Un computer, orice computer, pentru a funcționa are nevoie doar de un microprocesor și de memoria RAM, microprocesorul cerând codul de program din memorie și executându-l (facem abstracție de BIOS) în acest model simplificat.

Astfel, prin intermediul acestui articol vom răspunde la întrebările următoare:

1. Cum funcționează un SSD (Solid State Drive)?
2. Cum funcționează un memory stick pe USB?
3. Sunt posibile și alte tipuri de stickuri, pe alte porturi?

1. Funcționarea unui dispozitiv de memorie externă oarecare

Pentru a putea povesti despre modele specifice de subsisteme de memorie externă, este necesar să ne însușim modelul generalist de funcționare a unui dispozitiv oarecare de memorie externă.

Pentru aceasta vom porni de la schema următoare:

Schema de funcționare a unui generic dispozitiv de memorie externă (de exemplu SSD) și schema de funcționare a unui stick de memorie pe USB

Astfel, explicația modelului general de funcționare pentru memoriile externe este următoarea:

Computerul (0) trimite cererea (1) către circuitul de memorie externă (A), la controllerul de magistrală externă și control (2), prin intermediul porturilor fizice electro-mecanice (3) și (4).

Controllerul (2) nu doar că asigură suportul de magistrală externă, ci asigură și controlul dispozitivelor din dispozitivul de memorie externă (A). De aceea, controllerul (2) va trimite cererea (5) către dispozitivul de acces la memorie (6) care va cere (8) datele (10) prin intermediul interfeței de acces (7) la memoria Flash (9).

Răspunsul memoriei (9) la cererea (8) va fi sub forma (11) care ajunge la circuitul de acces la memorie (6) prin intermediul interfeței de acces (7), iar de acolo este trimis mai departe la controllerul principal (2) prin intermediul semnalului (12) și, mai departe, răspunsul (13) la cererea (1) trece înapoi la computer (0) prin interfața electro – mecanică (3) și (4).

Glosar:

0. Computerul la care este conectat circuitul de memorie externă.

1. O cerere oarecare de date, de exemplu un fișier, venit [de la computer (0).

2. Microcontrollerul principal al circuitului de memorie externă, microcontroller ce asigură atât funcționarea corespunzătoare a circuitului de memorie externă, cât și interfațarea electrică și logică la interfață, orice model ar fi aceasta.

3. Ansamblu sau subansamblu electro-mecanic (mufă) specific tipului de interfață al portului pe care îl deservește (COM, LPT, USB, FireWire, IDE, SATA, PCI etc), conectat la computer (0).

4. Ansamblu sau subansamblu electro-mecanic (mufă) specific tipului de interfață al portului pe care îl deservește (COM, LPT, USB, FireWire, IDE, SATA, PCI etc), conectat la dispozitivul de memorie externă (A).

5. O cerere oarecare, de exemplu o literă dintr-un fișier text (10), către circuitul de control al memoriei (9).

6. Circuit de interfață și acces la memorie, un circuit de timp controller de memorie specific microcontrollerului generalist (2), circuit de acces ce are rolul de a converti cererile logice ale microcontrollerului (2) în cereri specifice tipului și capacității circuitului de memorie (9). Pentru aceasta, circuitul de acces poate folosi și o interfață de acces la memorie (7).

7. Interfață de acces la memoria Flash (9). Aceasta are atât rol de conversie electrică a semnalelor (8) și (11), unde este cazul, cât și de buffer (memorie tampon). Într-un exemplu ulterior vom vedea de ce este importantă această componentă.

8. Cerere de date de la o adresă specifică (10) adresată circuitului de memorie (9).

9. Circuitul de memorie al dispozitivului de memorie externă. Pentru exemplificare și datorită faptului că sunt cele mai răspândite pentru acest tip de aplicație, am preferat să spun că avem de-a face cu un circuit de memorie Flash. Însă nu este obligatoriu, circuitele de memorie auxiliară putând fi implementate și cu alte tehnologii (SD, RAM, EEPROM etc).

10. Un fișier oarecare (text, să zicem) care se întinde pe mai multe adrese de memorie, deci având mai mulți bytes. Când se face citirea fișierului (10), microcontrollerul (2) îi cere circuitului de acces la memorie să îi trimită în ordine conținutul de date al tuturor adreselor de memorie (9) în care se află

11. Răspunsul memoriei la cererea (8), respectiv o parte din conținutul fișierului (10) stocat în memorie (9).

12. Răspunsul circuitului de interfață și acces la memorie (6) la cererea (5) a microcontrollerului (2).

13. Răspunsul microcontrollerului (2) dat computerului (0) la cererea (1), răspuns ce trece și el ca și cererea (1) prin mufele (3) și (4). Răspunsul acesta (13) este considerat răspunsul dispozitivului de memorie externă.

Astfel, ținând cont de cele spuse mai sus, am putea avea mai multe astfel de circuite de memorie externă (hard diskurile și restul unităților cu piese mișcătoare vor fi dezbătute separat):

• Flash drive pe portul serial RS232 (COM) sau RS432. Cred că ar putea fi realizate și în casă, cu un microcontroller programabil (PIC?) pentru microcontrollerul principal (2) și ceva controller de memorie pentru circuitul de acces la memorie (6) în funcție de care se va alege și tipul constructiv al memoriei (9). În acest caz, (3) și (3) sunt mufele specifice conectorului serial.
  • Dezavantaje:
    • Computerele moderne nu dispun de un port serial COM.
    • Portul serial RS232 este foarte lent pentru standardele actuale, cu o viteză de până la 128 Kb pe secundă (16 KB/s).
    • Necesită alimentare separată.
  • Avantaje:
    • Pot fi folosite în sistemele mai vechi, de obicei în uz în procesele industriale.
    • Pot fi folosite pentru echipamentele industriale care dispun de asemenea porturi, cu software-ul potrivit, desigur.
• Flash drive pe FireWire (IEEE 1394). Există unele modele de dispozitive de memorie pe interfața aceasta numită FireWire.
  • Dezavantaje:
    • Necesită alimentare externă.
    • Număr redus de aplicații.
  • Avantaje:
    • Potrivit pentru multimedia.
• Flash drive pe portul paralel LPT. Teoretic, n-am văzut să existe, fiindcă viteza portului paralel este excesiv de mică.
  • Dezavantaje:
    • Viteza mică de transfer.
    • Număr redus de aplicații.
    • Portul nu prea se mai găsește în dotarea computerelor moderne.
  • Avantaje:
    • Totuși, unele computere vechi ar putea beneficia de așa ceva, nu știu.
• Flash drive pe PCI. Asta e tare, că e pentru aplicații speciale în supercomputing.
  • Dezavantaje:
    • Număr infim de aplicații.
    • Hardware foarte specific.
  • Avantaje:
    • Să pui un flash drive pe PCI pentru stocarea datelor intermediare din procesarea volumelor imense de date crește semnificativ performanțele supercomputerului.
• Flash drive pe IDE sau SATA, cunoscute popular și sub denumirea de SSD (Solid State Drive). Principial, sunt niște dispozitive de memorie externă optimizate pentru a înlocui hard diskurile, altfel respectând perfect algoritmul de mai sus.
  • Dezavantaje:
    • Prețul prohibitiv pentru capacități mari.
  • Avantaje:
    • Nu au părți în mișcare.
    • Viteză mare sau foarte mare de transfer al datelor.
    • Totuși, se pot face și în casă.

2. Funcționarea unui stick de memorie pe USB

Computerul (0) face o cerere (18) către controllerul stickului de memorie (19) care are și funcție de control al transferurilor de pe magistrala USB, controller (19) care, mai departe, în funcție de tipul cererii furnizează o nouă cerere, sau serie de cereri (20), către circuitul de interfață la memorie (21).

Preluând cererea (20) de la micrcontrollerul principal (19) al stickului de memorie (B), circuitul de acces la memorie (21) o interpretează și formulează o serie de cereri (23) către memoria flash (24) care răspunde la aceste cereri citind varii adrese de memorie (25), stocându-le în buffer-ul (22) și returnând semnalul electric și informațional pe calea inversă.

Evident, informația se întoarce pe calea inversă, astfel că în practică nu avem căi diferite pentru cereri și răspunsuri de date, însă din motive de ușurință a explicației am recurs la acest truc de a adăuga elemente în plus.

Acestea fiind zise, calea inversă, de la memoria flash (24) este prin răspunsul (26) dat controllerului de acces la memorie (21) prin bufferul de memorie (22), apoi prin răspunsul (28) la cererea (20) dat microcontrollerului principal (19) de controllerul de acces la memorie (21), microcontrollerul principal (19) urmând să furnizeze pe interfața USB răspunsul (28) la cererea (18) făcută de computerul (0).

Glosar:

0. Computerul la care este conectat circuitul de memorie externă.

14. Pinul de alimentare (+) al conectorului USB, important de menționat pentru a evidenția faptul că aceste dispozitive de memorie externă nu necesită alimentare separată, ci sunt alimentate direct din conector.

15. Pinul de alimentare (-) al conectorului USB, important de menționat pentru a evidenția faptul că aceste dispozitive de memorie externă nu necesită alimentare separată, ci sunt alimentate direct din conector.

16. Conectorul USB al computerului (0).

17. Conectorul USB al stickului de memorie pe USB (B).

18. O cerere oarecare făcută de computerul (0) pentru un fișier de pe stickul de memorie (B) .

19. Microcontrollerul principal al stickului de memorie (B). De obicei este un microcontoller echipat cu un dispozitiv de tip UART programat să facă transferuri între subsisteme diferite (USB și magistrala internă a stickului de memorie).

20. O cerere oarecare făcută de către microcontollerul principal (20) către circuitul de acces la memorie (21).

21. Circuitul de acces la memorie are rolul de a converti cererile venite de la microcontrollerul principal (19) în cereri către circuitul de memorie (paritatea nu este musai de 1 la 1, prima adresă accesibilă nu este musai să fie zero șamd).

22. Blocul de buffer al circuitului de acces la memorie (21), având rolul de prelua datele provenite cu mare viteză de la circuitul de memorie (24) pentru a nu gâtui performanțele circuitului de acces la memorie (21).

23. Cererea conținutului uneia sau mai multor adrese de memorie, în acest caz o parte din conținutul unui fișier text. (25).

24. Memorie flash, un circuit electronic de mare densitate care conține una sau mai multe matrici de conductor la intersecția cărora se află celule de memorie, de obicei regula de aproximare a numărului de componente de pe cipul de siliciu fiind cu cel puțin 50% mai mare decât numărul de biți de memorie. De exemplu un cip cu o capacitate de 4 GB are 32 Gb de date capacitate, ceea ce înseamnă că cipul de siliciu are în jur de 50 de miliarde de componente pe el. Destul de impresionant.

25. Adrese de memorie ce conțin datele fișierului cerut (18) de computer (0).

26. Răspunsul la cererea (23). În practică, se folosește calea inversă, nu o cale separată.

27. Blocul de conversie din bytes sosiți de la memorie – se vede că liniile (23) și (26) sunt groase, semn că transportă mai mulți biți – în biți care merg la circuitul UART din microcontrollerul principal (19). Acest bloc poate să aparțină și de microcontrollerul principal (19) nu doar de circuitul de acces la memorie (21), caz în care circuitului UART din microcontrollerul principal (19) îi sunt servite date în mod paralele, nu serial. Indiferent, ieșirea din UART spre USB este serială. Cum este construită magistrala internă între (19) și (21) este de interes doar din motive de performanță internă.

28. Răspunsul la cererea (20). În practică, se folosește calea inversă, nu o cale separată.

29. Răspunsul la cererea (18). În practică, se folosește calea inversă, nu o cale separată.

Un nano-supercomputer este un sistem de calcul cu dimensiuni semnificativ mai mici decât un supercomputer, dar care folosește una dintre topologiile logic-funcționale ale supercomputerelor.

Ținând cont că tehnica nano-supercomputerelor este un subiect nou din punct de vedere tehnic, îndrăznesc a spune că e chiar inedit,  vreau să vă povestesc despre cum funcționează și cum se construiește un astfel de supercomputer mai de grabă rudimentar, și chiar dacă în acest caz avem de-a face cu un nano-supercomputer, principiile tehnicii supercomputerelor sunt, în general, aceleași.

În continuare, ca punct inițial al prezentării, vom vedea că topologiile logic-funcționale sunt modele de conectare a unităților de procesare, în speță computere sau microprocesoare. Astfel, vom începe frumoasa noastră prezentare cu fundamentul unui nano-supercomputer, respectiv celula super-computațională care, la rândul ei, este formată din noduri computaționale, adică din nano-computere.

Pentru exemplul nano-supercomputerului Corvina-1 (da, i-am dat și un nume, chiar dacă nu este decât un model virtual, neimplementat) s-ar putea folosi nano-computerul Raspberry Pi, versiunea A (fără LAN) sau B (cu LAN și 256 MB RAM), un sistem de calcul de mici dimensiuni, cu următoarele proprietăți:

• CPU ARM 11
• 128 sau 256 MB RAM
• Conectivitate USB 2.0
• 10BaseT 10Mbps LAN (RJ45)
• Suport card SD, pentru OS.

După cum spuneam, mai multe astfel de nano-computere se vor organiza sub forma unor entități funcțional-logice numite celule super-computaționale, despre care vom vorbi în continuare.

1. Celula super-computațională de tip 1

De departe, luând în considerare caracteristicile nano-computerului Raspberry Pi, cea mai simplă celulă super-computațională este cea în care pentru conectivitatea dintre computere vom folosi un hub USB cu mai multe porturi (în schema de mai jos sunt reprezentate doar patru, dar pot fi și șapte sau alți multipli de 2ⁿ-1, unde n<=7), hub USB comandat de un nano-computer, în timp ce interconectarea între celule se poate face folosind portul de rețea (RJ45) al standardului de rețea ethernet 10BaseT, cu o viteză de transfer de până la 10 Mb per secundă conectat sub formă de stea la un router Ethernet, ca în schemă.

Schema de principiu a unui supercomputer bazat pe nano-computerul Raspberry Pi, cu celule super-computaționale de tip 1, bazate pe structuri USB

Evident, două astfel de celule super-computaționale se pot conecta și direct, cum se poate vedea și în schemă, folosind un cablu inversat RX/ TX pentru Ethernet.

Avantaje:

• facil de implementat;
• facil de înțeles;
• facil de comandat;
• viteză mare de conectare între noduri (nano-computere), de până la 480 Mb per secundă.

Dezavantaje:

• transferurile prin USB vor solicita intens memoria RAM, sarcina computațională fiind îngreunată sau întreruptă în timpul transferului de date;
• O astfel de arhitectură nu este optimizată pentru ceva anume (procesare rapidă sau lucrul cu bucăți de date dinamice cu schimbare rapidă) fiind, de aceea, cel mai puțin performantă dintre celulele super-computaționale.

2. Celula super-computațională de tip 2

Ca și celula super-computațională de tip 1, și celula super-computațională de tip 2 are o structură ierarhică în care un nod (nano-computer) numit Stăpân (Master) comandă funcționarea nodurilor adiacente numite Sclavi (Slave) conectate la același router Ethernet, în timp ce interconectivitatea între celulele super-computaționale este realizată prin intermediul router-ului.

