSV

VSVVSVVSVVSV

FFF

FFF

FFFF

RelaŃia de ordine slabă este:

535241

434231

45235121

VSVVSVVSV

VSVVSVVSV

VSVVSVVSVVSV

FFF

FFF

FFFF

Graful FG este cel din Figura 14.6. Se observă că graful G este acelaşi cu fG .

Figura 14.7

4V

5V

2V

3V

Figura 14.6

5V

4V

3V

2V 1V

Figura 14.9

4V 5V

Figura 14.8

5V

4V

2V

Figura 14.10

5V 4V

3V

2V

1V

Etapa 1 (preierarhizare) – Figura 14.7

Pasul 1. ( ) ( ) ( ) ;1 ;1 ;,,,,1 1154321 VAVCVVVVVV ===

deci ( ) .11 =′ Vυ

Pasul 2. ( ) 5432 ,,,2 VVVVV = ; ( ) ( ) ;2 ;2 33 VAVC ==

deci ( ) .23 =′ Vυ

Pasul 3. ( ) 542 ,,3 VVVV = ; ( ) ( ) ;3 ;3 22 VAVC ==

Page 427: CartedlComanescu Bun v1

427

deci ( ) .32 =′ Vυ

Pasul 4. ( ) 54,4 VVV = - Figura 14.8; ( ) ( ) ;4 ;4 55 VAVC ==

deci ( ) ( ) .5;4 45 =′=′ VV υυ

Rangul υ ′ ataşat fiecărei variante este

′ 4532154321

υVVVVVVi

Etapa 2 (reierarhizare). Se construieşte graful în care toate arcele au sens opus (Figura 14.10). Pentru acest graf prin acelaşi procedeu se calculează rangurile υα ′′ ; :

′′ 45231

2143554321

υα

VVVVVVi

Etapa 3 (ierarhizare mediană). Se calculează pentru fiecare variantă rangul

2υυυ ′′+′

= :

4523154321

υVVVVVVi

Deci ierarhia optimă este .,,,, 45231 VVVVV

Metoda ELECTRE tridimensională – Această metodă este extinsă pentru trei dimensiuni şi este utilizată pentru decizii multicriteriale.

Fiecărui criteriu kC şi fiecărui decident sD i se ataşează un graf ( ),, ksks VVG = unde

( ) ,, ;,.....,, 21 ksjim VVVVVV Γ∈= dacă şi numai dacă

.,...,2,1 ,,...,2,1, , nkmjiaa ikslks ==> Se construieşte graful ( ),, kVG Γ= unde

( ) kji VV Γ∈, dacă şi numai dacă există arc ( )ji VV , în toate grafurile .,....,2,1 , ksks =Γ

Se construieşte apoi graful sinteză ( ),,0 Γ= VG unde Γ este definită astfel:

( ) Γ∈ji VV , dacă şi numai dacă există arcul ( )ji VV , în toate grafurile .,....,2,1 , nkk =Γ

Se introduc indicatorii de concordanŃă şi discordanŃă a două variante ,, ji VV definiŃi

astfel:

1) ( ) ,,

1∑

=

∈= n

ii

hkk

ji

p

pVVc unde hsaahH jksiks ,....,2,1 ,/ =≥= ;

2) ( ) ,max1

, jksiksPr

ji aad

VVd −=∈

unde: ,,....,2,1 , hsaarP jrsirs =<=

Page 428: CartedlComanescu Bun v1

428

. max vtqrjsrjs

aad −=

Astfel se obŃine metoda ELECTRE cu concordanŃă tare. Dacă indicatorii de concordanŃă a două variante se definesc astfel:

1) ( ) ,,

1∑

=

∈= n

ii

Hkk

ji

p

pVVc

unde: hH = există ,....,2,1 hs ∈ astfel încât jksiks aa ≥

2) ( ) ,max

1, jrsirs

Prji aa

dVVd −=

∈ unde : rP = există ,....,2,1 hs = astfel încât jrsirs aa < şi

, max vtqrsjrjs

aad −=

se obŃine metoda ELECTRE cu concordanŃă slabă.

Pe mulŃimea V se introduce o relaŃie de surclasare definită astfel: varianta iV

surclasează varianta jV dacă ( ) pVVc ji ≥, şi ( ) pqVVd ji ,, ≤ şi q fiind două valori prag

alese de decidenŃi, [ ]. 1,0 , ∈qp Se poate arăta că, micşorând p şi mărind q , se introduc

legături noi în graful ( )( )qpUVG ,,= ,unde ( ) ( )qpji UVV ,, ∈ şi numai dacă ( ) pVVc ji ≥, şi

( ) qVVd ji ≤, .

14.4. Metode multicriteriale FUZZY de apreciere a calităŃii

În metodele prezentate anterior, s-a presupus că fiecare variantă este apreciată în raport cu fiecare criteriu printr-o valoare cunoscută şi unică. În cele mai multe cazuri informaŃia de care dispune decidentul are un grad mare de incertitudine sau vaguitate. Aceasta a dus la necesitatea aplicării teoriei mulŃimilor fuzzy în teoria deciziilor multicriteriale. Bellman şi Zadeh au demonstrat aplicabilitatea teoriei mulŃimilor fuzzy la metodele de decizii multicriteriale. Astfel s-au introdus metodele maximin fuzzy şi metoda ponderării simple aditive fuzzy, utilizând funcŃii de apartenenŃă ale unor mulŃimi fuzzy; similar s-a construit metoda ELECTRE fuzzy.

14.4.1. Metoda maximin FUZZY

În metodele fuzzy aprecierea unei variante în raport cu un criteriu se face nu printr-un număr, ci printr-un număr fuzzy care este de fapt un interval al dreptei reale, gândit ca o mulŃime

fuzzy. De exemplu numărul real fuzzy 2 poate fi reprezentat prin mulŃimea fuzzy [ ],,30 iar funcŃia

de apartenenŃă a acesteia va fi ca în Figura 14.11. În concluzie matricea aprecierii variantelor în raport cu criteriile este o matrice de funcŃii

de apartenenŃă

Page 429: CartedlComanescu Bun v1

429

=

mn

n

mm a

a

a

a

a

a

m

n

V

V

CCC

A

µ

µ

µ

µ

µ

µ..

...

...

...

......

...

1

2

12

1

111

21

Metoda maximin alege ca variantă optimă varianta 0i

V cu proprietatea că

ijji aji

a µµ min max0

= ,

unde operaŃiile max şi min sunt operaŃii cu mulŃimi fuzzy.

3 2 1 0

1

Figura 14.11

Maximul şi minimul pentru două funcŃii de apartenenŃă ale unor intervale reale

[ ] [ ]dcba ,, , µµ se vor defini astfel – fie: [ ]( ) [ ]( ) xxxIII dcbak ,,21 ... µµ ≥=∪∪∪

mulŃimea intervalelor pe care funcŃia [ ]ba ,µ depăşeşte pe [ ]dc,µ şi fie [ ]dcbaL ,,, lungimea

acestei reuniuni. Dacă această reuniune se reduce la o mulŃime discretă, atunci [ ]dcbaL ,,, =0.

Fie [ ]( ) [ ]( ) xxxJJJ badcp ,,21 ... µµ >=∪∪∪

reuniunea intervalelor pe care funcŃia [ ]dc,µ depăşeşte funcŃia [ ]ba ,µ şi [ ]dcbal ,,, lungimea

acestei reuniuni. Dacă această reuniune se reduce la o mulŃime discretă, atunci [ ] .0,,, =dcbal

Deci

[ ] [ ]( ) [ ] [ ] [ ]

[ ] [ ] [ ]

<

>=

dcbadcbadc

dcbadcbaba

dcba lL

lL

,,,,,,,

,,,,,,,

,, dacă ,

dacă ,,max

µµ

µµ

În cazul în care [ ] [ ]dcbadcba lL ,,,,,, = atunci [ ] [ ]dcba ,, µµ = .

În mod analog se defineşte minimul celor două funcŃii de apartenenŃă. În cazul unei aplicaŃii concrete se presupune următoarea problemă de decizie

multicriterială:

Page 430: CartedlComanescu Bun v1

430

3332313

2322212

1312111

321

µµµµµµµµµ

V

V

V

CCC

unde

( )[ ]

](

∈+−

=

rest;în 0

,6,1pentru 5

6

5

,1,0pentru

11 xx

xx

( ) =

=rest;în 0

,4 ,112

xxµ ( )

[ ]

](

∈−

=

rest;în ,0

,4,2 ,2

2

,2,0 ,2

13 xx

xx

( ) [ ] ∈+−

=rest;în 0

,6,5 ,621

xxxµ ( ) ( )xx 1122 µµ =

( )[ ]

](

∈+−

=rest;în 0

,4,3 ,4

,0,3 x,3

23 xx

x

( ) ( )( ) ( )( ) ( ).

;

;

1133

1232

1331

xx

xx

xx

µµµµµµ

===

Graficele acestor funcŃii sunt reprezentate în Figura 14.12, în care punctele A, B, C, D se

determină ca intersecŃie a dreptelor din figură şi au coordonatele

.4

2,

4

14 ;

8

6,

8

18 ;

3

2,

3

8 ;

7

6,

7

12

DCBA

Deoarece [ ] [ ] , rezulta 2120

şi 21

10613113,1,1,13,1,1,1 µµ >== lL

Deoarece [ ] [ ] 12131,2,3,11,2,3,1 rezulta 0 şi 4 µµ >== lL .

Din aceasta rezultă ( ) .,, min 12131211 µµµµ =

Se calculează ( )232221 ,, min µµµ :

Page 431: CartedlComanescu Bun v1

431

[ ] [ ]

[ ] [ ]

[ ] [ ] .4 ,1L deoarece ,

;8

38 ,

8

10 deoarece ,

;1 ,5 deoarece ,

3,2,1,22,1,2,32321

2,2,3,22,2,3,22223

1,2,2,21,2,2,22122

==<

==<

==>

l

lL

lL

µµ

µµ

µµ

Rezultă că atunci şi 212322 µµµ >>

( ) 21232221 ,, min µµµµ = .

În mod analog se calculează

( )( ) ;,, min

,, min

32111213

333231

µµµµµµµ

===

( ) ,,, max 21322112 µµµµ =

deoarece maximul este ,21µ varianta 2V este optimă.

0 6 5 4 3 2 1

21µ

23µ

13µ 11µ D

C B A

Figura 14.12

14.4.2. Metoda ponderării simple aditive FUZZY În metoda ponderării simple aditive fuzzy se alege varianta cea mai bună ∗V , care este

acea variantă care realizează , max

1

1

1

=

=

≤≤ n

jj

n

jijj

mip

p µ

unde ijµ sunt funcŃiile de apartenenŃă din matricea aprecierii variantelor în raport cu

criteriile, iar jp sunt coeficienŃii de importanŃă ai criteriilor.

Suma de funcŃii de apartenenŃă şi produsul unei funcŃii cu un număr se defineşte astfel:

( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ).xxxxx ηµµµηµ ⋅−+=+

( )( ) ( ) [ ] . orice şi 1,0pentru xkxkxk ∈= µµ

Page 432: CartedlComanescu Bun v1

432

CoeficienŃii de importanŃă sunt numere reale şi se pot alege astfel încât

.11

=∑=

n

jjp

Dacă se reia exemplul numeric prelucrat mai sus cu coeficienŃii de importanŃă

.61

,61

,32

=p

[ ]

](

](

](

∈+−

∈+−

∈+−

=++==∑=

rest;în 0

,6,4 ,15

12

15

2

,4,2 ,60

74

60

13

,2,1 ,60

18

60

3

,1,0 ,12

9

6

1

6

1

3

2131211

3

111

xx

xx

xx

xx

pfj

jj ηηηη

[ ]

](

](

](

](

∈+−

∈+−

∈+−

∈+

=++==∑=

rest.în 0

,6,5 ,30

126

30

21

,5,4 ,5

1

30

,4.3 ,30

26

30

6

,3,1 ,45

9

45

,1,0 ,18

4

6

1

6

1

3

2232221

3

122

xx

xx

xx

xx

xx

pfj

jj ηηηη

Page 433: CartedlComanescu Bun v1

433

[ ]

](

](

](

∈+−

∈+−

∈+

=++==∑=

rest.în 0

,6,4 ,30

6

30

,4,2 ,30

51

10

11

,2,1 ,10

2

10

3

,1,0 ,2

6

1

6

1

3

2333231

3

133

xx

xx

xx

xx

pfj

jj ηηηη

Deoarece [ ] [ ] . ca rezulta ,2 şi 4 212,12,1 fflL >==

Deoarece [ ] [ ] . ca rezulta ,5 şi 1 323,23,2 fflL <==

Deoarece [ ] [ ] . ca rezulta ,63214

şi 63

164313,23,1 fflL <==

Astfel buna. mai cea este variantaşi 3213 Vfff >>

14.4.3. Metoda ELECTRE FUZZY

Această metodă este aplicabilă modelului de decizii multicriteriale de grup cu m variante

, .......,, , 21 mVVV n criterii .,....., , decidenti şi ,....., , 2121 hn DDDhCCC

Fie A matricea consecinŃelor

( ) .,.....,2,1 ,,.....,2,1 ,,....,2,1 , hknjmiaA ijk ====

Metoda porneşte de la matricea ( ),ijB µ= ,,....,2,1 ,,....,2,1 njmi == în care ijµ sunt

funcŃii, [ ] ( ) ijkkijhij aDDDDD ==→ µµ şi ,..., ,1,0: 1 exprimă aprecierea variantei iV

în funcŃie de criteriul jC de către decidentul kD .

