Файл: Устройство персонального компьютера (История появления ПЭВМ, изобретения предпосылки).pdf

Процессор;
модули оперативной памяти;
модули постоянной памяти (жесткие диски: HDD, SSD и подобное);
сверх быстрое запоминающее устройство , называемое также кеш-памятью;
модуль BIOS;
CMOS-память, необходимая для хранения данных об аппаратных составляющих и аккумулятором для нее;
разъемы расширений;
разъемы интерфейсных кабелей;
разъемы питания;
преобразователь напряжения;
разъемы для подключения клавиатуры, мышки, монитора и т.д;
для подключения индикаторов питания, кнопок управления питания и динамика (beeper) предусмотрены специальные разъемы вилки.

В большинстве материнских плат в наличии лишь основные функциональные узлы, остальные элементы подключаются с использованием плат расширений. Например, видеокарта, в случае, когда материнская плата не имеет встроенной (интегрированной).

2.4 Микропроцессор.

CPU (Central Processor Unit) – «мозг» любой электронно-вычислительной мащины. CPU представляет из себя сверх большую интегральную схему. Ее возможности определяются размером кристалла и количеством транзисторов. Т.к. в последнем десятилетии был достигнут технологический предел миниатюризации производства процессоров, их начали производить в так называемом многоядерном исполнении. Обычно в них предусмотрено от 2 до 8 ядер находящихся в одном корпусе. При этом, физические ядра для обеспечения многопоточности выполнения задач на делят на логические. Такое деление проводится с применением технологии SMT (Simultaneous Multithreading), у компании Intel эта технология носит название Hyper-threading и удваивает количество процессоров вдвое.

Базовыми элементами CPU являются транзисторные переключатели, на основе которых строятся регистры. Регистры представляют собой набор устройств, имеющих два устойчивых состояния и предназначенных для хранения данных, а также быстрого доступа к ним. Количество и разрядность регистров определяют архитектуру микропроцессора. Выполняемые микропроцессором команды, как правило, предусматривают, выполнение арифметических и логических, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных между регистрами, оперативной памятью и портами ввода/вывода.

С внешними устройствами микропроцессор сообщается благодаря своим шинам адреса, данных и управления, выведенным на специализированные контакты корпуса микросхемы. Эталоном являются микропроцессоры фирмы Intel. Кроме указанной компании производителями микропроцессоров являются и другие фирмы. Выпускаемые ими микропроцессоры иногда называют клонами (AMD и IBM).

В современных процессорах компании Intel (наиболее распространены процессоры семейства Core) адресная шина которых 64-разрядная. Это означает, что она имеет 64 параллельные линии. Если на линиях есть напряжение, то на них выставляется единица, в противном случае – ноль, образуя, таким образом, 64-битный двоичный адрес, указывающий на определенную ячейку оперативной памяти. Процессор подключается к этой ячейке для копирования данных в свой регистр из области, где хранятся данные. Обработку данных процессор ведет с помощью команд, поступающих на него из той области оперативной памяти, где хранятся программы. Команды представлены байтами (8 разрядами) данных, хотя существуют команды, которые могут быть представлены большим числом байтов. Например, в процессоре Intel Core i5 шина 64-разрядная (существуют также 128-разрядные и 256-разрядные шины). Процессором обрабатываются данные, расположенные в регистрах оперативной памяти и на своих внешних портах. Существует три вида таких данных - обычные данные, адреса и команды. Процессоры Intel Core насчитывают более нескольких тысяч команд и относятся к процессорам с расширенной системой команд (CISC-процессоры). В CISC-процессорах команды представлены длинными байтовыми записями, в отличие от ранних процессоров с сокращенной системой команд - RISC-процессоров, в которой команды требует меньше памяти для запоминания, а их число многократно меньше. По этой причине CISC-процессоры имеют много меньшую производительность, измеренную в тактах, в сравнении с RISC-процессорами. Однако реально в процессе работы RISC-процессора на него могут поступать сложные команды, которые отсутствуют в его системе, в этих случаях их приходится эмулировать последовательностью простейших команд, что заметно снижает производительность RISC-процессоров. В настоящее время находят применения гибридные процессоры, сочетающие достоинства CISC- и RISC-процессоров.

Основные параметры процессоров – напряжение, разрядность, тактовая частота, размер кеша:

Напряжение. Ранние модели процессоров питались 5 Вольт, современные процессоры потребляют не более 3 Вольт. Уменьшение необходимого для их питания напряжения позволило значительно уменьшить размеры кристаллов и снизить тепловыделение.

