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  • CPU是由数百万只在显微镜下才看得见的晶体管组成的,并经过照相平版印刷技术最终蚀刻在一块磨光了的、只有大拇指甲盖大小的硅片上,并且还在不断地缩小。CPU的生产过程可以简单地归纳成以下几个步骤。 第一步:切...

    一、CPU的物理结构

    1.CPU的生产过程

             在CPU发展的30多年来,CPU的制造工艺技术也得到长足的发展。CPU是由数百万只在显微镜下才看得见的晶体管组成的,并经过照相平版印刷技术最终蚀刻在一块磨光了的、只有大拇指甲盖大小的硅片上,并且还在不断地缩小。CPU的生产过程可以简单地归纳成以下几个步骤。

     

    第一步:切晶圆。

     

    第二步:影印(Photolithography)。

     

    第三步:蚀刻(Etching)。

     

    第四步:分层。

     

    第五步:离子注入(IonImplantation)。

     

    第六步:不断重复以上过程。

     

    2. CPU的基本组成

     

             CPU中的晶体管用来存储表示0或者1的电荷,构成了计算机的二进制语言。成组的晶体管连在一起存储这些数据就能完成各种各样的运算任务,并且借助于一个石英的晶体钟来协调行动,使其任务一致和同步。这就是计算机内时钟的用途。

     

             存储器中的信息可以是数据,也可以是指令。对于由最简单的信息构成的数据,CPU只需要四个部分来实现对数据的操作:指令、指令指示器、寄存器、算术逻辑单元,另外CPU还包括一些协助基本单元完成工作的附加单元等,如表2-1所示。

     

    基本组成单元部分

       

    指令

    指示CPU处理数据

    指令指示器

    告诉CPU它所需要的指令放在内存中的哪个位置

    寄存器

    CPU内部的临时存储单元,保存等待处理的数据或是已经处理过的数据(如把两个数相加后的结果)

    ALU(算术逻辑单元)

    CPU的运算器,执行指令所指示的数学和逻辑运算

    取指器

    RAM或者CPU上的存储区取出指令

    解码器

    从取指器中取出指令,把它翻译成CPU所能使用的计算机语言,并确定完成该指令所需要的步骤

    控制器

    管理和控制CPU的所有操作,如告诉ALU什么时候开始计算,取指器什么时候取一个01值,以及解码器什么时候把该值翻译成一条指令

    FPU(浮点运算单元)

    处理非常大的数和非常小的数

     

            ALU及FPU是CPU中不可缺少的组成部分。为提高运算能力,在CPU内部增设了额外的ALU,希望增加一倍的处理能力,并另外增加了FPU。FPU能够处理范围非常大的数。对于计算机来说,若没有这两个部件,完成图形图像、动态模拟等工作就非常困难。

            为提高CPU与L2 Cache(二级高速缓存)间的数据交换速度,Intel从Pentium Pro起将原来设置在计算机主板上的高速缓存控制电路和L2 Cache集成到CPU芯片上。这样CPU内核与高速缓存之间的数据交换就不再经过外部总线而直接通过CPU内部的缓存总线进行,使CPU内核与内存、CPU与高速缓存之间的数据交换通道分离,形成了双总线架构模式。

     

     

     

    二、CPU的主要技术指标

    1.CPU的工作电压

           工作电压是指CPU正常工作时所需的电压。工作电压越高,CPU的发热量越大,工作越不稳定,甚至会造成死机或烧坏CPU。早期386、486的工作电压一般为5V,Pentium的工作电压是3.5V、3.3V、2.8V、1.6V等。随着CPU的制造工艺与主频的提高,CPU的工作电压还在逐步下降。低电压的CPU的芯片总功耗降低了,使得系统的运行成本就相应降低,这对于便携式和移动系统来说,可以让电池工作更长的时间,也使电池的使用寿命大大延长。功耗降低还可使发热量减少,让CPU与系统配合更好。可以说降低电压是CPU主频提高的重要因素之一。

           586系列以后的CPU按工作电压可分为两种,一种是单电压CPU,另外一种则是双电压CPU。单电压CPU有Intel Pentium系列的P54C、AMD-K5及Cyrix的6x86等系列。双电压CPU则有Intel MMX P55C的PentiumⅡ、AMD的K6、Cyrix的6x86及M2等系列。而这些双电压CPU所使用的工作电压则可以被区分成Vcore(内核电压)和Vio(I/O电压)两个部分。

    2.CPU的生产工艺

            表明CPU性能的参数中常有“工艺技术”一项,如“0.35mm”或“0.25mm”。目前生产CPU主要采用CMOS技术,这种技术生产CPU采用“光刀”加工各种电路和元器件,并采用金属铝沉淀在硅材料上,然后用“光刀”刻成导线连接各元器件。光刻的精度一般用微米表示,精度越高就可在同样体积的硅材料上生产更多的元件,加工出更细的连线,CPU工作主频就可以更高。   

    3.CPU的位、字节和字长

            CPU可以同时处理的二进制数据位数是其最重要的一个品质标志。通常所说的16位机、32位机就是指该微机中的CPU可以同时处理16位、32位的二进制数据。现在的CPU都是64位机。64位微处理器一次可以处理8个字节的信息。

    4.CPU的主频、外频和运算速度

    (1)主频

          CPU的“工作频率”又称“主频”或“内频(InternalClock)”,是CPU内核电路的实际运行频率,现在常用的为2.4GHz左右。从486DX2开始,CPU主频等于外频乘倍频系数(后面介绍)。主频的高低直接影响CPU的运算速度,是衡量CPU性能高低的重要技术参数。

          

          当然CPU的运算速度主要还要看CPU的流水线的各方面的性能指标。主频是CPU性能表现的一个方面,而不代表CPU的整体性能。比如AMD公司采用了更加模糊的命名方式,企图让消费者淡化以主频率计算性能的观念。比如Athlon 3000+,它的频率有可能是2.20GHz,也有可能是2.0GHz。对于CPU的性能还要参考其他主要参数。

    (2)外频

            在计算机的主板上,以CPU为主,内存和各种外围设备为辅,有许多设备要共同在一起工作。这些设备之间的联络,数据的交换,都必须正确无误、分秒不差。因此,它们必须要有一个固定的时钟来做时间上的校正、协调或者参考。这时钟由主板上的时钟发生器(Clock Generator或Clock Gen.)产生,就是所谓的外频。常见的指标多为133~200MHz。时钟发生器的品牌,大致有ICS、ICWORKS、WinBond等。

            由于计算机技术的飞速发展,CPU的速度也不断提升,而和它搭配的内存与外围设备的速度却跟不上,造成彼此速度搭配上明显的差异。为使它们能协调工作,CPU就得放慢脚步,这就限制了CPU的发展。于是制造厂商规定了一个公式,即“外频×倍频=内频”,规定外频即CPU用来与其他外围设备共同工作的速度。外频也称为CPU的外部时钟(External Clock)或总线时钟(BUS Clock)。从486DX2开始,CPU的内核工作频率和外频就不一致了。

            将系统时钟倍频后所得到的时钟信号作为CPU的内核工作时钟即CPU主频,例如IntelPentiumⅡ 300、400和500三款CPU的外部时钟皆为100MHz,其差别只是CPU内部倍频系数不同而已。300MHz(内频)=100MHz(外频)×3(倍频)。

    (3)倍频系数(ClockMultiplier Factor)

            由上面的介绍我们知道,CPU内部真正的工作时钟(主频)是外部时钟(外频)的倍数,这个所谓的“倍数”就是“倍频系数”。倍频系数越高,主频就越高。

    (4)前端总线(FSB-FrontSystem Bus)

             前端总线是指北桥芯片与CPU间数据传输的总线,是CPU跟外界沟通的惟一通道,处理器必须通过它才能获得数据或将运算结果传送出其他对应设备。前端总线的速度越快,CPU的数据传输就越迅速。前端总线的速度主要用前端总线的频率来衡量,取决于两个因素:一是总线的物理工作频率(即外频),二是有效工作频率(即FSB频率),它直接决定了前端总线的数据传输速度。Intel和AMD采用了不同的技术,Intel处理器的FSB频率跟外频的关系是:FSB频率=外频×4;AMD的则是:FSB频率=外频×2。

            通过介绍可以明白外频与前端总线频率的区别:前端总线的速度是指数据传输的速度,外频是CPU与主板之间同步运行的速度,即100MHz外频是指数字脉冲信号在每秒钟震荡一千万次;而100MHz前端总线指的是每秒钟CPU可接受的数据传输量是100MHz×64bit÷8Byte/bit=800MB/s。

    (5)运算速度及制约主频、外频提高的因素

             CPU的运算速度可用MIPS来表示,即“百万指令集每秒”的意思。它取决于主频,一般1.5GHz主频CPU的运算速度为1700MIPS。但计算机的整体运算速度不仅取决于CPU的运算速度,还取决于存储系统、显示系统等设备,这些分系统也需特定频率的时钟信号来规范运行,这样除了CPU主频和系统时钟(外频)外,还有ISA、PCI总线和AGP显示接口的时钟,这些时钟的频率都低于系统时钟。CPU与各个周边总线、设备就像一个集体,只有相互之间配合协调,才能将整体性能发挥出来。