Se construiesc ca şi în metoda ELECTRE, coeficienŃii de concordanŃă şi discordanŃă

definiŃi prin: ( )∑

=

∈= n

ss

jrr

ji

p

p

VVc

1

,

Page 434: CartedlComanescu Bun v1

434

( )

tsrjjt

jkik

jkikKk

ji

jrir

dkK

dVVd

rJ

µµµµ

µµ

µµ

−==

−=

=

max şi

, max1

,

,

,f

f

Varianta 0i

V este acea variantă, care verifică ( ) ( ) ,, şi ,00

qVVdpVVc iiii ≤≥ pentru

orice qpmi şi ,,.....,1= fiind daŃi.

Problema care apare în construcŃia acestei metode este definirea unei relaŃii de ordine

totală între funcŃiile de apartenenŃă: .jkik µµ f Tipul de relaŃie introdus conduce la un anumit tip

de metodă ELECTRE în trei dimensiuni. De exemplu, definiŃia clasică iktjk µµ f dacă şi numai

dacă ( ) ( )xx iksjk µµ ≥ pentru orice x conduce la metoda ELECTRE cu concordanŃă tare. RelaŃia

iksik µµ f dacă şi numai dacă există astfel ca ( ) ( )xx ikjk µµ ≥ conduce la metoda ELECTRE

cu concordanŃă slabă.

Fie DDD ss ∈21

, astfel ca, oricare ar fi , , ,21 sssss DDDDD ≠≠ să avem

( ) ( )( ) ( ) .

,

2

1

siksik

sjksjk

DMDM

DMDM

ikik

jkjk

µµ

µµ

µµ

µµ

−>−

−>−

unde

( )h

DM

h

ssik

ik

∑== 1

µµ este media aritmetică a aprecierii variantei iV în raport cu

criteriul jC calculată pentru toŃi decidenŃii. RelaŃia de ordine f este definită prin ikjk µµ f

dacă şi numai dacă ( ) ( ).21 siksjk DD µµ ≥ Valorile ( ) ( )

21 şi siksjk DD µµ reprezintă valorile

cele mai apropiate de mediile lor. Aceasta înseamnă că ikjk µµ f dacă valorile cele mai

apropiate de medie 21

şi jpkjks aa sunt în relaŃia .21 jkssks aa f

Maximul care apare în relaŃie se va lua după relaŃia ,≥ iar

( ) ( ). şi 12 sjkjksikik DD µµµµ == În cazul n=2 se lucrează direct cu mediile.

Metoda ELECTRE tridimensională este echivalentă cu metoda ELECTRE fuzzy. Astfel,

metoda ELECTRE tridimensională cu concordanŃă tare construieşte concordanŃa ( )ji VVc , şi

discordanŃa ( )ji VVd , în acelaşi mod în care metoda ELECTRE fuzzy defineşte aceste mărimi, în

cazul în care relaŃia de ordine între două funcŃii de apartenenŃă este definită prin iktjk µµ f dacă

şi numai dacă ( ) ( )xx ikkj µµ ≥ pentru orice x. Rezultă că varianta optimă 0V furnizată de metoda

ELECTRE tridimensională cu concordanŃă tare este aceeaşi cu varianta optimă furnizată de metoda ELECTRE fuzzy cu relaŃia de ordine între funcŃii de apartenenŃă definită anterior. Metoda

ELECTRE tridimensională cu concordanŃă slabă construieşte ( )ji VVc , şi ( )ji VVd , în acelaşi

Page 435: CartedlComanescu Bun v1

435

mod ca metoda ELECTRE fuzzy în cazul în care relaŃia de ordine iksjk µµ f este definită astfel:

există un decident x astfel ca ( ) ( ).xx ikjk µµ ≥ Desigur că în aceste condiŃii echivalenŃa celor

două metode este evidentă. În aceste condiŃii aplicaŃia numerică de la paragraful 4.1 se poate aborda astfel: mediile

ijM µ sunt calculate în următoarea matrice:

90,037,06,05,056,063,06,0

84,029,026,052,069,082,02,0

47,096,05,05,05,007,06,0

3

2

1

7654321

V

V

V

CCCCCCC

Matricea coeficienŃilor de concordanŃă este

53,053,0

46,064,0

35,035,0

3

2

1

321

V

V

V

VVV

Matricea coeficienŃilor de discordanŃă este

21,066,0

44,075,0

62,084,0

3

2

1

321

V

V

V

VVV

Pentru pasul h=0,1 se obŃine soluŃia optimă 3V cu p=0,3 şi q=0,7. Pentru pasul h=0,01

se obŃine soluŃia optimă 3V cu p=0,34 şi q=0,66.

14.4.4. Metoda diametrelor FUZZY

Metoda diametrelor fuzzy utilizează funcŃiile apreciere A şi diametrul d, utilizate în metoda diametrelor şi se bazează pe modul de ierarhizare al metodei ELECTRE III. De asemenea,

ea utilizează matrici normalizate ale căror elemente ijr sunt numere reale fuzzy ale căror funcŃii

de apartenenŃă sunt de tipul celei prezentate în Figura 14.13.

Rezultă că un număr real fuzzy este tripletul ( ).,, βαm Pornind de la problema

deciziilor multicriteriale, se defineşte aprecierea şi diametrul ca fiind:

NV:d

RV:A

→→

FuncŃia apreciere A şi funcŃia diametru d sunt de tipul funcŃiei f (utilizată în metoda ponderării simple aditive), adică:

Page 436: CartedlComanescu Bun v1

436

( )∑

=

== n

jj

n

jijj

i

p

rp

Vf

1

1

n m

0

1

µ

r

δ γ β α

Figura 14.13

FuncŃia f ataşează o valoare fiecărei variante cu ajutorul căreia se face o clasificare a

acestora. Varianta optimă va fi cea pentru care ( )iVf este maxim. Se lucrează cu matricea R a

valorilor normalizate.

În definirea aprecierii, pentru metoda diametrelor fuzzy, este utilizat locul variantei iV în

raport cu fiecare criteriu jC , care se obŃine ordonând variantele după fiecare criteriu în parte.

RelaŃia de ordine pentru numerele reale fuzzy este următoarea: - fie două numere reale

fuzzy ( ) ( )δγβα ,, şi ,, nrmr nm == ; atunci

>=>

⇔>δβ şi

sau

nm

nmrr nm

Se definesc aprecierea modificată ( )iVA′ şi diametrul modificat ( )iVD′ astfel

( ) ( ) ( ) ( ).1

1 ,

1iiii Vd

mVdVA

mVA

−=′=′

Pe mulŃimea variantelor se construieşte o relaŃie fuzzy [ ]1,0: →×VVs astfel:

Page 437: CartedlComanescu Bun v1

437

( )

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( ) ( )

′−′′−′

>′−′<′−′

′−′′−′

<′−′>′−′

′−′

=

cazuri. celelalteîn

;0

;0 daca ,

;0

;0 daca ,

,

ji

ji

ji

ji

ji

ij

ji

ji

ji

ji

VdVd

VAVA

VdVd

VAVA

VdVd

VAVA

VdVd

VAVAVAVA

VVs

Ordonarea variantelor în funcŃie de criteriile date şi de coeficienŃii de importanŃă este dată de valorile descrescătoare ale indicatorului:

( ) ( ) ( ).,, max1 jiijVV

i VVsVVsVNj

−−=∈

Metoda diametrelor fuzzy îmbină elementele pozitive ale metodei diametrelor cu tehnica de

ierarhizare fuzzy a metodei ELECTRE III. Ea poate fi aplicată în prognoza parametrilor de apreciere a calităŃii noilor produse, a căror evoluŃie în viitor este cunoscută cu un anumit grad de imprecizie.

14.4.5. Metodă de tip FUZZY pentru cazul determinist

Metoda este următoare:

1) Pentru fiecare variantă iV se construieşte funcŃia de utilitate:

( ) . ,11

neaappapVUje

ieijej

n

j

n

jijji ≤+= ∑∑∑

∈==

2) Se defineşte gradul cu care varianta iV

este preferată variantei jV, ca o funcŃie de tipul

funcŃiei caracteristice a unei mulŃimi fuzzy:

( ) [ ],1,0,.....,1 ,,\: →=× miVVVVg ii

definită prin

( ) ( ) ( )[ ] , ,1

1, / ji

eVVg UVUVUcji ji

≠+

= −−

unde U este utilitatea maximă, adică ( ) ( ) ,,....., max 1 mVUVUU = iar c este un

coeficient stabilit de decident care exprimă discriminarea pe care acesta o face între variante şi se numeşte coeficientul de discriminare al decidentului.

FuncŃia g este o funcŃie de tipul funcŃiei caracteristice a unei mulŃimi fuzzy – în plus, aceasta are proprietăŃile:

( ) ( );,1, ijji VVgVVg −=

Page 438: CartedlComanescu Bun v1

438

dacă ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ).,, atunci

,,, şi ,,

ikki

jkkjijji

VVgVVg

VVgVVgVVgVVg

>

>>

Datorită acestor proprietăŃi funcŃia g poate fi utilizată pentru construcŃia unei relaŃii de ordine.

3) Se construieşte matricea

( )( ) .,.....,1, ,, mjiVVgG ji ==

Dacă există o variantă 0i

V astfel încât pentru orice ( ) ,21

, , ,00 >≠ ii VVgiii atunci

varianta 0i

V este optimă. În caz contrar este optimă varianta 0i

V pentru care ( )∑≠=

m

iii

ii VVg

0

01

, este

maximă. Pentru elucidarea celor afirmate anterior la acest paragraf se presupune următoarea

aplicaŃie numerică – fie matricea:

123

1,07,05,0

7,04,03,0

1,09,08,0

7,01,09,0

8,05,01,0

5

4

3

2

1

321

P

V

V

V

V

V

CCC

cu

( )( )( )( )( )

2

51,8

31,4

04,9

17,6

44,3

5

4

3

2

1

c

VU

VU

VU

VU

VU

şi

−++++

+−

+++

++−

++

+++−

+

++++−

4,8

4,8

06,168,4

68,4

14,10

14,10

5

4,846,972,374,1

74,1

4

06,1

06,1

46,9

46,9

74,5

74,5

2,11

2,11

3

58,472,3

72,3

74,516,5

16,5

2

14,1074,12,1116,51

54321

11

1

11

1

1

1

1

1

1

1

1111

1

1

11

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

e

e

ee

e

e

eV

eeee

eV

e

e

e

e

e

e

e

eV

ee

e

ee

eV

eeeeV

VVVVV

Varianta 3V are proprietatea că ( ) .3 oricepentru 21

,3 ≠> iVVg i Deci varianta 3V

este optimă.

Page 439: CartedlComanescu Bun v1

439

Metoda diametrelor aplicată acestui exemplu dă varianta 5V ca fiind optimă şi 3V pe

locul al doilea, având totuşi aprecierea cea mai mare. Metoda ELECTRE aplicată acestui exemplu

dă varianta 4V ca fiind optimă cu p=0,15 şi q=0,85. Metoda prezentată este mai apropiată de

metoda diametrelor, deşi nu se obŃine aceeaşi soluŃie optimă prin cele două metode. Prima depinde de coeficientul de discriminare dat de decident, iar în cea de a doua se Ńine seama de omogenitatea variantelor în raport cu toate criteriile. În prima metodă intervine deci un grad de subiectivitate în plus, în a doua un grad de obiectivitate în plus, deci oricum fiecare are un grad de libertate în minus.

14.4.6. Testarea performanŃelor sistemelor de calcul (benchmark)

În scopul verificării eficacităŃii unui sistem de calcul există o gamă largă de programe

care permit testarea performanŃelor obŃinute de un calculator cu o anumită configuraŃie. Această operaŃie este utilă mai ales din punctul de vedere al verificării încadrării unui sistem de calcul în parametrii specificaŃi de producător pentru configuraŃia respectivă. Majoritatea programelor folosite pentru diagnosticarea şi identificarea componentelor unui PC includ şi un modul destinat testării performanŃelor diferitelor componente ale acestuia (ex. CPU, placa grafică, placa de bază, memorie, etc.).

Programele de testare a performanŃelor (benchmark) pot fi folosite şi pentru determinarea acelor componente din calculator care trebuie înlocuite în vederea obŃinerii unui nivel decent de performanŃă pentru aplicaŃiile software dintr-o anumită generaŃie.