Celulă super-computațională de tip 2, cu o structură de tip Stăpân/ Sclav (Master/ Slave) printr-un router Ethernet

Avantaje:

• fiabilitate crescută;
• structură orientată spre procesare;

Dezavantaje:

• cost mai ridicat din cauza faptului că este necesară folosirea multor routere Ethernet;
• fiind orientată spre procesare, nu este optimă pentru transferul de date între noduri (din cauza vitezei de transfer de doar 10 MBps).

3. Celulă super-computațională de tip 3

La fel ca și celulele super-computaționale de tip 1 și 2, și celula super-computațională de tip 3 are o structură ierarhică de tip Stăpân/ Sclav care controlează nodurile adiacente conectate la router, deosebirea fiind că nodul (nano-supercomputerul) Stăpân asigură conectivitatea celulei super-computaționale.

Celulă super-computațională de tip 3, cu o structură de tip Stăpân/ Sclav (Master/ Slave) printr-un router Ethernet, conectivitatea între celule fiind făcută prin nodul Stăpân

Avantaje:

• structură specializată pentru procesare și adaptare rapidă;
• fiabilitate crescută;

Dezavantaje:

• cost mai crescut;
• management mai dificil.

4. Celulă super-computațională de tip 4

Spre deosebire de tipurile celulelor super-computaționale precedente, acest tip de celulă super-computațională nu este ierarhică, niciunul dintre nodurile de procesare nu este Stăpân pe celulă, fiecare nod având obligația să funcționeze conform unor reguli clar definite.

În acest tip de celulă super-computațională, comunicația dintre celule este asigurată de un router, structura fiind optimizată pentru procesare.

Celulă super-computațională de tip 4, având o structură de tip non-Master/Slave, în acest caz funcționarea corectă a nodurilor fiind dată de o aplicație software ce rulează în fiecare nod (nano-computer)

Avantaje:

• numărul de noduri de procesare este identic cu numărul de noduri din rețeaua computațională, deci nu se “pierde” nimic pentru management.

Dezavantaje:

• software semnificativ mai complex;
• neoptimizat pentru transferul unor seturi mari de date;

5. Celulă super-computațională de tip 5

Celula super-computațională de tip 5, este o structură hibridă ce înglobează într-o singură entitate două celule super-computaționale de tipuri diferite, de exemplu o celulă computațională de tip 1, cu o celulă computațională de tip 4 sau o celulă computațională de tip 2 sau 3 combinată cu o celulă de tip 1.

Pentru exemplificare, vom vorbi despre combinația de celule super-computaționale de tip 1 și 2. Astfel, într-o celulă super-computațională de tip 5, partea de comunicare între noduri se face printr-un router în care un nod este Stăpân și comandă funcționarea rețelei, prin router, însă în același timp același nod Stăpân comandă transferul de seturi de date prin comanda unui hub USB.

Celulă super-computațională de tip 5, având o dublă structură de tip Stăpân/ Sclav (Master/Slave), atât la nivel de comenzi (galben) transmise prin rețea, cât și la nivel de date (albastru închis) transmise prin USB, în acest caz datele fiind schimbate rapid, prin USB, în cadrul celulei super-computaționale, între noduri, respectiv lent între celule, prin Ethernet

O astfel de celulă super-computațională, deși complexă, are avantajul că elimină multe dintre neajunsurile modelelor secundare.

Avantaje:

• auto-optimizare dinamică pentru procesare sau transfer de seturi de date;

Dezavantaje:

• complexitate hardware și software crescută;
• complexitatea structurii este limitată la 127 de dispozitive conectate direct, conform specificațiilor USB;
• preț crescut.

Sigur, aceasta nu este o prezentare exhaustivă și ne vom opri aici cu prezentarea celulelor super-computaționale, întrucât există și alte tipuri posibile de conectări, cu avantaje și dezavantaje, eu dorind doar să evidențiez mecanismul combinărilor funcțional-logice.

Evident, în funcție de tipul constructiv al celulelor, conectarea se poate face, după cum am văzut, prin USB (la 480 Mbps) sau LAN 10BaseT (10 Mbps), sau combinat, desigur, respectând topologia USB care nu coincide cu cea Ethernet.

Astfel, cu titlu exemplificativ, o posibilă schemă de conectare a nodurilor și celulelor super-computaționale de tip 5 poate fi ca în figura următoare, unde nodurile computaționale sunt montate câte 127 pe un hub USB și grupate în celule super-computaționale de câte 8 noduri (mai puțin ultima, care are doar 7 noduri), astfel încât să se elimine neajunsurile lipsei de conectivitate USB între noduri:

Ghirlandă de celule super-computaționale conectate într-o structură cu 127 de noduri conectate pe un singur hub USB, cu nodurile grupate câte 8 într-o celulă (mai puțin ultima, în care sunt doar 7 noduri)

De asemenea, plecând de la acele structuri destul de simple numite celule super-computaționale, problema realizării unui supercomputer ieftin este mai de grabă o chestie de granularitate și performanță, decât de implementare fizică propriu-zisă, de exemplu structurile de mai sus putând fi grupate diverse structuri (arborescente, liniare), pentru optimizarea funcționării sistemului.

Firește, plecând de la schema anterioară putem granulariza supercomputerul în mod diferit:

• câte 7 pe un hub USB, hub-uri neconectate între ele, câte 8 pe router (structura asta e foarte interesant de studiat).
• câte 15 pe un hub USB, hub-uri neconectate între ele, câte 8 pe un router;
• câte 15 pe un hub USB, hub-uri neconectate între ele, câte 16 pe un router;
• câte 15 pe un hub USB, hub-uri neconectate între ele, câte 32 pe un router;

…

• câte 31 pe un hub USB, hub-uri neconectate între ele, câte 16 pe un router;
• câte 31 pe un hub USB, hub-uri neconectate între ele, câte 32 pe un router;
• câte 31 pe un hub USB, hub-uri neconectate între ele, câte 64 pe un router;

…

Da, imaginația combinată cu niște caracteristici tehnice este limita!

Cu speranța că v-a plăcut articolul, închei spunând că apariția pe piață a nano-computerului Raspberry Pi le va permite tuturor universităților să-și facă mici laboratoare de nano-supercomputing, chiar și în România, un astfel de supercomputer de complexitate și performanță medie putând costa cam cât un server oarecare. Imaginați-vă, doar, că fiecare universitate din România ar putea avea propriul laborator de informatică a supercomputerelor, dotat cu un supercomputer didactic!

Poate sunt doar un visător, dar cred sincer că un nano-computer poate deschide porți nebănuite pentru utilizarea supercomputerelor.

Voi ce părere aveți?

Pentru a explica modul în care funcționează o placă de sunet (sau principiul de funcționare al plăcilor de sunet), vom porni de la schema unui model abstractizat și generalist de placă de sunet, menit să acopere o plajă largă de modele (dar fără a avea pretenția de a fi un model exhaustiv).

Modelul abstractizat are următoarele caracteristici:

• (17) Ieșire Mono/ Stereo (line out, dar nu 2.1, 4.1, 7.1 și ce-o mai fi);
• Suport MIDI și gameport/ joystick (18);
• Intrare microfon (29);
• Intrare audio (30);
• Nu are musai suport DirectX sau MMX;
• Considerăm că placa a fost inițializată cu circuitul de BIOS (0), iar sistemul la care este atașată este pornit și funcțional.

Astfel, schema de funcționare a plăcii de sunet este următoarea:

Schema de funcționare a unei plăci de sunet abstractizate, unde săgeata înseamnă punctul de începere al unuia sau mai multor scenarii

Nu vă speriați, este mai simplu de folosit decât pare, deoarece pentru explicația funcționării plăcilor de sunet vom folosi câteva scenarii de funcționare:

1. Redarea unui fișier audio de pe hard disk (săgeata verde)
2. Înregistrarea sau redarea unui fișier MIDI (săgeata maro)
3. Preluarea semnalelor electrice de la joystick/ gameport (săgeata portocalie)
4. Înregistrarea sau redarea unui microfon (săgeata roz)
5. Înregistrarea sau redarea unui semnal audio din intrarea de sunet (săgeata albastră)

Se observă, deci, că s-au ales culorile standard ale plăcilor de sunet (verde, roz, albastru), pentru a ajuta la învățarea lor.

Fiecare link are setat câmpul de titlu, deci puteți pune mouse-ul deasupra linkului și fără să dați click veți vedea pe scurt, de obicei într-o propoziție, despre ce este vorba. Sigur, puteți să faceți și click pentru a aprofunda subiectul. Deh, beneficiile HTML-ului!

Acestea fiind spuse, să studiem un pic fiecare scenariu în parte.

1. Redarea unui fișier audio de pe hard disk

Urmărim linia verde punctată, începând de la săgeata verde din dreapta, marcată cu “X”:

1. Fișierul muzical (1) indiferent dacă este de tip WAV, MP3, MIDI sau altceva este decodificat matematic de către un decoder (2) (de obicei este software) și are rolul de a stoca pe hard diskul sistemului conținut informațional muzical.
2. Decoderul este funcția de decodificare matematică a șirurilor de biți folosind funcțiile de decodificare dintr-un codec (2) (coder/decoder), de obicei parte din sistemul de operare (3). Un codec este, deci, o colecție de subrutine (sub-programe) matematice cu aplicație în multimedia, ce folosesc matematica la codificarea și decodificarea șirurilor de biți în semnal audio inteligibil.
3. Sistemul de operare (3), indiferent că este Windows, Linux, MacOS sau altceva, printre alte funcții specifice o are și pe aceea de a prelua șirul decodificat de biți de la decoderul (2) și a-l trimite spre placa de sunet prin bufferul de magistrală (4).
4. Bufferul de I/O (Intrare/ Ieșire) de pe magistrală al PC-ului (4) comunică cu bufferul de de I/O (Intrare/ Ieșire) de pe magistrală al plăcii de sunet (9) prin intermediul unor circuite de intrare și ieșire de pe magistrală (5) și (6) controlate de două controllere de magistrală (7) și (8), unul pentru PC și unul pentru placa de sunet.
   1. Se observă, de aici, că un sistem de calcul, zis și computer, este format din subsisteme, astfel că subsistemul numit placă de bază comunică cu subsistemul numit placă de sunet prin intermediul magistralei care interconectează cele două subsisteme.
   2. Sistemele de calcul speciale sau avansate folosesc mai multe astfel de memorii tampon (de unde și denumirea de buffer), cu acces direct la memorie (DMA – Direct Memory Access), fapt ce le permite efectuarea de golire sau umplere a bufferului fără intervenția directă a microprocesorului. Tehnic se spune că microprocesorul a fost degrevat de sarcina de a umple bufferul, efectuând cereri repetate către memoria RAM, astfel că microprocesorul se poate ocupa de operațiuni mai dificile, cum ar fi calculele matematice.
5. Circuitul de I/O (Intrare/ Ieșire) de pe magistrală (5) este un dispozitiv cu mai multe stări (0,1 și înaltă impedanță), dispozitiv ce asigură proprietățile electrice pentru semnalul electric transportat pe magistrală. Acest circuit, aflat pe placa de bază a computerului, este controlat de către controllerul de magistrală externă (7).
6. Circuitul de I/O (Intrare/ Ieșire) de pe magistrală (6) este un dispozitiv cu mai multe stări (0,1 și înaltă impedanță), dispozitiv ce asigură proprietățile electrice pentru semnalul electric transportat pe magistrală. Acest dispozitiv, aflat pe placa de sunet, este controlat de către controllerul de magistrală al dispozitivului (8).
7. Controllerul de magistrală al plăcii de bază a PC-ului (7) comunică cu controllerul de magistrală al plăcii de sunet (8), aceștia stabilind când placa de sunet va avea controlul magistralei pentru a putea scrie sau citi date.
   1. Controllerele de magistrală permit conectarea mai multor dispozitive la aceeași magistrală, fiecărui dispozitiv fiindu-i alocat un timp de acces la magistrală, fie pentru citirea fie pentru scrierea datelor.
   2. Negocierea timpilor de acces pentru fiecare dispozitiv în parte face parte din protocolul magistralei, protocol ce asigură logica, corecția și evitarea conflictelor de pe magistrală.
   3. În general dispozitivele sunt conforme cu ordinele date de către controllerele de magistrală și nu vor folosi magistrala dacă nu le-a fost permis accesul la ea.
   4. Funcționarea necorespunzătoare a acestui dispozitiv va duce la apariția de conflicte irecuperabile pe magistrală, ducând la apariția unei erori de tip “ecran albastru”.
   5. Uneori, funcționarea necorespunzătoare a sistemului de operare (3) va duce la controlul necorespunzător al acestuia, ducând la apariția unor erori. Majoritatea nu sun grave, însă unele pot fi și irecuperabile, de tip “ecran albastru”.
   6. Controllerele de magistrală pot fi asimilabile unor bariere/ semafoare.
8. Controllerul de magistrală al plăcii de sunet (8) cere sau primește dreptul de a ordona scrierea sau citirea datelor pe și de pe magistrală de la controllerul de magistrală (7) de pe placa de bază a PC-ului .
   1. Funcționarea necorespunzătoare a acestui dispozitiv este echivalentă cu o defecțiune a plăcii de sunet.
   2. În anumite condiții placa de bază poate ordona, prin sistemul de operare (3), funcționarea necorespunzătoare a plăcii de sunet, ducând la apariția unei erori grave de tip ecran albastru.
   3. Apariția unei erori de tip ecran albastru nu înseamnă neapărat că placa de sunet s-a defectat, decât dacă aceasta apare în mod consistent, ci doar că au apărut condițiile unei erori.
9. Bufferul de I/O (Intrare/ Ieșire) (9) de pe magistrală are rolul de reține datele ce vor fi scrise către magistrală, respectiv de reține datele ce vor fi folosite către placa de sunet pentru generarea sunetelor. Acesta este comandat de controllerul de memorie tampon (11) al plăcii de sunet.
   1. Bufferele sunt niște dispozitive de memorie de tip RAM (constructiv, adică), de obicei de capacitate mică (8, 16, 32 sau 64 KB).
   2. Bufferele de I/O sunt necesare funcționării (semi)continue a plăcilor de sunet, în condițiile în care accesul la magistrală este discontinuu.
10. Controllerul principal al plăcii de sunet. Inițial acesta a fost un simplu microcontroller oarecare (cum sunt cele folosite la automatizarea proceselor industriale), dar apoi au devenit o categorie distinctă de microprocesoare dedicate, pentru plăcile de sunet mai performante. Circuitul de BIOS (0) este citit de către controllerul principal al plăcii de sunet (10) la inițializarea sistemului (așadar și a plăcii de sunet), programul din BIOS (0) fiind executat în funcție de necesități.
    1. Controllerul principal (10) are rolul de a asigura logica funcționării plăcii de sunet.
    2. Inițial, la începuturile epocii multimedia, erau folosite microcontrollere de uz industrial, întrucât acestea în mod frecvent dispun de intrări și ieșiri analogice și digitale, ceea ce înseamnă că inițial acestea cuprindeau niște mai de grabă rudimentare convertoare de tip analog-digital (AD) și digital – analog (DA) (13) pe lângă funcția logică asigurată de controllerul principal (10). Adică (10) și (13) erau în același cip de tip microcontroller.
    3. Majoritatea plăcilor de sunet sunt definite (și) de acest microcontroller.
11. Controllerul de memorie tampon (11) al plăcii de sunet are rolul de a asigura o funcționare semi-continuă a plăcii de sunet, prin aprovizionarea regulată cu date externe, în ciuda alimentării discontinue cu date de la și către computer. Pentru a degreva microcontrollerul principal al plăcii de sunet (10) de operațiile de încărcare și descărcare a memoriei tampon de acces la magistrală (9), plăcile de sunet moderne dispun de un controller de memorie tampon, mai ales la capacități mari ale bufferului.
12. Bufferul-ul de I/O (Intrare/ ieșire) (12) în și din convertorul analog-digital (AD) și digital – analog (DA) (13) are rolul de a-i asigura acestuia o funcționare cât mai lipsită de întreruperi, pentru o calitate cât mai fidelă a reproducerii audio. Și această memorie de tip buffer este comandată de către un controller de memorie tampon (11).
13. Convertorul analog – digital (AD) și digital – analog (DA) este dispozitivul care realizează conversia din semnal digital în semnal analogic și invers. În principiu, mecanismul de conversie este destul de simplu, fiind bazat pe un montaj special al unor rezistențe (de prag), astfel încât la trecerea curentului prin fiecare rezistență se realizează comutația unui semnal electric din 0 în 1, corespunzător valorii “semnalul este peste acest prag”.
    1. Evident, mai târziu au apărut și tehnici derivate mult mai complexe, cum ar fi folosirea sistemelor de praguri descrise mai sus petnru spectre de frecvență.
    2. De obicei aceste mecanisme sunt secrete comerciale.
    3. Numărul de praguri este direct proporțional cu numărul de biți de reprezentare a semnalului.
    4. La ieșirea din convertorul analog – digital (AD) avem un semnal digital  standard.
    5. La ieșirea din convertorul digital – analog (DA) avem un semnal audio destul de slab.
14. Etaj de preamplificare (14) a sunetului provenit de la una dintre surse, în acest caz de la convertorul digital – analog (DA) al blocului de conversie (13). Acesta este de obicei un amplificator operațional, iar în trecut era un tranzistor de mică putere (echivalent cu tranzistorii BD, pentru electroniști). Acesta are rolul de a amplifica semnalul audio (cam de 3 – 10 ori) până la un nivel potrivit pentru a fi introdus într-un etaj de amplificare. Fidelitatea preamplificării este un factor determinant pentru calitatea sunetului la ieșire. Factorul de preamplificare k1 este raportul aproximativ dintre intensitatea electrică a semnalului de ieșire și semnalul de intrare sau, altfel spus, semnalul de ieșire este semnalul de intrare înmulțit cu factorul de preamplificare k1. Factorul de preamplificare, atunci când este variabil, este controlat de controllerul de amplificare (16). De asemenea, fidelitatea sunetului la ieșirea din etajul preamplificator este direct proporțională cu inversul factorului de preamplificare, cu alte cuvinte cu cât factorul de preamplificare este mai mare, cu atât calitatea sunetului este mai mică.
15. Amplificatorul de sunet (15) preia sunetul preamplificat de la blocul de preamplificare (14) și-l amplifică semnificativ (50 – 300 de ori), astfel încât acesta să poată fi auzit în boxe, cu sau fără amplificare internă. În general, factorul de amplificare total este produsul dintre factorul de preamplificare k1 și factorul de amplificare k2, unde k2 este factorul de amplificare al blocului de amplificare. k2 este raportul dintre semnalul de ieșire și cel de intrare, respectiv semnalul de ieșire este semnalul de intrare multiplicat de k2 ori. Pentru controlul volumului, factorul de amplificare k2 este variabil, fiind controlat de controllerul etajelor de amplificare (16). La ieșire, fidelitatea sunetului este direct proporțională cu inversul factorului de amplificare. Cu alte cuvinte, cu cât amplificarea este mai mare, cu atât fidelitatea este mai mică.
16. Controllerul etajelor de amplificare are rolul de a controla funcționarea etajelor de amplificare, prin controlarea factorului de amplificare k1 ș k2 al fiecărui bloc. În trecut acesta este un montaj simplu ce avea și un potențiometru, la plăcile moderne fiind un circuit digitale ce controlează rezistențele amplificatoarelor operaționale, cu efect direct asupra factorului de amplificare.
17. Semnalul audio amplificat este preluat de la ieșirea etajului de amplificare și transmis la conectorul jack de 35 de milimetri de culoare verde de la ieșirea numită line out, de unde poate fi preluat fie de niște difuzoare, fie de niște căști sau chiar boxe.

