Файл: Устройство персонального компьютера.pdf

Также в процессоре есть шина данных и шина команд. На первой вносятся данные (значения чисел и др.), на второй - номер команды (инструкции). Инструкция поясняет процессору что следует делать. Есть модели процессоров, совмещенных шин данных и команд совмещены. Большинство ПК устроены по такому принципу. Разделение происходит «по времени». Вначале идут команды, потом данные. По тому как и какие команды заложены процессор можно разделить на несколько типов по архитектуре о внутренней организации и наборам команд). Первые две более детально описаны в [учебнике для бакалавров]^[41]:

• CISC (Complete Instruction Set Computer) –сложный (полный) набор команд. Основоположник IBM.
• RISC (Restricted (Reduced) Instruction Set Computer) –простой набор команд. Ориентированы на выполнение единообразных операций. Противоположность CISC, появились в 80-х гг.
• MISC (Minimal Instruction Set Computer) - минимальный набор длинных команд. Увеличение разрядности процессоров дало возможность несколько команд составить в одно большое слово.
• VLIW (Very long instruction word) – архитектура представлена несколькими устройствами. Операции выполняются параллельно и одна инструкция содержит несколько операций.
• EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing) – управляет командами параллельно. EPIC это пример научно-исследовательской разработки, описывающий принцип обработки информации, а не архитектуру конкретного процессора.

Последние 3 архитектуры вскользь упомянуты в учебнике А.С. Грошева и П.В. Заклякова^[42] До последних дней для производства ПК использовались только CISC-процессоры. Лидеры - фирмы AMD и Intel. Последние процессоры указанных фирм по формальным признакам стоит классифицировать уже как CISC-процессоры с RISC-ядром - Pentium IV или Athlon). Это делает их уникальными и не относит ни к одной архитектуре.

Работа каждого блока в МП – работа конвейера: машинная команда разбивается на отдельные этапы. Выполнение следующей команды может начаться до завершения предыдущей. Первая – выполняется, вторая – расшифровывается и д.т.). Одновременно МП команды идут друг за другом и время выполнения уменьшается в несколько раз. Эту архитектуру называют суперскалярной. В этой архитектуре используются механизмы предсказания переходов – «исполнение по предложению и изменениям последовательности». Чем шире набор системных команд – тем сложнее архитектура. Современные компьютеры имеют 2 и более ядра. Чем их больше, тем выше производительность. [Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кода.]^[43]

Основные параметры по Демидову^[44] процессора отмечают: разрядность, размер кэш-памяти, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты, сама рабочая тактовая частота, рабочее напряжение.

Рабочее напряжение – выдается материнской платой. Она и процессор должны быть совместимы – их необходимо выбирать вместе. Сейчас в онлайн-магазинах для удобства покупателей ввели новый функционал – при выборе материнской платы показывается её совместимость с процессором той или иной модели, эта схема действует и наоборот, при выборе процессора. Развитие МП прямо пропорционально рабочему процессу. Чем новеем МП тем ниже рабочее напряжение. К примеру: модель х86 работала при рабочем напряжении – 5В, Pentium – до 3.3 В, современные менее 3В. Ядру МП достаточно 2,2 В. Теперь можно не опасаться электрических пробоев, потому что пониженное рабочее напряжение делает возможным сокращать расстояния между элементами в кристалле. Меньше напряжения – меньше выделятся тепла, увеличивается производительность, перегревы МП уже не так часто встречаются при обычной работе с компьютером.

Тактовые сигналы – уже знаем что получает их он от материнской платы. Эти малые частоты (напомню что они 100-400 МГ), [МП внутренне умножает частоты на коэффициенты : 3;3,5;4…и более.]^[45][Генератор тактовых импульсов создает последовательность электрических импульсов. Их частота и есть частота машины. Промежуток времени между импульсами называют тактом работы машины.]^[46] Кратко и по существу, но доступно для простого читателя понятие тактовой частоты изложено в книге «Компьютерные технологии для лиц пожилого возраста учебное пособие» ^[47] Это количество выполняемых процессов элементарных операций в секунду. Тактовая частота измеряется в герцах, современные компьютеры обладают частотой от 1,8 ГГц до 4ГГц (1ГГЦ=10 в 9 степени Гц= 1 миллиард Гц). Например, современный процессор Intel Core i9-9900KS работает на частоте 5ГГц, но к сожалению это пока не массовое производство. Он имеет слишком большую цену.