           提高CPU主频和外频可以提高计算机系统的运算速度,但要提高这些指标又有一些制约因素。

           首先,提高CPU主频要受到生产工艺的限制。CPU是在半导体硅片上制造的,硅片上的元件之间需要导线进行连接,在高频状态下要求导线越细越短越好,这样才能减小导线分布电容等干扰以保证CPU运算正确,因此CPU的生产工艺很关键,比如0.25mm可以使CPU的主频达到400MHz;0.18mm可以达到700MHz;0.13mm可以达到2GHz;随着工艺技术的提高到90nm、65nm时,CPU的工作主频也就更高。

            其次,提高外频受到运行速度较慢的外部器件的制约。计算机外设的发展速度远跟不上CPU的发展速度,比如硬盘,尽管硬盘技术不断更新,但硬盘接口的工作频率远远低于CPU的频率。一旦系统时钟提高过快,硬盘的工作则可能会无法正常进行,为此还提出了“分频”的概念。

            分频技术是通过主板的北桥芯片将CPU外频降低,然后再提供给各板卡、硬盘等设备。

             用外频除以分频系数,便能得到PCI等外设的工作频率。在主板的外频变化时,PCI等外设的工作频率能够固定在标准频率。早期的外频为66MHz时是PCI设备1:2分频,AGP设备不分频;后来的外频为100MHz时是PCI设备1:3分频,AGP设备2:3分频(有些100MHz的北桥芯片也支持PCI设备1:4分频);目前的北桥芯片一般都支持133MHz外频,即PCI设备1:4分频、AGP设备1:2分频;在CPU外频高达200MHz,支持六分频的主板,即200除以6,就可得到PCI的标准频率33MHz。

            总之,在标准外频(66MHz、100MHz、133MHz、200MHz)下,北桥芯片通过分频技术使PCI设备工作在33MHz,AGP设备工作在66MHz。外频改变的同时也改变了PCI等扩展总线的时钟频率,必然影响这些接口上的外部设备的运行状态,这也是制约提高系统时钟频率的一个因素。

    三、 CPU的缓存

    L1 Cache(一级缓存)是CPU第一层高速缓存,分为数据缓存和指令缓存。

    L2 Cache(二级缓存)是CPU的第二层高速缓存,设置L2Cache的目的是弥补L1 Cache(一级高速缓存)容量的不足,以最大程度地减小内存对CPU运行造成的延缓。

    L3 Cache(三级缓存)早期是外置集成在主板上的,现在都是内置了。而它的实际作用是进一步降低内存延迟,同时提升大数据量计算时处理器的性能。

    四、 CPU的超频技术简介

    1.什么是超频

          超频就是通过提高CPU的外频或者倍频的方法来提高系统的数据传输量和运算速度,进而全面提高计算机系统的整体性能。通过超频可在不增加任何投资的情况下,实现系统升级,提高系统性能。

    2.如何超频

          超频首先可从提高外频开始,采用的方法是逐一往上调。调的方法也有两种:

          一种是对照主板说明书,在关机的情况下调整主板上的跳线或DIP开关,调整到所需的频率后重新开机,看计算机能否正常启动并稳定运行。

          另外一种方法是通过BIOS设置更改CPU倍频或外频。

           超频损害了CPU生产商的利益,Intel对其多数CPU产品进行了“锁频”技术处理,即采用固定倍频系数的方法限制用户对CPU超频。这样一来,超频者只有调整外频一种办法了,然后CPU的,如果CPU超频后系统不稳定,就可以适当调高CPU工作电压。但是加电压的副作用很大,首先CPU发热量会增大,其次电压加得过高很容易烧毁CPU,所以加电压时一定要慎重,一般以0.025V、0.05V或者0.1V步进向上加就可以了。而多数AMD的倍频都没有锁定,可以通过修改倍频的方法来进行超频。

           采用提高CPU倍频系数的方法进行超频时,超频能否成功仅取决CPU本身的性能和质量;而采用提高系统时钟方法对已经“锁频”的CPU进行超频时,超频能否成功则不光取决于CPU的性能和质量,还取决于系统内存、硬盘和显示卡等部件的性能和质量。因为外频提高后,CPU内部的L2 Cache的工作频率也相应被提高,L2 Cache的访问速度有一定限制,当系统时钟频率提高到一定程度,L2 Cache就可能无法正常工作。所以在对CPU进行超频运行时必须要考虑到这些因素,适可而止。

    3.超频后有可能出现的问题和解决方法

          CPU的工作状态是由输入CPU的电压决定的。输入CPU的电压波形一般呈梯形,假设在波峰和波谷之间存在一个点,在这点之上(即电压高)和之下(即电压低)CPU内部分别处于High和Low状态,达到这两种状态后分别需要稳定地保持一定时间,CPU才能正常工作。而将频率提高后,电压上升和下降所需的时间不变,而处于波峰和波谷稳定状态的时间被缩短了,最终导致CPU无法正确区分High和Low的状态。这就是超频后计算机工作不稳定的根本原因。

           最常用的解决方法是提升输入电压,但会产生一系列新的问题。首先电路本身并不是为高电压的环境所设计,无节制地提高工作电压最终会使电路无法工作,甚至有可能破坏精密的晶体管。通常,CPU的许可工作电压比额定电压高0.1V左右,过多提升电压会缩短CPU的寿命,所以,只能往上升一点点。其次,随着CPU工作电压的升高,发热量会增大,散热不好也会造成CPU工作不正常

          若想超频,选购CPU时应注意选择实力强的厂商及超频空间较大的产品。另外,还要选择稳定的主板,布局结构要合理,有利于散热,北桥芯片上应该有散热片,以增强系统的稳定性,并有较多可供选择的外频等。

           另外当CPU超频在非标准外频时,硬盘、显卡及其他PCI设备同样处于超标准的频率下,长期使用会给这些配件带来一定影响。因此,硬盘、内存、显卡及其他PCI设备在高频下的稳定性同样决定了超频能否成功,应该购买质量较好的名牌产品。

    五、 CPU主要技术术语浅析

    1.流水线技术和超流水线技术

               流水线(Pipeline)是Intel公司在486芯片中开始使用的。在CPU中由取指令、译码、产生地址、执行指令和数据写回等5~6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线。一条x86指令可分成5~6步,由这些电路单元同时执行,这样在一个CPU时钟周期就能完成一条指令,以提高CPU的运算速度。

           CPU流水线长度越长,不同功能的电路单元越多,运算工作就越简单,处理器的工作频率就越高。CPU的流水线长度很大程度上决定了CPU所能达到的最高频率,于是就有了现在的超流水线技术,例如Intel的Willamette和Northwood核心的流水线长度为20步,Prescott核心的Pentium 4流水线长度为30步,而AMD的Clawhammer K8流水线长度为11步。

    2.超标量技术和超线程技术

           超标量(Superscalar)是指在CPU中有一条以上的流水线,并且每时钟周期内可以完成一条以上的指令,这种设计就叫超标量技术。

          超线程(Hyper-Threading,HT)是一种同步多线程执行技术,采用此技术的CPU内部集成了两个逻辑处理器单元,相当于两个处理器实体,可以同时处理两个独立的线程。通俗说就,是让单个CPU能作为两个CPU使用,从而达到加快运算速度的目的。

    3.指令特殊扩展技术

          CPU在基本功能方面的差别并不太大,基本的指令集也都差不多,但是许多厂家为了提升某一方面性能,又开发了扩展指令集,扩展指令集定义了新的数据和指令,能够大大提高某方面数据处理能力,但必需要有软件支持。CPU依靠指令来计算和控制系统,每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标,指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。

          MMX是Muti Media Extended(多媒体指令集)的缩写,是Intel公司于1996年推出的一项多媒体指令增强技术,共有57条指令,主要用于增强CPU对多媒体信息的处理,提高CPU处理3D图形、视频和音频信息能力。但由于只对整数运算进行了优化而没有加强浮点方面的运算能力。

           SSE是Internet StreamingSIMDExtensions(因特网数据流单指令序列扩展)的缩写,共有70条指令,涵括了MMX和3D Now!指令集中的绝大部分功能,特别加强了SIMD浮点处理能力,改善了内存的使用效率,使其速度更快。首次被应用于PentiumⅢ中。随后的SSE2包含有144条命令,SSE3包含有13条命令。SSE3是目前最先进、规模最小的指令集,Intel Prescott处理器支持SSE3指令集,AMD在双核心处理器当中加入对SSE3指令集的支持,全美达的处理器也将支持这一指令集。

           SSE4指令集是在Intel Core2处理器中率先推出的。从IntelCore微架构针对SSE指令所作出的修改被称为“Intel Advanced Digital Media Boost”技术来看,SSE4将更注重针对视频方面的优化。

    4.多核心

            多核心,也指单芯片多处理器(Chipmultiprocessors,简称CMP)。CMP是由美国斯坦福大学提出的,其思想是将大规模并行处理器中的SMP(对称多处理器)集成到同一芯片内,各个处理器并行执行不同的进程。与CMP比较,SMT处理器结构的灵活性比较突出。但是,当半导体工艺进入0.18微米以后,线延时已经超过了门延迟,要求微处理器的设计通过划分许多规模更小、局部性更好的基本单元结构来进行。相比之下,由于CMP结构已经被划分成多个处理器核来设计,每个核都比较简单,有利于优化设计,因此更有发展前途。多核处理器可以在处理器内部共享缓存,提高缓存利用率,同时简化多处理器系统设计的复杂度。