Pe scurt, pentru redarea unui fișier audio în placa de sunet ruta informației este: (1) – (2) – (3) – (4) – (5) – (6) – (9) – (10) – (12) – (13) – (14) – (15) – (17).

2. Înregistrarea sau redarea unui fișier MIDI

Un fișier MIDI este un tip special de informație audio, întrucât acesta conține sunetele unor instrumente muzicale digitizate, denumirea de MIDI venind de la Musical Instruments Digital Interface.

Particularitatea unui fișier MIDI vine din faptul că acesta nu conține informații muzicale, ci conține informații despre evenimentele ce duc la formarea muzicii (apăsarea clapelor, tempo-ul, tonul, gama și așa mai departe). Este un fel de partitură muzicală, dacă vreți. Nu conține piesa, ci informații despre cum trebuie interpretată piesa.

Pornim de la săgeata maro din stânga sus:

18. Intrarea MIDI (18) a plăcii de sunet este conectată la un instrument muzical și, de acolo, semnalul este trimis la blocul de interfațare electrică MIDI/ gameport (19).

19. Blocul de interfață electrică MIDI/ gameport are rolul de a adapta semnalele provenite de la intrarea MIDI/ gameport în semnal digital compatibil cu electronica digitală a plăcii de sunet (tehnologia fiind de genul CMOS, TTL etc).

20. Blocul de discriminare logică (20) între semnalele MIDI și cele de la gameport, necesar pentru că atât intrarea MIDI cât și cea de la joystickul analogic (gameport) folosesc aceeași mufă, este, de obicei, o stare logică sau un subprogram care dirijează fluxul de informație spre interfața MIDI sau spre interfața analogică a portului de joystick (gameport) în funcție de ceea ce este necesar a se realiza.

• De obicei blocul acesta logic nu are echivalent fizici, fiind o subrutină (sau o colecție de subrutine, subprograme) din programul de BIOS.
• Fiind un bloc logic implementabil în software, acesta poate fi implementat și direct din driver.
• Evident, este bine ca acest bloc să fie implementat în BIOS, pentru că atunci toate operațiunile sunt făcute de placa de sunet, fără intervenția și întreruperea sistemului de calcul.
  • Dezavantajul este că trebuie să știi ASM sau C.
  • Alt dezavantaj este că ai nevoie de mai mult spațiu în memoria EEPROM a BIOS-ului pentru a stoca mai multe subrutine.
  • Avantajul este că tehnicile de programare au mai evoluat și poți scrie subrutinele de BIOS în ce vrei tu, pentru că acum pot fi convertite în cod ASM (limbaj de asamblare).

21. Interfața MIDI asigură suportul specific pentru caracteristicile fișierelor și semnalelor MIDI.

A. Pentru înregistrarea fișierelor MIDI calea de urmat este, pornind de la săgeata maro (18), trecând prin interfața electrică (19), până la interfața MIDI (21), după care urmărim calea mov:

Din interfața MIDI (21) semnalul este trimis direct la microntrollerul plăcii de sunet (10) și, de acolo, este trimis la aplicația software (27) specifică, prin bufferele de magistrală (9) și (4) prin circuitele de acces la magistrală (6) și (5) , ajungând în prealabil și la sistemul de operare (3) (care le percepe ca pe niște stări ale unei intrări), unde are loc scrierea într-un fișier (1), fișier preluat apoi de aplicația software (27), în acest caz un editor muzical.

Pe scurt, pentru înregistrarea unui fișier MIDI calea de urmat este: (21) – (10) – (9) – (6) – (5) – (4) – (3) – (1) – (27).

B. Pentru redarea în timp real a sunetelor preluate de pe interfața MIDI, calea de urmat este, pornind de la săgeata maro (18), trecând prin interfața electrică (19), până la interfața MIDI (21):

Din interfața MIDI (21) semnalul digital merge la microcontrollerul principal al plăcii de sunet (10) de unde este trimis spre sintetizatorul MIDI (22) pe calea verde închis către convertorul digital – analog (13) de unde este  trimis spre blocul de preamplificare a sunetului (14), apoi spre blocul de amplificare a sunetului (15) și într-un final la ieșirea audio (17).

Pe scurt, pentru redarea în timp real a sunetelor MIDI, calea de urmat este: (21) – (10) – (22) – (13) – (14) – (15) – (17).

22. Sintetizatorul MIDI (22) covertește semnalele specifice MIDI în format digital capabil de a fi convertit în convertorul digital – analog (13), iar pentru asta folosește semnalul de la interfața MIDI (21) care în microcontrollerul principal al plăcii de sunet (10) determină schimbarea stărilor sintetizatorului care generează niște semnale digitale ce sunt transformate în sunete în convertorul digital – analog (13).

Pentru redarea muzicii MIDI (fișiere .mid) de pe hard disk, ruta de urmat, pornind de la săgeata din dreapta de culoare verde închis și marcată cu (31), este următoarea:

Fișierul .mid (1) este transferat spre magistrală prin intermediul sistemului de operare (3) care-l trimite la bufferul de magistrală (4), după care acesta circulă pe magistrală prin circuitele de acces la magistrală (5) și (6) la bufferul de magistrală al plăcii de sunet (9), de unde ajunge în sintetizatorul MIDI (22) prin intermediul controllerului plăcii de sunet (10), ieșirea din sintetizator fiind conectată la intrarea în blocul de conversie analog – digital (13), de unde este preluat de blocul de preamplificare (14) și trimis spre ieșirea audio (17) prin intermediul blocului de amplificare a sunetului (15).

Pe scurt, pentru redarea unui fișier MIDI (.mid) de pe hard disk, calea de urmat este: (1) – (3) – (4) – (5) – (6) – (9) – (10) – (22) – (13) – (14) – (15) – (17).

3. Preluarea semnalelor electrice de la joystick/ gameport

Joystickul analogic a devenit din ce în ce mai popular, odată cu dezvoltarea jocurilor pe calculator. Cum, însă, crearea unui port special pentru joystick s-a dovedit a fi un insucces economic, s-a studiat posibilitatea ca joystickurile analogice să folosească portul de intrare pentru MIDI, lucru care s-a dovedit atât fiabil cât și posibil.

23. Interfața analogică gameport are rolul de a asigura o serie de funcții de bază pentru citirea stării unui joystick analogic. Dacă la intrarea MIDI/ Gameport este conectată ieșirea unui joystick analog (28), după ce se realizează interfațarea electrică între semnale, iar blocul discriminator (20) decide că la intrare trebuie să citim un joystick, interfața gameport (23) este activată.

Pentru citirea stării joystickului, calea de urmat este, pornind de la săgeata din stânga sus de culoare portocalie și marcată cu (28):

La ieșirea acestei interfețe de gameport (23), cu un circuit electric mai de grabă banal, se află microcontrollerul principal al plăcii de sunet (10) care trimite niște semnale la sistemul de operare (3) prin bufferele de intrare/ ieșire din și de pe magistrală (9) și (4) prin circuitele de acces la și spre magistrală (6) și (5). Odată ajuns la la sistemul de operare (3), semnalul este transmis sub forma unui mesaj (de tip intern, printr-o schimbare a stării unui registru de memorie sau adrese de memorie) către aplicația software (27), în acest caz un joc.

Pe scurt, pentru citirea stării joystickului de către o aplicație, calea de urmat este: (23) – (10) – (9) – (6) – (5) – (4) – (3) – (27).

4. Înregistrarea sau redarea unui microfon

Computerele n-ar fi atât de distractive dacă nu ne-ar oferi posibilitatea să ne înregistrăm vorbirea folosind microfoane atașate la computere, astfel că orice sistem (semi)multimedia acceptă conectarea unui microfon extern.

24. Interfața de microfon (24) are rolul de a ajuta la generarea semnalelor electrice, atunci când un microfon este conectat la intrarea plăcii de sunet. Inițial acest bloc lipsea, pe vremea când singurele microfoane acceptate a fi conectate la un computer erau microfoanele cu membrană vibrantă (standard), însă odată cu răspândirea altor tipuri de microfoane (în special a celor cu grafit), a devenit necesară introducerea unui astfel de bloc. În continuare, multe plăci de sunet moderne nu îl au. Deci e opțional și are doar rolul de a îmbunătăți calitatea sunetului preluat de la microfon.

Pentru redarea unui sunet preluat de la microfon urmăm calea roz:

Semnalul de la microfon este preluat prin conectorul roz (29) al plăcii de sunet și prin blocul de interfață a microfonului (24) este trimis spre blocul de preamplificare a sunetului (14) de unde, mai departe, este amplificat în etajul de amplificare (15) și trimis spre ieșirea audio (17) a plăcii de sunet.

Pe scurt, pentru redarea unui sunet preluat de la microfon, calea de urmat este: (29) – (24) – (14) – (15) – (17).

Pentru înregistrarea unui sunet preluat de la microfon urmăm tot calea roz, cu atenție fiindcă în blocul de preamplificare (14) semnalul urmează o altă rută, deci:

Semnalul de la microfon este preluat prin conectorul roz (29) al plăcii de sunet și prin blocul de interfață a microfonului (24) este trimis spre blocul de preamplificare a sunetului (14) de unde, mai departe, este introdus în blocul de conversie analog – digital (13) de unde este preluat, prin bufferul de intrare/ ieșire (12), de către microcontrollerul principal al plăcii de sunet (10) și trimis la sistemul de operare (3) prin cele două buffere de magistrală (9) și (4) prin circuitele de acces la și dinspre magistrală (6) și (5), după care sistemul de operare (3) scrie rezultatul într-un fișier (1) după ce, în prealabil, acesta este codificat binar (matematic) într-un format oarecare (WAV, MP3, OGG etc) folosind partea de codificare dintr-un codec (2).

Pe scurt, pentru înregistrarea unui sunet preluat de la microfon, calea de urmat este: (29) – (24) – (14) – (13) – (12) – (10) – (9) – (6) – (5) – (4) – (3) – (2) – (1).

25. Blocul adaptor de impedanță (25) deservește intrarea de sunet line in (30) și care are rolul de a adapta electric semnalul de la intrarea în placa de sunet cu semnalul posibil de folosit în placa de sunet.

26. Interfața electrică de intrare a sunetului (26) are rolul de a normaliza semnalul provenit de la intrarea de sunet line in (30) adaptat prin adaptorul de impedanță (25), pentru a fi convertit de bloc de conversie analog – digital (13) fără a exista riscul arderii acestuia.

Desigur, între niște limite. Un semnal puternic la intrare va distruge placa de sunet.