Pe de altă parte, atunci când se obŃin rezultate nesatisfăcătoare pentru performanŃa unui PC care conŃine componente de la care se aştepta un alt nivel de performanŃă este bine ca operaŃia imediat următoare să fie cea de diagnosticare a modului în care componentele sunt configurate. De exemplu, drivere vechi, care lucrează în modul real (de compatibilitate) pot fi sursa unor performanŃe nesatisfăcătoare.

În continuare se vor expune câteva consideraŃii referitor la tipurile de programe utilizabile pentru teste de performanŃă (benchmark).

Un benchmark este un program de testare care se execută pe un PC pentru a oferi rezultate explicite asupra comportării unui anumit subsistem al PC-ului (procesor, placă grafică, memorie, etc.) sau al sistemului în ansamblu.

Există benchmark-uri şi benchmark-uri, şi mai bune şi mai rele, şi mai vechi şi mai noi. Important este nu numai să se folosească un benchmark bun, ci şi să se interpreteze rezultatele obŃinute. Mai mult, trebuie să se ştie ce se vrea de la programul respectiv, adică dacă rezultatele obŃinute sunt relevante pentru scopul în care se face testul. De exemplu, nu are rost să se ruleze un benchmark care verifică viteza coprocesorului matematic din CPU, dacă interesează să se ştie cum se comportă un calculator în programe de tip Office, care nu folosesc coprocesorul. În primul rând se va discuta despre calitatea benchmark-urilor. Acestea sunt de două feluri: sintetice şi analitice.

Un benchmark sintetic este un program scris în mod special pentru a fi folosit ca test de performanŃă (şi uneori pentru determinarea unor caracteristici ale unui produs supus testării), pe când unul analitic se bazează pe măsurarea vitezei în anumite aplicaŃii, care se folosesc în mod curent pentru un anumit scop. Un bun exemplu de benchmark sintetic este Mad Onion 3DMark 2000, care utilizează mai multe engine-uri grafice şi alte câteva funcŃii pentru a măsura viteza unei anumite plăci grafice. Tot sintetice sunt şi programele de testare incluse în SiSoft Sandra şi Norton Utilities. Cele mai bune exemple de benchmark-uri analitice sunt Winstone 2000 de la Ziff Davis şi BapCo SYSMark 2000. Acesta din urmă se bazează pe nu mai puŃin de 12 aplicaŃii pentru a furniza o notă finală, devenind în ultima vreme standardul mondial în materie de benchmark-uri pentru PC-uri cu Windows, pe el bazându-se majoritatea revistelor de calculatoare şi site-uri de

Page 440: CartedlComanescu Bun v1

440

Internet dedicate hardware-ului. Benchmark-urile au o importanŃă esenŃială în stabilirea notei finale. PoziŃia sistemelor de calcul în topurile calitative depinde de tipurile de procesoare, de cel al plăcilor de bază şi de cel al plăcilor grafice, în consecinŃă se va insista, în cele ce urmează, pe detalierea benchmark-urilor pentru aceste categorii.

Un benchmark eficient, fie el sintetic sau analitic, trebuie să atace domeniul respectiv din mai multe unghiuri, adică să ruleze cât mai multe proceduri, în mod repetat, pentru a minimiza impactul altor componente asupra celor testate.

Din aceste motive, un test concludent nu se face în cinci minute. Sunt de evitat benchmark-urile la care rezultatele se obŃin în felul următor: apăsaŃi pe un buton, număraŃi până la zece şi gata: rezultatele sunt pe ecran. Astfel benchmark-uri generează de obicei rezultate irelevante, şi de aceea diferă foarte mult comportarea respectivei componente în practică. În acest context, este de evitat emiterea unui verdict în urma testării componentelor cu programe gen System Information din pachetul Norton Utilities, care testează suspect de repede procesoarele şi hard-disk-urile, nemaivorbind de faptul că sunt benchmark-uri sintetice. Pe de altă parte, o comparaŃie între două procesoare, realizată cu SYSMark 2000, se bazează pe rezultate reale, obŃinute cu programe reale.

Un avantaj al folosirii unor benchmark-uri analitice asupra celor sintetice este că primele sunt mai puŃin supuse la greşeli cauzate de activităŃi subiective. Prin această expresie se înŃeleg activităŃile unor producători de plăci grafice, de exemplu, care îşi optimizează driverele în aşa fel încât să raporteze rezultate mai bune, atunci când detectează că placa este testată cu un anumit benchmark. Astfel de cazuri nu sunt tocmai rare şi au dus la pierderea încrederii în benchmark-urile care până atunci erau privite cu foarte multă seriozitate. Chiar şi firma mari s-au pretat la asemenea practici, din dorinŃa de crea utilizatorilor senzaŃia superiorităŃii performanŃelor componentelor pe care le produceau şi în final, firma respectivă să-şi sporească profiturile în mod artificial.

Această chestiune de încredere în imparŃialitatea benchmark-ului este una fundamentală. Ideal este în acest scop ca sursele programului de testare să fie puse la îndemâna oricui, pentru a putea verifica veridicitatea testului. Pe de altă parte, s-ar putea ca unele firme să-şi optimizeze artificial produsele pentru acest program de testare, totuşi, astfel de tentative subiective se pot descoperi prin utilizarea testării analitice. Din păcate, prea puŃine benchmark-uri pun la dispoziŃia utilizatorului codul sursă, de aceea, o atenŃie deosebită trebuie acordată alegerii unui benchmark, pentru a realiza o evaluare reală a performanŃelor sistemului de calcul analizat. Până acum s-a vorbit mai mult despre dezavantajele benchmark-urilor sintetice. Acestea au însă şi câteva avantaje, dintre cel mai important pare a fi folosirea tehnologiilor care nu se regăsesc în programele comerciale. De exemplu, 3DMark 2000 utilizează pe anumite porŃiuni ale testului accelerarea hardware pentru Transform & Lighting.

Această facilitate, care este clar că se va impune în lumea acceleratoarelor mai devreme sau mai târziu, nu se foloseşte încă suficient în programele actuale.

Desigur că, poate apare întrebarea: “... de vreme ce aceste tehnologii nu se folosesc, de ce un benchmark ar trebui să avantajeze un produs ce conŃine aceste tehnologii ?” Răspunsul este simplu: pentru că orice achiziŃie nu trebuie făcută pentru următoarele trei luni, ci pentru un timp mai lung.

Trecând la benchmark-urile analitice, avantajele folosirii lor se desprind din analizarea dezavantajelor celor sintetice. Dacă se alege unul dintre cele analitice, trebuie să fim atenŃi la vechimea aplicaŃiilor care îl compun, deoarece programele care erau foarte bune acum trei ani, de exemplu, sunt acum depăşite iremediabil.

În cazul utilizării unui benchmark analitic este deosebit de important ca interpretarea rezultatelor acestor teste să fie corect efectuată. Astfel, de exemplu, SYSMark 2000, este axat pe testarea performanŃelor în aplicaŃii de tip Office, şi de creare de conŃinut pentru Web. A folosi rezultate generate de SYSMark 2000 pentru a alege un sistem care va fi folosit pentru proiectare

Page 441: CartedlComanescu Bun v1

441

cu programe 3D este o decizie care nu poate fi susŃinută. Aici ar fi nevoie de rularea unor benchmark-uri specifice aplicaŃiilor de creare de conŃinut 3D.

În sfârşit, ultimul punct important care trebuie luat în considerare la un program de testare este reproductibilitatea rezultatelor.

Aceasta înseamnă că aceeaşi configuraŃie a sistemului trebuie să genereze aceleaşi rezultate în benchmark. Dacă un program nu face acest lucru, el nu poate fi folosit.

14.4.6.1. Exemple:

În cele ce urmează se vor da câteva exemple de testare a performanŃelor diferitelor

componente, folosind diferite programe de test. Se va avea în vedere că toate aceste programe se înscriu în categoria benchmark-urilor sintetice.

14.4.6.1.1. Testarea performanŃei procesorului

Figura 14.14

Fig. 4.46

Figura 14.15

Page 442: CartedlComanescu Bun v1

442

În figurile de mai jos sunt prezentate rezultatele testării vitezei CPU-ului cu următoarele programe:

SiSoft Sandra: (Figura 14.14): Se efectuează testarea vitezei procesorului respectiv a coprocesorului. Se observă posibilitatea comparării rezultatelor obŃinute cu cele ale unor sisteme de calcul echivalente.

În Figura 14.14 se redau rezultatele testului pentru secŃiunile multimedia ale CPU-ului (MMX, 3DNow! sau ISSE).

Acolo unde procesorul nu dispune de aceste seturi de instrucŃiuni, prelucrările sunt realizate de către unitatea de calcul pentru întregi (cazul MMX) respectiv de unitatea de prelucrare în virgulă mobilă (cazul ISSE sau 3DNow!).

Dr. Hardware 2000: în Figura 14.16 este prezentat testul pentru măsurarea performanŃei CPU-ului. Şi acest program deŃine posibilitatea de a compara rezultatele obŃinute cu cele ale altor sisteme de calcul.

Fig. 4.47

Figura 14.16

14.4.6.1.2. Testarea performanŃei plăcii grafice

Fig.4.48

Figura 14.17

Page 443: CartedlComanescu Bun v1

443

InfoPro oferă un modul performant de realizare a benchmark-ului plăcii video. Sunt

testate caracteristici ale acceleratorului grafic cum ar fi: rata de umplere a formelor, viteza de afişare a textului, viteza de afişare a poligoanelor, etc. În final se afişează un rezultat, asemănător celui din Figura 14.17.

Fig.4.49

Figura 14.18

De notat faptul că scorul obŃinut este influenŃat şi de puterea procesorului instalat în

sistem. Dr. Hardware 2000 - deŃine la rândul său un modul capabil de testarea performanŃei

plăcilor grafice. Acesta generează rezultate de tipul celor din Figura 14.18 (se pot observa rezultatele testului de performanŃă pentru secŃiunea 2D a plăcii grafice generate de Dr. Hardware 2000).

Page 444: CartedlComanescu Bun v1

444

15. Bibliografie

1) *** IBM's PC Strategies for the W90 Computer Technology Research, First Edition, January, 1990;

2) *** CHIP Computer Magazin, 1999-2000; 3) *** Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, 1994; 4) *** Microsoft BackOffice, 1997-98; 5) *** NEC Research & Development, 1998-1999; 6) *** PC-Fun, 1997-98; 7) *** PC-Magazine, 1980-1997; 8) *** PC- World, România, 1997-98; 9) ***Odobleja between Ampere and Wiener, Ed.Academiei, Bucharest, 1981, 10) ***Actele Simpozionului International "Ştefan Odobleja", Ed.Nagard, 1983, 11) *** RICOH Digital Solutions, 1997-98; 12) *** SONYcollections, 1997-98; 13) *** Advanced Micro Devices – AMD, Technical Documents CD-ROM; 14) *** SiSoft Sandra – Help Pages; 15) *** TouchStone CheckIt – Help Pages; 16) *** www.aceshardware.com; 17) *** http://www.spec.org 18) *** http://www.tpc.org 19) *** http://mmq.ase.ro/simpozion/sec4/S4L6.htm 20) *** http://www.bapco.com 21) *** http://www.mobile-review.com 22) ***. http://www.jbenchmark.com 23) *** http://www.eurogsm.ro 24) *** http://www.mobiletechreview.com 25) *** http://www.wikipedia.com 26) *** http://www.macintouch.com 27) *** http://store.apple.com 28) *** http://www.pcworld.com 29) *** http://www.dailytech.com 30) *** http://www.pcworld.ro/?page=node&id=4043 31) *** http://www.efoto.ro/articol.php?a=20040323233338 32) *** http://www.camerefoto.ro 33) ***

http://ec.europa.eu/enterprise/entrepreneurship/financing/docs/basel_2_toolkit/romania_toolkit.pdf

34) *** http://www.inforapart.com/index.php?pag=detalii&subpag=management&IdProdus=11 35) *** Brevet numarul US2006288535 36) *** Brevet numarul US2007025072 37) *** Brevet numarul US2005185369 38) *** Brevet numarul US2004356457 39) *** Brevet numarul WO2007040641 40) *** Brevet numarul US2007091582

Page 445: CartedlComanescu Bun v1

445

41) Adelson.B., Cognitive Modeling Explaining and Predicting How Designers Design, NSF Engineering Design Research Conference, Univ.of Massachusetts, Amherst, June, 1989;

42) Adrasiu, M., Baciu, A., Pascu, A., Puscas, E., Tasnadi, Al, Metode de decizii multicriteriale, Editura Tehnica, Bucureşti, 1986

43) Akin, J., Computer Assisted Mechanical Design, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ., 1990; 44) Akman, J., Ten Hagen, Tomiyama, J.W., A Fundamental and Theoretical Framework for an

Intelligent CAD System, Computer Aided Design, 22, 3, 233,1989; 45) Albuş, J.S., Barbera, A.J., Nagel, R.N., Theory and Practice of Hierarchical Control, Proc.of