    5.Core微架构技术

         Core微架构拥有双核心、64bit指令集、4发射的超标量体系结构和乱序执行机制等技术,使用65nm制造工艺生产,支持36bit的物理寻址和48bit的虚拟内存寻址,支持包括SSE4在内的Intel所有扩展指令集。而且它采取共享式二级缓存设计,2个核心共享4MB或2MB的二级缓存是。真正的双核。

           基于Core核心的Conroe处理器的流水线从Prescott核心的31级缩短为14级,Core还采用改进后的分支预测设计,这使它拥有更优秀的分支预测能力,避免了流水线周期的浪费。

           Core微架构的最大变化之一,是采用了四组指令编译器,即四组解码单元。这四组解码单元由三组简单解码单元(Simple Decoder)与一组复杂解码单元 (ComplexDecoder)组成。Core采用微指令融合技术,可以减少微指令的数目,这相当于在同样的时间   内,它能实际处理更多的指令,显著提高了处理效能。而且,减少微指令的数目还能降低处理器的功耗。

           Core微架构采用大容量的共享式二级缓存。这种设计不仅减少了缓存访问延迟,提高了缓存的利用率,而且还可以使单个核心享用完全的4MB缓存。

           Core微架构提供内存数据依存性预测功能,可在处理器将数据回存内存的同时,预测后继的加载指令是否采用相同的内存地址,并将未采用相同内存地址的后继指令加载到指定位置。而增强的“预先加载机制”可根据应用程序数据的行为,进行指令与数据的预先抓取动作,让所需要的内存地址数据,尽量存放在缓存中,减少读取内存的次数。这些大大改善了内存读取效率,缩短了内存存取的延迟。

           Core微架构具有智能电源管理能力(IntelligentPower Capability),在处理器内各功能单元并非随时保持启动状态,而是根据预测机制,仅启动需要的功能单元。在Core微架构上,新采用的分离式总线(Split Buses)、数字热感应器(Digital Thermal Sensor)以及平台环境控制接口(Platform Environment Control Interface)等技术将带来明显的省电效果,这将大大降低功耗。

          在2008和2010年还会有Nehalem和Gesher等新的“微架构”问世。

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  • CRT是什么意思?LCD又是什么意思

    千次阅读 2008-11-20 17:41:00
    CRT是什么意思?LCD又是什么意思 CRT(Cathode Ray Tube)是阴极射线管。是应用较为广泛的一种显示技术。CRT投影机把输入的信号源分解到R(红)、G(绿)B(蓝)三个CRT管的荧光屏上,在高压作用下发光信号放大、...
      
    
    CRT是什么意思?LCD又是什么意思
     
    CRT(Cathode Ray Tube)是阴极射线管。是应用较为广泛的一种显示技术。CRT投影机把输入的信号源分解到R(红)、G(绿)B(蓝)三个CRT管的荧光屏上,在高压作用下发光信号放大、会聚、在大屏幕上显示出彩色图像。

    光学系统与CRT管组成投影管,通常所说的三枪投影机就是由三个投影管组成的投影机。CRT投影机显示的图像色彩丰富,还原性好,具有丰富的几何失真调整能力;缺点是亮度较低,操作复杂,体积庞大,对安装环境要求较高。

    有两个CRT投影机的特有性能指标值得注意

    会聚性能

    会聚是指红绿蓝三种颜色在屏幕上的重合。

    对CRT投影机来说,会聚控制性显得格外重要,因为它有RGB三种CRT管,平行安装地支架上,要想做到图像完全会聚,必须对图像各种失真均能校正。机器位置的变化,会聚也要重新调整,因此对会聚的要求,一是全功能,二是方便快捷。会聚有静态会聚和动态会聚,其中动态会聚有倾斜,弓形,幅度,线性,梯形,枕形等功能,每一种功能均可在水平和垂直两个方向上进行调整。除此之外,还可进行非线性平衡,梯形平衡,枕形平衡的调整。

    CRT管的聚焦性能

    我们知道,图形的最小单元是像素。像素越小,图形分辨率越高。在CRT管中,最小像素是由聚焦性能决定的,所谓可寻址分辨率,即是指最小像素的数目。

    CRT管的聚焦机制有静电聚焦、磁聚焦和电磁复合聚焦三种,其中以电磁复合聚焦较为先进,其优点是聚焦性能好,尤其是高亮度条件下会散焦,且聚焦精度高,可以进行分区域聚焦,边缘聚焦,四角聚焦,从而可以做到画面上每一点都很清晰。

    LCD为英文Liquid Crystal Display的缩写,即液晶显示器,是一种数字显示技术,可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源,在平面面板上产生图象。与传统的阴极射线管(CRT)相比,LCD占用空间小,低功耗,低辐射,无闪烁,降低视觉疲劳。不足:与同大小的CRT相比,价格更加昂贵。

    在笔记本电脑市场占据多年的领先地位之后,基于液晶显示技术的光滑显示屏幕正逐步地进入桌面系统市场。LCD拥有许多传统的CRT显示技术所不具备的优势,能够提供更加清晰的文本显示,而且屏幕无闪烁,从而能够有效降低长时间注视屏幕所产生的视觉疲劳。LCD显示器的厚度一般不超过10英寸,因此,如果桌面系统采用LCD技术的话将会节省更大空间。尽管LCD显示器有其诱人的独到之处,但不可否认,与主要的竞争对手CRT显示器相比,LCD在高质量的色彩显示方面仍存在不足,此外,悬殊的价格差异使LCD仍然是仅被少数人享用的奢侈产品。

    早在1888年,人们就发现液晶这一呈液体状的化学物质,象磁场中的金属一样,当受到外界电场影响时,其分子会产生精确的有序排列。如果对分子的排列加以适当的控制,液晶分子将会允许光线穿越。无论是笔记本电脑还是桌面系统,采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。位于最后面的一层是由荧光物质组成的可以发射光线的背光层。背光层发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中,一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。当LCD中的电极产生电场时,液晶分子就会产生扭曲,从而将穿越其中的光线进行有规则的折射,然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。

    对于简单的单色LCD显示器,如掌上电脑所使用的显示屏,上述结构已经足够了。但是对于笔记本电脑所采用的更加复杂的彩色显示器来说,还需要有专门处理彩色显示的色彩过滤层。通常,在彩色LCD面板中,每一个像素都是由三个液晶单元格构成,其中每一个单元格前面都分别有红色,绿色,或兰色的过滤器。这样,通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。现在,几乎所有的应用于笔记本或桌面系统的LCD都使用薄膜晶体管(TFT)激活液晶层中的单元格。TFT LCD技术能够显示更加清晰,明亮的图象。早期的LCD由于是非主动发光器件,速度低,效率差,对比度小,虽然能够显示清晰的文字,但是在快速显示图象时往往会产生阴影,影响视频的显示效果,因此,如今只被应用于需要黑白显示的掌上电脑,呼机或手机中。

    受LCD液晶层中实际单元格数量的影响,LCD显示器一般只能提供固定的显示分辨率。如果用户需要将800X600的分辨率提升到1024X768的话,只能借助于特定软件的帮助实现模拟分辨率。

    与传统的CRT显示器一样,应用于桌面系统的LCD也被设计成接收波形模拟信号,而非直接由PC产生的数字脉冲信号。这主要是因为目前桌面系统中的绝大多数标准显卡仍然是在将视频信息由最初的数字信号转化为模拟信号之后再传送给显示器显示。虽然桌面系统的LCD被设计成可以接收模拟信号,但是LCD本身仍然只能处理数字信息,因此当从显卡接收到模拟信号之后,LCD需要将模拟信号再还原为数字信号后进行处理。为了解决上述问题带来的显示上的不足,最新的桌面LCD采用了一种特殊的带有数字连接器图形卡直接向LCD显示器传送数字信号。

    随着LCD技术的不断成熟和发展,显示屏幕的大小正在逐步增加。以往的笔记本电脑中都是采用8英寸(对角线)固定大小的LCD显示器,现在,基于TFT技术的桌面系统LCD能够支持14到18英寸的显示面板。因为生产厂商是按照实际可视区域的大小来测定LCD的尺寸,而非向CRT那样由显象管的大小决定,所以一般情况下,15英寸LCD的大小就相当于传统的17英寸彩显的大小。

    二、液晶显示技术一览

    <> PPI与分辨率

    数家显示厂商,包括生产LCD显示屏的龙头大厂--东芝,都趁这次EDEX大展发布最新研制的200PPI真正高分辨率TFT液晶显示屏。PPI所表示的是每平方英寸所拥有的像素(Pixel)数目。因此PPI数值越高,即代表显示屏能够以越高的密度显示图像。当然,显示的密度越高,拟真度就越高。目前通用的TFT液晶显示屏大部分只有100PPI,可以想像拥有高一倍的200PPI显示画质,将会是什么效果了。