5. Înregistrarea sau redarea unui semnal audio din intrarea de sunet

Intrarea de linie “line in” (30) este folosită pentru a-i permite computerului să fie aprovizionat cu sunet din surse audio standard (radio, casetofon, TV tuner, pickup etc) și care nu au proprietățile unui microfon (semnal slab, de exemplu). Astfel, folosind acest conector avem acces la posibilități nebănuite ale computerelor.

Pentru redarea unui sunet preluat prin conectorul line in (30), calea de urmat, cu albastru deschis, este:

Sunetul este preluat prin linia line in (30) și adaptat prin blocurile (25) și (26), după care este introdus în blocul de preamplificare a sunetului (14), fiind livrat la ieșirea audio (17) după ce este în prealabil amplificat de blocul de amplificare (15).

Pe scurt, pentru redarea unui sunet preluat prin conectorul line in (30), calea de urmat este: (30) – (25) – (26) – (14) – (15) – (17).

Pentru înregistrarea unui sunet preluat prin conectorul de line in (30), calea de urmat, cu albastru deschis, este:

Sunetul este preluat prin linia line in (30) și adaptat prin blocurile (25) și (26), după care ajunge la convertorul analog – digital (13) de unde este transmis către un fișier (1) al sistemului de operare (3), prin fragmentarea și trecerea prin bufferul de intrare/ ieșire (12) care deservește microcontrollerul principal al plăcii de sunet (10), microcontroller ce trimite semnalul digital către placa de bază a sistemului, prin bufferele de intrare/ ieșire pe magistrală (9) respectiv (4) deservite de circuitele de acces la magistrală (6) și (5). Astfel, fișierul (1) ajunge să conțină un flux de biți codificați de partea de codificare dintr-un codec (2), fișier (1) folosit de aplicația software (27), în acest caz, un program de înregistrare audio.

Pe scurt, pentru înregistrarea unui sunet preluat prin conectorul line in (30), calea de urmat este: (30) – (25) – (26) – (13) – (12) – (10) – (9) – (6) – (5) – (4) – (3) – (2) – (1).

27.  Aplicație software (27), alta decât driverul plăcii de sunet. În funcție de fluxul informațional, aceasta poate fi un player audio, un înregistrator de sunet sau chiar editor MIDI.

28. Intrare analogică pentru joystick.

29. Intrare pentru microfon (roz).

30. Intrare de sunet line in (albastru deschis).

31. Un caz special al lui (1).

În primul rând, primele mașini de calcul electrice foloseau mii și zeci de mii de lămpi, printre altele, care acționau un număr mare de relee. Releele se mai blocau, din când în când, când mai intra câte o insectă pe acolo, blocând contactele. De unde și denumirea de bug pentru problemele în software (deși inițial erau o problemă la hardware).

Apoi, lămpile sunt importante pentru că pot fi folosite la crearea unor circuite complexe, cea ce este evident din paragraful precedent. De fapt, lămpile electronice au fost folosite la crearea primelor computere, primelor radare, primelor stații de emisie-recepție, primelor televizoare și așa mai departe. Să nu uităm că tranzistorul a fost inventat abia în 1947.

Prin amabilitatea lui Iacob Laurențiu, și la sugestia lui Mihai Todor de aici, dați-mi voie să vă prezint câteva lămpi electronice în următoarea fotografie:

Lămpi electronice - de la stânga la dreapta avem 6J1P, 6N1P, ECC82, EF86, 6P1P, 6P36S și GU50

Sincer să fiu, nu prea am folosit lămpi și din listă singura lampă electronică pe care  cunosc este GU50, care pentru un radioamator ca mine este esențială, fiind folosită la amplificatoare de radio-frecvență de mare și foarte mare putere.

Nu-i rețin exact caracteristicile tehnice, au trecut ani de-atunci, totuși, dar știu că pentru o putere de emisie de 50 250 de wați era suficientă o lampă din asta GU50 de la Svetlana, probabil ultimul mare producător. Lămpile mai mici sunt luate din etajele intermediare ale diverselor dispozitive.

Corectură: GU50 poate emite 250W lejer, iar dacă e forțată se poate obține și mai mult. 50 W e puterea disipată sub formă de căldură.

Lămpile fiind pe gaz cu vid, pe lângă faptul că produc lumină și căldură, au și proprietatea că pot suporta curenți (în amperi, adică) la care tranzistorii cedează și se ard, de ordinul zecilor de amperi.

Corectură: Lămpile, în afară de câteva modele umplute cu gaze speciale, au vid în interior. Tranzistorii pot rezista la curenți mult mai mari decât lămpile, singurul avantaj la o lampă este ca în scurt-circuit nu se arde. (Nu știu să spun ce tranzistori de mare putere rezistă la așa curenți, n.b.)

Bine, se observă că unele au foiță de mercur, pentru a nu produce lumină excesivă și nu numai, deci s-ar putea să devină ilegale în Uniunea Europeană, dar hai să nu ne abatem de la subiect.

Corectură: Acea foiță, care de fapt este o depunere de impurități a electrozilor, nu este mercur, deși seamănă izbitor. Mai toate neoanele sunt cu vapori de mercur, deci întâi dispar neoanele, apoi lămpile. (Interesant, muream și nu știam că în lămpi are loc un fenomen electro-chimic interesant, prin care impuritățile electrozilor se depun pe pereții de sticlă, n.b.)

Denumirea de lampă electronică vine tocmai de la faptul că principiul lor de funcționare se bazează pe controlul proprietăților electrice ale unui gaz în care se descarcă niște curenți, influențând scurgerile de curent între mai multe puncte din lampă, scurgere de curent care generează lumină, întocmai ca la neon. Desigur, nu atât de puternică, fiindcă scopul nu era să lumineze.

Corectură: Aici, cum am subliniat mai sus, avem vid în lămpi, de aceea electronii circulă mult mai liber de la un electrod la altul, generând un pic de lumină galbenă (n.b.). Aceasta mai poate veni și de la electronii ce bombardează sticla, apărând o lumină albastră, dar de foarte slabă intensitate, ca în imagine:

Lămpi electronice aprinse (nu cunosc sursa imaginii, din păcate, să-i pun și link)

Lămpile electronice, după cum se vede, sunt niște dispozitive electronice complexe. De fapt, nu se mai studiază la nicio facultate din ce am înțeles, pentru că circuitele electronice bazate pe lămpi sunt prea complex de calculat.

Lămpile se introduc în niște socluri în anumite poziții (se observă dispunerea pinilor) și nu este bine să le pui altfel, să le întorci. Lămpile nu prea pățesc nimic, dar restul componentelor electronice discrete (condensatori/ capacitori, rezistențe, bobine, diode și ce-o mai fi) se prăjesc iremediabil.

L.E. Unele pasajele au fost corectate prin bunăvoința lui Iacob Laurențiu, cel care a asigurat și fotografiile acestui articol. Mulțumesc frumos.

L.L.E. Mai multe poze cu lămpi, pentru o și mai bună exemplificare:

Lampa 6N3P cu soclul corespunzător și lampa 6N13S tot cu soclu

Lampa electronică 6P6S

Lampa PY88 în stânga (față) și în dreapta (verso) și lampa electronică PL500 în mijloc

Socluri pentru lămpi electronice, în diverse forme, mărimi și configurații ale pinilor

1. Tipuri de SMC-uri

Ca și în cazul componentelor electronice folosite în tehnologia prin inserție (THT), și la tehnologia SMT avem aceleași dispozitive, doar că au o altă geometrie și, evident, arată altfel. SMC-urile pot fi împărțite după mai  multe criterii (de exemplu: statice și dinamice), însă cel mai simplu este să le împărțim după tipul lor:

1.a. Condensatoarele SMC

Condensatoarele SMC, la fel ca orice alte condensatoare, au rolul de a înmagazina energie electrică și de a alimenta sistemul pentru scurte perioade de timp, astfel că acestea sunt folosite pentru majoritatea tipurilor de circuite, de la oscilatoare la filtre (unde reținând energie din sistem, condensatoarele pot să rețină și energia semnalului parazit, de exemplu).

Din punct de vedere mecanic, un condensator este asociat unui resort (arc), iar unitatea de măsură a capacității electrice se numește Farad (de la Faraday, fizicianul care a conceput primul condensator), deși în practică mai toate condensatoarele au capacități mici, de ordinul miimilor sau milionimilor de Farad.

Constructiv, un condensator SMC este făcut din substratul electric, în speță un material semi-izolator cu proprietăți de acumulare a energiei, și din două mici contacte electrice, pe părțile geometric opuse ale condensatorului, unde se vor efectua lipiturile.

1.b. Rezistențele SMC

Rezistențele SMC au același rol ca și rezistențele THC, și anume atenuează semnalul electric. Acest lucru este dorit, de exemplu, la adaptarea electrică a două circuite electrice aflate unul după celălalt, sau la filtre.

Din punct de vedere mecanic, o rezistență este asociată unui robinet (valvă) – cu mențiunea că un astfel de robinet nu este niciodată complet închis sau complet deschis, sau unui racord cu dimensiuni de ieșire mai mici decât la intrare. Unitatea de măsură a rezistenței electrice este Ohm-ul (simbolizat prin caracterul grecesc omega mare: Ω), de la fizicianul care a descris clar legătura electrică dintre:

• rezistența unui circuit, R (Ohmi);
• tensiunea de alimentare a circuitului, U (Volți);
• intensitatea curentului electric prin circuit, I (Amperi).

Actualmente, această legătură matematică poartă numele de "Legea lui Ohm" și, deși pare simplă, pentru vremea aceea a fost o revelație: R=U/I sau I=U/R.

Constructiv, o rezistență SMC este un dispozitiv extrem de simplu, ce constă dintr-un material slab conductor electric (de unde și rolul de atenuare), în capete având două contacte electrice unde se vor efectua lipiturile.

În imaginea următoare, făcută cu microscopul digital se pot observa atât rezistențe, cele cu cifre pe ele, cât și condensatoare, parte dintr-un dispozitiv SMD.

1.c. Diodele SMC

Diodele SMC, ca și suratele lor THC, au roluri și funcții multiple, de la redresare la detectare (a prezenței unui semnal). Constructiv, o diodă SMC este construită dintr-o așchie de siliciu (numite cipuri) cu proprietăți electrice puțin diferite, numite joncțiuni p (pozitiv, de la lipsa unor electroni – sau: exces de protoni) și n (negativ, de la excesul de electroni), luate împrenuă: p – n și n – p.

Din punct de vedere mecanic, o diodă poate fi asimilată unei supape cu un singur sens de trecere. O diodă are următorii parametri:

• Tensiunea de prag, sau tensiunea de deschidere, și reprezintă tensiunea electrică minimă care permite deschiderea "supapei" electrice, sau tensiunea electrică minimă de la care cele două joncțiuni p – n ale diodei funcționează corect în tandem. Tensiunea se măsoară în volți (V).
• Curentul maxim direct, sau intensitatea maximă a curentului ce, trecând prin diodă, nu va afecta în mod distructiv cele două joncțiuni, distrugând echilibrul dintre zona cu exces de protoni și cea cu exces de electroni. Curentul se măsoară în amperi (A).
• Tensiunea maximă inversă reprezintă tensiunea maximă ce poate fi aplicată diodei, în sens invers din punct de vedere electric, fără ca aceasta să se distrugă. Este opusul electric al tensiunii de deschidere.

În imaginea următoare, în prim-plan, se observă o diodă SMC. În fundal avem niște condensatoare SMC, însă din cauză că imaginea era focalizată pe diodă, care era constructiv mult mai mare, microscopul n-a putut să scoată în clar ambele tipuri de componente.

1.d. Tranzistorii SMC

Una dintre cele mai mari invenții umane, tranzistorul a fost inventat în 1947. Acesta este o combinație între două diode, la nivel cristalului din substrat, având joncțiuni p – n – p sau n – p – n. Interesant este că, prin controlul proprietăților electrice ale joncțiunii din mijloc (p sau n) se poate controla funcționarea joncțiunilor periferice (n sau p), după mai multe legi. Dacă până acum, la celelalte componente, legea electrică era una unidimensională, la tranzistor legea electrică este  bidimensională, adică poți varia cel puțin doi parametri.

Din punct de vedere mecanic, un tranzistor poate fi asociat cu o varietate mai largă de dispozitive complexe, de la valve controlate extern, la ansambluri pneumatice. Oricum, atât la diodă cât și la tranzistor, cristalul poartă denumirea de substrat. Inițial, acesta a fost conceput din Germaniu (un semimetal), apoi din Siliciu (un metaloid).

Un tranzistor are următorii parametri:

• Factorul de amplificare (β) – sau de câte ori crește intensitatea semnalului de la ieșire vizavi de semnalul de intrare în funcție de semnalul de control (mai ușor de așa n-aveam cu să spun).
• Temperatura maximă a joncțiunilor. Spre deosebire de celelalte componente electrice, tranzistorii se încălzesc destul de tare astfel că, în funcție de tipul substratului, temperatura maximă a joncțiunilor este temperatura maxiă ce o poate avea substratul fără a-și pierde proprietățile electrice.
• Puterea maximă disipată este aproximativ produsul dintre tensiunea de alimentare și curentul din fiecare joncțiune (p – n sau n – p). Spun aproximativ, fiindcă o parte este radiată în natură, prin încălzire.
• Curentul de colector maxim. Numerotând joncțiunile p – n – p cu Bază, Emitor și Colector (denumiri ce clarifică și rolul), curentul de colector este curentul maxim ce poate ieși din tranzistor fără ca acesta să se distrugă.
• Tensiunea maximă admisă reprezintă tensiunea maximă la care poate fi alimentat un tranzistor, fără ca acesta să se distrugă.

În imaginea următoare, deși marcajul este cu "D", de la diodă, sunt de părere că avem un tranzistor. Doar anumite tipuri speciale de diode (varicap, de exemplu) au trei pini.

1.e. Bobinele SMC

Sunt mai rar întâlnite în tehnologie SMC și, deși sunt mai mici decât bobinele THC, comparativ cu restul componentelor SMC acestea sunt, totuși, mai mari.

1.f. Circuitele integrate SMC

Evident, circuitele integrate sunt de diferite forme și dimensiuni, cu roluri și funcții diverse. Actualmente pare firesc ca un ciruit integrat să fie lipit direct pe o față a plăcii. În trecut și actualmente doar pentru aplicații mai speciale (militare, medicină, etc) pinii circuitelor integrate erau trecuți prin placa din fibră de sticlă a cablajului, pentru o mai bună rezistență mecanică.

2. Necesitatea tehnică

Odată cu creșterea gradului de integrare a circuitelor integrate, s-a observat tot mai stringent nevoia de a reduce dimensiunile fizice ale circuitelor electronice, întrucât era posibilă dezvoltarea unor dispozitive complexe, însă apăreau limitări date de dimensiunile fizice, practice, ale dispozitivelor. Astfel că, după ani de cercetare, au apărut primele componente SMC care, în timp, au devenit mult mai mici decât standardul inițial.