Разрядность (битность). Определяет размер обработки данных за один такт, которыми процессор обменивается с оперативной памятью. Если размер данных за такт равен 1 байту, то процессор называют восьмиразрядным (8 bit), если размер 2 байта процессор шестнадцатиразрядный (16 bit), если размер равен 4 байтам, то процессор тридцатидвухразрядный (32 bit), если размер равен 8 байтам, то процессор шестидесяти четырех разрядный (64 bit).

Первыми процессорами х86 были 16-разрядными. Но с выпуском процессора 80386 архитектура стала иметь разрядность равную 32. На смену 32-битной архитектуре была предложена 64-битная архитектура в 2002 году фирмой AMD в процессорах линейки К8 (тогда процессоры маркировались как x86-64 и в последствии заменена на AMD64). Не отставая от конкурента, компанией «Интел» было предложено новое обозначение – EM64T (Extended Memory 64-bit Technology). Хотя различий в архитектуре не было никаких: разрядность внутренних регистров 64-битных процессоров удвоилась (с 32 до 64 бит), а 32-битные команды x86-кода получили 64-битные аналоги. Так же, благодаря расширению разрядности шины адресов объем адресуемой процессором памяти значительно увеличился. Основная польза этих преобразований, это поддержка оперативной памяти больше 4 Гб. Каждая ячейка оперативной памяти имеет адрес в 32-х битной операционной системе он записывается как двоичный код длиной в 32 символа. Получаем – 2^32=4294967296 байт, что равняется примерно 4 ГБайтам. Иначе говоря, в 32-битной системе, ячейки памяти расположенные за границей в 4Gb не получат адреса и не будут использованы. В 64-х битной архитектуре размер адресной памяти равен 2^64= 18446744073709551616, т.е. примерно 16 ГБайтам.

Однако, Windows 7 Professional, Windows 7 Enterprise, Windows 7 Ultimate могут поддерживать до 192 GB оперативной памяти, а операционные системы для серверов Windows Server 2008 до 2 TB.

2.5 BIOS

Базовая система ввода/вывода является составной частью аппаратных средств и программным модулем операционной системы одновременно. BIOS встроен в материнскую плату и содержит программы управления клавиатурой, видеокартой, дисками, портами и другими устройствами, до загрузки операционной системы, после чего передает управление последней. BIOS также содержит программу тестирования оборудования компьютера и программу начального загрузчика. Большинство современных видеоадаптеров, а также многие SCSI-контроллеры имеют собственные модули BIOS, которые дополняет систему. В современных ПК BIOS реализован в виде одной микросхемы постоянного запоминающего устройства, установленной на системной плате компьютера. Для хранения в материнских платах применяются электрически перепрограммируемые запоминающие устройства (ППЗУ). BIOS содержит энергозависимую память типа CMOS RAM, в которой хранится информация о текущей дате, показания таймера (часов), конфигурации компьютера (количестве оперативной памяти, типах накопителей и т.д.). В BIOS имеется программа установок, которая может изменять содержимое CMOS-памяти, то есть задавать параметры конфигурации системы и, обычно, запускается нажатием клавиши Delete, или F8 в процессе загрузки компьютера. При загрузке и выполнения контроля оборудования BIOS подает на динамик «beeper» компьютера звуки, по которым можно диагностировать его состояние. Если все в порядке, то подается длинный гудок; если неисправна видеокарта - один длинный и два коротких гудка; если неисправна память - повторяющиеся короткие гудки. Если неисправен процессор, то никаких гудков не будет, поскольку программа выполняется процессором. Система сигнализации неисправностей у разных производителей материнских плат может отличаться.

2.6 Оперативная память

ОЗУ - оперативно запоминающее устройство предназначено для хранения информации, к которой приходится часто обращаться, и обеспечивает режимы ее записи, считывания и хранения. По способу хранения информации оперативная память бывает статической и динамической. Для ее работы необходимо напряжение.

