Добавлен: 06.04.2023
Просмотров: 83
Скачиваний: 2
Такое устройство как процессор интегрируется практически в любой электронной техники, что говорить о таких устройствах как телевизор и видеоплейер, даже в игрушках, а смартфоны сами по себе уже являются компьютерами, хоть и отличающимися по конструкции.
Так и в персональном компьютере, да и всей компьютерной системе центральный процессор не является единственным. Видеоплата является ярким представителем устройства имеющего свой собственный микрочип процессора GPU (Graphics Processing Unit) – графический процессор.
Сам процессор состоит из десятка миллионов транзисторов, а может уже и больше, при помощи которых собраны отдельный логические схемы, находящиеся в специальном кремниевом корпусе. Именно из-за кристалла кремния очень часто его называют «Камень».
В основе внутренних схем процессора лежит арифметико-логическое устройство, внутренняя память (регистры), и кеш-память (сверх память), которые в свою очередь образуют ядро процессора, а также схемы для управления всеми операциями и схемы управления с внешними устройствами – шинами.
Входная информация представленная данными и командами в процессор попадает через внешние шины. Обработка данных происходит в соответствие с командами в арифметико-логическом устройстве, а результат выводится при помощи устройств вывода. Чем больше разрядность всех схем процессора, тем большее количество информации возможно ему обработать за единицу времени. Делая вывод можно понять, что от разрядности центрального процессора на прямую зависит производительности компьютерной системы в целом.
Хорошим примером станет один из первых микропроцессоров для IBM PC 80286, которые были 16 разрядными. Следующая же модель процессора стала уже 32 разрядной, а 64 разрядные процессоры для ПК появились в 2014 году. Данная разрядность и по сей день остаётся основной разрядностью и используется в производстве в современных процессорах.
Важную роль играет кроме разрядности процессора так называемая тактовая частота, на которую сам процессор и рассчитан. Единицей измерения тактовой частоты является мегагерц (МГц).
В процессоре немного ячеек для обработки данных, называемые регистрами, в них он обычно почти ничего не хранит, а для ускорения, как работы процессора, так и вместе с ним компьютерной системы была интегрирована технология кеширования.
Кешем можно назвать небольшой набор ячеек памяти, в свою очередь выполняющих роль буфера. Когда происходит считывание из общей памяти, копия появляется в кеш-памяти центрального процессора. Нужно это для того, чтобы при потребности в тех же данных доступ к ним был прямо под рукой, то есть в буфере, что увеличивает быстродействие.
Кеш-память в нынешних процессорах имеет пирамидальный вид:
- Кеш-память 1-го уровня – самая наименьшая по объёму, но в тоже время самая быстрая по скорости, входит в состав кристалла процессора. Производится по тем же технологиям, что и регистры процессора, очень дорогая, но это стоит её скорости и надёжности. Хоть и измеряется сотнями килобайт, что очень мало, но играет огромную роль в быстродействие.
- Кеш-память 2-го уровня – так же, как и 1-го уровня расположена на кристалле процессора и работает с частотой его ядра. В современных процессорах измеряется от сотен килобайт до нескольких мегабайт.
- Кеш-память 3-го уровня медленнее предыдущих уровней этого вида памяти, но является быстродейственней оперативной памяти, что немаловажно, а измеряется десятками мегабайт.
Размеры кеш-память 1-го и 2-го уровней влияют как на производительность, так и на стоимость процессора. Третий уровень кеш-памяти — это своеобразный бонус в работе компьютера, но не один из производителей микропроцессоров им пренебрегать не спешит. Кеш-память 4-го уровня существует и оправдывает себя лиши в многопроцессорных системах, именно поэтому на обыкновенно компьютере его найти не удастся.
Важнейшим узлом компьютера является системная плата (system board), иногда называемая материнской (motherboard), основной или главной платой (main board); все эти термины взаимозаменяемы. Практически все внутренние компоненты персонального компьютера вставляются в материнскую плату, и именно ее характеристики определяют возможности компьютера, не говоря уже об его общей производительности. В этой главе мы рассмотрим основные типы материнских плат, их компоненты и интерфейсные разъемы. Существует несколько наиболее распространенных формфакторов, учитываемых при разработке системных плат. Формфактор (form factor) определяет физические параметры платы и тип корпуса, в котором она может быть установлена. Формфакторы системных плат могут быть стандартными (т.е. взаимозаменяемыми) и нестандартными. Нестандартные формфакторы, к сожалению, являются препятствием для модернизации компьютера, поэтому от их использования лучше отказаться.