IEEE, COMCON Fall, Washington DC, 1981; 46) Alexandrescu, N„ Banu, V., Echipamente mecanice şi hidropneumatice de automatizare,

UPB, 1985; 47) Alexandrescu, N., Comănescu, D., Cercetări teoretice și aplicative asupra sonicitaŃii în

vederea promovării sistemelor hidraulice de acŃionare şi comandă prin unde de presiune, nr.21-94-7/5.IX.1994, Contract de cercetare - dezvoltare nr.337 C/1994;

48) Alexandru, P., Vişa, I., Bobancu, S., Mecanisme, Univ.Transilvania, Braşov, 1984; 49) Ammar, M.H., Gershwin, S.B., Equivalence Relations in Queuing Models of Forh/Join

Networks with Blocking Performance Evaluation, vol. 10, 3, 223, 1989; 50) Arwas, E.B., Sternlicht, B., Anafysis of Plain Cylindrical, Journal Bearings in Turbulent

Regime, MTI, Novem., 1962; 51) Ausman, J.S., Finite Gas-Lubricated, Journal Bearings, Conf. of Lubrication and Wear,

London, Oct., 1957; 52) Avramescu, N., Echipamente periferice, Automatica, 1976; 53) Baer, T., Mappingthe Factory, Mech-Eng., 70/1986; 54) Balsa A, Linux Benchmarking ,CRC Press 2003 55) Baker, B., JEEE Trans.Magn., Mag.-13, 5, 1196, 1977; 56) Banu,V., Demian, T., Micromotoare pneumatice liniare şi rotative, Edit. Tehnică, 1984; 57) Banu, V., Echipamente hidropneumatic pentru automatizare, UPB, 1984; 58) Banu, V., Echipamente hidropneumatice pentru automatizări, UPB, 1994; 59) Baumann, H.G., Systematisches Projektieren und Konstruiren, Springer-Verlag, 1982; 60) Baxter, L., Kim, C., Bounding of Stochastic Performance of Continuum Structure Functions,

Journal of Appl.Probability, 24, 3, 1987; 61) Bayer, R.G., Influence of Jet Printing Inks on Wear, IBM Journal Research and Dev., 5, 1976; 62) Beams, J.W., Gas Magnetic and MHD Bearing Filling New Needs, SAE Journal. F 2, 3, 1964; 63) Benson, R.C., Chiang, C., Talke, F., The Dynamics of Slider Bearings During Contacts

between Slider and Disk, IBM J.Res.Dev., 33, 1,2, 1989; 64) Benson. R.C., Sundaram, R., Talke, F.E., A study of the Acoustic Emission from the

Slider/Disk Interface in a 5 1/4 Inch Hard-disk Drive, STLE Special Publication 25, 87, 1988, Society for Tribology and Lubrication Engineers;

65) Benson, R.C.,Talke, F.E., The Stability of a Slider Bearing During Transition from Hydrodynamic to Boundary Lubrication, STLE Special Publication 22, 6, Oct., 1987, Society for Tribology and Lubrication Engineers;

66) Benson, R.C., Talke, F.E., The transition Between Sliding and Flying of a Magnetic Recording Sliding, JEEE Trans. Magnetics, Mag.-23,3441, 1987;

67) Blinn, James D, Benchmarking Can Help Control Cost of Risk. - National Underwriter October: 24-25; 1998

68) Bhushan, B., Tribology and Mechanics of Magnetic Storage Devices, Springer Verlag, 1990; 69) Bogdan, R. C., Bilciu, C., Davidoviciu, A., Schiopulescu, D., Memoriile calculatoarelor

electronice. FuncŃionare şi utilizare, Edit.Tehnică, 1975; 70) Bogdan, R. C., Bilciu, C., Memorii externe. Edit .Tehnică, 1977;

Page 446: CartedlComanescu Bun v1

446

71) Bogdan,R. C., Larionescu,D., Cononovici, S., Sinteza mecanismelor plane articulate, Edit.Acad., 1977;

72) Bogoevici, N., Dobrescu, A., Bartl, A., Schwinert, I, Ansamblul lucrărilor prezentate la sesiunile ştiinŃifice , MTM ReşiŃa 1976, INMT Bucureşti 1977, Tribotehnica GalaŃi 1978;

73) Bogy, D. B., Talke, F.E., Mechanics-Related. Problems of Magnetic recording technology and Ink-Jet Printing, Appl.Mech.Rev., 39, 11,1665-1677.1986;

74) Booker, J.F., Huebner, K. H, Application of Finite Element Methods to Lubrication: An Engineering Approach, Journal of Lubrication Technology, Trans.ASME, 94, 313,1972;

75) Boyd, J., Connor, J.O., Standard Handbook of Lubrication Engineering, Mc.Graw-Hill, 1968; 76) Braithwaile, E.R., Lubrication and Lubricants, Amsterdam, Elsevier, 1967; 77) Brătianu, C., Metode cu elemente finite în dinamica fluidelor, EditAcad., 1983; 78) Bruce, CA, Dependence of Ink Jet Dynamics on Fluid Characteristics, IBM Journal Research

and Dev., 5, 1976; 79) Bruthaler, S., Methodische Entwicklung technischer Systeme mit Software und

Hardwarekomponenten fur Integrierte MeBdatenverarbeitung, TU Berlin, 1986; 80) Burton, R.A., On the Coupling between Orthogonal Couette and Pressure Flows, AIAA

Journal, l, 2, 474, 1963; 81) Cameron, A., Basic Lubrication Theory, London, Longman, 1971; 82) Camp, Robert C, Benchmarking: The Search for Industry Best Practices That Lead to

Superior Performance, Milwaukee, WI: ASQC Quality Press, 1989 83) Camp, Robert C, Business Process Benchmarking: Finding and Implementing Best Practices.

Milwaukee, WI: ASQC Quality Press, 1995 84) Camp, Robert C, Global Cases in Benchmarking: Best Practices from Organizations Around

the World. Milwaukee, WI: ASQC Quality Press, 1998 85) Ceauşu, V., Enescu, N., Ceausu, F., Culegere de probleme de mecanică, UPB, 1976; 86) Chary, M.V.K., Silvester, P.P., Finite Element in Electrical and Magnetic Field, John Wiley,

New York, 1980; 87) Chevalier, P., CALS les systemes d’information electroniques, Hermes, 1993; 88) Ciureanu, P., Gavrilă, H., Înregistrări magnetice digitale - Capete magnetice, Edit. ŞtiinŃ. şi

Enciclopertiră, Bucureşti, 1987; 89) Coiffel, Ph., Les Robots, Hermes, Paris, 1995; 90) Coiffet, Ph., La Robotique, Hcrmcs, Paris, 1992; 91) Comănescu, D., Birotica - Concepte și Structuri, Ed. Printech Bucharest, 2000; 92) Comănescu, D., Echipamente de calcul şi Birotică, Ed. Printech, Bucharest, 1998; 93) Comănescu, D., Memorii externe cu discuri magnetice rigide, Ed. Printech, Bucharest, 1998; 94) Comănescu, A., Adîr, G., Comănescu, D., A Kinematic aud Static Duality Approach of

Bimobile Manipulators Systems, Rev. Roum .Sci. Techn. Mec. Appl., 1997; 95) Comănescu, D., Comănescu, A., Ciureanu, P., Drăgoi, G., Gavrilă, H., Târcolea, C., Birotica

şi Multimedia, Edit. Printech, Bucureşti, 2000; 96) Comănescu, A., Adîr, G., Comănesca, D., On the Kinematic and Static Duality of Two

Mobilities Manipulators Systems, Proc. of the Eighth World Congress on TMM, 441, Prague, 1991;

97) Comănescu, A., Comănescu, D., Adîr, G., On Computational Modeling of Mechanical Systems, Proc.of Scientific Seminar Modern Mechanical Design, Politecnico di Milano-Politehnica of Bucharest, Milano, 1991;

98) Comănescu, A., Comănescu, D., Aplicarea sistemelor modulare de calcul cineto-dinamice la instruirea şi comanda mecanismelor multimobile, Proc.of the Seventh Nat.Symp.on Ind.Robots, 12, 1987;

99) Comănescu, A., Comănescu, D., Mecanica, RezistenŃa materialelor şl Organe de Maşini, Edit.Didactică şi Pedagogică, 1982;

Page 447: CartedlComanescu Bun v1

447

100) Comănescu, A., Comănescu, D., On the Dynamic Analysis of Two Degrees of Mobilities Mechanical Systems, Proc.of SYROM'85, 121, 1989;

101) Comănescu, A., Comănescu, D., Structural and Kinematic Solutions for Mechanistns of Mobile Robots - Biped Walking Equipment, Rev.Rom.Mec.Fină şi Optică, 1995;

102) Comănescu, A., Comănescu, D., Structural and Kinematic Solutions for Mechanisms of Mobile Robots-Multi-Legged Robots, Rev.Rom.Mec.Fină şi Optică, 1995;

103) Comănescu, A., Comănescu, D., Structural and Kinematic Solutions for Mechanisms ol Mobile Robots - Pedipulators, Rev.Rom.Mec.Fină şi Optică, 1995;

104) Comănescu, A., Comănescu, D., Vlad, R.,Trecut prezent şi viitor în structura mecanismelor, Volumul omagial N.I.Manolescu, 61, UPB, 1989;

105) Comănescu, A„ Cononovici, S., Comănescu, D., About Some Constructive and Kinematic Solution of the Multi-Legged Mobile Robots, Rev.Roum.Sci.Techn.Mec.Appl., 1997;

106) Comănescu, A., Hrubaru, T., Comănescu, D., Aplicarea modulelor de calcul standard pentru determinarea parametrilor funcŃionali ai sistemului flotant de tăiere, Proc.of SYROM'85, 103, 1985;

107) Comănescu, A., Hrubaru, T., Comănescu, D., Caracteristici funcŃionale ale sistemelor de tăiere din construcŃia maşinilor de recoltat, Proc.of SYROM'85, 63, 1985;

108) Comănescu, A., Ionescu, D., Comănescu, D., Hrubaru, T., Sinteza modulară a mişcărilor din sistemele de manipulare, Proc.of the Fifth Nat.Symp.on Ind.Robots, 122, 1985;

109) Comănescu, A., Comănescu, D., Contributions to the Dynamic Analysis of Two Degrees of Mobilities Systems, TMM Conference, Liberec, 88, 1988;

110) Comănescu, Adr., Comănescu, D., The Determination in the Functional Aberations in The Three-dimensional Multiplets, SYROM'81, Bucharest, 1981;

111) Comănescu, Adr., Tempea, I., Comănescu, D., Considerations above the Kinematic Models of Mobile Robots with Fixed Sequence, Annual Symp.of the Inst.of Solid Mechanics, Romanian Academy, 1994;

112) Comănescu, D., Ambreiaje rapide specifice echipamentelor periferice, Ses.ştiinŃ.UPB, 1973;

113) Comănescu, D., Avram, M., ConsideraŃii asupra imprimantelor cu jet de cerneală, Rev.ConstrucŃia de Maşini, dec. 1982;

114) Comănescu, D., Comănescu, A., Covaci, C„ Enachc, M., Sinteza profilelor zonelor de contact ale elementelor cinematice din mecanismele perforatoarelor de bandă, Proc.of SYROM'85, 179, 1985;

115) Comănescu, D., Comănescu, A., Gorneanu, M., ConsideraŃii teoretice asupra fenomenelor de rupere a jeturilor de la imprimantele cu jeturi ele cerneală, Proc.of SYROM'85,1985;

116) Comănescu, D., Comănescu, A., Multimobile Mechanical Systems for Peripheral Devices, Anual Symp.of the Inst.of Solid Mechanics, Romanian Acadcmy, 1994;

117) Comănescu, D., Comănescu, A., Structuri bimobilc, optimal asociate modelelor inverse din robotica și mecatronică, Rev.ConstrucŃia de Maşini, nr.6, 1998;

118) Comănescu, D., Echipamente pentru prelucrarea automată a datelor şi periferice de calculator, UPB, 1979;

119) Comănescu, D., Elemente constructive şi funcŃionale ale echipamentelor periferice de întrare-ieşire a datelor. Referat de doctorat;

120) Comănescu, D., Marinescu, A., Asupra cuplajelor rapide specifice echipamentelor periferice ale calculatoarelor electronice. Sesiunea StiinŃ.UPB, 1973;

121) Comănescu, D., Marinescu, A., Asupra curbelor de bielă a mecanismelor patrulatere, SYROM'77, Bucureşti, 1977;

Page 448: CartedlComanescu Bun v1

448

122) Comănescu, D., Mecanisme de acŃionare cu funcŃii de bază în echipamentele periferice ale calculatoarelor electronice, Ses.ştiint. a Min. Constr.de Maşini, 1972;

123) Comănescu, D., Metode experimentale specifice mecanismelor rapide de acŃionare ale echipamentelor periferice de discuri magnetice. Referat de doctorat;