Оперативная память выполнена обычно на микросхемах динамического типа с произвольной выборкой (DRAM). Каждый бит такой памяти представляется наличием (или отсутствием) заряда на конденсаторе, образованном в структуре полупроводникового кристалла. Другой тип памяти - статический (SRAM) - в качестве элементарной ячейки использует так называемый статический триггер (схема которого состоит из нескольких транзисторов). Статический тип памяти обладает более высоким быстродействием и используется, например, для организации кэш-памяти. Для описания характеристик быстродействия оперативной памяти применяются так называемые циклы чтения/записи. Так, для SRAM чтение одного слова выполняется за 3 такта, запись за 4 такта. Динамическая память (DRAM) в современных ПК используется обычно в качестве оперативной памяти общего назначения, а так же как память для видеоадаптера. Микросхемы видеопамяти, используемые в видеоадаптерах, относятся к динамической оперативной памяти, работа которой имеет ряд особенностей, состоящих в том, что доступ к ней осуществляется достаточно крупными блоками, а перезапись производится без прерывания процедуры считывания из памяти. Эту задачу наиболее эффективно решает так называемая двухпортовая RAM, для которой возможно одновременное считывание и запись данных. Такая память представлена VRAM (Video RAM) и WRAM (Window RAM). Для ускорения доступа к памяти со стороны графического ускорителя (что особенно важно в 3D-акселераторах) используется либо MDRAM, использующая распараллеливание операций доступа данным между большим количеством банков памяти. Либо синхронная память SGRAM.

2.7 Постоянная память

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство, обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в ходе выполнения микропроцессором различных программ. Постоянная память имеет также название ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что обеспечиваются только режимы считывания и хранения. Постоянная память энергонезависима, т. е. может сохранять информацию и при отключенном питании. Все микросхемы постоянной памяти по способу занесения в них информации делятся на масочные, программируемые изготовителем, однократно программируемые пользователем (Program-mable ROM) и многократно программируемые пользователем (Erasable PROM). Последние, в свою очередь, подразделяются на стираемые электрически и с помощью ультрафиолетового излучения. К элементам Erasable PROM с электрическим стиранием информации относятся, например, микросхемы флеш-памяти. От обычных EPROM они отличаются высокой скоростью доступа и быстрым стиранием записанной информации. Данный тип памяти сегодня широко используется для хранения BIOS и другой постоянной информации.

2.8 Кэш-память

Кэшированием данных называется размещение наиболее важных и часто используемых данных в области памяти с более быстрым доступом. Применение кэширования существенно повышает быстродействие ПК при чтении данных (в 10-1000 раз). Помимо кэширования операций чтения данных можно выполнять кэширование записи данных. Применение кэш-записи еще более увеличивает скорость работы ПК, но повышает риск потери данных в случае внезапного выхода системы из строя (например, при отключении электропитания).

2.9 Шина

Связь устройств с материнской платой осуществляется ее шинными интерфейсами. Пропускная способность первой шины, выполненной два десятка лет назад в архитектуре ISA, составляла около 5,5 Мбит/с. Расширением этого стандарта стал EISA (расширенный ISA) производительностью до 32 Мбит/с. С 2000 г. выпуск материнских плат для разъемов ISA и EISA прекращен из-за низкой производительности этих шин.

С выходом процессора Intel 80386 и 80486 для обмена данных между оперативной памятью и процессором внедрен новый стандарт VLB, позволяющий увеличить производительность шины до 130 Мбит/с.

С появлением процессора Intel Pentium внедрена шина стандарта PCI производительностью до 264 Мбит/с для 32-разрядных данных и 528 Мбит/с для 64-разрядных данных. Шина имеет разъемы для подключения внешних устройств и PCI-мосты в виде чипсета для связи с основной шиной ISA/EISA.

Внедрение шины PSI позволило впервые реализовать режим Plug And Play, состоящий в способности операционной системы автоматически реагировать на появление нового устройства и производить его установку на компьютере при помощи автоматических программных средств.

В современных компьютерах используются шины PCI express 3.0 с 16 линиями. Скорость этой шины обеспечивает скорость передачи данных до 32 Гбит/с.

2.9.1 Накопители данных

Для хранения программ и данных в персональных компьютерах используют различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотню раз превосходит емкость памяти других видов. По отношению к компьютеру накопители могут быть внешними и внутренними (встроенными). Внешние накопители имеют собственный корпус и источник питания, что экономит пространство внутри корпуса компьютера и уменьшает нагрузку на его блок питания. Внутренние накопители крепятся в специальных монтажных отсеках, что позволяет создавать компактные системы, которые совмещают в системном блоке все необходимые устройства. Сам накопитель можно рассматривать как совокупность носителя и привода. Различают накопители со сменными и несменными носителями. Используемые в настоящее время накопители имеют различные интерфейсы, среди которых преобладают IDE (ATAPI), SATA и SCSI. Встречаются решения на основе USB, PCMCIA, FireWire и других интерфейсов.