Integrarea în sine, din termenul de circuit integrat, se referă la faptul că mai multe componente electronice, de obicei tranzistori, au fost integrate pe un singur cip de siliciu, iar gradul de integrare este o scală ce cataloghează tipurile de circuite integrate în funcție de cât de integrate sunt componentele din acestea. Așadar, putem avea:

• SSI (Small Scale Integration), sunt circuite integrate simple, de obicei conținând câteva porți logice, având până la câteva zeci de tranzistori per cip.
• MSI (Medium Scale Integration), sunt circuite integrate un pic mai complexe și, de obicei, cu funții de suport logic, de obicei conținând numărătoare și circuite basculante, combinate cu multiplexoare sau demultiplexoare, având până la câteva sute de tranzistori per cip.
• LSI (Large Scale Integration), sunt circuite integrate mai complexe, de la memorii de mică capacitate, până la mici controllere sau dispozitive de interfață, având până la o mie de tranzistori precum și alte componente (condenstatoare, diode, rezistențe) per cip.
• VLSI (Very Large Scale Integration), sunt circuite integrate și mai complexe, de genul primelor microprocesoare, astfel de circuite având peste 10,000 de tranzistori și alte componente (condenstatoare, rezistențe, bobine sau diode) per cip. De asemenea,memoriile ROM de BIOS sau primele cipuri de memorie RAM sunt tot circuite VLSI.
• ULSI (Ultra Large Scale Integration), sunt circuite din cele mai complexe, cu peste 100,000 de tranzistori per cip. Actualmente, orice microprocesor, oricât de simplu, sau orice dispozitiv de memorie este un circuit integrat ULSI. Circuitele integrate ULSI conțin, cu siguranță, toate componentele electronice posibile.

1. Schema de principiu a unui TV tuner și modul de funcționare

Pentru a vedea care este modul de funcționare al unui TV tuner, pornim de la schema de principiu pe care o vom comenta, astfel încât să ne facem o idee despre fluxul de informație dintr-un TV tuner. Evident, pentru aceasta vom folosi un model de TV tuner abstractizat.

Unde:

0. Sistemul de calcul în care este montat TV tunerul, sau la care este conectat TV tunerul.

1. Mufă RF (tată) cu semnal TV. Poate să fie, totuși, o intrare video compozită (mufa având culoarea galbenă). Important este că preluăm un semnal TV de o anumită formă.

2. Mufă RF (mamă). Mufa cablului purtător de semnal RF (1) intră în mufa echivalentă de pe placa TV tunerului. Este simbolizată în scop demonstrativ, ca să știți unde trebuie introdus semnalul de la antenă/ cablul TV.

3. Bloc de filtrare. Semnalul preluat de la mufa RF (2) trebuie filtrat măcar cu un filtru trece-bandă sau cu un sistem de filtre mai noi, întrucât este purtător de semnale parazite externe.

4. Selectorul de canale controlat digital este, vizibil, o cutiuță ecranată electro-magnetic, în care se realizează, conform unor calcule foarte complexe, selecția unei singure benzi de frecvență, dintr-un spectru de frecvențe. Selectorul de canale (4) este controlat de către microcontrollerul TV tunerului (8). În funcție de comenzile date de către microcontroller (8) o emisie purtătoare de semnal radio/ TV este trimisă spre demodulatorul audio – video (5).

5. Demodulatorul audio – video desparte, electric, semnalul de imagine și cel de sunet din unda singulară (purtătoare) și le reface la forma inițială (de la emisie). Demodulatorul audio – video (5) primește semnal de la selectorul de canale (4), este controlat de către microcontrollerul TV tunerului (8) și trimite semnal audio și video spre in bloc de preprocesare audio – video și pentru logică TTL (6).

Microcontrollerul (8) controlează demodulatorul audio – video (5) pentru că, în practică, există mai multe norme de recepție TV: PAL, SECAM, etc, astfel că din standarde diferite semnalul de ieșire din blocul de demodulare audio – video (5) va fi unul standard (intern al TV tunerului), invariabil în funcție de standardul de recepție folosit.

6. Blocul de preprocesare audio – video și pentru logică TTL are rolul de a adapta electric semnalele de la ieșirea demodulatorului audio – video (5). Modelele avansate folosesc algoritmi foarte puternici pentru a amplifica/ repara semnalul. Oricum, toate modelele controlează acest bloc cu ajutorul microcontrollerului (8) pentru a realiza un optim de calitate a semnalului. La ieșirea din acest bloc se obține semnalul util.

Modelele științifice, folosite la cercetare, pot reface aici o parte din cadrele intermediare, de exemplu la filmările de mare viteză. Sau, alt exemplu, pot marca faptul că între două cadre lipsește încă un cadru, care cadru va fi refăcut de către microcontroller (8), eventual cu ajutorul sistemului de calcul (0).

7. Convertorul analog – digital pentru semnal audio și video primește semnal de la blocul de preprocesare audio – video și pentru logică TTL (6). De fapt, aici se obține semnalul digital ce va intra în microcontrollerul (8) TV tunerului. Practic, aici imaginea este împărțită în cadre digitale.

În funcție de performanțele convertorului analog – digital pentru semnal audio și video (7), coroborat cu precizia și acuratețea  blocului de preprocesare audio – video și pentru logică TTL (6), a  demodulatorului audio – video (5) și a selectorului de canale controlat digital (4), vorbim despre performanțele TV tunerului: rezoluția imaginii, numărul de culori (rezultat din adâncimea digitală a imaginii: 10 biți, 12 biți, 15 biți, 16 biți, 24 de biți).

Exemple:

Dacă selectorul de canale controlat digital (4) are o slabă precizie în selectarea canalelor, mult semnal parazit va intra în demodulatorul audio – video (5), generând niște dungi enervante pe ecran.

Totuși, dacă blocul de preprocesare audio – video și pentru logică TTL (6) este făcut cu cap, poate sesiza dungile alea enervante și, dacă nu le poate scoate complet, măcar le poate ameliora.

Dacă blocul de conversie analog – digitală pentru semnal audio și video (7) este făcut mai aiurea, numărul de culori va fi mic, iar culorile nu vor fi unele naturale.

Totuși, partea de procesare digitală a semnalului (Digital Signal Processing, DSP) din microcontrollerul (8) împreună cu  blocul de preprocesare audio – video și pentru logică TTL (6) și a  convertorului analog – digital pentru semnal audio și video (7) poate să facă mici retușuri care pot îmbunătăți sensibil calitatea. Asta pentru că împreună pot forma un rudimentar sistem de prelucrare digitală a semnalelor, dar cu efect mai mult mai mult decât nul.

8. Microcontrollerul TV tunerului. Este un circuit integrat analog – digital destul de complex, cu rol multiplu. De exemplu are o parte de:

a. Procesare digitală a semnalului, mai avansată sau, din contră, mai puțin avansată, folosită la ieșirea audio analogică (16) prin blocul de ieșire pentru sunet analogic (15), la ieșirea de audio digitală (9) sau la ieșirea video digitală (dacă are).

b. Controller funcțional și logic. Cred că este evident că un TV tuner nu este un dispozitiv simplist și că are nevoie de un dispozitiv care să sincronizeze, să orchestreze funcționarea diverselor subsisteme.

c. Conversie a fluxului digital (stream) într-un format mai mult sau mai puțin standard (de obicei e standard), formate precum MPEG1, MPEG2, MPEG4, etc.

c. Alte funcții despre care nu vom discuta (amplificare, atenuare, remixare, etc).

9. Ieșire audio de semnal digital (Digital Audio). Poate să lipsească. Dacă este prezentă, pe placă avem o mufă ce, printr-un cablu cu trei fire – mufa având patru pini, ca în imaginea din partea dreaptă – se conectează la intrarea de semnal audio digital de pe placa de sunet (mufa arată identic).

Practic, un fir identic merge de la unitatea optică la placa de sunet. Ba, mai mult, sunt două standarde chiar și la acest fir extrem de simplu.

10. Bloc de ieșire video pentru semnal analogic. Semnalul video digital rezultat în microcontrolerul (8) sau la ieșirea  convertorului analog – digital pentru semnal audio și video (7) poate fi convertit în alt fel de semnal video (S-video, video compozit, etc) și folosit în altă parte, sau redat pe un alt dispozitiv. Practic, blocul de ieșire video pentru semnal analogic (10) ne poate oferi câteva ieșiri comode.

De exemplu, dacă am vrea să înregistrăm imaginea pe un dispozitiv de înregistrare, de care fel o fi,  fără acest bloc care ne poate asigura ieșirea de video compozit  (11) (imaginea fiind pe mufa galbenă) sau de S-Video (13), am avea nevoie să folosim un dispozitiv de înregistrare cu intrare RF și să divizăm semnalul, pentru a-l împărți la ambele dispozitive. Evident, am folosi și mai multe fire. Or, cu acest dispozitiv, putem trage un singur fir (subțire) de la TV tuner la dispozitiv.

Ruta alternativă, pentru o mai bună calitate a semnalului video rezultat este: demodulator de semnal audio – video (5), bloc de preprocesare audio – video și pentru logică TTL (6), microcontroller (8) și bloc de ieșire video pentru semnal analogic (10). Aceasta pentru că nu avem neapărată nevoie de procesare digitală doar pentru a converti semnalul video dintr-un standard în altul.

11. Ieșirea de semnal video compozit. După cum îi spune numele, este un semnal rezultat din compoziția a trei semnale (YUV), unde Y înseamnă luminozitate (doar din acest semnal obținem imaginea monocromatică, sau alb-negru),  U reprezintă tonul de culoare al imagini (celebrul ROGVAIV) iar V reprezintă saturarea cu respectivul ton de culoare.

Deci UV reprezintă componentele de culoare ale imaginii. Acestea, în amestec (compoziție/ suprapunere) cu semnalul Y care poartă imaginea monocromatică, dau ca rezultat o imagine color.

A nu se confunda cu standardul RGB (Red, Green, Blue). Și acela este un semnal compozit, însă este pe culorile Roșu, Verde și Albastru.  Standardul RBG este folosit la ieșirile de imagine VGA pentru plăcile video.

12. Dispozitiv cu intrare AV. Ieșirea AV poate să funcționeze după mai multe standarde. Faptul că în practică acesta este video compozit ne ajută mult, dar nu ne oferă o garanție că vom putea conecta un anume dispozitiv la o anume ieșire. Desigur, pentru a ne lămuri citim manualul dispozitivului. Poate fi, de exemplu, un video recorder, sau un media player cu intrare SCART (intrarea SCART primind semnal de la ieșirea AV printr-un conector special). Sau, de asemenea, poate fi un alt TV tuner, cu intrare compozită.

13. Ieșirea S-Video. Unii îi spun în mod incorect SuperVideo. Chiar și din practică ne dăm seama că o calitate bună a imaginii nu prea se poate obține. De exemplu, la o rezoluție de 640 x 480 de puncte, imaginea este acceptabilă, dar pentru dispozitivele moderne este insuficientă. Adică, din practică, rezoluții de 720 x 576 de pixeli (e mult zis pixeli, imaginile analogice n-au pixeli, ele sunt puncte, dar e mai ușor de explicat) sunt considerate maximale pentru limitele tehnologice impuse de standardul respectiv.

14.  Dispozitiv cu intrare S-Video. De obicei sunt anumite modele de televizoare sau monitoare. În practică, acestea sunt intrări secundare de imagine, întrucât, după cum spuneam, rezoluția imaginii este destul de mică, după standardele moderne. La fel, poate fi chiar și un alt TV tuner, cu intrare S-Video.

15. Blocul de ieșire a sunetului analogic. Acesta realizează conversia dintr-un format digital într-unul analogic. De exemplu, sunetul procesat digital de către microcontrollerul principal (8) este trimis sub forma unul flux de biți (deci avem digital) la blocul de ieșire a sunetului analogic (15) care poate fi asimilabil unui convertor digital – analog pentru sunet. Sunetul obținut de la blocul de ieșire a sunetului analogic (15) iese din TV tuner prin mufa de Line Out (16) și intră în mufa de Line In (17) a PC-ului (0).

16. Mufa Line Out, adică de ieșire a sunetului analogic. Are culoarea verde deschis. Are rolul de a scoate, cu ajutorul unui cablu cu câte o mufă jack stereo la fiecare capăt, semnalul audio și de a-l introduce în PC (0), astfel încât acestea să redea sunetul, nu doar imaginea.

Foarte important! Când montați un TV tuner, asigurați-vă nu doar că ați introdus TV tunerul în slot și cablul de video RF (sau ce o fi) în mufa de intrare, ci și că ați conectat ieșirea de sunet din TV tuner (16) – Line Out – la intrarea de sunet (Line In) a plăcii de sunet din PC (0).

17. Mufa de Line In a plăcii de sunet. Are culoarea albastru deschis (standard). Semnalul audio generat în TV tuner de către blocul de ieșire a sunetului analogic (15) este scos din acesta prin mufa de ieșire a sunetului (16). Prin sistemul de operare și funcționalitatea plăcii, sunetul recepționat prin mufa de intrare a plăcii de sunet (17) este redat în difuzoare.

Cu mențiunea că la unele sisteme de operare setarea implicită este că linia de intrare a sunetului în placa de sunet (17) este amuțită (mute). Dacă ați montat totul corect, dar nu se aude, verificați setările plăcii de sunet.

(21) emite semnal luminos în spectrul 18. Port serial pentru receptorul de semnal infraroșu. TV tunerele moderne au telecomandă. Telecomanda infra-roșu (adică are o lungime de undă mai mare decât culoarea roșie) care pulsează. Pâlpâitul acesta este recepționat de către un fotoreceptor (20), care convertește lumina infra-roșie în semnal electric. Semnalul electric este preluat prin mufa jack (19) și este introdus în portul serial pentru receptorul de semnal infraroșu (18).

Comenzile trimise de către telecomandă (21) și convertite în semnale electrice de către receptorul de semnal infraroșu (20) sunt trimise către microcontrollerul principal (8) care, în funcție de comanda sosită, va comanda acțiunea celorlalte subsisteme (componente) ale TV tunerului.

Portul serial pentru receptorul de semnal infraroșu este, de fapt, asemănător cu portul COM, numai că informația este purtată de lumină, nu prin fire. Conversia de la un port serial COM la un port serial pentru infraroșu este destul de simplă, dar nu face obiectul acestei prezentări. Oricum, se poate reține că informația de la telecomandă este serială, bit cu bit plus un bit de control  la fiecare număr de 6, 7 sau 8 biți, eventual și cu biți de start/ stop (mă rog, aici depinde strict de protocol).

19. Mufa jack la care este conectat receptorul de semnal infraroșu (20) ce primește comenzile de la telecomandă (21) și le transferă la portul serial pentru receptorul de semnal infraroșu (18).

20. Receptorul de semnal infraroșu. Acesta convertește pulsurile de lumină infra-roșie emisă de telecomandă (21) în pulsuri electrice ce sunt interpretate de către portul serial pentru receptorul de semnal infraroșu (18).

21. Telecomanda. Aceasta trimite comenzi sub forma unor șiruri de pulsuri de lumină infra-roșie care au codificate comenzi. Transmisia este serială, bit cu bit. Lumina infra-roșie este recepționată de către receptorul de semnal infraroșu (20) care, prin mufa jack a receptorului infraroșu (19), trimite pulsuri electrice rezultate din pulsurile luminoase la portul serial pentru receptorul de semnal infraroșu (18).

Ca și curiozitate, pulsurile telecomenzilor pot să varieze în frecvență, durată, etc. De aceea o telecomandă nu est neapărat compatibilă cu o alta.