124) Comănescu, D., Studiul acŃionarilor rapide ale elementelor cinematice şi mecanismelor din unităŃile periferice ale sistemelor electronice de calcul, Teză de doctoral, 1997;

125) Comănescu, D., Studiul dispozitivelor rapide de cuplare-decuplare specifice echipamentelor perifericeale calculatoarelor electronice, Referat de doctorat;

126) Comănescu, D. &col., Capete de imprimare, Brevet de invenŃie, 1991; 127) Comănescu, D., Comănescu, A., Cercetări teoretice şi aplicative asupra strategiilor de

conducere a roboŃilor tip insectă, Contract de cercetare - dezvoltare, 1996-1997; 128) Comănescu, D.,Comănescu, A., Asupra dinamicii mecanismelor bimobile, Proc.of the

Seventh Nat.Symp.on Ind.Robols, 35, 1987; 129) Comănescu, D.,M., Comănescu, A., Metode optimale multicriteriale aplicate

echipamentelor de calcul , The Romanian Review of Precision Mechanics, Optics & Mechatronics-Supplement 20b 2002, ISSN: 1220-6830, pp. 149-153;

130) Comănescu, D.,M., Comănescu, A., Variante ale metodei multicriteriale ELECTRE aplicate echipamentelor de calcul, The Romanian Review of Precision Mechanics, Optics & Mechatronics, Supplement 20b 2002, ISSN: 1220-6830;

131) Comănescu, D.,M., Comănescu, A., Asupra fenomenelor de sustentaŃie aerodinamică specifice unităŃilor de memorii externe cu discuri magnetice rigide, The Romanian Review of Precision Mechanics, Optics & Mechatronics, Supplement 20b 2002, ISSN: 1220-6830;

132) Comănescu, D.,M., Andronache, A., M., Compensarea erorilor de poziŃionare datorate vibraŃiilor pentru capetele magnetice din memoriile externe cu discuri magnetice rigide, The Romanian Review of Precision Mechanics, Optics & Mechatronics-Supplement 20b 2002, ISSN: 1220-6830, pp. 141-149;

133) Comănescu, D., M., Ulmeanu, S., Unitate ecologica de reciclare a compact-discurilor digitale, The Romanian Review of Precision Mechanics, Optics & Mechatronics-Supplement 21a 2002, ISSN: 1220-6830, pp. 331-339;

134) Comănescu, D., M., Comănescu, A., Modelul cinematic al dirijării paralele pentru memoriile externe de tip laser-servo, Prasic, Braşov, 2002,Vol III-Design de Produs, ISBN 973-635-076-2;

135) Comănescu, D., M., Comănescu, A., Modelul pentru controlul cinematic al memoriilor externe de tip laser-servo prin metoda directă în două puncte, Prasic, Braşov, 2002, Vol III-Design de Produs, ISBN 973-635-076-2;

136) Comănescu, D., Comănescu, A., Asupra biomaterialelor inteligente, Rev. Constr. de Maşini, Nr. 7, anul 53-2001, ISSN 0573-7419, p. 22-26, 2001;

137) Comănescu, D., Comănescu, A., Biomanipulator inteligent, Rev. Constr. de Maşini, Nr. 7, anul 53-2001, ISSN 0573-7419, p. 26-29, 2001;

138) Comănescu, D., Comănescu, A., Modelarea dinamică a unui biomanipulator inteligent prin metoda modurilor fixate, Rev. Constr. de Maşini, Nr. 7, anul 53-2001, ISSN 0573-7419, p. 29-33, 2001;

139) Comănescu, D., Comănescu, A., Aspecte de fiabilitate structural cinematică a memoriilor externe cu discuri magnetice rigide, Rev. Constr. de Maşini, Nr. 7, anul 53-2001, ISSN 0573-7419, p. 33-37, 2001;

140) Comănescu, D., Comănescu, A., ConsideraŃii privind fiabilitatea perifericelor partajate, Rev. Constr. de Maşini, Nr. 7, anul 53-2001, ISSN 0573-7419, p. 37-40, 2001;

141) Comănescu, D., Comănescu, A., ConsideraŃii asupra sistemelor redundante, specifice memoriiloe externe cu discuri magnetice rigide, Rev. Constr. de Maşini, Nr. 7, anul 53-2001, ISSN 0573-7419, p. 40-43, 2001;

Page 449: CartedlComanescu Bun v1

449

142) Comănescu, D., Comănescu, A., Metode multicriteriale de apreciere a calităŃii memoriilor externe cu discuri magnetice rigide, The Romanian Review of Precision Mechanics, Optics & Mechatronics, Nr. 5/2001, ISSN 1220-6830, p. 12-17, 2001;

143) Comănescu, D., Comănescu, A., About Vibrations in the Storage Devices, The Romanian Review of Precision Mechanics, Optics & Mechatronics, Nr. 5/2001, ISSN 1220-6830, p. 17-25, 2001;

144) Comănescu, D., Comănescu, A., Asupra mecanismelor spaŃiale specifice joy-stick-urilor, The Romanian Review of Precision Mechanics, Optics & Mechatronics, Nr. 5/2001, ISSN 1220-6830, p. 25-32, 2001;

145) Comănescu, D., Comănescu, A., Asupra sistemelor de antrenare specifice imprimantelor cu jet de cerneală, The Romanian Review of Precision Mechanics, Optics & Mechatronics, Nr. 5/2001, ISSN 1220-6830, p. 32-36, 2001;

146) Comănescu, D., Comănescu, A., Some Characteristics of the Head-Hard-disk Interface, SYROM 2001, ISBN 973-8143-26-8, vol. IV, p. 119-124, 2001;

147) Comănescu, D., Comănescu, A., On the Air-Slider Bearings Dynamics for Peripheral Devices, SYROM 2001, ISBN 973-8143-26-8, vol. IV, pp. 113-118, 2001;

148) Comănescu, D., Comănescu, A., On the Slider Bearing Stability During Contacts Between Head-Hard-disk, SYROM 2001, ISBN 973-8143-26-8, vol. IV, p. 125-130, 2001;

149) Comănescu, D., Comănescu, A., Considerations about the air film hydrodynamic lubrication for peripheral devices (Part I), Proc. of the Annual Symposium of the Institute of Solid Mechanics of Romanian Academy, ISSN 1223-7140, p. 323-330, Bucharest, May 24-25, 2001;

150) Comănescu, D., Comănescu, A., Considerations about the air film hydrodynamic lubrication for peripheral devices (Part II), Proc. of the Annual Symposium of the Institute of Solid Mechanics of Romanian Academy, ISSN 1223-7140, p. 331-336 Bucharest, May 24-25, 2001;

151) Comănescu D, Dinescu D, Hard-disks mechanisms costructive solutions and rigid magnetic disks external memory modules optimization , Scientific Journal of Romanian Society of Mechatronics, no 2, pages 15-18 ,ISSN 1583-7653, 2005

152) Comănescu D, Ruxandra I, Software application for optimising the external memory modules with rigid disks through multicriterial methods , Scientific Journal of Romanian Society of Mechatronics, no 2 , pages 19-22 ,ISSN 1583-7653,2005

153) Comănescu , D. M., ș.a., BENCHMARKING – Analiza și Competitivitate, Editura Universitara, 2008

154) Comănescu , D. M. – Tehnici multimedia, Editura Universitară, 2009 155) Constantinescu, V.N., AplicaŃii industriale ale lagărelor cu aer, Edit. Acad., 1968; 156) Constantinescu, V.N., AplicaŃii industriale, ale lagărelor cu aer, Edit.Acad.,1968; 157) Constantinescu, V.N., ConsideraŃii asupra lubrificaŃiei tridimensionale în regim turbulent,

SCMA, 4, 1093, 1959; 158) Constantinescu, V.N., Dynamic Stabilily of Gas Lubricatcd Bearings,

Rev.Mec.Appl.Sci.Techn., IV, 4, 627, 1959; 159) Constantinescu, V.N., Gălctuşe, S.,On the Determination of Friction Forces in Turbulent

Lubrication, ASME Trans., 1965; 160) Constantinescu, V.N., LubrificaŃia cu gaze, Edit.Acad., 1963; 161) Constantinescu, V.N., Nica, Al., Pascovici, M., Ceptureanu, Gh., Nedelcu, St., Lagăre cu

alunecare, Edit.Tehnică, 1980; 162) Constantinescu, V.N., Sur l'etude de la lubrication en regime non permanent,

Rev.Mec.Appl.Sci.Techn., II, 2, 97, 1957; 163) Constantinescu, V.N., Teoria lubrificaŃiei în regim turbulent, EditAcad., 1965;

Page 450: CartedlComanescu Bun v1

450

164) Davidoviciu, A., Diatcu, E., Freidzer, E., Filippov, I.R., Minicalculatoare și microcalculatoare în conducerea proceselor industriale, Edit.Tehnică, 1983;

165) Davies, D.W., Barber, L.D.A., ReŃele de calculatoare şi protocoalele lor, Edit.Tehnică, 1983;

166) De Fernel, B., LajoioMarzeno, M., Speed Control of AC Autopiloted Machines, Proc.of ICEM, London, 1984;

167) Demian, T., Drăgoi, G., Alexandrescu, N., Sistem de comandă pentru reglarea turaŃiei la un motor de curent conŃinu, MEKO'91, Bucureşti, 1991;

168) Demian, T., Drăgoi, G., Avram, M., Sistem de comandă pentru reglarea turaŃiei motoarelor de curent continuu, MERO'91, 387, 1991;

169) Demian, T., Drăgoi, G., Enică, M., Controlul și comanda motoarelor electrice cu ajutorul microcalculatoarelor, Rev.Rom.Mec.Fină, AMFOR, 4, 443, 1994;

170) Demian, T., Mecanisme sf elemente constructive de mecanică fină, Edit. Didactică şl Pedagogică, 1970;

171) Demian, T., Nitu, C., ImplicaŃii constructive ale fenomenului de impact asupra capetelor de imprimare matricială cu ace, Rev.ConstrucŃia de maşini, dec. 1982;

172) Demian, T., Pascu, A., Lagăre și ghidaje pentru aparate, Edit. Acad., 1980; 173) Dodescu,G.,Informatica, Ed.ŞtiinŃifica şi Enciclopedică, Bucharest, 1987; 174) Dragoş, L., Magnetodinamica fluidelor, Ed.Academiei, Bucharest, 1969; 175) Dragănescu, M., Ştefan Odobleja și raportul dintre om şi maşină, ICI, Bucharest, 1977; 176) Drăgoi, G., Guran, M., Sisteme, integrate de producŃie asistate de calculator, Ed.Tehnică,

1998; 177) Drăgoi, G., Mocanu, S., Servo Electric Actuator - Modeling and Simulating, Intern

.CAD/CAM Conf. Bucharest, 1994; 178) DudiŃă, F., Diaconescu, D., Mecanisme articulate, Edit.Tehnică, 1989; 179) DudiŃă, F„ Diaconescu, D., Optimizarea structurală a mecanismelor, Edit.Tehnică, 1987; 180) Dumitrescu, D., Hariton, C., ReŃele neuronale, Teora, Bucharest, 1999; 181) Dupont, E., Contribution a l'etudc d'un systeme informatique d'aidc a la conception de

produits mecaniques par la prise en compte des relations fonctionelles, These de doctoral, l’Ecole Centrale de Paris, 1991;

182) Eastman, C., Fereshetian, N., Information Models for Use in Product Design: A Comparison, CAD Journal, 26, 7, 551, 1994;

183) Engelberger, F.J., Robotics in Practice, Averbury Publishing Comp., London, 1990; 184) Erlas, C., Jones, J., The Engineering Design Process, John Wiley & Sons Inc., New York,

1994; 185) Fabrycky, W.J., Blanchard, B.S., Life-Cost and Economic Analysis, Prentice-Hall,

Englewood Cliffs, NJ, 1991; 186) Feher, K., Advanced Digital Communications, Pretince-Hall, 1987; 187) Feigenbaum, A.V., Total Quality Control, McGraw-Hill, New York. 1983; 188) Ferrett, G., Maffezoni, C., Magniani, G., Joint Stiffness Estimation Based on Force

Sensor Measurements, Journal of Dynamic Systems Measurement and Control, 116, 163, 1994;

189) Florentiu, A., Comănescu, D., Comănescu, A., Dispozitive de suspensie, titular de brevet Uzina de Autoturisme Piteşti, 1975;

190) Flores, J., Data Base Architecture, Van Nastrand Reinhold Comp., 1986; 191) French, M.J., Invenlion and Evolution: Design in Nature and Engineering, Cambridge

University Press, 1990; 192) Fu, K.S., Gonzales, R.C., Lee, C.S.G., Introduction to Robotics: Control, Vision and

Intelligence, McGraw-Hill, New York, 1987;

Page 451: CartedlComanescu Bun v1

451

193) Gallangher, R.H., Oden, J.T., Taylor, C., Zienkiewicz, O.C., Finite Elements in Fluids, vol. 1-2, John Wiley, 1975;