Современные системные платы невозможно представить без микросхем системной логики. Набор микросхем определяет функциональность системной платы. Другими словами, две любые платы с одинаковым набором микросхем системной логики функционально идентичны, если производитель преднамеренно не добавил некоторые функции, отсутствующие в чипсете, либо не отключил некоторые из имеющихся в нем.
Набор микросхем системной логики включает в себя интерфейс шины процессора (FrontSide Bus — FSB), контроллеры памяти, контроллеры шины, контроллеры ввода-вывода и т.п. Все схемы системной платы также содержатся в наборе микросхем. Если сравнивать процессор компьютера с двигателем автомобиля, то аналогом набора микросхем является, скорее всего, шасси. Оно представляет собой металлический каркас, служащий для установки двигателя и выполняющий роль промежуточного звена между двигателем и внешним миром. Шасси — это рама, подвеска, рулевой механизм, колеса и шины, коробка передач, карданный вал, дифференциал и тормоза. Шасси автомобиля представляют собой механизм, преобразующий энергию двигателя в поступательное движение транспортного средства. Набор микросхем, в свою очередь, является соединением процессора с различными компонентами компьютера. Процессор не может взаимодействовать с памятью, платами адаптера и различными устройствами без помощи набора микросхем. Если воспользоваться медицинской терминологией и сравнить процессор с головным мозгом, то набор микросхем системной логики по праву займет место позвоночника и центральной нервной системы.
Набор микросхем управляет интерфейсом, или соединениями процессора с различными компонентами компьютера. Поэтому он определяет в конечном счете тип и быстродействие используемого процессора, рабочую частоту шины, скорость, тип и объем памяти. В сущности, набор микросхем относится к числу наиболее важных компонентов системы, даже, наверное, более важных, чем процессор. Мне приходилось видеть системы с мощными процессорами, которые проигрывали в быстродействии системам, содержащим процессоры меньшей частоты, но более функциональные наборы микросхем. Во время соревнований опытный гонщик часто побеждает не за счет высокой скорости, а за счет умелого маневрирования. При компоновке системы я бы начинал с набора микросхем системной логики, так как именно от его выбора зависят эффективность процессора, модулей памяти, устройств ввода-вывода, а также разнообразные возможности расширения.
Основой системной платы являются различные шины, служащие для передачи сигналов компонентам системы. Шина (bus) представляет собой общий канал связи, используемый в компьютере и позволяющий соединить два и более системных компонента.
Существует определенная иерархия шин ПК, которая выражается в том, что каждая более медленная шина соединена с более быстрой. Современные компьютерные системы включают в себя три, четыре или более шин. Каждое системное устройство соединено с какой-либо шиной, причем определенные устройства (чаще всего это наборы микросхем) играют роль моста между шинами.
- Шина процессора. Эта высокоскоростная шина является ядром набора микросхем и системной платы. Она используется в основном процессором для передачи данных между кэш-памятью или основной памятью и северным мостом набора микросхем. В системах на базе процессоров Pentium эта шина работает на частоте 66, 100, 133, 200, 266, 400, 533, 800 или 1066 МГц и имеет ширину 64 разряда (8 байт).
- Шина AGP. Эта 32-разрядная шина работает на частоте 66 (AGP 1х), 133 (AGP 2х), 266 (AGP 4х) или 533 МГц (AGP 8x), обеспечивает пропускную способность до 2133 Мбайт/с и предназначается для подключения видеоадаптера. Она соединена с северным мостом или контроллером памяти (MCH) набора микросхем системной логики.
- Шина PCI-Express. Третье поколение шины PCI. Шина PCI-Expres — это шина с дифференциальными сигналами, которые может передавать северный или южный мост. Быстродействие PCI-Express выражается в количестве линий. Каждая двунаправленная линия обеспечивает скорость передачи данных 2,5 или 5 Гбит/с в обоих направлениях (эффективное значение — 250 или 500 Мбайт/с). Разъем с поддержкой одной линии обозначается как PCI-Express x1. Видеоадаптеры PCI-Express обычно устанавливаются в разъем x16, который обеспечивает скорость передачи данных 4 или 8 Гбайт/с в каждом направлении.