22. Memoria tampon (buffer). Fluxul de biți video (stream) rezultat în microcontrollerul principal (8) trebuie împachetat și transmis către computer (0). Întrucât o transmisie continuă a unui flux de biți ar bloca magistrala și ar face-o accesibilă doar pentru TV tuner, restul componentelor nu vor mai avea acces la ea,  adică vor înceta să funcționeze. Nu se dorește asta, așa că s-a recurs la metoda prin care fluxul de date (biți) video este transmis intermitent, astfel că memoria tampon are rolul de a acumula datele până la capacitatea maximă de stocare (sau aproximativ până acolo, dar fără a o depăși).

23. Controllerul de magistrală are rolul de a negocia accesul la magistrala sistemului (26). De fiecare dată când microcontrollerul (8) îi cere să acceseze magistrala sistemului (26),  acesta îi va comunica cererea de acces la magistrala sistemului (26) la controllerul de magistrală (29) din cadrul PC-ului (0).

După ce memoria tampon (22) va fi reținut suficiente date, aceasta va înștiința microcontrollerul principal (8) că este aproape plină. Microcontrollerul (8) îi va cere controllerului de magistrală (23) să ceară accesul la magistrală de la celălalt controller de magistrală (29) din cadrul PC-ului (0) pentru a scrie datele din memoria tampon (22) pe magistrală (26), cu ajutorul blocului de intrare și ieșire pe magistrală (25).

24. Controllerul DMA (Direct Memory Access) din TV tuner are acces la magistrala sistemului (26) simultan cu momentul în care memoria tampon (22) scrie datele pe magistrala sistemului (26). Numai că acesta comunică direct cu controllerul DMA (30) din cadrul PC-ului (0), astfel încât datele vor fi scrise direct în memoria RAM (31) a PC-ului (0), fără intervenția microprocesorului (32).

25. Blocul de intrare și ieșire de pe magistrala sistemului (26). Are trei stări și este relevant doar pentru a evidenția faptul că niciun dispozitiv nu are acces permanent la magistrala sistemului (26).

Vizualizarea este aparent continua, pentru ca pauzele sunt foarte mici, insesizabile și, oricum, durata de vizionare a unui pachet din fluxul de biți video este mai mare decât durata necesară negocierii accesului la magistrala sistemului (26) și transmiterii acestuia.

26. Magistrala sistemului. Nu este doar un mănunchi de fire prin care se transmit semnalele electrice, ci are și protocoale de transmisie, reguli de negociere, adresare și scriere, adică are și o parte logico – administrativă.

Este relevantă, întrucât toate dispozitivele au nevoie de acces la ea. Cu cât aceasta este mai rapidă, cu atât mai multe date poate transmite pe secundă, îmbunătățind performanțele sistemului.

În ciuda aparențelor, este cel mai complicat subsistem din cadrul unui PC (0), întrucât trebuie să deservească toate componentele din cadrul PC-ului (0), să se sincronizeze cu acestea și, totodată, să decidă cine are nevoie de acces și pentru cât timp, în cazul cererilor multiple simultane, realizând o listă de ierarhizare ce se actualizează continuu.

Magistrala sistemului (26) poate să fie ISA, PCI, PCI eXpress și așa mai departe.

27. Blocul de intrare și ieșire de pe magistrala sistemului (26). Are trei stări și este relevant doar pentru a evidenția faptul că niciun dispozitiv nu are acces permanent la magistrala sistemului (26).

28. Memorie tampon. Are rolul de a stoca temporar o anumită cantitate de date de pe magistrală, atunci când accesul la memoria RAM (31) nu se poate face, întrucât aceasta este în uz de către o altă aplicație.

29. Controllerul de magistrală a sistemului (26) din cadrul PC-ului (0). În funcție de logica și funcționarea magistralei sistemului (26), acesta decide cine și pentru cât timp are acces de scriere la magistrală, precum și dacă restul dispozitivelor conectate la magistrala sistemului (26) au acces de citire la datele venite din TV tuner.

Controllerul de magistrală (29) poate fi asimilabil unui semafor ce comandă accesul pe autostradă, autostrada fiind asimilabilă magistralei sistemului (26).

30. Controllerul DMA al PC-ului (0). Are rolul de a transfer date direct în memoria RAM, fără intervenția microprocesorului. Acesta comunică cu controllerul DMA (24) din TV tuner și stochează datele din memoria tampon (22) în memoria RAM (31) a PC-ului (0).

Controllerul DMA (30) este o mare invenție. În trecut, microprocesorul (32) trebuia să facă tot, adică să citească și să scrie date în memorie, deși putea să facă lucruri mai importante, cum ar fi să proceseze informația. Pentru că s-a calculat că 30% din timpul microprocesorului era folosit pentru a citi sau scrie date în și din memorie, s-a ajuns la concluzia, logică dealtfel, că trebuie făcut ceva în privința asta.

Așa că s-au realizat niște circuite care citesc datele de la un dispozitiv conectat la o magistrală sau port, și scriu automat datele în memoria RAM (31) sau, dacă un dispozitiv, inclusiv microprocesorul (32), are nevoie de date, acesta anunță controllerul DMA (30) care i le va oferi de îndată ce acestea vor fi disponibile.

31. Memoria RAM a sistemului. Este destinația fluxului de biți (video) din TV tuner. Odată ajuns aici, fluxul de biți poate fi folosit într-o varietate de feluri: scris pe hard disk, înregistrat pe un alt mediu de stocate, transmis prin rețea, reprocesat, etc.

(0). Odată ajuns în memoria RAM (31), 32. Microprocesorul sistemului microprocesorul (32) poate accesa fluxul de biți, atât prin intermediul controllerului DMA (30) cât și direct. Aceasta permite procesarea digitală a acestui flux. De exemplu microprocesorul (32) poate face decodarea fluxului de date codificat cu algoritmul (codec) MPEG2 și stocarea rezultatului în memorie.

Nu prea se mai practică decodarea de către microprocesor (32), ci de către placa video (33).

33. Placa video. Plăcile video cu accelerare grafică (în general mai noi de 1997) au încorporate în microcontrollerul grafic (Graphical Processing Unit, GPU) diverse funcții de decodificare hardware a unor algoritmi de compresie video (codecuri). Prezintă avantajul că, pe lângă faptul că degrevează microprocesorul (32) de o sarcină mare consumatoare de putere de calcul, acestea sunt și mult mai rapide.

Codecurile, fiind niște algoritmi mai de grabă ficși și previzibili, prezintă avantajul, spre deosebire de alte programe, că se pot scrie ca niște funcții codificate direct în hardware-ul unui cip, funcții ce pot fi implementate la un cost decent.

Să nu ne lăsăm păcăliți, totuși, partea de decodare hardware a unui codec are milioane de tranzistori, deci nu este nici simplu de implementat, nici ușor de proiectat.

Desigur, variațiile de la un codec la altul, prin drivere, folosesc o parte din hardware-ul deja implementat.

Teoretic.

2. Note privind schema de funcționare a unui TV tuner

1. Pentru a crește performanțele microprocesoarelor (32), atunci când trebuiau să se ocupe și de multimedia (adică de decodificarea fluxului de biți), s-au introdus o serie de instrucțiuni de microprocesor (MMX, SSE).
   • Nu sunt sigur cât este marketing și cât este realitate. Personal, n-am văzut nicio deosebire notabilă.
2. Dacă magistrala folosită de TV tuner este cea USB sau cea FireWire, evident că nu există acces simultan al oricăror două dispozitive la magistrală. Evident, accesul este aleator. Asta vizavi de controllerul DMA (24).
3. N-am văzut TV tuner pe portul ISA. Bănuiesc că pe vremea aceea se chemau plăci de captură video.
4. Controllerul de magistrală (29) poate decide că un dispozitiv conectat la magistrala sistemului (26) este stăpân (master) și poate controla și celelalte componente conectate la magistrală. Evident, atât timp cât controllerul de magistrală (29) consideră că este necesar.
   • Adică nu prea mult.
5. Porturile/ mufele de intrare și de ieșire variază de la TV tuner la TV tuner și de la model la model. În exemplul de mai sus, TV tunerul abstractizat folosit nu are, de exemplu, intrare radio.
   • Dacă ar fi avut, totuși, intrare radio, aceasta ar fi trimis semnalul direct în demodulatorul audio – video (5).

1. Comparație între portul USB și portul FireWire

În primul rând să vedem cum arată fizic porturile seriale USB și FireWire:

Unde:

1. Port USB de tip A.
2. Port USB de tip A.
3. Port FireWire cu 6 fire.
4. Port FireWire cu 6 fire.
5. Port FireWire cu 4 fire, cunoscut în popor ca și Mini-FireWire.
6. Port Mini-USB de tip B.
7. Port Micro-USB de tip B.

Acum, că am văzut cum arată, să vedem și care sunt proprietăților porturile USB și FireWire, folosind diverse criterii de clasificare (cred că este cel mai util mod de a oferi informația):

1. După denumire:
   • USB: Universal Serial Bus, sau Magistrală Serială Universală.
   • FireWire: logic, FireWire sau, pentru șmecheri, IEEE1394 (standardul după care este concepută). Cei de la Sony îi mai spun și i.Link (Legătură Inteligentă), respectiv Lynx (Texas Instruments).
2. În funcție de anul conceperii/ designului:
   • USB: 1995, printr-o decizie colectivă a mai multor corporații din industria IT.
   • FireWire: 1995. Cei de la Apple lucrau la designul interfeței încă de la sfârșitul anilor 1980.
3. După numărul de dispozitive conectate pe un singur port:
   • USB: 127 de dispozitive per controller USB, într-o arhitectură de tip arbore (vom vedea mai jos).
   • FireWire: până la 63 de dispozitive, într-o arhitectură de tip arbore (asemănătoare cu cea pentru USB, doar că mult mai puțin complexă).
4. După viteza de transfer a datelor:
   • USB: Avem mai multe versiuni:
     • USB 1.0, a apărut în 1996 și are o rată de transfer de 12 Mb/s (1.5 MB/s). Viteza fixă l-a făcut să fie foarte puțin folosit.
     • USB 1.1, a apărut în 1998 și are două viteze:
       • 12 Mb/s (1.5 MB/s) pentru dispozitive externe ce aveau nevoie de rate de transfer mai mari, de genul hard disk-urilor externe.
       • 1.5 Mb/s (aproximativ 190 KB/s), pentru dispozitive externe ce necesită o rată de transfer scăzută, de genul mouse-ului pe USB.
     • USB 2.0, a apărut în 2001, cu rate de transfer multiple, de până la 480 Mb/s (60 MB/s).
     • USB 3.0, apărut în 2010, cu o rată de transfer de până la 400 MB/s.
   • FireWire: Avem mai multe versiuni:
     • FireWire 400 (IEEE 1394-1995), apărută în anul 1995, este versiunea inițială a acestui port serial. Are trei viteze de transfer:
       • S100,cu o viteză de transfer aproximată la 100 Mbit/s (pentru precizie, viteza este de 98,304 Mbit/s), adică o rată de transfer de 12,288 MB/s;
       • S200, cu o viteză de transfer aproximată la 200 Mbit/s (pentru precizie, rata de transfer este de 196,608 Mbit/s), adică o rată de transfer de 24,576 MB/s;
       • S400, cu o rată de transfer aproximată la 400 Mbit/s (la fel, pentru precizie trebuie să spunem că viteza de transfer este de 393,216 Mbit/s), adică o viteză de transfer de până la 49,152 MB/s.
     • FireWire 800 (IEEE 1394b-2002), apărută în anul 2002, suportă mai multe viteze de transfer, în funcție de mediul folosit (cablu FireWire, cablu Ethernet, fibră optică), protocolul suportând până la 3,200 Mbit/s (aproximativ 400 MB/s).
5. După numărul de fire:
   • USB. avem două versiuni:
     • 4 fire, la USB-ul de tip A și B (mufele normale).
     • 5 fire, la Mini-USB și Micro-USB.
   • FireWire:
     • 4 fire, la Mini-FireWire. Mă rog, un FireWire având un circuit cu 4 fire este, cel mai probabil, făcut de Sony.
     • 6 fire, la FireWire S400 și S800.
     • 9 fire, la FireWire S1600 și S3200
6. După scopul designului:
   • USB: după cum îi spune și numele, USB a fost conceput în scopul transferului universal de date. Îl au cam toate aparatele de fotografiat digitale.
   • FireWire a fost conceput în special pentru aplicații multimedia și aplicații speciale (militare, energie, etc). Mai toate camerele de filmat digitale de la Sony o au, ceea ce este minunat.
7. După numărul de versiuni fizice:
   • USB: Are trei versiuni, în funcție de aplicație:
     • USB, folosit la computere, imprimante, memory stick-uri, hard disk-uri externe, floppy disk-uri și unități optice externe, aplicații speciale (captură audio – video, de exemplu).
     • Mini-USB, folosit la dispozitive de mai mici dimensiuni, de genul telefoanelor mobile, playerelor multimedia sau aparatelor de fotografiat digitale.
     • Micro-USB, folosit numai la telefoane mobile.
8. Curiozități:
   • USB: Eu nu l-am văzut până în 2001. Sau, poate l-am văzut, dar nu l-am băgat în seamă, că la noi nu se găseau așa dispozitive.
   • FireWire: deși USB-ul are rata de transfer teoretică mai mare, niciun dispozitiv USB n-a reușit încă să-și folosească toată banda de transfer alocată. Adică USB-ul e mai rapid decât FireWire-ul cam degeaba. Plus că majoritatea dispozitivelor FireWire își folosesc toată banda de transfer.

2. Conectarea în cascadă folosind portul USB

Spuneam mai sus că portul USB permite conectarea ierarhică, pe mai multe nivele. Întrucât conectarea ierarhică în cazul FireWire este mult mai simplă, acolo folosind în special repetoare de semnal, vom trata cazul conectării în cascadă (adică ierarhică, sau pe nivele) pentru portul USB.

Pentru aceasta, pornim de la următoarea schemă.

Discutând despre componența schemei, am certitudinea că veți înțelege și modelul de ierarhizare (conectare în cascadă) al dispozitivelor de pe USB. Este important să ținem minte, ca și regulă de bună practică, un lucru important: cu cât un dispozitiv are nevoie de o lățime de bandă mai mare, cu atât este mai bine ca acesta să fie la un nivel ierarhic cât mai mare.

Vom vedea și în explicația următoare unde avem elementele componente ale schemei și unde fiecare indentare spre dreapta a textului înseamnă un nivel mai mare, nivelul cel mai din stânga fiind nivelul zero, cu mențiunea că pentru a evita duplicatele, cablurile USB de pe același nivel au fost notate cu un singur număr, ca și cum ar fi același cablu USB (din schemă se vede clar, totuși, că nu este și că nu are cum să fie):

0. Computerul, sau nivelul 0. Ne interesează, pentru că el este nivelul de referință, în funcție de care se calculează adâncimea conexiunii, sau a sistemului.

