Файл: Устройство Компьютера.pdf

Введение

Знакомство с персональным компьютером начинается с его составляющих частей, поэтому нужно знать их виды и характеристики. Как привило, персональные компьютеры состоят из трех частей: системного блока, устройств ввода и монитора.

Системный блок компьютера состоит из множества блоков, которые в свою очередь состоят из множества элементов. К нему можно подключать различные устройства ввода/вывода информации, расширяя тем самым его функциональные возможности. Как правило, они подсоединяются через специальные разъемы, находящиеся обычно на задней стенке системного блока. Кроме монитора и клавиатуры такими устройствами являются мышь, принтер, сканер и т.д.

В системном блоке размещаются следующие элементы (не обязательно все сразу):

— Блок питания

— Накопитель на жестком магнитном диске (HDD)

— Накопитель на гибком магнитном диске (FDD)

— Накопитель на компакт-диске или dvd-диске (CD/DVD ROM)

— Разъемы для дополнительных устройств (порты) на задней (иногда и на передней) панели, и др.

— Системная плата (ее чаще называют материнской), которая, в свою очередь, содержит: процессор, оперативную память.

Далее будут рассмотрены основные компоненты компьютера и его принцип работы, чтобы понять особенность взаимодействия составляющих его устройств.

1. Центральный процессор

Центральный процессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему, выполненную на кремниевой пластине (рис. 1).

Рис. 1. Процессор Intel Core i7.

Процессор является главной составляющие аппаратного обеспечения компьютера, способной выполнять машинные коды. Микросхема процессора имеет сотни выводов, с помощью которых она подключается к специальному разъему на материнской плате. Поверх процессора устанавливается вентилятор системы охлаждения (кулер).

Система охлаждения процессора является критически важной для его работы, так как в процессе функционирования он выделяет большое количество тепла, которое при плохом теплоотводе может привести к быстрому перегреву процессора и выходу его из строя. Основными характеристиками центрального процессора являются:

1. Тактовая частота;
2. Производительность;
3. Энергопотребление;
4. Архитектура.

Также важной характеристикой микропроцессора являются нормы технологического процесса, по которому он был изготовлен. Технологически процессор изготавливают с помощью фотолитографии. Проектной нормой данного технологического процесса является его разрешающая способность, которая измеряется в мкм и нм. Чем меньше размер полупроводниковых структур размещаемых на кристалле, тем выше характеристики получаемого устройства, в смысле потребления электроэнергии и производительности. Первые процессоры изготавливались по нормам 3 мкм, что соответствует разрешению литографического оборудования, равному 3 микронам.

К 2002-2003 годам был достигнут уровень разрешения равный 90 нм. В частности именно по этой технологии изготавливался центральный процессор Pentium 4 фирмы Intel. Современные технологии подразумевают использование норм менее 20 нм. По такой технологии, в частности производятся процессоры:

• Intel Ivy Bridge;
• Intel Haswell;
• Intel Bay Trail-M.

Существует информацию о том, что компания Intel собирается запустить серийный выпуск микропроцессоров, изготовленных по технологии 10 нм, к 2018 году.

Основной задачей процессора является выполнение команд, извлекаемых последовательно из оперативной памяти. Соответственно, производительность компьютера в целом определяется количеством операций, которое процессор успевает сделать за единицу времени. Это количество зависит от таких параметров процессора, как: тактовая частота, количество ядер, объем кэш-памяти.

1.1. Тактовая частота

Центральным каналом, по которому передаются данные внутри компьютера, является системная шина. Именно она соединяет процессор с другими устройствами. В процессорах Intel системная шина была главным коммуникационным интерфейсом до середины 2000-х годов. В многоядерной архитектуре системная шина используется для общения с «внешними» по отношению к процессору устройствами. Кэш-память процессора, а также его ядра обмениваются данными с помощью шины кэш-памяти второго уровня.

Различают внешнюю и внутреннюю тактовые частоты

• внутренняя тактовая частота – это частота, с которой работают схемы внутри процессора.
• внешняя тактовая частота определяет скорость обмена данными между оперативной памятью и процессором.