194) Gallangher, R.H., Zienkiewicz, O.C.Oden, J.T., Morandi-Cecchi, M., Taylor, C., Finite Elements in Fluids, vol.3-4, John Wiley, 1982;

195) Gary, B.S., Computer Concepte, Boyd & Fraser Publ.Comp., 1990; 196) Gatzen, H.H., Hughes, G,F., Flight Attitude and Takeoff/Landing Behavior of a

Miniature Winchester Head for Rolary Actualors, STLE Special Publication 22, 133, 1987, Society for Tribology and Lubrication Engineers;

197) Gavat, I., Zirra, M., Grigore, O., Valsan, Z., Sabac, B., Cula, O., Pascu, A., Elemente de sinteza și recunoaşterea vorbirii, Ed.Printech, 2000;

198) Gavrilă, H., Chiriac, H., Ciureanu, P., IoniŃă. V., Yelon, A., Magnetism tehnic și aplicat, Ed. Academiei Române, 2000;

199) Gavrilă, H., Ciureanu, P., Rev.Roum.Sci. Techn., 30, l, 15, 1985; 200) Geber, I. & col., Echipamente periferice, vol.I, II, Edit. Tehnică, 1981; 201) Ghodssi, R., Seireg, A„ Denton, D.D., An Experimental Technique for Measuring Rolling

Friction in Micro-Ball Bearings, Procc. IFTOMM Micromechanism Symp., Tokyo, 1991; 202) Gimencs, C., Mateescu, A., Electronique, Phisique et Signal pour les

Telecommunications, Ed. Tehnică, 1997; 203) Grant, E.L., Leavenworth, U.S., Statistical Quality Control, McGraw-Hill, New York,

1988; 204) Grassman, J.W., Powell, J.W., Gas Lubricated Bearings, Butterworths, London, 1964; 205) Grave, H.F., Măsurarea electrică a mărimilor neelectrice, Edit.Tehnică, 1966; 206) Grecu, E., Asupra preciziei de transmitere a semnalelor la mecanismele cu camă utilizate

în aparate şi echipamente periferice, Rev.ConstrucŃia de maşini, dec. 1982; 207) Grecu, E., Comănescu, D., Lucrări de laborator la echipamente pentru prelucrarea datelor

şi periferice de calculator, UPB, 1983; 208) Grecu, E., Curs de echipamente periferice pentru calculatoare, I.PB, 1985; 209) Grecu, E, Note de curs la disciplina "Echipamente periferice pentru calculatoare", 1993-

94; 210) Gross, W.A., A Gas Lubrication Study, IBM Journal of Researches and Dev., 3, 256,

1959; 211) Gross, W.A., Film Lubrication, Unsteady Bearing Films and Bearind Systems, IBM

Research Report, 1960; 212) Gross, W.A., Fluid Film Lubrication, .John Wiley & Sons, Inc., New York, 1980; 213) Gross, W.A., Investigations of Whirl in Externally Pressurized Air Lubricated, Journal

Bearings, Trans.ASME, JBE, 84, l, 1962; 214) Grove, K.F., Lee, C., Bogy, D.B., Documentation, Explanation, and Convergence Tests

for Static and Dynamic Slider Bearing Simulation Computer Programs, Techn.Report No.13, center for Magnetic Recording Research, Univ.of California, San Diego;

215) Gruber H. , “The Economics of Mobile Telecommunications”, Cambridge Publishing House, 2005;

216) Guran, M., Drăgoi, G., Etude de la qualite dans la phase de conception, Vol. "Conception Integree des systemes mecaniques et mecatroniques, Bucharest, 1996;

217) Guran, M., Filip, F., Donciulescu, A., Orăşanu, L., Hierarchical Optimization in Computer Aided Dispatcher Systems in the Process Industry, Large Scale Systems, 8, 157, 1985;

218) Guran, M., Filip, F., Sisteme ierarhizate în timp real cu prelucrarea distribuită a dalelor, Edit.Tehnică, 1986;

219) Guran, M., Proiectarea asistată de calculator în sistemele de fabricare moderne, Rev. Economică, 26, 198-1;

Page 452: CartedlComanescu Bun v1

452

220) Hammer, Michael, and Champy, James, Reengineering the Corporation: A Manifesto for Business Revolution. New York: Harper Collins; 1993;

221) Handra-Luca, V., Stoica, A., Introducere în teoria mecanismelor, EditDacia, 1983; 222) Hax, A.C., Majluf, N.S., The Strategy Concept and Process: A Pragmatic Process,

Prentice Hall, New York, 1991; 223) Heike,H.D.,Târcolea,C., Grundlagen der Wahrscheinlichkeitsrechnung und der Statistik,

Verlag Oldenbourg Munchen, Wien, 2000; 224) Hellerman, H., Digital Computer System Principle, Mc. Graw-Hill, New York, 1985; 225) Hicks, C.R., Fundamental Concepts in the Design of Experiments, Holt, Rinehart &

Winston, New York, 1982; 226) Hill, T., Manufacturing Strategy: Texts and Cases, Irvin, Boston, 1989; 227) Hillier, F.S., Lieberman, G.J., Introduction to Mathematical Programming, Mc. Graw-

Hill, New York, 1990; 228) Hinke, H, Fuller, D.D., Evaluation of Friction and Wear Characteristic of Materials for

Gas Lubricated Bearings, Gas Bearing Symp., Southampton, 1967; 229) Hinton, F., Owcn, D.R.J., Taylor, C., Recent Advances in Nonlinear Computational

Mechanics, Pineridge Press, Swansea, 1982; 230) Hubka, V., Principles of Enginceering Design, Butterworths, London, 1982; 231) Hugh, Mc., Magnetic and Electrostatic Bearings, Trans.ASME, D, 16, 1968; 232) Hurwicz, Michael, Behind the Benchmarks, Byte April: 75-81; 1998; 233) Igarashi, L, Microsensor and its Applications, Proc.IFTOMM Micromechanism Symp.,

Tokyo, 1991; 234) Iliuc, I, Tribologia straturilor subŃiri, Edit.Acad., 1974; 235) Itoh, T., Hasegawa, K., Itoh, K., Okamura, M., Ultra-Miniature Electromagnetic Motor,

Proc. IFTOMM Micromechanism Symp., Tokyo, 1991; 236) Iwasaki, S. & col., JF.ffl Trans.Magn., Mag.-19, 5, 1713,1983; 237) Jeffrey, A., Magnetohydrodynamics, Oliver and Boyd Ltd., Edinburgh and London, 1966; 238) Johan de Gelas, Ace’s Guide to Memory Technology, John Wiley, New York, 2001; 239) Juvinall, R.C., Marshek, K.M., Fundamentals of Machine Component Design, John

Wiley, New York, 1991; 240) Kanchi, M.B., Matrix Methods of Structural Analysis, John Wiley, 1982; 241) Karlin, S., McGregor, J., The classification of Birth and death Processes,

Trans.Amer.Math.Soc., V, 1986; 242) Kawakubo, Y., Seo, M„ Tokuyama, M., Tanaka, K., Head Contact Pressure and Slow

Speed Sliding Test on Coated Magnetic Disk. JEEE Trans.Magnetics. Mag.-23, 3438, 1987; 243) Kirsch, St., Six Types of Mice Offer Range of Options for Easy Cursor Control,

Computer Technology Review, summer 1984; 244) Kita, T., Kogure, K., Mitsuya, Y., Nakanishi, T., Wear of the Flying Head of a Magnetic

Disk File in Mixed Lubrication, ASLF, Special Publ. 16, 3S40, Oct., 1984; 245) Kono, K., Sakata, O., Kinoshita, Y., Ito, K., On the Unstable Vibrations of an

Asymmetrical Rotor with Variable Moments of Inertia, Proc.of World Congress on TMM, Prague, 1991;

246) Kozanek, J., On Identification of Evolutive Dynamic Systems, Proc.of Workl Congress on TMM, Prague, 1991;

247) Kuhn, E.C., Coopcr, G.D., Some factors Affecting Performance of Large Pivoted Pad Thrust Bearings, Lubr. Eng., 15,9, 1999;

248) Kuo, B.C., Kelemen, A., Trifa, V., Sisteme de comandă şi reglare incrementală a poziŃiei, Edit.Tehnică, 1987;

249) Jones N, “Management Training”, PHS 2004 250) John L ,Eeckhout L , “Performance Evaluation and Benchmarking” ,CRC Press 2006

Page 453: CartedlComanescu Bun v1

453

251) Lallemand, J.P., Zegliloul S., Robotique, Masson, Paris, 1994; 252) Latanyi, D.I., Effects of Temporal TangenŃial Bearings Accelerations on Performance

Characteristics of Slider and Journal Bearings, NACA TN 1730, 1948; 253) Le Borgue, M., Ibara, J., Adaptive Control of High Velocity Manipulators, 11th

Intern.Symp.on Ind.Robots, Tokyo, 1981; 254) Leopard, A., Direct Lubrication for Tilting-pad Thrust Bearings, Tribology, Novem.,

1970; 255) Lewis, R.W., Morgan, K., Johnson, J.A., Sinith, W.R., Computational Techniques in Heat

Transfer, Pineridge Press, Swansea, 1984; 256) Lizy Kurian John, Lieven Eeckhout, Performance, Evaluation and Benchmarking,

Published by CRC Press Taylor & Francis Group, 2006 257) Lu Carry, The Apple MacIntosh Book, Microsoft Press, 1993; 258) Lyman, F.A., Şaibei, E.A., Transient Lubrication of an Accelerated Infinite Slider, ASLE,

4, 108, 1961; 259) Marinescu, A., Comănescu, D., ContribuŃii la analiza termocinematică a mecanismelor

spaŃiale cu bare articulate:, SYROM'73, Bucureşti, 1973; 260) Mateescu, A„ Bănica, I., Borcoci, E., Marghescu, I., Rădulescu, T., Negrescu, C.. Zoican

S., Zoican, R., Dragiu, I., Sisteme și reŃele, Ed.Tehnică, 1999; 261) Mateescu, A., Ciochina, S., Dumitru, N., Scrbanescu, A., Stanciu, L., Prelucrarea

numerică a semnalelor, Ed.Tehnica, 1997; 262) Mătieş, V., Mecatronica, Ed.Dacia, Cluj-Napoca, 1998; 263) Meyer, B., Object-Oriented Software Construction, Prentice-Hall, 1988; 264) Michaet, W.A., Small Transient and Periodic Squeeze Motions in Parallel Gas Fims, IBM

Research Report, 1961; 265) Microsoft Company, Microsoft Office 97, 1997; 266) Microsoft Company, Windows 97, 1997; 267) Mueller, S., PC Depanare şi Modernizare, Ed.Teora, 1997; 268) Mueller, S., Zacker, C,, PC Depanare şi Modernizare, Ed.Teora, 2000; 269) Neale, M.I., Tribology Handbook, London, Butterworths, 1973; 270) Ng, C.W., Dubois, E.B., Linearized Turbulent Lubrication Theory, ASME Paper, 1964; 271) Ng, C.W., Fluid Dynamic Foundation of Turbulent Lubrication Theory, ASLE Paper,

1964; 272) Nishihira, H.S., Dorius, L.K., Bolasna, SA, Best, G.L., Performance Characteristics of the

IBM 3380 J and K Air Bearing Design, STLE Special Publication 22, 117, 1987, Society for Tribology and Lubrication Engineers;

273) Oprean, A., AcŃionări hidraulice, Edit.Tehnică, 1976; 274) Orcutt, F.K., Experimental Studios of a Partial Arc Pad Bearing in the Super-Laminar

Flow Regime, MTI Report, 63, 56, Novem., 1963; 275) Pan, C.H.T., Sternlicht, B., On the transitory Whirl Motion of a Vertical Rotor in Plain

Cylindrical Gas-Dynamic Journal Bearings, Trans.ASME, JBE, 84,1, 152, 1962; 276) Parker, D., Starrett, B., CD-ROM, Edit.Teora, 1997; 277) Patterson, D., Hennessy, J.L., Compute Architecture - A Quantitative Approach, Morgan-

KaufmannPubl.Inc., San Matei, CA75, 1990; 278) Păunescu F. & col., Sisteme cu prelucrare distribuită a datelor, Edit.Tehnică, 1993; 279) Pană, A., Ionescu, B., Mareş, V., Birotica, ALL, Bucharest, 1996; 280) Pavelescu, D., Tribologie, Edit. Didactică şi Pedagogică, 1977; 281) Pelecudi, Chr., Precizia mecanismelor, Edit. Acad., 1975; 282) Pinkus, O., Slernlicht, B., Theory of Hydrodynamic Lubrication, McGraw-Hill, New

York, 1961;

Page 454: CartedlComanescu Bun v1

454

283) Ponnaganti, V., Kane, T.B., Whitc, J.W., Mechanics of Head-Disk Contact/Impact in Magnetic Recording, JEEE Trans.Magnetics, Mag.-23, 3435, 1987;