1. Port USB din computer (0) la care, prin intermediul cablului USB (2) de nivel 1 se conectează hard disk-ul (3).

2. Cablu USB de nivel 1, care conectează hard disk-ul (3) la portul USB (1) al computerului (0).

3. Hard disk de nivel 1 conectat la computer (0) prin intermediul cablului USB (2) și al portului USB (1).

4. Port USB din computer (0) la care, pin intermediul cablului USB (5) de nivel 1 este conectat hub-ul USB (6).

5. Cablu USB de nivel 1 care conectează hub-ul USB (6) la computer (0) prin intermediul portului USB (4).

6. Hub USB de nivel 1, care conectează componentele de pe nivelul 2, prin cablul de USB (7) de nivel 2, respectiv camera web (8) și floppy disk-ul extern (9), la computer (0) prin intermediul calului USB (5) de nivel 1, la portul USB (4).

7. Cablu USB de nivel doi ce conectează dispozitivele de nivel 2, respectiv camera web (8) și floppy disk-ul extern (9) la hub-ul USB (6) ce realizează intermedierea conexiunii spre computer (0) prin cablul USB (5) conectat la portul USB (4).

8. Cameră web aflată pe nivelul ierarhic al doilea, conectată la hub-ul USB (6) aflat pe primul nivel ierarhic, prin intermediul cablului USB (7). Din hub-ul USB (6) aflat pe nivelul 1, conexiunea la computer (0) se face la portul USB (4) cu ajutorul cablului USB (5) conectat la acesta.

Camerele web normale, nu cele de tip SuperCam/ SuperWebcam, transmit în general cam un singur cadru de imagine pe secundă, care cadru nu ocupă, de obicei, mai mult de 64 de KB.

9. Unitate de floppy disk externă aflată pe nivelul ierarhic al doilea, conectată la hub-ul USB (6) aflat pe primul nivel ierarhic, prin intermediul cablului USB (7). Din hub-ul USB (6) aflat pe nivelul 1, conexiunea la computer (0) se face la portul USB (4) cu ajutorul cablului USB (5) conectat la acesta.

Lățimea de bandă necesară pentru o unitate de tip floppy disk este de doar 170 de KB de date pe secundă, deci atașarea acesteia la un port USB din cadrul hub-ului USB (6) nu afectează funcționarea acesteia.

10. Port USB la care este conectat, prin intermediul cablului USB (11), hub-ul USB (12), hub USB (12) la care sunt conectate mai multe dispozitive într-o cascadă multi-nivel.

11. Cablul USB de nivel 1 care intermediază legătura dintre hub-ul USB (12) și dispozitivele aferente acestuia (13, 15, 17, 18, 19, 21, 23, 24, 25, 27, 28, 29) la computer (0), prin intermediul portului USB (10).

12. Hub USB care, prin cablul USB (11), intermediază conectarea dispozitivelor aferente acestuia (13, 15, 17, 18, 19, 21, 23, 24, 25, 27, 28, 29) la computer (0) prin portul USB (10).

13. Cameră web, dispozitiv de nivel 2, conectată prin cablul USB (14) de nivel 2 la hub-ul USB (12) care, la rândul lui, realizează conexiunea cu computerul (0) prin intermediul cablului USB (11) conectat la portul USB (10).

14. Cablu USB de nivel 2 care intermediază conexiunea dintre hub-ul USB (15) și dispozitivele aferente acestuia (17, 18, 19, 21, 23, 24, 25, 27, 28, 29) la hub-ul USB (12) de nivel 1, care intermediază conexiunea la computer (0) prin cablul (11) conectat la portul USB (10).

15. Hub USB de nivel 2 care conectează dispozitivele aferente (17, 18, 19, 21, 23, 24, 25, 27, 28, 29) la computer conectându-se, prin cablul USB (14) de nivel 2,  la hub-ul USB (12) de nivel 1, ce se conectează la computer (0) prin cablul USB (11) de nivel 1 conectat la portul USB (10).

16. Cablu USB de nivel 3 ce conectează dispozitivele de nivel 3 (17, 18, 19) la hub-ul USB (15) de nivel 2, conectat la hub-ul USB (12) de nivel 1 prin cablul USB (14), hub-ul USB (12) de nivel 1 fiind conectat la computer (0) prin cablul USB (11) conectat la portul USB (10).

17. Cameră web, dispozitiv de nivel 3, conectată la computer (0) întâi prin cablul USB (16) de nivel 3 și hub-ul USB (15) de nivel 2, continuând cu cablul USB (14) de nivel 2 și hub-ul USB (12) de nivel 1, conectat la computer (0) prin cablul USB (11) de nivel 1 conectat la portul USB (10).

18. Hard disk extern, dispozitiv de nivel 3, conectat la computer (0) întâi prin cablul USB (16) de nivel 3 și hub-ul USB (15) de nivel 2, continuând cu cablul USB (14) de nivel 2 și hub-ul USB (12) de nivel 1, conectat la computer (0) prin cablul USB (11) de nivel 1 conectat la portul USB (10).

19. Unitate de floppy disk pe USB, dispozitiv de nivel 3, conectată la computer (0) întâi prin cablul USB (16) de nivel 3 și hub-ul USB (15) de nivel 2, continuând cu cablul USB (14) de nivel 2 și hub-ul USB (12) de nivel 1, conectat la computer (0) prin cablul USB (11) de nivel 1 conectat la portul USB (10).

20. Cablu USB de nivel 3, care conectează hub-ul USB (21) de nivel 3 și componentele aferente acestuia (23, 24, 25, 27, 28, 29) la hub-ul USB (15) de nivel 2 ce, prin intermediul cablului USB (14) se conectează la hub-ul USB (12) de nivel 1, conectat la computer (0) prin intermediul cablului USB (11) conectat la portul USB (10).

21. Hub USB de nivel 3 ce realizează conexiunea dintre componentele aferente  (23, 24, 25, 27, 28, 29) la computer (0), întâi prin cablul USB (20) conectat la hub-ul USB (15) de nivel 2, conectat la hub-ul USB (12) de nivel 1 prin intermediul cablului USB (14) de nivel 2 și, în final, prin intermediul cablului USB (11) de nivel 1 la portul USB (10).

22. Cablu USB de nivel 4 ce realizează conexiunea dintre camera web (23) de nivel 4 și hub-ul USB (21), intermediindu-i acesteia conectarea la computer (0), prin conectarea la hub-ul USB (21) de nivel 3 și, prin cablul USB (20), la hub-ul USB (15) de nivel 2, conectat la hub-ul USB (12) de nivel 1 prin cablul USB (14) și apoi, prin cablul USB (11) la portul USB (10).

23. Cameră web, dispozitiv de nivel 4, conectată la hub-ul USB (21), care îi intermediază acesteia conectarea la computer (0), prin conectarea la hub-ul USB (21) de nivel 3 și, prin cablul USB (20), la hub-ul USB (15) de nivel 2, conectat la hub-ul USB (12) de nivel 1 prin cablul USB (14) și apoi, prin cablul USB (11) la portul USB (10).

24. Unitate externă de floppy disk pe USB, dispozitiv de nivel 4, conectată la hub-ul USB (21), care îi intermediază acesteia conectarea la computer (0), prin conectarea la hub-ul USB (21) de nivel 3 și, prin cablul USB (20), la hub-ul USB (15) de nivel 2, conectat la hub-ul USB (12) de nivel 1 prin cablul USB (14) și apoi, prin cablul USB (11) la portul USB (10).

25. Hub USB de nivel 4 ce intermediază conectarea dispozitivelor aferente  (27, 28, 29) la computer (0) prin conectarea la hub-ul USB (21) de nivel 3 folosind cablul USB (22) de nivel 4 apoi, prin intermediul cablului USB (20) la hub-ul USB (15) de nivel 2 și, mai departe, prin conectarea cablului USB (14) de nivel 2 la hub-ul USB (12) de nivel 1, conectat la computer (0) prin intermediul cablului USB (11) conectat la portul USB (10).

26. Cablu USB de nivel 5 ce realizează conectarea dispozitivelor de nivel 5 (27, 28, 29) la computer (0), prin intermediul hub-ului USB (25) de nivel 4 conectat la hub-ul USB (21) de nivel 3 prin intermediul cablului USB (22), apoi prin cablul USB (20) de nivel 3 la hub-ul USB (15) și, de acolo, prin cablul USB (14) de nivel 2 la hub-ul USB (12) de nivel 1, conectat la computer (0) prin intermediul cablului USB (11) conectat la portul USB (10).

27. Unitate externă de floppy disk pe USB, dispozitiv de nivel 5, conectată la computer (0), prin intermediul cablului USB (26) de nivel 5 conectat la hub-ul USB (25) de nivel 4, conectat la rândul lui la hub-ul USB (21) de nivel 3 prin intermediul cablului USB (22), apoi prin cablul USB (20) de nivel 3 la hub-ul USB (15) și, de acolo, prin cablul USB (14) de nivel 2 la hub-ul USB (12) de nivel 1, conectat la computer (0) prin intermediul cablului USB (11) conectat la portul USB (10).

28. Cameră web, dispozitiv de nivel 5, conectată la computer (0), prin intermediul cablului USB (26) de nivel 5 conectat la hub-ul USB (25) de nivel 4, conectat la rândul lui la hub-ul USB (21) de nivel 3 prin intermediul cablului USB (22), apoi prin cablul USB (20) de nivel 3 la hub-ul USB (15) și, de acolo, prin cablul USB (14) de nivel 2 la hub-ul USB (12) de nivel 1, conectat la computer (0) prin intermediul cablului USB (11) conectat la portul USB (10).

29. Cameră web, dispozitiv de nivel 5, conectată la computer (0), prin intermediul cablului USB (26) de nivel 5 conectat la hub-ul USB (25) de nivel 4, conectat la rândul lui la hub-ul USB (21) de nivel 3 prin intermediul cablului USB (22), apoi prin cablul USB (20) de nivel 3 la hub-ul USB (15) și, de acolo, prin cablul USB (14) de nivel 2 la hub-ul USB (12) de nivel 1, conectat la computer (0) prin intermediul cablului USB (11) conectat la portul USB (10).

Sper că privind descrierea extrem de detaliată și de redundantă de mai sus, ați înțeles cum funcționează conectarea în cascadă/ ierarhie pentru dispozitivele USB. La fel, dând click pe legătura din paranteze veți fi dus la dispozitivul cu pricina.

Ca și notă personală, vă rog să nu mă întrebați cât mi-a luat să scriu articolul, dacă a fost revizuit de 35 36 de ori.

Pentru o mai bună exemplificare, vom porni de la imaginea următoare în care avem mai multe mufe de rețea:

1. Mufă RJ11. Mufa de la telefon se introduce aici. Mai departe, avem mufa (2) care scoate semnalul telefonic din modem și-l cuplează la telefon.
2. Mufă RJ11. De aici scoatem semnal telefonic și-l trimitem mai departe la telefon.
3. Mufă RJ45. Aceasta este o mufă  standard pentru rețele. Conectorul 8P8C (8 pini cu toții conectați) este folosit atât pentru rețele Ethernet (rețelele normale folosite actualmente) cât și pentru rețelele de tip token ring (o topologie specială a rețelelor, cu proprietăți speciale).
4. Mufă BNC. A fost folosită pentru rețele vechi ce foloseau cablu coaxial cu impedanță de 52 de ohmi și aveau terminatoare sub formă de "T" la computerele dinspre capete pentru a "închide" electric rețeaua.

Pentru clarificare, modul de conectare al mufelor RJ11 (modem) este următorul:

Evident, pentru mufa RJ45 nu avem nevoie de lămuriri, de obicei plăcile de rețea Ethernet care o folosesc având o singură mufă de rețea în standardul RJ45. Acum, să facem o comparație între mufa RJ11 și RJ45, conform următoarelor criterii:

• După numărul de pini:
  • RJ11: 4 pini;
  • RJ45: 8 pini.
• După tensiunea rețelei:
  • RJ11: 48V curent alternativ.
  • RJ45: până la -5V/ +5V, în funcție de protocol.
• După scop:
  • RJ11: telefonie;
  • RJ45: telefonie, rețea.
• După tipul conexiunii electrice:
  • RJ11: conexiune normală;
  • RJ45: conexiune diferențială între pinii cu același sens: -RX (pinul 1), +RX, (pinul 2), -TX (pinul 3), +TX (pinul 6).
• După modul de mufare (piedica din plastic este pe partea opusă privirii ordinea fiind de la stânga la dreapta):
  • RJ11: negru, roșu, verde, galben (observăm că merge de la culoare închisă la culoare deschisă).
  • RJ45: sunt două moduri de mufare, în funcție de scop:
    • Directă (PC – router, PC – hub/ switch, de obicei la echipamente de tipuri diferite) : alb-portocaliu, portocaliu, alb-verde, albastru, alb-albastru, verde, alb-maro, maro.
    • Crossover (PC – PC, router – router, de obicei la echipamente de același fel): alb-verde, verde, alb-portocaliu, albastru, alb-albastru, portocaliu, alb-maro, maro.

Pentru a înțelege modul cum funcționează un modem (nu este un model anume, ci unul abstractizat, generalist) vom porni de la următoarea schemă de principiu.

Deși funcționarea este destul de simplă, trebuie să explic mai multe scenarii de transfer a datelor, la sfârșit vorbind despre chestiuni precum modulație, baud, rată de transfer, port, și așa mai departe.

1. Recepția unui bit de date

1. Un bit de date venind de pe linia telefonică (1) trece prin conectorul RJ11 (2) sub forma unei unde electrice modulate (3), undă pe care o vom aproxima ca având forma unei sinusoide (adică așa: ~ ).
   • Felul în care un bit de date este codificat în acea oscilație se numește modulație – vom reveni la asta.
2. Semnalul modulat (3) ajunge la întrerupătorul de linie (4). Ca să înțelegem ce înseamnă întrerupătorul de linie și la ce folosește, trebuie să ne amintim cum funcționau telefoanele cu disc: formând un număr pe cadran, prin tragerea discului de formare în sensul acelor de ceasornic, linia era întreruptă de numărul de ori echivalent cifrei formate, iar cifra zero întrerupea linia de zece ori (sau, oricum, pe acolo).
   • Mai mult, întrerupătorul de linie (4) ne ajută să facem transmisia și recepția aproape simultană, fiindcă întrerupătorul de linie decuplează linia de recepție când are loc transmisia, și invers, de un număr foarte mare de ori (hai să nu vorbim despre eșantionare și extrapolare).
3. De la întrerupătorul de linie (4), semnalul audio merge la receptorul audio (5), care receptor audio trimite semnalul, după o anume prelucrare (filtrare de paraziți, etc), către convertorul analog – digital (6) serial (bit cu bit), convertorul analog – digital (6) generând un număr binar (cod).

   • Convertorul analog – digital (6) este un dispozitiv simplu, care filtrează un număr de frecvențe. Astfel că fiecare frecvență audio, deci sunet, este asociată unui cod. Și reciproca este valabilă, vom vedea în partea a doua când oferind un cod unui convertor digital – analogic (20) acesta va genera frecvența care se traduce în același cod.

   • Evident, conversia dinspre sunet spre un număr digital și inversă este esențială la codificarea și decodificarea semnalelor.