    <> 低温多硅显示屏曝光

    各大厂商除在显示质量方面明争暗斗之外,显示面积当然也是另一个兵家必争之地。拥有特大显示面积的TFT显示屏纷纷出笼。东芝公司将于2000年秋季左右正式将15寸的低温多硅TFT技术应用到显示屏或笔记本电脑产品上。

    <> 新颖的分辨率标准

    VGA、SVGA、甚至UXGA的分辨率标准,相信大家都已经耳熟能详。但这个叫做SXGA+的最新分辨率标准你也听说过吗?SXGA+所代表的显示分辨率为1400×1050。其实,IBM、三星和日立等三家厂商于1999年10月举行的“LCD/PDP Internation 99’展览会中,已经展出过使用SXGA+分辨率标准的显示屏。而这次的EDEX 2000中,夏普公司就展出了以这种最新分辨率标准制造,专供笔记本电脑使用的13.3寸/14.1寸及15寸TFT显示屏。

    <> Quad-VGA

    三菱公司也展出的一种最新分辨率标准的液晶体显示屏产品。“Quad-VGA”所代表的分辨率为1280×960,以一般标准XGA的 1280×1024 显示分辨率比较,Quad-VGA会较为扁平一点点,纵横比例超越 4:3 多一些。未来“Quad-VGA”标准的显示屏即将会被索尼应用于其L系列的VAIO笔记本电脑中。

    三、名词解释

    很多人在购买电脑产品时,常常被说明资料中的专有名词弄得头昏脑涨。选购LCD显示器也是一样,有一些平日没有接触过的名词会让大家不知所措。因此笔者在下面的文章中将与液晶显示器有关的、一些比较重要的技术术语作简单整理和解释,使大家在购买LCD显示器时能有个参考的依据。

    1、尺寸标示和可视角度

    LCD显示器跟CRT显示器除显示方式不同以外,最大的区别就是尺寸的标示方法不一样。举例而言,CRT显示器在规格中标榜为17寸,但实际可视尺寸却绝对达不到17寸,大约只有15寸多些;而就LCD显示器而言,若标示为15.1寸显示器,那么可视尺寸就是15.1寸。

    综合上面的说法:CRT显示器的尺寸标示,是以外壳的对角线长度作为标示的依据;而在LCD显示器上面,则只以可视范围的对角线作为标示的依据。

    单就当前市面上出售的LCD显示器来说,可视角度都是左右对称的(也就是由左边或是右边可以看见荧幕上图像的角度是一样的。例如左边为60度可视角度,右边也一定是60度可视角度)。而上下可视角度通常都小于左右可视角度。

    从用户的立场来说,当然可视角度越大越好。但是大家必须了解可视角度的定义。当我们说可视角度是左右80度时,表示站在始于显示器法线(就是显示器正中间的假想线),垂直于法线左方或是右方80度的位置时,仍可清晰看见显示器上的影像。由于每个人的视力不同,因此我们以对比度为准。在最大可视角度时所量到的对比度越大就越好。

    2、亮度、对比度

    TFT LCD显示器的可接受亮度为150cd/m2以上。目前国内市场中能够见到的TFT液晶显示器亮度都在200cd/m2左右(LCD显示器的亮度测量单位为米平方烛光“cd/m2”,也就是一般所称的NIT)。亮度过低就会感觉荧幕比较暗,当然亮一点会更好。但是,如果荧幕过亮的话,人的双眼观看荧幕过久同样会有疲倦感产生。因此对绝大多数用户而言,亮度过高并没有什么实际意义。

    亮度和对比度对于LCD显示器影像的呈现,比对CRT显示器有更大的影响。高亮度的LCD显示器对于用户而言,感觉会比较好。但是也要提供足够高的对比度来显示亮度、才能确保色彩的真实度和色阶准确度。

    TFT LCD显示器的亮度范围由150Nits到200Nits。通常,质量好的LCD显示器标准亮度最少要有200Nits,而大部分的CRT显示器最高亮度只在150Nits左右。以200Nits的亮度为例,LCD显示器比CRT显示器的影像表现更佳。消费者在购买显示器时,要特别注意亮度指标,因为目前还没有一个确切的标准来测量亮度是否足够明亮。

    另外值得注意的是,LCD显示器在荧幕的中央部分非常地明亮,而在接近边缘部分亮度会降低近25%。最好且最有效的方法,就是将LCD显示器并排一对一比较。

    对比度指标指的是最亮的白色和最暗的黑色之间不同亮度层次的测量。当对比度达到120:1时,就可以很容易地显示生动、丰富的色彩。而对比度高达300:1时,则可支持各色阶的颜色。

    从目前来看,用户在购买LCD显示器时,还没有一套有效且公正的标准来衡量对比度和亮度指标。所以最好的识别方法还是利用自己的双眼来判定。即将LCD显示器调到最亮和最暗,看看感觉如何。现在也只能利用这方法来找到比较合适的LCD显示器。

    3、响应时间

    所谓“响应时间”,就是LCD显示器对于输入信号的反应速度,也就是液晶由暗转亮或者是由亮转暗的反应时间。

    基本上,“响应时间”指标越小越好。响应时间越小,则用户在看移动的画面时不会出现有类似残影或者是拖曳的感觉。通常,各种LCD显示器会将反应速度分为两个部分--“Rising”和“Falling”,而表示时则以两者之和为准。

    4、显示色彩

    早期的彩色LCD显示器在颜色表现方面,最多只能显示高彩(256K)。因此许多厂商使用所谓的FRC(Frame Rate Control)技术,以仿真的方式来表现出全彩的画面。到了近期,由于技术的进步,LCD显示器最起码也能够显示到高彩16位元色。解析度方面,以15.1英寸 TFT LCD显示器为例,基本都能够支持到1024x768的解析度;17寸以上的LCD显示器可以达到1280x1024的解析度,色彩表现在全彩(32位元)的模式也是轻而易举的事。

    5、荧幕刷新频率

    对于CRT显示器来说,刷新率关系到画面刷新的速度。刷新速度越快,画面越不容易闪烁。而如果刷新率在75Hz以上,用户就不容易感到画面闪烁。

    对于LCD显示器来说,刷新率高低并不会使画面闪烁。刷新率在60Hz时,LCD就能获得很好的画面。在LCD显示器中,每个像素都持续发光,直到不发光的信号被送到控制器中,所以LCD显示器不会有因不断充放电而引起的闪烁现象。

    也许有人会问:如果大多数的LCD显示器在60Hz刷新率下就能达到最佳画质,为何不将刷新率锁定在60Hz,而要有60-75Hz的选择范围?其实这关系到使用弹性和兼容性的问题。由于LCD显示器试图取代CRT显示器的市场地位,而现今大部分显示卡仍以CRT显示器为设计对象,更高的使用弹性和兼容性将有助于LCD显示器切入市场,并取代CRT显示器。

    6.解析度

    无论是购买LCD或一般的CRT显示器,解析度都是显示器的主要衡量标准。因为显示器必须支持软硬件所需要的解析度。

    传统CRT显示器支持的解析度比较有弹性。不管是高的解析度或是低的解析度,通通能够显示,并且丝毫不损失显示质量。这是因为CRT显示器的影像主要是由像素(Pixels)所组成的点和线而产生的,因此像素的多寡是影响解析度的重要因素。

    但是,LCD液晶显示器却只支持所谓的“真实解析度”,可比喻为一般CRT显示器的最高解析度。其主要差别在于,LCD液晶显示器只有在“真实解析度”下才能表现最佳影像效果。解析度低于真实解析度时,影像还是可以被呈现,只是所显示的影像无法如真实解析度般得到优化。LCD液晶显示器的真实解析度定义为“定点形式”,所以我们在使用LCD显示器时,切记将解析度设定成最高,这样画面所呈现的影像将会越清晰,使用起来感觉也会越好。转载
     
     
     
     
     
    什么是(LCD)液晶显示器?(LCD)液晶显示器是什么意思? 2008-08-01
     
    液晶显示器(LCD)英文全称为LiquidCrystalDisplay,它一种是采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。和CRT显示器相比,LCD的优点是很明显的。由于通过控制是否透光来控制亮和暗,当色彩不变时,液晶也保持不变,这样就无须考虑刷新率的问题。对于画面稳定、无闪烁感的液晶显示器,刷新率不高但图像也很稳定。LCD显示器还通过液晶控制透光度的技术原理让底板整体发光,所以它做到了真正的完全平面。一些高档的数字LCD显示器采用了数字方式传输数据、显示图像,这样就不会产生由于显卡造成的色彩偏差或损失。完全没有辐射的优点,即使长时间观看LCD显示器屏幕也不会对眼睛造成很大伤害。体积小、能耗低也是CRT显示器无法比拟的,一般一台15寸LCD显示器的耗电量也就相当于17寸纯平CRT显示器的三分之一。
    目前相比CRT显示器,LCD显示器图像质量仍不够完善。色彩表现和饱和度LCD显示器都在不同程度上输给了CRT显示器,而且液晶显示器的响应时间也比CRT显示器长,当画面静止的时候还可以,一旦用于玩游戏、看影碟这些画面更新速度块而剧烈的显示时,液晶显示器的弱点就暴露出来了,画面延迟会产生重影、脱尾等现象,严重影响显示质量。
    LCD显示器的工作原理:
    从液晶显示器的结构来看,无论是笔记本电脑还是桌面系统,采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成,厚约1mm,其间由包含有液晶材料的5μm均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光,所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管,而在液晶显示屏背面有一块背光板(或称匀光板)和反光膜,背光板是由荧光物质组成的可以发射光线,其作用主要是提供均匀的背景光源。
    背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万液晶液滴的液晶层。液晶层中的液滴都被包含在细小的单元格结构中,一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极,电极分为行和列,在行与列的交叉点上,通过改变电压而改变液晶的旋光状态,液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时,液晶分子就会产生扭曲,从而将穿越其中的光线进行有规则的折射,然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。
    液晶显示技术也存在弱点和技术瓶颈,与CRT显示器相比亮度、画面均匀度、可视角度和反应时间上都存在明显的差距。其中反应时间和可视角度均取决于液晶面板的质量,画面均匀度和辅助光学模块有很大关系。
    对于液晶显示器来说,亮度往往和他的背板光源有关。背板光源越亮,整个液晶显示器的亮度也会随之提高。而在早期的液晶显示器中,因为只使用2个冷光源灯管,往往会造成亮度不均匀等现象,同时明亮度也不尽人意。一直到后来使用4个冷光源灯管产品的推出,才有很大的改善。