Кэш-память (буферная) – дает возможность обмениваться данными внутри МП на более быстром уровне, чем со внешними устройствами. Она придумана и сделана для того чтобы МП уменьшил количество обращений к оперативной памяти. Её ещё называют «сверхбыстрой памятью». Если МП нужны какие-либо данные, то первоочередно он обращается в кэш-память, не найдя там нужного он переходит на второй уровень запроса – ОП.

Разрядность МП – Про разрядность мы упоминали в первой главе. дополним из[учебника]^[48] парой предложениями. В нескольких режимах выполняют процессы 32-разрядные и более поздние процессоры. Могут работать в трёх режимах: реальном, защищённом и виртуальном-реальном (реальном внутри защищённого). Многие 64-битные процессоры дополнительно аппаратно поддерживают инструкции, упрощающие виртуализацию. В зависимости от режима изменяется схема управления памятью системы и задачами.

Системная шина – ISA (Industry Standard Architecture). В отличии от PCI она более медленная. Шина обеспечивает сопряжение и связь между устройствами. Обеспечивает три направления передачи информации: между МП и основной памятью; МП и портами ввода/вывода; основной памятью и портами ввода/вывода. Шина состоит из так называемой кодовой шины данных, кодовой шины адреса, кодовой шины инструкции, шины питания. МП осуществляет управление системной шиной.

[Источник питания – Это блок, содержащий системы автомоного и сетевого электропитания ПК.]^[49]

Таймер. Внутренние электронные часы, полностью автономны.

Основная память – хранит оперативный объем информации. Содержит два вида запоминающихся устройств (ЗУ). Первое ПЗУ – постоянное запоминающее устройство . [Оперативная память, так же как и процессоры, имеет длительную историю своего развития – от ферритовых колец промышленных ЭВМ до современных сменных модулей, используемых в ПК ёмкостью в несколько Гбайт. Говоря о современных модулях памяти, помимо объёма их делят по напряжению питания, используемым разъёмам 133, тактовой частоте и задержкам (таймингам).]^[50]

ПЗУ – хранит неизменяемую программную и справочную информацию. ПЗУ энергонезависимое. Данные заносятся при изготовлении, информацию в ней можно считывать, но не изменять. В [учебном пособии] ^[51] рассматриваются составляющие ПЗУ. В нем находятся 4 программы и информация о расположении ОС. Первая программа, управляет работой процессора, вторая отвечает за запуск и остановку ПК, третья – тестирует устройства при каждом включении ПК, четвертая – управляет внешней памятью, принтером дисплеем, клавиатурой. ПЗУ делятся на 3 основных типа: ROM (масочные) – запрограммированы на заводе-изготовителя; PROM или OTP программируемые однократно пользователем; EPROM/EPROM, flash – многократно программируемые первые с УФ-стиранием вторые с электрическим.

Второй вид ЗУ – это ОЗУ – оперативное запоминающееся устройство. ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ данных), оно напрямую участвует в информационно-вычислительных процессах. Хранение информации в виду двухмерных матриц, элемент ячейка, запоминающая 1 бит информации. Единица измерения бит. Байт (8 бит) может уже сохранить одну букву любого алфавита или любой знак. Более подробно ЕИ представлены в [учебном пособии]^[52]. Достоинство ОЗУ – быстродействие и прямой адресный доступ к ячейке. Является энергозависимой. ОЗУ подразделяют на 3 вид 3 вида памяти: SRAM –статическая, DRAM- динамическая, RG – регистровая память. DRAM – её содержимое остаётся неизменным в течение очень короткого отрезка времени, поэтому память должна периодически регенерироваться. Микроконденсатор – запоминающий элемент динамической памяти. Имеет 2 состояния - заряжен (единица) или разряжен(ноль). [В реальном конденсаторе существует ток утечки, поэтому информация, записанная в динамическую память, со временем будет утрачена в результате разрядки конденсаторов.]^[53] Выполнение операций чтения и повторной записи проходит через определённые промежутки времени (например, каждые 2 мс) во всех ячеек памяти. В это время процессор в состоянии ожидания. При выполнении каждой операции чтения данных происходит регенерация памяти. Недостатки – запись данных сравнительно медленная, заряды ячеек естественно рассеиваются в пространстве. Микросхемы DRAM используются в основной оперативной памяти.