284) Ponnaganti, V., Kane, T.B., White, J.W., Simulation of Head-Disk Collisions in Magnetic Recording, STLE Preprint No.87, Society for Trîbology and Lubricaîion Engineers;

285) Pruner, D., Wilkey, P., Optical Mouse Provides Higher Quality Cursor Control, Computer Technology Review, summer 1983;

286) Pust, I,., Similarily Methods in Micromechanisms, Proc.IFTOMM Micromechanism Symp., Tokyo, 1991;

287) Radcenco, V., Alexandrescu, N., Ionescu, E., Ionescu, M., Calculul şi proiectarea elementelor şi schemelor pneumatice de automatizare, Edit.Tehnică, 1985;

288) Rădoi, M., Deciu, E., Voiculescu, D., Elemente de vibraŃii mecanice, Edil .Tehnică, 1973; 289) Rao, B.V.A., Rao, S.S.C., Towards Reliable Micromechanism Motion Dynamics,

Proc.IFFOMM Micromechanism Symp., Tokyo, 1991; 290) Rao, S.S., The Finite Element Method in Engineering, Pergamon Press, New York, 1982; 291) Reklaitis, G.V., Ravindran, A., Ragsdell, K.M, Engineering Optimization: Methods and

Applications, JohnWiley, 1983; 292) Robinson,J.,C.L., Cameron, A,, Studies in Hydrodynamic Thrust Berings, Phil.Trans.of

Royal Soc.of London, A, 278, 1283, 1975; 293) Rosch, W.L, Totul despre Hardware, Ed.Teora, Bucharest, 1999; 294) Sandor, G.N., F.rdman, A.G., Advanced Mechanism Design -Analysis and Synthesis,

Prentice-Hall, 1986; 295) Scurtu, V., Russu, C., Popescu, I., BENCHMARKING-Teorie şi aplicaŃii, Editura

Economică, 2006; 296) Seireg, A., Micromechanisms; Future Expectations and Design Technologies,

Proc.IFTOMM Micromechanism Symp., Tokyo, 1991; 297) Seneviratne, L.D., Jiang, K., Earles, S.W., A Fast Collision Avoidance Algorithm for a

Rectangular Object, Proc.of World Congress on TMM, Prague, 1991; 298) Smith, M.I., Fuller, D.D., Journal Bearing Operation at Super-Laminar Speeds, ASME

Trans., 78, -169, 1956; 299) Somnea, D., Calciu, M., Dumitrescu, E., Birotica, Ed.Tehnică, 1998; 300) Staicu, Şt., Dinamică şi elemente de mecanica fluidelor, UPB, 1973; 301) Streeter, V.L., Handbook of Fluid Dynamics, Mc.Graw-Hill Book Comp., 1961; 302) Tanenbaum, A.S., ReŃele de calculatoare, Computer Press Agora, 1998; 303) Tao, L.N., A Theory of Lubrification in Short Journal Bearings with Turbulent

Flow,ASMETrans., 80, 1734, 1958; 304) Târcolea, C., Paris, A., Drăgoi, G., Etude de la qualite dans la phase de conception-

modele de type Taguchi multidimensionnel, Module d'enseignement francophone "Conception integree des systemes mecatroniqiues intelligents", Module d'enseignement francophone en Roumanie, October, Bucharest, 1997;

305) Târcolea, C., Filipoiu A., Bontaş, S., Tehnici actuale în teoria fiabilităŃii, Edit.Stiin.şi Enciclopedică, 1989;

306) Trufaşu, A.O., NoŃiuni fundamentale aplicate in optica tehnică, Ed.77 Bren, Bucureşti, 2000;

307) Trufaşu, A.O., Chistensen, G-, Inmagazinarea optică - o metodă de stocare superdensă, Rev.Rom.Mecanica fină şi optică, nr.l6, 1999, pp. 1638-1641;

308) Trufasu, A.O., Chistensen, G., Determinarea calităŃii unui CD player în regim individual, Proc.of Intern.Symp.of Quality and Standardization, The Romanian Revew of Precision Mechanics,Optics & Mechatronics, Sept.1999, pp.181-184;

309) Tseng, R.C., Talke, F.E., Transition from Boundary Lubrication to Hydrodynamic Lubrication of Slider Bearings, IBM, J.Res.Dev., 18, 6, pp. 534-540, 1974;

Page 455: CartedlComanescu Bun v1

455

310) VLSI and Computer Peripherals-Annual European Conference, 1987-1989; 311) Voinea, R., Atanasiu, M., Metode analitice noi în teoria mecanismelor, Edit.Tehnică,

1964; 312) Voinea, R., Bratosin, D., Elemente de mecanica mediilor continue, Ed.EX PUNTO, 2000; 313) Voinea, R., Stroe, I., Sisteme dinamice, UPB, 1994; 314) Voinea, R„ Voiculescu, D., Ceauşiu, V., Mecanica, Edit. Didactică şi Pedagogică, 1975; 315) Vuzitas, G., Anghelescu, A., Ionescu, I., Memoria între medicină şi biologie, psihologie

şi filozofie, Ed.ŞtiinŃă şi Tehnică, Bucharest, 1998; 316) Voinea, R., Voiculescu, D., VibraŃii mecanice, UPB, 1979; 317) Voinea, P. Radu, Stroe, V. Ion, Introducere în Teoria Sistemelor Dinamice, Editura

Academiei Române, 2000; 318) Weicker, Reinhold P, “An overview of common benchmarks“, Cambridge Publishing

House 2006; 319) White, J., JEEE Trans.Magn., Mag.-20, 5, 930, 1984; 320) White, J.W., Nigam, A., A Factored Implicit Scheme for the Numerical Solution of

Reynolds Equation at Very Low Spacing, J.Lubr.Technol, 102, l, 80,1980; 321) Wiener, N., Cibernetica, Ed.ŞtiinŃifică, Bucharest, 1966; 322) Wong V, Kotler Ph, Amstrong G,Saunders J “Principiile Marketingului”, Editura Teora,

Bucuresti, 2000 323) Yamagata, Y., Higuchi, T., Micro Motion Mechanism Using Reactional Force by Rapid

Deformations of Pieizoelectric Elements, Proc. ITOMM Micromechanism Symp., Tokyo, 1991.

324) Xiaolan Zhang, Application-Specific Benchmarking - Harvard University Cambridge, Massachusetts, May, 2001

Page 456: CartedlComanescu Bun v1

456

Cuprins 1. Mecatronica – O concepŃie orientată spre dezvoltarea produselor IT ....................... 6

1.1. Mecatronica - concept general......................................................................... 6 1.2. Sistem mecatronic – evoluŃie, caracteristici, clasificare .................................. 8 1.3. Caracteristicile mecatronicii .......................................................................... 12 1.4. Clasificarea sistemelor mecatronice ..............................................................13 1.5. Integrarea în mecatronică. Concept şi modalităŃi .......................................... 16

1.5.1. Conceptul de integrare .............................................................................. 16 1.5.2. ModalităŃi de integrare.............................................................................. 16

1.6. ConsideraŃii generale privind proiectarea sistemelor mecatronice ................ 19 2. Sisteme de calcul. Sisteme de conducere ................................................................ 22

2.1. Principalele componente ale unui sistem de operare ..................................... 30 2.2. Resursele fizice ale unui sistem de calcul...................................................... 31

2.2.1. Memoria.................................................................................................... 31 2.2.2. Microprocesorul........................................................................................ 33 2.2.3. Dispozitive de stocare (memoria secundară) ............................................ 33 2.2.4. Dispozitive de intrare/ieşire ...................................................................... 34 2.2.5. Dispozitive de interfaŃă ............................................................................. 34 2.2.6. Software.................................................................................................... 35

2.3. Structura hardware a calculatorului ............................................................... 36 2.3.1. Magistrale de informaŃii............................................................................ 41

2.3.1.1. Magistrala procesorului ............................................................................ 41 2.3.1.2. Magistrala memoriei, magistrala de adrese............................................... 45 2.3.1.3. Magistrala I/0 (magistrala de intrare - ieşire a datelor) ............................. 46

2.4. Echipamente periferice .................................................................................. 49 2.4.1. Echipamente periferice pentru intrarea datelor ......................................... 50 2.4.2. Echipamente periferice pentru ieşirea datelor........................................... 51 2.4.3. Echipamente periferice de stocate o datelor (memorii externe)................ 51

2.5. Sisteme informaŃionale portabile de prelucrare o datelor .............................. 52 2.5.1. GeneralităŃi ............................................................................................... 52 2.5.2. Tipodimensiuile sistemelor informaŃionale mobile (portabile)................. 53 2.5.3. Hardware - ul sistemelor portabile (mobile) ............................................. 54

3. Plăci de bază............................................................................................................ 70 3.1. Definire, caracteristici, soluŃii constructive ................................................... 70 3.2. Componentele plăcilor de bază...................................................................... 75

3.2.1. Seturile de cipuri ....................................................................................... 75 3.2.1.1. EvoluŃia seturilor de cipuri........................................................................ 75 3.2.1.2. Seturile de cipuri Intel............................................................................... 77 3.2.1.3. Seturile de cipuri AMD Athlon/Duron ..................................................... 79 3.2.1.4. Arhitectura North/South Bridge................................................................ 79

3.2.1.4.1. Arhitectura centralizată (hub)................................................................ 80 3.2.2. Soclurile sau sloturile procesoarelor ......................................................... 81

3.3. Plăci de bază actuale...................................................................................... 86 3.3.1. Plăci de bază cu chipset Intel din seria x965............................................. 86 3.3.2. Plăci de bază cu chipset Intel p43 ............................................................. 87 3.3.3. Plăci de bază cu chipset Intel p45 ............................................................. 88 3.3.4. Plăci de bază cu chipset Intel X48 ............................................................ 92 3.3.5. Plăci de bază cu chipset Intel X58 ............................................................ 94

Page 457: CartedlComanescu Bun v1

457

4. Procesorul, tipuri de procesoare .............................................................................. 95 4.1. Procesoare PENTIUM I................................................................................. 98 4.2. Procesoare PENTIUM II ............................................................................. 104

4.2.1. Procesoarele PENTIUM III .................................................................... 108 4.2.2. Procesoare PENTIUM IV....................................................................... 115

4.3. Procesoarele DUAL-CORE......................................................................... 118 4.3.1. AMD ATHLON 64 X2 DUAL-CORE................................................... 119 4.3.2. Studiu de caz: testarea procesorului AMD ATHLON 64 X2 4800+ ...... 121 4.3.3. INTEL PENTIUM D (DUAL CORE) .................................................... 125

4.3.3.1. Studiu de caz: procesorului INTEL PENTIUM D.................................. 128 4.4. INTEL şi procesoarele cu mai mult de 2 nuclee.......................................... 129

4.4.1. Procesorul cu patru nuclee - KENTSFIELD........................................... 130 4.4.1.1. Procesorul destinat platformelor server cu şase nuclee........................... 132

4.4.2. AMD şi procesoarele cu mai mult de 2 nuclee ....................................... 133 4.4.2.1. AMD şi potenŃialul procesoarelor STEPPING B3.................................. 133

4.4.3. Procesoarele OPTERON cu 6 şi 12 nuclee ............................................. 136 4.4.4. AMD SHANGHAI, procesorul cu 12 nuclee ......................................... 137 4.4.5. Procesoare pentru platforme de calcul mobile........................................ 138

4.5. Performanțele microprocesoarelor............................................................... 140 5. Sisteme de răcire a componentelor din cadrul sistemelor de calcul ...................... 147

5.1. Cauzele acumulării de căldură..................................................................... 147 5.2. Cauzele tipice defectării sistemului de răcire .............................................. 149 5.3. Răcirea sistemului de calcul ........................................................................ 150

5.3.1. Răcirea cu aer ......................................................................................... 150 5.3.2. Răcirea prin submersiune în lichid.......................................................... 150 5.3.3. Reducerea căldurii reziduale................................................................... 151 5.3.4. Răcirea conductivă şi prin radiaŃie.......................................................... 151

5.3.4.1. Răcirea pasivă cu radiatoare ................................................................... 151 5.3.4.2. Răcirea activă cu radiatoare .................................................................... 152 5.3.4.3. Răcirea cu element Peltier sau TEC........................................................ 152 5.3.4.4. Răcirea cu apă ......................................................................................... 153 5.3.4.5. Răcirea cu tuburi termice ........................................................................ 154 5.3.4.6. Răcirea prin schimbare de fază ............................................................... 154 5.3.4.7. Răcirea software ..................................................................................... 154

5.3.5. Transferul căldurii................................................................................... 155 5.3.5.1. Transferul căldurii prin conducŃie........................................................... 156 5.3.5.2. RezistenŃa termică de contact.................................................................. 160 5.3.5.3. Transferul căldurii prin convecŃie ........................................................... 161

5.3.5.3.1. ProprietăŃile fluidului .......................................................................... 162 5.3.5.3.2. Regimul de curgere al unui fluid......................................................... 163 5.3.5.3.3. Stratul limită........................................................................................ 163