    信号反应时间也就是液晶显示器的液晶单元响应延迟。实际上就是指的液晶单元从一种分子排列状态转变成另外一种分子排列状态所需要的时间,响应时间愈小愈好,它反应了液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度,即屏幕由暗转亮或由亮转暗的速度。响应时间越小则使用者在看运动画面时不会出现尾影拖拽的感觉。有些厂商会通过将液晶体内的导电离子浓度降低来实现信号的快速响应,但其色彩饱和度、亮度、对比度就会产生相应的降低,甚至产生偏色的现象。这样信号反应时间上去了,但却牺牲了液晶显示器的显示效果。有些厂商采用的是在显示电路中加入了一片IC图像输出控制芯片,专门对显示信号进行处理的方法来实现的。IC芯片可以根据VGA输出显卡信号频率,调整信号响应时间。由于没有改变液晶体的物理性质,因此对其亮度、对比度、色彩饱和度都没有影响,这种方法的制造成本也相对较高。
    由上便可看出,液晶面板的质量并不能完全代表液晶显示器的品质,没有出色的显示电路配合,再好的面板也不能做出性能优异的液晶显示器。随着LCD产品产量的增加、成本的下降,液晶显示器会大量普及。
     
     
     
     

    LCD液晶显示器

      早在19世纪末,奥地利植物学家就发现了液晶,即液态的晶体,也就是说一种物质同时具备了液体的流动性和类似晶体的某种排列特性。在电场的作用下,液晶分子的排列会产生变化。从而影响到它的光学性质,这种现象叫做电光效应。利用液晶的电光效应,英国科学家在本世纪制造了第一块液晶显示器即LCD。今天的液晶显示器中广泛采用的是定线状液晶,如果我们微观去看它,会发现它特象棉花棒。与传统的CRT相比,LCD不但体积小,厚度薄(目前14.1英寸的整机厚度可做到只有5厘米),重量轻、耗能少(1到10 微瓦/平方厘米)、工作电压低(1.5到6V)且无辐射,无闪烁并能直接与CMOS集成电路匹配。由于优点众多,LCD从1998年开始进入台式机应用领域。
      1、 液晶显示的分类:
      液晶产品其实早存在于我们的生活之中。如电子表、计算器、掌上游戏机等。按照分子结构排列的不同可分为三种:类似粘土状的Smestic液晶、类似棉花棒的Nematic液晶、类似胆固醇状的Choleseic液晶,这三种液晶的物理特性不尽相同,用于液晶显示器的是第二种液晶。采用此种液晶制造的显示器称为LCD。常见的液晶显示器分为TN—LCD、STN—LCD、DSTN—LCD和TFT—LCD四种,其中前三种基本的显示原理都相同,只是分子排列顺序不同而已;而TFT—LCD采用的是与TN系列LCD截然不同的工作原理。目前电脑上采用的都是这种液晶显示器。其工作原理是采用两夹层,中间填充液晶分子,夹层上部为FET晶体管。夹层下部为共同电板,在光源设计上要用“背透式”照射方式,在液晶的背部设置类似日光灯的光管。光源照射时由下而上透出借助液晶分子传导光线,透过FET晶体管层,晶体分子会扭转排列方向产生透光现象,影像透过光线显示的屏幕上,到下一次产生通电之后分子的排列顺序又会改变,再显示出不同影像。
      2、 液晶显示器的和传统显示器的比较
      虽然产品购造和显示原理都不尽相同,液晶显示器(LCD) 和传统显示器(CRT)的共同目的都是达到优良的显示效果,现在我们对CRT和TFT液晶显示器作一比较。
      结构和产品体积:传统的CRT型显示器必须通过电子枪发射电子束到屏幕,因而显像管的管就不能太短,当屏幕增大时也必须加大体积,TFT则通过显示屏上的电子板来改变分子状态,以达到显示目的,即使屏幕加大,它只需将水平面积增大即可,而体积却不会有很大增加,而且要比CRT显示器轻很多,同时TFT由于功耗只用于电板和驱动IC上,因而耗电量较小。
      辐射和电磁干扰:传统的显示器由于采用电子枪发射电子束打到屏幕产生辐射源。虽然现在有一些先进的技术可将辐射降到最小,但仍然不能完全根除。TFT液晶显示器则不必担心这一点。至于电磁波的干扰,TFT液晶显示器只有来自驱动电路的少量电磁波,只要将外壳严格密封就可使电磁波不外泄,而CRT显示器为了散热不得不在机体上打出散热孔,所以必定会产生电磁干扰。
      屏幕平坦度和分辩率:TFT液晶一开始就采用纯平面的玻璃板,所以平坦度要比大多数CRT显示器好得多,当然现在有了纯平面的CRT彩显。在分辨率上,TFT却远不如CRT显示器,虽然从理论上讲它可提供更高的分辩率,但事实却不是这样。
      显示效果:传统CRT显示器是通过电子枪打击荧光粉因而显示的亮度比液晶的透光式显示要好得多,在可视角度上CRT也要比TFT好一些,在显示反映速度上,CRT与TFT相差无几。
      3、液晶显示器近期发展趋势
      由于液晶显示器有着许多传统CRT不可比拟的优点,所以它会越来越多地用于桌面台式显示器上,液晶显示器是通过数字信号来显示影像的,和阴极射线管采用模拟信号不太相同,不过为了符合市场要求,目前液晶显示器的信号种类是模拟与数字两种均有。采用模拟信号的好处是可以和目前绝大多数显卡兼容,但是这样做在液晶显示器内部还得加装一个APC,将传输进来的模拟信号再转换成数字信号,这样可能会影响显示品质。目前一些供应商正在制定PC机与LCD之间的专用标准接口,其目的是提供在主流机型已存在的端口上直接兼容数字信号,不过目前的显卡很少有支持数字传输界面的,而且数字界面的管脚也尚未统一,这是近期内要解决的问题之一。
      此外,液晶显示器的色彩调校。一直不尽如人意,这是因为LCD的色彩调校要考虑到环境光源和液晶显示器的属性,再加上液晶显示器的可视角度狭窄,要同时调整出一个最佳的观看角度和色彩正确性就非常不容易。目前市面上还没有专为桌面型液晶显示器所设计的色彩调校软件,不过相信未来,将会有更多的厂商重视液晶显示器的色彩调校。
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  • 这篇文章试图系统的梳理分布式存储系统(下面简称存储系统)的几个技术指标。 通俗的说,“把数据保存好,并且能读出来”是一个存储系统的基本能力。从产品特性的角度上讲,存储系统还可以有很多其他的丰富的特性.....

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    随着数据的爆炸,现在越来越多的人关注分布式存储,或者叫云存储。然而选择一款分布式存储应该关注哪些指标呢?这篇文章试图系统的梳理分布式存储系统(下面简称存储系统)的几个技术指标。

    通俗的说,“把数据保存好,并且能读出来”是一个存储系统的基本能力。从产品特性的角度上讲,存储系统还可以有很多其他的丰富的特性,例如重复数据删除,数据多版本,数据快照,数据备份,数据灾备等。这些特性涉及的技术面过于宽泛,本文仅就“把数据保存好,并且能读出来”这一基本能力展开深入的分析和讨论。

    在讨论之前,有必要先就一些说法达成共识,尽量避免在后续阅读中产生歧义。假如客户端向一个存储系统中写入一个“东西”,这个东西得有个名字和内容。这个名字可以是文件系统中的文件名,例如c:\dir\subdir\file,也可以是对象存储中的对象名,例如/bucket/path/objectname,还可以是块存储中的LBA(Logical Block Addressing),例如0表示LBA为0的块。但不管是哪种情形,我们可以把这个“东西”称为“对象”,对象的名字称为键(Key),这个东西的内容称为值(Value)。所以向一个存储系统中写入一个东西,可以抽象为写入一个特定的Key和对应的Value的对象。如果写入的一个Key=A、Value=0的对象,我们就记为“对象A=0”,或简记“A=0”。

    接下来,我们开始描述一个存储系统的基本指标。

     