- Шина PCI-X. Это второе поколение шины PCI, которое обеспечивает более высокую скорость передачи данных, но при этом обратно совместимо с PCI. Данная шина преимущественно применяется в рабочих станциях и серверах. PCI-X поддерживает 64-разрядные разъемы, обратно совместимые с 64- и 32-разрядными адаптерами PCI. Шина PCI-X версии 1 работает с частотой 133 МГц, в то время как PCI-X 2.0 поддерживает частоту до 533 МГц. Обычно полоса пропускания PCI-X 2.0 разделяется между несколькими разъемами PCI-X и PCI. Хотя некоторые южные мосты поддерживают шину PCI-X, чаще всего для обеспечения ее поддержки требуется специальная микросхема.
- Шина PCI. Эта 32-разрядная шина работает на частоте 33 МГц; она используется, начиная с систем на базе процессоров 486. В настоящее время существует реализация этой шины с частотой 66 МГц. Она находится под управлением контроллера PCI — компонента северного моста или контроллера MCH набора микросхем системной логики. На системной плате устанавливаются разъемы, обычно четыре или более, в которые можно подключать сетевые, SCSI- и видеоадаптеры, а также другое оборудование, поддерживающее этот интерфейс. Шины PCI-X и PCI-Express представляют собой более производительные реализации шины PCI; материнские платы и системы, поддерживающие эту шину, появились на рынке в середине 2004 года.
- Шина ISA. Эта 16-разрядная шина, работающая на частоте 8 МГц, впервые стала использоваться в системах AT в 1984 году (в первоначальном варианте IBM PC она была 8-разрядной и работала на частоте 5 МГц). Эта шина имела широкое распространение, но из спецификации PC99 была исключена. Реализуется с помощью южного моста. Чаще всего к ней подключается микросхема Super I/O.
1.3 Жесткие диски и оперативная память
Накопитель на жестком магнитном диске – это запоминающее устройство, которое является энергонезависимым и перезаписываемым и играет роль основного накопителя данных практически для всех современных компьютеров и ноутбуков. Конструкция накопителя такова, что магнитный носитель, размещенный внутри него – несъемный и представляет собой несколько магнитных пластин, размещенных на одной общей оси.
С каждой поверхностью магнитной пластины работает своя считывающая головка. В отличие от дискеты, в которой считывающая головка движется непосредственно по поверхности магнитного диска, в накопителе на жестком магнитном диске головка не соприкасается с магнитным диском, она находится на небольшом расстоянии в десятые доли микрона от него. За счет данной особенности размещения считывающей головки было достигнуто значительное быстродействие запоминающего устройства за счет увеличении скорости вращения магнитного диска.
Для записи и чтения информации, размещенной на жестком магнитном диске, используются магнитные головки, причем при воспроизведении операций чтения/записи данные головки являются неподвижными, перемещается магнитное покрытие поверхности диска относительно каждой головки. Когда магнитная головка работает на запись информации на диск, на поверхности диска остается «магнитный след», образующий кольцевую траекторию, которую называют дорожка (trek). Размещенные друг под другом на рабочих поверхностях на всех рабочих поверхностях магнитных дисков дорожки называют цилиндр (Рисунок 1).
Рисунок - 1 Геометрия жесткого диска
В жестком диске используется от 3 до 10, а то и более, магнитных диска, каждый из которых имеет по две рабочие поверхности. Некоторые производители жестких дисков оставляют две крайние поверхности у пакета магнитных дисков нерабочими. Это приводит к снижению объема жесткого диска, но вызвано необходимость хранения служебной информации, а также для размещения резервных секторов диска.
Жесткий диск обязательно должен быть герметичным, ведь столь маленькое расстояние между рабочей поверхностью диска и магнитным диском не должно содержать ни пылинки, с целью уберечь тонкий слой магнитного напыления от стирания. Магнитная головка не должна касаться магнитного слоя, и в то же время находиться на расстоянии от него в доли микрона. Поэтому для удовлетворения данных условий используется «воздушная подушка» - в магнитной головке существуют специальные отверстия, через которые в зазор между головкой и рабочей поверхностью подается сжатый воздух в направлении магнитного диска. За счет сжатого воздуха, играющего роль демпфера, магнитная головка не прижимается к рабочей поверхности. При этом подаваемый воздух предварительно тщательно очищается от пыли за счет использования специальных фильтров.