4. Numărul digital rezultat trece prin controlerul de magistrală externă (7) care se asigură că atunci când are loc recepția unui bit, transmisia este blocată, și invers. Oricum, rezultatul digital, numit în continuare cod, este depus spre stocare într-o memorie de tip tampon – buffer -  (8).
5. Memoria aceasta tampon (8) este folosită, printre altele, pentru a aproviziona cu date mecanismul de corecție și control al erorilor (9) – Error Correction and Control. Această memorie tampon are de obicei o capacitate mică (multiplu de 8 sau 9 biți, de obicei 3, deci 24 sau 27 de biți.
6. Mecanismul de corecție și control al erorilor (9) folosește memoria tampon (8) pentru a face operații matematice și logice asupra codurilor rezultate (de exemplu controlul parității). Pentru fiecare cod rezultat (estimat printr-un byte) sunt două scenarii posibile:
   • Codul nu este valid. Sărim la capitolul special pentru asta: 3. Controlul și corecția erorilor.
   • Codul este valid. Mergem la pasul 7 din descriere.
7. Codul, odată validat, este mutat de către microcontrolerul modemului (10) într-o altă memorie tampon (11), memorie zisă și buffer de intrare – ieșire și notată Buffer I/O, codul așteptând să fie trimis la magistrala PC-ului (13) prin blocul de intrare – ieșire (12).
   • Magistrala poate să fie ISA, PCI, PCI-X și altele, sau chiar un port: COM, USB… Datele problemei se schimbă foarte puțin, întrucât în schemă intervine doar protocolul magistralei respective (controlerele sunt deja în schemă).
8. Memoria tampon de intrare – ieșire (11) este mai mare decât memoria tampon (8) pentru că acum comunicăm direct cu magistrala PC-ului, care magistrală nu vrem să o ținem ocupată prea mult timp. De aceea vom transmite datele în bloc, câte 4 bytes deodată, minim. Pentru aceasta:
   • Microcontrolerul modemului va trimite datele în buffer (11).
   • Va anunța controlerul DMA (14) că a umplut bufferul cu date.
   • Va cere controlerului de magistrală (15) să trimită datele din buffer cât mai repede. Acesta așteaptă ca magistrala PC-ului (13) să-i dea acces de scriere, eventual cere accesul de la microprocesor – CPU – (19).
   • După ce obține acces de scriere, controlerul de magistrală îi ordonă blocului de intrare – ieșire (12) să trimită datele care vor ajunge pe magistrala PC-ului (13).
   • De acolo, deși n-am mai avut loc să reprezint și asta, blocul de intrare – ieșire al magistralei anunță controlerul de magistrală că au sosit date, iar controlerul de acces direct la memorie (16) – Direct Memory Access Controller – depune datele în memoria RAM (17), după cum acestea au fost marcate.
     • Adresele de memorie la care vor fi depuse datele sunt setate din driver. De aceea ni se cere să setăm un port serial virtual, sau să folosim un port serial, pentru a ști de la ce adresă de memorie să luăm codul (cel venit pe linia telefonică și decodificat).
9. Din memoria RAM (17), microprocesorul (18) poate cere datele folosind controlerul RAM (19).

2. Transmisia unui bit de date

1. Microprocesorul (18) – CPU – transmite rezultatul unei operații interne (adunare, să zicem), numit în continuare cod, către o adresă de memorie din memoria RAM (17), prin intermediul controlerului RAM (18).
2. Acea adresă de memorie unde se află codul îi aparține modemului. De aceea microprocesorul (18) îi dă ordin controlerului (nereprezentat) de magistrală să ceară acces de scriere pe magistrala (13) la care este conectat un anume dispozitiv – în acest caz modemul.
3. Când controlerul de magistrală are acces de scriere, microprocesorul (18) îi ordonă blocului de intrare ieșire al PC-ului (nereprezentat) să scrie pe magistrala (13) datele de din blocul de memorie RAM (17) aferente modemului, prin intermediul controlerului DMA (16).
4. În modem, blocul de intrare – ieșire (12) certifică faptul că datele au fost recepționate cu succes, le depune în memoria tampon (11) și-i cere controlerului de magistrală (15) să întrerupă accesul de scriere al PC-ului la magistrala modemului.
5. De acolo, din memoria tampon (11), codul (datele) ajunge în memoria tampon (8) prin intermediul controlerului (10) al modemului.
6. Mecanismul de corecție și control al erorilor (9) generează un cod de control ce va fi transmis odată cu codul prin intermediul controlerului de magistrală externă (7) care îi permite memoriei tampon să alimenteze cu date convertorul digital – analog (20) – Convertor Dl/A.
7. Convertorul digital – analog (20) transformă fiecare cod digital într-un sunet, astfel încât acel sunet convertit de un convertor analog – digital (6) să producă fix codul inițial (același). Pentru aceasta, convertorul digital – analog (20) folosește un mecanism de modulație (vom vedea un pic mai în jos ce înseamnă).
8. Semnalul analogic rezultat intră în emițătorul audio (21) care, prin întrerupătorul de linie (4) ajunge la linia telefonică (1) prin mufa RJ11 (2) a modemului.

3. Controlul și corecția erorilor

Blocul de corecție și control al erorilor (9) folosește diverși algoritmi pentru a detecta și, dacă este posibil, a repara erorile. Despre corecția și controlul erorilor am vorbit un pic.

1. Așadar, dacă un cod nu este valid, blocul de corecție și control al erorilor (9) informează microcontrolerul (10) că a avut loc o eroare ce nu poate fi reparată.
2. Microcontrolerul (10) resetează conținutul memoriei tampon (8) și formează un set de comenzi pe care le depune în aceasta.
3. Cu ajutorul controlerului de magistrală externă (7) comenzile din memoria tampon (8) sunt transmise mai departe, la convertorul digital – analog și, de acolo, mai departe, conform pasului 7 din transmisia unui bit de date.

4. Anexa

• Modulația este procesul prin care unda (AM/ FM) sau mai multe dintre proprietățile unei unde numite purtătoare sunt schimbate în funcție de evoluția proprietăților undei modulate în raport cu unda modulatoare.

  Sigur, există mai multe subcategorii în cadrul acelora prezentate mai sus, dar nu acesta este scopul articolului.

  • Tipuri de modulare:
    • analogică (la modemuri dial-up):
      • AM: modulație în amplitudine a semnalului purtătoarei.
      • FM: modulație în frecvență a semnalului purtătoarei.
      • CW: unda continuă este folosită pentru a transmite cod Morse. Se bazează pe existența sau lipsa purtătoarei.
      • PM: modulația de fază, la fel ca modulația FM, este o modulație de unghi a purtătoarei.
    • digitală:
      • ASK: schimbarea biților transmiși duce la schimbarea amplitudinii undei purtătoare.
      • FSK: schimbarea biților transmiși duce la schimbarea frecvenței undei purtătoarei.
      • PSK: schimbarea biților transmiși duce la schimbarea fazei undei purtătoare.
• BIOS-ul din cadrul modemului are un rol foarte practic. Când dispozitivul este pornit, microcontrolerul (10) cere date de la buffer-ul (8) care le va lua din memoria BIOS (22), eventual pe ruta care trece prin controlerul de magistrală externă (7). Mai mult, întreg programul de funcționare, inclusiv algoritmii de management al transferurilor dinspre și spre PC, dinspre și spre linia telefonică, inclusiv tipurile de modulație și o parte din algoritmii de corecție și control al erorii se află implementată în cod de program scris în această memorie EPROM.
• Unele blocuri din această schemă bloc pot să lipsească, conținutul variind de la modem la modem. După cum spuneam, acesta este designul unui modem abstractizat.
  • De exemplu, la modemurile pe ISA lipsea complet controlerul de acces direct la memorie (14).
  • La modemurile noi corecția și controlul erorilor se făcea de către microprocesor (18). O mizerie. Cea mai bună performanță se obține de la modemurile ce au corecție și control (9) implementate direct, măcar fiindcă degrevează microprocesorul de o sarcină suplimentară.
  • La modemurile moderne, nu neapărat mai bune, circuitele de emisie audio (21) sau recepție audio (5) sunt mult mai simple, bazându-se pe instrucțiuni ale microprocesorului pentru codificare/ decodificare. De aceea modemurile aiurea cer microprocesor ce suportă instrucțiuni MMX.
• Baud este unitatea de măsură a informației analogice. Adică o valoare de 600 baud pe secundă îi corespunde unei rate de transfer de 600 de biți pe secundă.
• Ratele de transfer pentru modemurile analogice erau de până la 56 Kb/s, adică aproximativ 7 KB/s, dacă modemul folosea compresie hardware (erau mai scumpe, dar mai bune). Ratele de transfer corespund valorilor porturilor seriale.

• Vom calcula paritatea doar pentru biții de valoare 1.
• Vom folosi transmisia pe 8 biți. Ca atare, pentru oricare 8 biți transmiși, vom transmite pe linie și un al nouălea bit, numit bit de paritate.
• Bitul de paritate este 1 atunci când avem un număr par de biți de valoarea 1 în cod, sau sau zero, în caz contrar.

După cum vedeți, regulile sunt simple și la obiect. Așadar, să presupunem că avem o eroare în procesul de transmisie/ recepție:

• S-a transmis codul: 10110011, alături de bitul de paritate cu valoarea 0 (semnalizând faptul că un cod transmis are un număr impar de valori 1);
• Și că s-a recepționat codul 00110011, alături de bitul de paritate 0 (semnalizând faptul că un cod transmis are un număr impar de valori 1);

Rezultatele la emisie și la recepție sunt reprezentate ca în tabelele următoare (informaticienii numără întotdeauna de la 0). Am folosit scrierea pe verticală întrucât pe orizontală tabelele nu încap. Erorile sunt notate cu roșu, valorile corect cu 1. Oricum, este fix aceeași chestie:

Evident, acest mecanism poate detecta doar erorile longitudinale (dea-lungul unui cuvânt), și nu poate face și corecția. Pentru implementarea unui mecanism de corecție mai de grabă rudimentar, se folosește și controlul parității transversale, despre care vom vorbi în continuare, sub mențiunea că algoritmii moderni de detecție și control a erorilor au trecut de faza asta și sunt mult mai avansați.

În primul rând, haideți să vedeți de ce nu este de ajuns mecanismul controlului parității pentru detectarea erorilor (față de exemplul precedent, doi biți au valorile inversate):

• S-a transmis codul: 10110011, alături de bitul de paritate cu valoarea 0 (semnalizând faptul că un cod transmis are un număr impar de valori 1);
• Și că s-a recepționat codul 01110011, alături de bitul de paritate 0 (semnalizând faptul că un cod transmis are un număr impar de valori 1);

Rezultatele la emisie și la recepție sunt reprezentate ca în tabelele următoare (informaticienii numără întotdeauna de la 0). Am folosit scrierea pe verticală întrucât pe orizontală tabelele nu încap. Erorile sunt notate cu roșu, valorile corect cu 1. Oricum, este fix aceeași chestie:

Evident, deși nu s-a detectat nicio eroare de transmisie/ recepție, codul recepționat este greșit. În două locuri, chiar. Așadar, se vede clar limita maximă de suportabilitate a mecanismului de calcul longitudinal al parității. De aceea, transmițând mai multe blocuri de date, le calculăm bitul de paritate atât longitudinal (dea-lungul byte-ului) cât și transversal (dea-lungul blocului de date), ca în tabelul următor.

Având datele din tabelul de mai sus, putem calcula unde este eroarea și care este valoarea corectă, adică putem implementa un rudimentar mecanism de corecție și control al erorii. Să vedeți cum.

• Luăm, de exemplu, byte-ul 0.
  • Cum se controlează eroarea:
    • Bitul te control al parității  longitudinale, calculat ca în exemplele de mai sus, ne semnalizează că s-a recepționat cu o eroare pe primul rând.
    • Bitul te control al parității transversale, din byte-ul notat cu “C” de la control, ne semnalizează că este o eroare pe coloana a doua.
  • Cum se corectează eroarea:
    • Satisfacem simultan condițiile necesare ca:
      • Bitul de paritate transversală să fie 1.
      • Bitul de paritate longitudinală să fie 1.
        • Soluția este doar una: bitul 2 (numerotat dinspre stânga spre dreapta, de la 0) să fie 1.

Desigur, dacă ar fi atât de simplu, tehnica n-ar trebui să mai evolueze. Dar nu este. Să vedem de ce. Să presupunem că avem o eroare de transmisie/ recepție în byte-ul 5, bitul 5  (deci rândul 6, coloana 5), și încă o eroare tot în byte-ul 5, pe coloana cu biții de control al parității (deci rândul 6, coloana 9):

• Luăm, după cum am spus, byte-ul 5.
  • Cum se controlează eroarea:
    • Bitul de control al parității  longitudinale, calculat ca în exemplele de mai sus, s-a transmis greșit. Așadar, nu știm că pe coloana a șasea bitul de control al parității s-a transmis greșit.
    • Știm, doar, că minim unul dintre biții de control a parității longitudinale s-a transmis greșit, nu știm care.
    • Bitul te control al parității transversale, din byte-ul notat cu “C” de la control, ne semnalizează că este o eroare pe coloana a patra, și că este o eroare și pe coloana biților de control.
  • Cum se corectează eroarea:
    • În acest caz erorile nu se pot corecta. Știm doar că eroarea este undeva pe coloana a cincea și a noua (biții de control a parității longitudinale), dar nu putem folosi ca referință biții de coloana biților de control longitudinal al erorii întrucât știm despre ei că sunt transmiți sau recepționați greșit.
  • Soluția? Blocul de date recepționat este invalidat și, ca atare, este cerut din nou.

Evident, sunt și algoritmi moderni mult mai sofisticați (acesta este chiar primul algoritm dezvoltat pentru corecția și controlul erorii) și care pot repara mult mai multe erori, doar că matematica lor nu este chiar cea mai simplă. Bine, putem vorbi despre diverși alți algoritmi de control și corecție a erorii, însă cei cu adevărat moderni se bazează pe o matematică complexă, mai ales dacă vorbim despre cazuri dificile, cum ar fi, de exemplu, transmisia wireless, în care pachetele transmise nu este neapărat să sosească în ordinea transmiterii (ba, chiar, ele sosesc intercalate de multe ori).

Ideea este că dacă ați reținut măcar cât am scris eu aici, eu sunt mulțumit. Ca și curiozitate, acest articol a fost, inițial, scris în cadrul unui articol despre modul de funcționare al unui modem, dar trebuit să le separ, întrucât primul articol devenea prea stufos.

[Adăugire ulterioară din 22 August 2010.]

Cauzele din care erorile pot să apară sunt multiple. De exemplu:

• Prin mediul de transmisie semnalul nu se propagă perfect, acesta fiind influențat și de semnale parazite (unde radio, vibrații electro-magnetice de la transformatoare).
• Pot apărea conflicte pe mediul de transmisie. Pe magistrala PC-ului (13), de exemplu, sau pe linia telefonică (1).
• Stabilitatea și performanțele receptorului audio (5), ale convertorului analog – digital (6), ale convertorului digital – analog (20) și ale emițătorului audio (21) nu sunt ideale.„

De aceea, dispozitivele care au un caracter critic, esențial – serverele, de exemplu – folosesc diverse dispozitive care suportă controlul și corecția erorii. De aceea, în general memoriile RAM de la servere sunt unele speciale, ce au încorporate diverse mecanisme de control și corecție a erorii, precum memoria KVR667D2D4P5/2G.