Собственная тактовая частота процессора задает теоретическое количество операций, которое процессор способен выполнить за одну секунду. Фактическое же количество операций всегда меньше указанной тактовой частоты. Это связано с тем, что многие элементарные математические операции требуют для своего исполнения несколько тактов процессора.

Современные компьютеры используют множитель, или коэффициент умножения для получения тактовой частоты ядра центрального процессора. Если умножить частоту системной шины на данный множитель, мы получим реальную частоту, с которой работает процессор. В наше время на смену системной шине пришли такие технологии как:

• HyperTransport – двунаправленная компьютерная шина обладающая малыми задержками и высокой пропускной способностью. Технология была разработана компанией AMD, и используется такими компаниями как nVidia, HP, IBM, Cisco Systems. Шина HyperTransport позволяет напрямую подключать устройства расширения PCI к процессору, что в частности невозможно для процессора Intel, в которых для соединения шины процессора с шиной внешнего устройства необходимы специальные адаптеры – северный мост и южный мост.
• QPI – последовательная когерентная шина соединяющая процессор с чипсетом. Данная шина широко используется компанией Intel в качестве соединителя центрального процессора с северным мостом материнской платы.
• DMI – последовательная шина применяемая фирмой Intel для соединения южного моста материнской платы с северным.

1.2. Количество ядер

Увеличение тактовой частоты ограничено законами физики и скоростью распространения сигнала по кремниевой пластине. Если раньше производительность вычислительной машины с каждым поколением увеличивалась на порядок, то современные процессоры в этом отношении достигли своего максимума. Для увеличения производительности в одном корпусе размещают несколько процессорных ядер. Тактовая частота многоядерных процессоров обычно значительно ниже, чем одноядерных. Это сделано, для того чтобы уменьшить энергопотребление без ущерба производительности. Так двукратное снижение тактовой частоты с одновременным двукратным увеличением количества ядер позволяет обеспечить ту же производительность притом, что энергопотребление снизится в четыре раза.

Архитектура многоядерного процессора имеет свои особенности по сравнению с архитектурой симметричных мультипроцессоров (SMP). SMP – это технология, позволяющая подключить к общей памяти два и более независимых процессора. Использование многоядерных процессоров позволяет получить заметный выигрыш в производительности только при соответствующем подходе к написанию программного обеспечения. Если приложение не распараллелено и не оптимизировано для многопоточной архитектуры дополнительные ядра не принесут никакой выгоды.

Тенденцией последнего времени является дальнейшее наращивание ядер процессора, поскольку подобная стратегия признана ведущими производителями микросхем Intel, AMD, IBM как наиболее приоритетная.

1.3. Кэш память

Кэш-память является буфером, позволяющим процессору обрабатывать информацию с наибольшей доступной скоростью. Следует отличать кэш-память от основной памяти компьютера. Кэш-память располагается на самом кристалле процессора.

Самым узким местом вычислительной системы является узел передачи данных между процессором и оперативной памятью. Наибольшей производительности можно достичь в случае использования кэш-памяти, когда тактовая частота основной памяти значительно меньше тактовой частоты процессора.

Различают следующие уровни кэша (рис. 2):

1. Регистры (их иногда называют кэшом нулевого уровня L0) - сверхбыстрая память, используемая самим процессором. Эта память используется в основном операционной системой и недоступна программисту.
2. Кэш первого уровня L1 – работает на одной частоте с процессором, что позволяет обращаться к нему каждый такт.
3. Кэш второго уровня L2 – является вторым по быстродействия после L1. Его объем колеблется от 128 Кб до 12 Мб.
4. Кэш третьего уровня L3 имеет наибольший объем, но и наименьшее быстродействие.
5. В некоторых системах выделяют также кэш четвертого уровня, используемого для высокопроизводительных серверов.

Рис. 2. Организация взаимодействия процессора с основной памятью.

2. Оперативная память

Вторым по значимости устройством компьютера является оперативное запоминающее устройство – основная память компьютера. Эта часть памяти используется для хранения кодов программ, а также данных, обрабатываемых процессором. Процессор, как уже было сказано, обменивается данными с оперативной памятью непосредственно, либо через кэш (рис. 3).

Рис.3. Модули оперативной памяти.

