Введение
Внутренний динамик, встроенный в некоторые (более ранние) компьютеры, совместимые с IBM PC. Первый персональный компьютер IBM, модель 5150, использовал стандартный 2,25-дюймовый динамический громкоговоритель с магнитодинамическим приводом. В более новых компьютерах вместо него используется крошечный динамик на подвижной катушке или пьезоизлучатель. Динамик позволяет программному обеспечению и прошивке предоставлять пользователю звуковую обратную связь, например, для сообщения об аппаратной неисправности. Динамик ПК генерирует волновые формы, используя программируемый интервальный таймер – чип Intel 8253 или 8254.
A PC speaker is a loudspeaker built into some IBM PC compatible computers. The first IBM Personal Computer, model 5150, employed a standard 2.25 inch magnetic driven (dynamic) speaker. More recent computers use a tiny moving iron or piezo speaker instead. The speaker allows software and firmware to provide auditory feedback to a user, such as to report a hardware fault. A PC speaker generates waveforms using the programmable interval timer, an Intel 8253 or 8254 chip.
Коды ошибок BIOS/UEFI
Громкоговоритель ПК используется во время процедуры самотестирования при включении питания (POST) для индикации ошибок в процессе загрузки. Поскольку он активируется до графической карты, он может использоваться для передачи "звуковых кодов", связанных с проблемами, которые препятствуют более сложной инициализации графической карты. Например, видео BIOS обычно не может активировать графическую карту, если в системе отсутствует рабочая оперативная память, в то время как подача сигналов через динамик возможна даже при наличии только ROM и регистров процессора. Как правило, различные коды ошибок сигнализируются определенными последовательностями сигналов, например, "один сигнал, пауза, три сигнала, пауза, повтор". Эти последовательности специфичны для производителя BIOS/UEFI и обычно документируются в техническом руководстве к материнской плате.
Программное обеспечение
Несколько программ, включая музыкальное ПО, операционные системы или игры, могли воспроизводить звук с импульсно-кодовой модуляцией (PCM) через PC-динамик, используя специальные методы широтно-импульсной модуляции, которые описаны далее в этой статье.
Игры
ПК-динамики часто использовались весьма изобретательно для создания иллюзии полифонической музыки или звуковых эффектов в компьютерных играх того времени, например, в серии приключенческих игр LucasArts середины 1980-х годов, с использованием быстрых арпеджио. Ряд игр, таких как Space Hulk и Pinball Fantasies, выделялись сложными звуковыми эффектами; Space Hulk, в частности, даже поддерживал полноценную голосовую речь. Однако, поскольку метод воспроизведения PCM был крайне чувствителен к проблемам с синхронизацией, эти эффекты либо вызывали ощутимые задержки на более медленных ПК, либо могли не работать на более быстрых (то есть значительно более быстрых, чем те, для которых программа изначально разрабатывалась). Кроме того, во время воспроизведения таких звуков программам было сложно выполнять другие задачи, даже обновление экрана. Поэтому, когда звуковые карты (способные выводить сложные звуки независимо от ЦП после инициализации) стали массовыми на рынке ПК после 1990 года, они быстро вытеснили ПК-динамик как предпочтительное устройство для вывода звуковых эффектов. Большинство новых игр для ПК перестали поддерживать динамик во второй половине 1990-х годов.
Другие программы
Несколько программ, включая MP (Module Player, 1989), Scream Tracker, Fast Tracker, Impulse Tracker и даже драйверы устройств для Linux и Microsoft Windows, могли воспроизводить звук PCM через динамик ПК. Современные системы Microsoft Windows поддерживают динамик ПК как отдельное устройство со специальными возможностями – его нельзя настроить как обычное аудиовыходное устройство. Некоторые программы используют этот специальный звуковой канал для воспроизведения звуков. Например, Skype может использовать его как резервный сигнал вызова в случае, если основное аудиовыходное устройство не слышно (например, из-за минимальной громкости, выключенного усилителя или подключенных наушников). В 1990-х годах появился компьютерный вирус для Microsoft DOS под названием "Techno", который проигрывал мелодию через динамик ПК, одновременно выводя на экран слово "TECHNO" до полного заполнения.
Модуляция ширины импульса
Динамик ПК обычно предназначен для воспроизведения прямоугольной волны, используя всего два уровня выходного сигнала (два уровня напряжения, как правило, 0 В и 5 В), управляемого вторым каналом программируемого интервального таймера Intel 8253 (PC, XT) или 8254 (AT и более поздние), работающего в третьем режиме (сигнал прямоугольной волны). Аппаратная часть динамика напрямую доступна через порт ввода-вывода 61H (шестнадцатеричный 61) по биту 1 и может быть физически управляема для обеспечения двух уровней выходного сигнала (то есть звука с разрешением 1 бит). Однако, точно рассчитывая время короткого импульса (то есть переключаясь между уровнями выходного сигнала и возвращаясь к исходному), и полагаясь на физические фильтрующие свойства динамика (ограниченная полоса пропускания, самоиндуктивность и т. д.), можно управлять динамиком на различных промежуточных уровнях выходного сигнала, что позволяет ему функционировать как примитивный цифро-аналоговый преобразователь. Эта техника называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и позволяет приблизительно воспроизводить аудио PCM. (Более совершенная версия этой техники используется в аудиоусилителях класса D.) В случае с динамиком ПК этот метод обеспечивает ограниченное качество воспроизведения, но коммерческое решение RealSound использовало его для улучшения звука в нескольких играх. Для получения высококачественного звукового вывода с использованием этой техники требуется частота переключения, значительно превышающая частоты воспроизводимого аудио (обычно в соотношении 10:1 или более), а также биполярное выходное напряжение для более эффективного использования динамического диапазона и мощности выходных устройств. Однако на динамике ПК выходное напряжение либо равно нулю, либо соответствует уровню транзистор-транзисторной логики (TTL) – то есть является однополярным. Качество зависит от компромисса между несущей частотой ШИМ (эффективной частотой дискретизации) и количеством уровней выходного сигнала (эффективной битовой глубиной). Тактовая частота программируемого интервального таймера ПК, управляющего динамиком, фиксирована на уровне 1 193 180 Гц, а при максимальном значении 63 используется частота дискретизации 18 939,4 Гц, что обеспечивает плохое, но узнаваемое звучание. Качество звука этой техники дополнительно снижается из-за отсутствия динамика подходящего размера, особенно в современных машинах и, в частности, в ноутбуках, использующих крошечный динамик с движущейся железной мембраной (часто путаемый с пьезоэлектрическим). Это связано с тем, что аудио, сформированное ШИМ, требует фильтра нижних частот перед окончательным выводом для подавления шумов переключения и высших гармоник. Обычный динамик выполняет эту функцию естественным образом, но крошечная металлическая мембрана динамика с движущейся железной мембраной пропускает значительную часть шумов переключения, как и многие прямые подключения (хотя существуют исключения, например, фильтрованные порты "динамика" на некоторых материнских платах и звуковых картах). Использование динамика ПК для сложного аудио вывода стало менее распространенным с появлением Sound Blaster и других звуковых карт.