    1. 持久性Durability

    持久性是指在一段时间内保持数据不丢失的能力。例如客户端写入对象A=0。过了一年之后,客户端再去读这个A,发现A的内容不是0了,或者读不到A的内容了,那么就说A的数据丢失了。描述持久性的单位是“每年百分比”,记作“%/年”。

    例如,有一个存储有1,000,000,000个比特数据的存储系统,在一年之内有一个比特发生了变化,即从0变成1,那么持久性=1-(1/1,000,000,000)=99.9999999%/年。

     

    2. 一致性 Consistency

    一致性是指,当一个对象的Value被修改后需要等待多久客户端才能“看到”这个修改。如果需要等待的时间为0,则称之为“强一致性”。如果大于0,则称之为“最终一致性”。如果对于提交这个更新的客户端提供强一致性,而对其他客户端提供最终一致性,则称之为“局部一致性”。

    例如,存储系统中有一个对象A=0。在T时刻,客户端C1写入A=1。如果能保证,在T时刻之后的任何一个时刻(这其实就是人类语言中“立即”的数学描述),任何客户端都能读到A=1,那么这就是强一致性。如果能保证客户端C1在T时刻之后的任意一个时刻都(立即)能读到A=1,而其他的客户端经过一段时间之后都(这其实是人类语言中“最终”的数学描述)能读到A=1,那么这就是局部一致性。如果不能保证任何客户端在T时刻之后的任意时间都(立即)能读到A=1,但是能保证所有客户端经过一段时间之后都(最终)能读到A=1,称之为最终一致性。

    一般来说,最终一致性是一个存储系统的最低要求。如果连这个要求都达不到,我们一般不认为这是存储系统。想想也是,如果不能保证写入的数据能够被读出来,这还是存储系统吗?

    虽然持久性和一致性描述的都是“数据读不到”或者“读出来的数据是错误的”的情况,但是两者发生的原因和表现出来的特性是不一样的。持久性描述的是由于不可避免的物理变化,例如硬件老化等,导致的数据丢失,是对存储系统对抗物理环境(也包括电力中断等)的能力描述。而一致性描述的是存储系统在设计之时的逻辑取舍,跟物理条件无关,如果一个存储系统被设计为最终一致性的,那么配置再豪华的硬件也不能保证强一致性。

    描述一致性的单位就是时间的单位——秒。多少秒后能保证所有客户端都能读到更新后的数据,就是对存储系统一致性能力的描述。所需要的时间越短,一致性就越高。如果所需要的时间为0,就是强一致性。

     

    3. 可用性Availability

    在阅读这一段的时候,请注意区分“读请求”和“写请求”。如果是“请求”二字,那就表示既可以是读请求,也可以是写请求。此外,“请求”和“操作”是同义词,“发送一个请求”与“发送一个操作”是同义的。

    持久性和一致性强调的是“读出来的数据是否正确”,看重的是结果。而可用性强调的是“能否成功的读写”,看重的是过程。所谓“成功读写”,就是存储系统接收到合法的写请求后返回“写成功”给客户端(即告诉客户端“此操作成功”),或在接收到合法的读请求后返回正确的数据(即Key对应的Value)给客户端。

    对于写请求,只需要返回“写成功”给客户端,就算是这个写操作成功了。但存储系统一旦返回写成功,就意味着存储系统要对数据的持久性和一致性负责。如果存储系统认为当时的条件无法达到所承诺的持久性或一致性,应该返回“失败”给客户端。这里就存在一个取舍问题,要提高写可用性,往往就意味着牺牲持久性、一致性、读可用性

    描述一段时间内的可用性的单位是百分比,其分母是已经完成的请求总数,分子是完成的请求中成功的请求数。例如,如果在一个小时内,完成的请求数为1000个,而成功的请求数为999个,那么这一个小时的可用性就是999/1000=99.9%。

    有一个情况需要单独说明。假如存储系统对一个写请求返回了“写成功”,但数据并没有正确的写入,从而导致后续的读请求失败。在这种情况下,这个并未正确写入的写请求算是成功还是失败呢?笔者认为应该算是写成功,因为根据定义,返回“成功”便是写成功。至于后续的读失败,则在计算读可用性是被记为读失败。如果存储系统实在无法恢复数据,则应该在计算持久性时被认为持久性降低了。

    本文主要针对存储系统的读可用性和写可用性进行讨论。本人将在另一篇文章中对影响可用性的因素进行深入的讨论。到那时,我们会发现可用性还与带宽有关

     

    4. 延迟(Latency)

    延迟,顾名思义,是指从开始点到结束点所花费的时间差,单位是秒。下面分别讨论读请求和写请求的延迟。

    对于一次读请求而言,一般会经历如下几个阶段:

    1. 客户端发出读请求;
    2. 存储系统收到读请求;
    3. 存储系统发送Value的第一个字节(即所谓的“开始发送”);
    4. 客户端收到Value的第一个字节(即“开始接收”);
    5. 存储系统发送Value的最后一个字节(即“结束发送”);
    6. 客户端收到Value的最后一个字节(即“结束接收”)。

    其中,第4和5步的先后顺序有可能会变化。例如,如果Value很小,Value的最后一个字节与第一个字节在同一个报文中发送给客户端,那么第4步有可能发生在第5步之后。

    目前,业界度量读延迟的目的在于度量存储系统“多快能够开始返回数据”(请注意是“开始返回”而非“完成全部数据的返回”),所以度量的时间差是指从“2. 存储系统收到读请求”到“3. 存储系统发送Value的第一个字节”所花费的时间差,即代表了存储系统在定位数据所花费的时间。但是,这个时间差是存储系统自己给出来的,如果想从客户端的角度进行度量,则可以度量从“1. 客户端发出读请求”到“4. 客户端收到Value的第一个字节”所花费的时间差,例如15ms,然后减去客户端到存储系统的网络延迟,例如PING RTT=5ms,得到存储系统在定位数据所花费的时间差15-5=10ms。

     

    下面再讨论一下写延迟。

    对于一次写请求而言,一般会经历如下几个阶段:

    1. 客户端发送Value的第一个字节;
    2. 存储系统收到Value的第一个字节;
    3. 客户端发送Value的最后一个字节;
    4. 存储系统收到Value的最后一个字节;
    5. 存储系统向客户端发送成功;
    6. 客户端收到存储系统发送的成功。

    其中,第2和3步的先后顺序有可能会变化,例如Value很小,Value的最后一个字节与第一个字节在同一个报文中发送给客户端,那么第2步有可能发生在第3步之后。

    目前,业界度量写延迟的目的在于度量存储系统“多快能够确认数据被写入”(请注意是“确认写入”而非“从写入第一个字节到最后一个字节”),所以度量的时间差是指从“4. 存储系统收到Value的最后一个字节”到“5. 存储系统向客户端发送成功”所花费的时间差,即确认数据被写入所花费的时间。但是,这个时间差是存储系统自己给出来的,如果想客户端的角度进行度量,则可以度量从“3. 客户端发送Value的最后一个字节”到“6. 客户端收到存储系统发送的成功”所花费的时间差,例如15ms,然后减去客户端到存储系统的网络延迟,例如PING RTT=5ms,得到存储系统在确认数据被写入所花费的时间差15-5=10ms。

    读者可能会疑惑,什么叫“确认数据被写入”?简单的说,就是存储系统把数据写入介质、完成内部索引更新等一系列工作后,使得后续的读请求可以“看到”这个对象,并能够从索引服务中定位这个对象。因此,不难看出,读延迟度量的是读取索引、定位数据的时间消耗,而写延迟度量的是数据落盘、更新索引的时间消耗

    如果存储介质是采用机械磁盘,我们可以认为定位数据的耗时与数据落盘的耗时是接近的,因为这两者都等于磁盘寻道的时间消耗。所以读延迟与写延迟的差异基本等于读索引与更新索引的差异,这个问题就回到了大学《数据结构》中排序算法关于“插入”和“查询”效率的问题了。不同的是,大学《数据结构》中的排序算法不考虑通过网络进行跨服务器的插入、查询与数据分布均衡的问题,而在分布式系统中需要考虑这些问题。我将会在另一篇文章中介绍跨网络进行插入、查询和数据均衡的算法分析

     

    5、带宽(Bandwidth)

    带宽,有时候也被称为吞吐率,具体的可以分为读带宽和写带宽,分别表示单位时间内可以从存储系统中读出的数据量,和向存储系统写入的数据量。度量单位是每秒字节数,记作B/s。

    存储系统的带宽与存储系统的延迟并无直接关系。如前面所述,延迟反映的是查询和更新索引的快慢情况,带宽则是反映从介质读写数据的快慢。

    但是存储系统的带宽与传输延迟有关。所谓传输延迟是指,一个数据包从客户端传递到存储介质(例如磁盘)所花费的时间。当客户端与存储介质之间传输数据的时候,考虑到传输过程可能导致数据丢失或改变,所以接收端必须定期向发送端报告数据接收的情况。当且仅当发送端收到接收端的确认消息后,才会发送下一个数据包,否则发送端会重发这个数据包,直到收到接收端的确认消息(或者放弃本次传输)。发送端之所以能重发这个数据,是因为发送端有一个缓冲区,把待确认的数据暂存于此,以便重发。这个过程被称为“发送-确认”过程。如果发送端发送了64KB的数据后必须等待接收端的答复,且数据从客户端传递到存储介质需要2ms的延迟,确认消息从存储介质传递到客户端需要2ms的延迟,那么缓冲区大小就是64KB,存储带宽最大不会超过=64KB/(2ms+2ms)=16MB/s。这个理论与通信网络中的“带宽延迟积”非常类似。