Оперативная память является энергозависимой, иными словами после выключения питания все данные пропадают или стираются. Современные материнские платы поддерживают режим гибернации, в котором питание оперативной памяти отключается, а ее содержимое записывается на жесткий диск. Оперативная память представляет собой внешний модуль, подключаемый к специальному разъему на материнской плате. Модули оперативной памяти организованы по принципу устройства с произвольным доступом, позволяющие получить доступ к любой ячейки памяти в независимости от ее расположения.

Динамическая оперативная память является наиболее экономичным видом памяти. Она обладает меньшим быстродействием по сравнению со статической памятью, но дешевле в производстве. По этой причине основная оперативная память строится на модулях динамической памяти, а кэш-память процессора использует память статического типа.

2.1. DRAM

Модуль оперативной памяти является небольшой печатной платой, с размещенными на ней микросхемами. В качестве основного материала используется полупроводники. Информация размером от 1 до 4 бит может храниться в одной ячейки памяти. Совокупность таких ячеек образует матрицу памяти называемую страницей, а совокупность таких страниц называется банк памяти. Расположенные внутри микросхем ячейки памяти состоят их конденсаторов и транзисторов (рис. 4).

Рис. 4. Модуль DRAM.

При этом для записи единичного бита конденсатор заряжается, а при записи нулевого бита разряжается. Соответственно прекращение подачи питания приводит к тому, что конденсаторы разряжаются и элементарные ячейки памяти обнуляются. Из этого следует необходимость постоянного поддержания уровня заряда конденсаторов путем перезарядки. Процесс перезарядки называется регенерацией памяти. Специальный контроллер материнской платы управляет процессом регенерации. Очевидно, что во время регенерации память недоступна для обмена данными, что существенно тормозит работу компьютера.

Главными параметрами DRAM являются:

1. Рабочая частота;
2. Тайминг.

Под таймингом понимается промежуток времени, который необходим, для того чтобы обратится к конкретной ячейке данной страницы банка памяти. Различают тайминг, связанный с временем полного доступа и определяющий задержку между подачей номера строки и номера столбца. Следующим видом тайминга является время рабочего цикла, которое определяет задержку между подачей номера столбца и получением содержимого ячейки. Последний вид тайминга характеризует задержку между чтением последней ячейки и подачей номера новой строки. Скорость работы оперативной памяти тем выше, чем меньше величины таймингов.

Перечисли типы DRAM в хронологическом порядке.

• PM DRAM является динамической памятью первого поколения выпускаемого в начале 90-х годов.
• FPM DRAM – динамическая память с улучшенным быстродействием, популярная в середине 90-х годов.
• EDO DRAM появилась на рынке в 1996 году, придя на замену устаревшей FPM DRAM, не совместимой с новым процессоров Intel Pentium.
• SDR SDRAM – синхронная динамическая память одиночной частоты. Данная память характеризуется использованием тактового генератора для синхронизации сигналов и конвейерной обработкой информации.
• DDR SDRAM отличается от SDR SDRAM удвоенной скоростью передачи данных. Память типа DDR SDRAM работают на частотах 100, 133, 166, 200 МГц. Удвоение частоты приводит к тому, что эффективная частота передача данных лежит в диапазоне от 200 до 400 МГц.
• DDR2 SDRAM – динамическая память впервые выпущенная в 2004 году и обладающая более высокими параметрами. Эффективная частота передачи данных по стандарту DDR2 SDRAM составляет от 400 до 1200 МГц.
• DDR3 SDRAM обеспечивает более высокую пропускную способность и работает в диапазоне частот от 800 до 2400 МГц.
• DDR4 SDRAM отличается от памяти предыдущего поколения пониженным напряжением питания. Кроме того, стандарт DDR4 предполагает увеличение числа банков до 16. За счет внедрения механизма контроля четности DDR4 отличается повышенной надежностью. Рабочий диапазон частот от 1600 до 2400 МГц.

Модули оперативной памяти конструктивно различаются по количеству и расположению контактов на корпусе. Распространенный формат представляющий собой прямоугольник с рядом контактов по обе стороны платы.

Таблица 1. Конструктивное исполнение модулей DIMM