5.3.5.4. NoŃiuni de teoria similitudinii ................................................................. 165 5.3.6. Dispozitive de răcire pentru echipamente electronice............................. 168 5.3.7. Dispozitive cu nervuri plane răcite prin convecŃie forŃată ...................... 169 5.3.8. Dispozitive de ventilaŃie pentru echipamente electronice....................... 171

5.3.8.1. Clasificarea ventilatoarelor ..................................................................... 173 5.4. łevi termice (Heat Pipe).............................................................................. 174

5.4.1. Originile Ńevilor de căldură ..................................................................... 177 5.4.2. AplicaŃii şi limit ări ale Ńevilor de căldură................................................ 178 5.4.3. Răcirea componentelor din cadrul sistemelor de calcul.......................... 179

Page 458: CartedlComanescu Bun v1

458

5.4.4. FuncŃionarea tuburilor termice................................................................ 185 5.4.4.1. Caracteristicile fluidului de lucru............................................................ 190 5.4.4.2. Căptuşeala sau structura capilară ............................................................ 191 5.4.4.3. Clasificarea în funcŃie de tipul regulatorului........................................... 195 5.4.4.4. AcŃiunea capilara .................................................................................... 197 5.4.4.5. Limitele transferului ............................................................................... 199

5.4.4.5.1. Limita capilară .................................................................................... 200 5.4.4.5.2. Limita de fierbere ................................................................................ 205 5.4.4.5.3. Limita de antrenare.............................................................................. 206 5.4.4.5.4. Limita vâscoasă ................................................................................... 208 5.4.4.5.5. Limita sonică ....................................................................................... 209 5.4.4.5.6. Limita condensorului........................................................................... 211 5.4.4.5.7. Rezistența termica a unui tub termic ................................................... 212

5.4.5. Indicele de performanŃă .......................................................................... 214 5.4.6. Fiabilitatea tuburilor termice................................................................... 216

6. Memoria ................................................................................................................ 218 6.1. Memoria convenŃională (de bază) ............................................................... 218

6.1.1. Zona de memorie superioară................................................................... 218 6.1.2. Zona de memorie înaltă, memoria extinsă .............................................. 220 6.1.3. Memoria expandată................................................................................. 220 6.1.4. Memoria fizică ........................................................................................ 221 6.1.5. Cipurile RAM ......................................................................................... 222 6.1.6. Bancuri de memorie................................................................................ 223 6.1.7. Arhitectura memoriei RAM.................................................................... 228 6.1.8. LăŃimea de bandă în cazul aplicaŃiilor reale............................................ 233 6.1.9. SoluŃii pentru transferul cu memoria ...................................................... 235 6.1.10. Tehnologii de fabricare a memoriilor actuale ......................................... 236

6.1.10.1. Magistrala de 128 bit .............................................................................. 237 6.1.10.2. HSDRAM ............................................................................................... 237 6.1.10.3. ESDRAM................................................................................................ 237 6.1.10.4. VC SDRAM............................................................................................ 238 6.1.10.5. Direct Rambus DRAM (DRDRAM) ...................................................... 238 6.1.10.6. DDR SDRAM......................................................................................... 239 6.1.10.7. InovaŃii, noi produse pe piaŃa memoriilor ............................................... 247

6.1.10.7.1. Memorii Kingmax Mars DDR2-1066............................................... 247 6.1.10.7.2. Chainteh APOGEE GT DDR2 800+ CL4 ........................................ 248 6.1.10.7.3. Memorii DDR3 cu răcire lichidă ...................................................... 248

7. Sursa de alimentare şi carcasa............................................................................... 251 8. Sisteme de stocare a datelor .................................................................................. 255

8.1. GeneralităŃi .................................................................................................. 255 8.1.1.1. OperaŃii cu date:...................................................................................... 255 8.1.1.2. Echipamente de stocare a datelor:........................................................... 255

8.2. UnităŃi Hard-disk ......................................................................................... 257 8.2.1. Variante pentru drive-uri IDE. ................................................................ 262 8.2.2. Variante pentru drive-uri SCSI. .............................................................. 263

8.3. Compact Disc-uri......................................................................................... 265 8.3.1. Discul compact audio.............................................................................. 268 8.3.2. Buffer-Under-Run................................................................................... 270

8.3.2.1. CD-RW şi CD-RW/DVD-ROM............................................................. 275 8.3.2.2. CD-ReWritable ....................................................................................... 275

Page 459: CartedlComanescu Bun v1

459

8.3.2.3. DVD........................................................................................................ 275 8.3.2.4. DVD-uri inscriptibile .............................................................................. 275

8.3.2.4.1. DVD-Recordable................................................................................. 276 8.3.2.4.2. DVD-RAM.......................................................................................... 276 8.3.2.4.3. DVD-RW şi DVD+RW ...................................................................... 276

8.3.3. Aspecte teoretice şi constructive............................................................. 276 8.3.3.1. Tipărirea şi spaŃiile de date. purtătorii de informaŃii ............................... 277 8.3.3.2. Principiile stocării optice de date............................................................ 278

8.3.4. Tehnologia .............................................................................................. 284 8.3.4.1. Densitatea datelor şi mărimea spotului ................................................... 284 8.3.4.2. Înregistrarea termică ............................................................................... 285 8.3.4.3. Răspunsul de frecvenŃă şi egalizarea ...................................................... 285 8.3.4.4. Efectele defocalizării .............................................................................. 287 8.3.4.5. Servo – optici .......................................................................................... 288 8.3.4.6. Senzori de feedback ................................................................................ 289 8.3.4.7. Zgomot şi instabilitate ............................................................................ 293 8.3.4.8. Codarea şi formatarea de date................................................................. 294 8.3.4.9. ConfiguraŃii pentru suportul optic........................................................... 295 8.3.4.10. Surse laser............................................................................................... 296

8.3.5. FuncŃionare ............................................................................................. 297 8.3.6. Sisteme viitoare....................................................................................... 298

8.3.6.1. Caracteristici ale pistei............................................................................ 300 8.3.6.2. SuprafaŃa inelară de stocare a datelor şi înălŃimea pistei ........................ 303

8.3.7. Limite de difracŃie pentru înălŃimea pistei şi densitatea liniară a datelor 304 8.3.7.1. Calculul exact al lungimii spiralei ..........................................................306

8.3.7.1.1. Metode alternative de estimare a lungimii de pistă ............................. 307 8.3.8. Optimizarea inscripŃionării datelor ......................................................... 309

8.3.8.1. Capacitatea de inscripŃionare a imaginilor.............................................. 310 8.3.8.2. Studiu comparativ al performanŃelor CD, CD-RW şi DVD ................... 311

8.3.8.2.1. DiferenŃe între discurile CD-R/CD-RW şi CD standard ..................... 311 8.3.8.2.2. Discurile CD-R şi CD-RW.................................................................. 312

8.3.8.3. Teste comparative ................................................................................... 315 8.3.8.3.1. Teste comparative pentru CD-ROM ................................................... 315

8.3.8.4. Teste comparative pentru DVD-ROM.................................................... 316 8.3.9. Memorii holografice ............................................................................... 317

8.4. Caracteristicile unităŃii................................................................................. 324 8.4.1. Sistemul optic ......................................................................................... 324

8.4.1.1. Semnale de monitorizare/poziŃionare /SDI ............................................. 325 8.4.1.2. Modulatorul spaŃial de lumină ................................................................ 325

8.4.2. Descrierea generală a discului ................................................................ 326 9. Adaptoare video .................................................................................................... 328 10. Modemuri ......................................................................................................... 346 11. Imprimante ....................................................................................................... 348

11.1. Hârtia ........................................................................................................... 348 11.2. Cerneala....................................................................................................... 349 11.3. Imprimante inkjet ........................................................................................ 349

11.3.1. CompoziŃia tuşurilor inkjet ..................................................................... 351 11.3.2. ProprietăŃile tuşurilor inkjet .................................................................... 352 11.3.3. InteracŃiunea tuş / hârtie în procesul de imprimare inkjet ....................... 354

11.4. Imprimante laser şi fotocopiatoare .............................................................. 355

Page 460: CartedlComanescu Bun v1

460

11.4.1. Încărcarea................................................................................................356 11.4.2. Expunerea ............................................................................................... 356 11.4.3. Developarea ............................................................................................ 357 11.4.4. Transferul................................................................................................ 357 11.4.5. Contopirea (fuzionarea) .......................................................................... 357 11.4.6. CurăŃarea................................................................................................. 358 11.4.7. Exemplu constructiv ............................................................................... 359

12. Scanerul............................................................................................................ 363 12.1. Datele de ieşire ............................................................................................ 363 12.2. Exemplu constructiv .................................................................................... 364 12.3. Alimentatorul automat de documente.......................................................... 366 12.4. MultifuncŃionale .......................................................................................... 367

13. Camere web, foto şi video digitale ................................................................... 369 13.1. Introducere................................................................................................... 369 13.2. Factori şi parametri semnificativi ................................................................ 369

13.2.1. Megapixeli .............................................................................................. 369 13.2.2. Lentilele .................................................................................................. 370

13.3. Timpul de răspuns ....................................................................................... 371 13.3.1. Blitzul ..................................................................................................... 371 13.3.2. Carduri de memorie ................................................................................ 371 13.3.3. Formatul fişierului de imagine................................................................ 373 13.3.4. Conectarea la calculator.......................................................................... 373

13.4. Camere web ................................................................................................. 374 13.4.1. Prezentarea principalilor parametrii........................................................ 374

13.5. Camere foto digitale .................................................................................... 375 13.5.1. RezoluŃia ................................................................................................. 375 13.5.2. Optica...................................................................................................... 375

13.6. Camere video digitale .................................................................................. 376 13.6.1. Control calitativ al imaginii .................................................................... 378 13.6.2. Stabilizarea imaginii ............................................................................... 379 13.6.3. Standarde internaŃionale.......................................................................... 382 13.6.4. SoluŃii constructive, inovaŃii, apariŃii și tendinŃe în domeniul camerelor video digitale 384

14. BENCHMARKING - proces de evaluare a competitivităŃii ............................ 393 1.1. Etapele procesului de benchmarking ........................................................... 397

14.1.1. Analiza performanŃelor şi identificarea cauzelor de varianŃă.................. 398 14.1.1.1. Diferitele tipuri de diferenŃe.................................................................... 399

14.1.1.1.1. DiferenŃă negativă ............................................................................. 399 14.1.1.1.2. Nu există nici o diferenŃă .................................................................. 399 14.1.1.1.3. DiferenŃa pozitivă ............................................................................. 399

14.1.1.2. Analiza comparativă de interval ............................................................. 399 14.1.1.2.1. Analiza calitativă a oportunităŃii ....................................................... 399 14.1.1.2.2. Măsura numerică a performanŃei ...................................................... 399 14.1.1.2.3. Identificarea metodelor de referinŃă .................................................. 400 14.1.1.2.4. Fixarea nivelurilor de performanŃă ...................................................400 14.1.1.2.5. Planificarea intervalelor de performanŃă ........................................... 400 14.1.1.2.6. Fixarea obiectivelor .......................................................................... 402 14.1.1.2.7. Stabilirea obiectivelor funcŃionale .................................................... 403 14.1.1.2.8. Obiectivele funcŃionale şi benchmarkingul....................................... 403

14.1.1.3. Dezvoltarea unui plan de acŃiune ............................................................ 404

Page 461: CartedlComanescu Bun v1

461

14.1.1.3.1. Determinarea metodei....................................................................... 405 14.1.1.3.2. Aplicarea metodei ............................................................................. 405 14.2. PredicŃii asupra aspectelor cantitative de apreciere a calităŃii produselor.... 406

14.2.1. Metode multiatribut ................................................................................ 406 14.2.2. Metode de evaluare a coeficienŃilor de importanŃă ................................. 410

14.2.2.1. Metoda vectorului propriu ...................................................................... 411 14.2.2.2. Metoda celor mai mici pătrate ................................................................ 413 14.2.2.3. Metoda entropiei ..................................................................................... 414 14.2.2.4. Metoda LINMAP.................................................................................... 415

14.3. Metoda ELECTRE generalizată şi versiunile acesteia ................................ 419 14.4. Metode multicriteriale FUZZY de apreciere a calităŃii................................ 428

14.4.1. Metoda maximin FUZZY ....................................................................... 428 14.4.2. Metoda ponderării simple aditive FUZZY.............................................. 431 14.4.3. Metoda ELECTRE FUZZY.................................................................... 433 14.4.4. Metoda diametrelor FUZZY................................................................... 435 14.4.5. Metodă de tip FUZZY pentru cazul determinist ..................................... 437 14.4.6. Testarea performanŃelor sistemelor de calcul (benchmark) .................... 439

14.4.6.1. Exemple: ................................................................................................. 441 14.4.6.1.1. Testarea performanŃei procesorului................................................... 441 14.4.6.1.2. Testarea performanŃei plăcii grafice ................................................. 442

15. Bibliografie....................................................................................................... 444