    上述理论为我们提高存储系统的带宽提供了几个思路。

    第一个思路,把64KB这个缓冲区调大。但值得一提的是,不仅仅客户端和存储介质这两端需要提高缓冲区大小,而是从客户端到存储介质整个路径上所有涉及到“发送-确认”过程的缓存区都需要变大,否则就会出现瓶颈。例如,有的存储系统有所谓的控制器,客户端先将数据发往控制器,再由控制器转发给存储介质,那么客户端到控制器的这一段的缓冲区也要调大。

    第二个思路,降低端到端的传输延迟。这里面涉及到的技术比较复杂,减少“发送-确认”过程是一个主要的办法,最好只有一个“发送-确认”过程。例如,如果没有所谓的控制器,客户端直接把数据写入存储介质,延迟显然会更低。但这就退回到了Direct Attached Storage (DAS)模式,即磁盘直接插在主机上,而这就不再是分布式存储了。从这里我们可以看出,低延迟与分布式是一对矛盾,因为分布式就意味着冗余,冗余就意味着多次“发送-确认”。

    第三个思路,提高并发度。如果一个连接(connection)最多只能跑到16MB/s,那就用多个连接来提高总体读写带宽。例如,把一个大文件拆成多个小文件同时进行读写。只不过客户端需要管理并发过程,对客户端的软件实现提出了更高的要求。在实际应用上,这个方案是最有效的。

     

    6、空间利用率(Utilization)

    空间利用率是指存储单位有效数据需要占用多少介质空间。举个例子说,就是存储1GB数据需要占用多少GB的裸盘空间。如果需要占用3GB的裸盘空间,空间利用率就是1/3=33.3%。

    从成本的角度上来讲,空间利用率越高越好。但提高空间利用率是有代价的,要么会增加数据丢失的概率,要么增加了对硬件配置的需求,如读写时更消耗计算或修复数据时消耗网络开销等。下面一一解释。

    首先是增加数据丢失的概率。防止数据丢失的基本办法就是增加数据冗余,目前主要的办法是多副本技术和纠删码技术。多副本技术比较简单,就是把一份数据存成多个副本,如果其中一个副本坏了,还可以从其他未损坏的副本恢复出来,这样就降低了数据丢失概率。很显然,存两份比存三份有更高的空间利用率,但是也增加了数据丢失的概率。

    纠删码技术是一种利用数据编码来防止数据丢失的技术。该技术可以原始数据切分成N份,并计算得到M份检验数据。该编码有一个特性,即从这N+M份数据里面任意挑选N份,就可以恢复原始数据。假如N=9,M=3,那么从这9+3=12份数据中任意挑选9份数据,都可以恢复出全部的12份数据。如果我们把这12份数据存储在12块硬盘上,那么任意损坏3块硬盘,我们还可以恢复数据。此时,纠删码技术的空间利用率为N/(N+M)=9/(9+3)=9/12=75%。而同样要达到损坏3块硬盘而能恢复数据,多副本技术需要存储3+1=4份,空间利用率仅有1/(3+1)=1/4=25%,明显低于纠删码技术的空间利用率。

    虽然纠删码技术相比多副本技术可以大大提高空间利用率,但也是要付出相应代价的。假定一块存有1TB数据的磁盘损坏了。如果采用多副本技术,副本数为3,那么组成这1TB数据的每份数据一定会在另一个磁盘上还有一个一模一样的副本,因此只需要从其它磁盘读取总量为1TB数据进行复制,即可使得所丢失的数据的副本数恢复到3。而如果采用纠删码技术,N=9,M=3,那么为了恢复这1TB数据,需要从其它磁盘读取9TB数据才能恢复这1TB数据。这就导致了恢复过程中对磁盘造成了更大的读压力,以及更大的网络负担,进而对硬件性能提出了更高的要求。

    总之,天下没有免费的午餐。要提高空间利用率,要么降低副本数牺牲持久性,要么采用纠删码技术增加计算开销和数据修复开销。因此空间利用率与持久性、计算开销、网络开销是一对矛盾

     

    7. 可扩展性(Scalability)

    可扩展性描述的是通过增减硬件来调节存储系统某些方面指标的能力。例如,通过增加磁盘来提高存储系统的容量,通过增加节点来增加存储系统的吞吐率。

    可扩展性描述的这种能力有两个指标:一是多快能够完成指标的调节,二是调节指标的过程中是否降低其它指标。例如,有一个存储系统有5块磁盘,每块磁盘上有6GB数据,如果为了提高存储系统的总容量而增加一块磁盘,如果存储系统要求所有的磁盘都有等量的数据,那么增加一块磁盘后,原先5块磁盘中的每块盘要迁移1GB数据到新增的第6块磁盘上,最终实现所有磁盘都有5GB数据的目的。这个迁移的过程是比较耗时的,因此耗时的长短就是一个重要的指标。其次,在数据迁移过程中,增加了存储系统的负载,例如磁盘的负载、网络的负载等,进行影响到吞吐率、延迟等其它指标。

    但有的存储系统不要求在新增磁盘的时候进行数据迁移,那么扩容的时间则比较短,且不会给存储系统造成明显的额外负载。但这种系统也会在其他方面付出代价,例如磁盘数据的不均衡等。

    目前笔者还没有想出一个对可扩展性进行定量描述的方法。

     

    8. 写屏障支持(Write Barrier)

    读者可能对“写屏障”一词感觉陌生,但对“事务(transaction)”应该比较了解。

    不仅仅是数据库,存储系统也有事务性要求。事务性是一个布尔值,要么支持事务,要么不支持事务。为了便于理解事务性,下面举个例子。

    先说说数据库的事务性。假如张三账户上有100元,李四账户上有50元,现在张三要向李四转账10元。所谓事务性是指,这笔账要么转成功了(张三账户只剩90元,李四账户有60元),要么没有转成功(张三账户还是100元,李四账户还是50元)。数据库的实现方案是:先写入一条记录A:“事务1:张三:原有100元,减10元,变成90元”,然后再写入一条记录B:“事务1:李四:原有50元,加10元,变成60元”,最后写入一条记录C:“事务1:成功”。同时,数据库是有这样一个假设:“凡是已经写入存储系统的数据是不会丢的”。因此,即使数据库进程在写入记录B的时候崩溃了,由于没有写入C,在数据库进程重启后,数据库会认为“事务1没有成功,那么张三还是100元,李四还是50元。”这样,数据库就保证了事务性。

    数据库是依赖存储系统的不丢数据来保证一致性的。那存储系统怎么配合上层数据库的呢?下面举个例子。假如,要顺序写入A、B、C,而且要保证当C写入成功后A和B一定都写入成功了。为了达到这个目的,有几个方案:

    方案一:写入A成功返回后再写入B,写入B成功返回后再写入C,写入C成功返回后,才算完全结束。这个方案很简单,但问题是A、B、C三者是串行写入的,如果每写入一个需要耗费1s,那么一共需要耗费3s。为了提高写入带宽,人们又想出了第二个方案。

    方案二:同时写入A、B、C。那问题来了,上层数据库,是一个挨着一个写入的A、B、C的,也就是说,上层数据库没有把A写入成功之前,是不会写入B的。因此,由于上层数据库的串行行为,存储系统想并行也并行不起来。所以还是会慢。

    方案三:存储系统收到写入请求后,先不着急往介质上写,而是先缓存在内存里,然后立即向客户端答复写入成功。这样一来,上层数据库就会发现写入A非常快,只需要0.1s,因此写入A、B、C只需要0.3s即可,速度体验大大提高。同时,存储系统可以把A、B、C以并行(而非串行)的方式向介质写入,写入介质的速度也大大提供了。但是问题来了,如果存储系统实际没有把数据写入介质就通知上层数据库写入成功,那万一存储系统的进程崩溃了,未写入介质的数据岂不就丢了?以上面的例子为例,如果把C弄丢了,问题不大,大不了上层数据库认为这个事务没有成功,回滚即可。但如果把B弄丢了,而C却还在,事情就麻烦了:这时A写入了,即张三被扣了10元,而B没有执行,李四的账号没有加10元,账就不对了。

    为了解决这个问题,存储系统提供了一个“写屏障”(Write Barrier)功能。上层数据库写入的顺序是“A、B、FLUSH、C、FLUSH”,其中FLUSH的意思是告诉存储系统:“前面已经返回写成功但并没有真正写入介质的,必须写入介质”。这样一来,C之前的所有写入请求,例如A、B,可在没有接受到第一个FLUSH请求之前先缓存在内存里,从而使上层数据库感觉写入速度非常快。当第二FLUSH返回之后,A、B、C肯定都写入磁盘了。这个例子中,C前面只有A、B两个请求,因此看起来没有优化多少。而假如C前面有20个请求,而这20个请求都能非常快的向上层数据库返回写成功,并且在FLUSH的一次性写入介质,这对于提升整体的写入带宽和降低写入延迟是有很大帮助的。

    人类追求速度的欲望是无止境的。为了进一步提升性能,存储系统把“FLUSH、C、FLUSH”三个请求合并成“C|FUA”这一个请求,即请求C带着一个FUA标记,这样就只有三个请求了。上层数据库会遵守这样一个规定:“在A、B没有返回写成功(即使返回写成功,仍有可能仅仅缓存在存储系统的内存中)之前,绝不会发送C|FUA。”而存储系统也会遵守另一个规定:“一旦接受到C|FUA,必然先确保之前的写请求A和B都写入介质,才开始写C,直到C写入介质,才向客户端返回成功。”这样一来,存储系统会保证:“如果C写入介质了,那么C之前的A和B一定写入介质了。”有了这个保证,上层数据库就很简单了:如果事务提交成功了(即C写入介质了),那么所有的数据都持久化了(C之前的A和B都一定写入介质了)。

    通过上面的描述,读者会发现,其实写屏障是为了提升写速度(更低的写延迟和更高的写带宽)而牺牲了一点点持久性,(例如,在写入C之前A和B是缓存中的,有可能会丢失),但仍然上层数据库仍然可以维持事务性。

     

    总结

    以上是笔者经过多年的研发经验总结出来了的关键指标。但笔者认为其实还有其他的指标,篇幅所限不再一一细述。同时,笔者认为还有一些未竟的工作,即探究这些指标之间的内在联系,从而更好的指导我们设计分布式存储。

    同时,欢迎大家在评论中补充其他指标。

    最后,如果本文对您有帮助请不吝啬您的点赞。

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    macd是什么意思?散户股民如何使用MACD应对证券牛市市场

    连日以来,股民一直在股票市场在挣扎中渡过,小牧之前一直没有头绪要如何破除当前市场的困境,但在看过《乔博士:MACD指标详解》后,豁然开朗,小牧今天就给在股票市场挣扎中渡过散户股民介绍一个应对证券牛市市场的秘密武器-MACD。很多散户股民之所以称作为散户股民是因为他们的专业知识不够,针对这类散户股民,小牧可以给大家推荐几个小牧目前正在学习的论坛社区,QR社区、QR量化投资社区、QR量化投资社区、QR技术分析社区等,大家可以去学习更专业的知识,当然除了macd之外,还有QMACD大家都可以去学习一下。

    首先来讲一下散户股民是怎么样的一种存在:

    散户股民是进行零星小额买卖的投资者,一般指小额投资者,或个人投资者,与大户相对,中国绝大部分股民都是散户股民,散户股民以前在市场中是战斗力较强的一波。以2013年为例,全市场盈利为-6562亿元的背景下,散户股民竟然盈利2962亿元,而且是四类投资者中唯一盈利方。在2014年、2015年,散户股民盈利占比分别是25%和67%,赚钱能力并不差。但从2016年以来,散户股民在股市中的赚钱似乎就有退化,整体处于亏损状态。

    中国股市赔钱的原因或许有很多,但绝大部分散户股民之所以赔钱都是因为不会对资金和仓位进行管理,甚至压根没有这方面的的概念。基本上每天都是满仓,买一只卖一只,卖一支就买一只,完全不知道给自己留有余地,就怕错过了赚钱的机会。

    作为散户股民,其能在证券牛市市场中能稳操胜券,有其特定的原因。接下来首先让我们了解一下证券牛市市场的交易状况。

    证券牛市市场是股票、债券、商品期货、股票期货、期权、利率期货等证券产品发行和交易的场所,自从2016年以来,金融政策趋严,围绕着金融去杠杆推出的一系列资管去通道、股票质押新规、场外期权新规等都对券商业务开展形成压力。同时日均成交量维持低位,IPO否决率居高不下,2018年券商股价延续弱势,跑输沪深300近6%。

    受监管政策趋严、金融去杠杆、境内外宏观政策变化等因素,2018年市场交易热情较15/16年下滑,相较2017年保持平稳。上半年日均股基交易额4575亿元,同比增长2%,与此同时,上市公司环境更加国际化,A股先后被正式纳入MSCI新兴市场指数和富时罗素指数,沪伦通渐行渐近,中国的资本市场更加开放。

    那么散户股民的制胜绝招能否用MACD技术指标进行解读呢?下面就由小牧用MACD来分析一下散户股民的神操作。

    一、macd是什么意思:

    MACD称为异同移动平均线,是从双指数移动平均线发展而来的,由快的指数移动平均线(EMA12)减去慢的指数移动平均线(EMA26)得到快线DIF,再用2×(快线DIF-DIF的9日加权移动均线DEA)得到MACD柱。MACD是由正负差(DIF,也称离差值)和异同平均数(DEA)两部分组成,DIF是核心,DEA是辅助。DIF是快速平滑移动平均线和慢速移动平均线的差。

    MACD的意义和双移动平均线基本相同,即由快、慢均线的离散、聚合表征当前的多空状态和股价可能的发展变化趋势。当MACD从负数转向正数,是买的信号。当MACD从正数转向负数,是卖的信号。当MACD以大角度变化,表示快的移动平均线和慢的移动平均线的差距非常迅速的拉开,代表了一个市场大趋势的转变。>>>《乔博士:MACD指标详解》

    二、图解

    三、MACD的公式计算

    MACD在应用上应先行计算出快速(一般选12日)移动平均值与慢速(一般选26日)移动平均值。以这两个数值作为测量两者(快速与慢速线)间的“差离值”依据。所谓“差离值”(DIF),即12日EMA数值减去26日EMA数值。因此,在持续的涨势中,12日EMA在26日EMA之上。其间的正差离值(+DIF)会愈来愈大。反之在跌势中,差离值可能变负(-DIF),也愈来愈大。至于行情开始回转,正或负差离值要缩小到一定的程度,才真正是行情反转的信号。MACD的反转信号界定为“差离值”的9日移动平均值(9日EMA)。在MACD的异同移动平均线计算公式中,都分别加T+1交易日的份量权值,以现在流行的参数12和26为例,其公式如下:

    首先计算出快速移动平均线(即EMA1)和慢速移动平均线(即EMA2),以此两个数值,来作为测量两者(快慢速线)间的离差值(DIF)的依据,然后再求DIF的N周期的平滑移动平均线DEA(也叫MACD、DEM)线。

    以EMA1的参数为12日EMA2的参数为26日,DIF的参数为9日为例来看看MACD的计算过程

    1、计算移动平均值(EMA)

    12日EMA的算式为

    EMA(12)=前一日EMA(12)×11/13+今日收盘价×2/13

    26日EMA的算式为

    EMA(26)=前一日EMA(26)×25/27+今日收盘价×2/27

    2、计算离差值(DIF)

    DIF=今日EMA(12)-今日EMA(26)

    3、计算DIF的9日EMA

    根据离差值计算其9日的EMA,即离差平均值,是所求的MACD值。为了不与指标原名相混淆,此值又名

    四、MACD如何使用

    其买卖原则为:

    1.MACD金叉:DIFF由下向上突破DEA,为买入信号。

    2.MACD死叉:DIFF由上向下突破DEA,为卖出信号。

    3.MACD绿转红:MACD值由负变正,市场由空头转为多头。

    4.MACD红转绿:MACD值由正变负,市场由多头转为空头。

    5.DIFF与DEA均为正值,即都在零轴线以上时,大势属多头市场,DIFF向上突破DEA,可作买入信号。

    6.DIFF与DEA均为负值,即都在零轴线以下时,大势属空头市场,DIFF向下跌破DEA,可作卖出信号。

    7.当DEA线与K线趋势发生背离时为反转信号。

    8.DEA在盘整局面时失误率较高,但如果配合RSI及KDj指标可适当弥补缺点。

    DEA或DEM。

    今日DEA(MACD)=前一日DEA×8/10+今日DIF×2/10。

    计算出的DIF和DEA的数值均为正值或负值。

    用(DIF-DEA)×2即为MACD柱状图。

    五、MACD的Python指标源码

    import pandas as pd

    import numpy as np

    import datetime

    import time

    def MACD(df,n_fast,n_slow):#n_fast=12,n_slow=26

    EMAfast=df[‘Close’].ewm(span=n_fast,min_periods=n_fast-1).mean()

    EMAslow=df[‘Close’].ewm(span=n_slow,min_periods=n_slow-1).mean()

    MACD=pd.Series(EMAfast-EMAslow,name=‘MACD_’+str(n_fast)+’_’+str(n_slow))

    MACDsign=MACD.ewm(span=9,min_periods=8).mean().rename(‘MACDsign_’+str(n_fast)+’_’+str(n_slow))

    MACDdiff=pd.Series(MACD-MACDsign,name=‘MACDdiff_’+str(n_fast)+’_’+str(n_slow))

    return MACD,MACDsign,MACDdiff

    小牧2017年5月从北京大学的数学专业毕业后,加入了兰州的这家智能投顾公司担任证券分析师,就一直研究散户股民,几经波折最终发现在证券牛市市场有利的技术可能就是MACD了。不过在学习了《乔博士:MACD指标详解》后,对这些有了更深刻的认识,但缺乏实践的检验,毕竟还没有实际交易过,所以只能学浅才疏给大家参考一下,也欢迎老司机来共享交流。

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