SRAM- статистическая память. Её можно представить [электронные микроэлементы – триггеры, состоящие из нескольких транзисторов]^[54] В триггере хранится состояние - включен/выключен. Технологически сложнее и дороже. Микросхемы SRAM - основная кэш-память.

Современные микросхемы памяти 64-разрядные. Модули памяти имеют 2 исполнения: однорядные (SIMM-модули) и двухрядные (DIMM-модули). Различия в характеристиках объема памяти и времени доступа. У первого модуля максимальный объем 32 Мбайт, у второго – 256 и более. Время доступа первого типа модуля 50-60 наносекунд, у второго – 7-10 наносекунд (на базе SDRAM). DIMM-модули - имеют функцию обнаружения и исправления ошибок 64/72 линии передачи данных. SIMM-модули – только 32 линии. DIMM - это длинная прямоугольная плата, у которой контактные площадки с обеих сторон. Устанавливается в разъем и фиксируется защелками. Модуль SO-DIMM – используется в ноутбуках, имеет меньший размер.

DDR выпустила Intel в 1996 году. Несколько лет назад популярность завоевала планка DDR SDRAM (микросхема синхронной динамической памяти) – память с удвоенной скоростью передачи данных, и увеличение производительности без наращивания тактовой частоты шины. [Планки памяти DDR SDRAM выполнены в виде 184-контактных DIMM-модулей, а DDR2 и DDR 3- 240 контактных]^[55] В 2004 г. вышла DDR 2. DDR 1 и DDR 2 между собой не совместимы. DDR 3 (8 Гб) и DDR 4(16-32Гб) завоевывают массовый рынок. [Основное отличие DDR4 заключается в повышенных частотных характеристиках, пониженном напряжением питания и в удвоенном до 16 числе банков. Максимально определённая спецификацией пропускная способность памяти – 34,1 ГБ/c (на частоте 4266 МГц). Кроме того, повышена надёжность работы за счёт введения механизм контроля чётности на шинах адреса и команд.]^[56] Выбор памяти напрямую зависит от чипсета, используемого на компьютере, он и определяет тип оперативной памяти.

Современные ПК также имеют память видеокарты (с которой работает процессор видеокарты).

Долговременная память – Бывает нескольких видов: с магнитной записью, оптический способ записи и энергонезависимая. В этом разделе рассмотрим винчестер и SSD. Также просмотрим Устройство для чтения с компакт –дисков.

Винчестер или HHD (Hard Disk Drive)– [Жесткий диск – это небольшая герметическая коробочка, в которой содержится несколько магнитных дисков и соответствующие магнитные головки к ним] ^[57] . Проще -ЗУ с произвольным доступом, основанным на принципе магнитной записи. В нем хранятся программы ОС, прикладные программы и т.д. Реализующий стандарт управлением контроллера диска является SCSI-2 [(Small Computer System Interfase)]^[58] Но довольно дорогой и подходит только в основном для серверных. Сейчас в ПК жесткие диски подключаются с помощью SATA. Основными характеристиками являются емкость диска, скорость чтения и записи, время доступа к данным. Максимальный объем жесткого диска, который поступил в продажу рынка массового сегмента – это 14 Tб от Toshiba. Интерфейсы жестких дисков мы уже рассматривали, стоит упомянуть uSSD, он же micro SSD – BGA- интерфейс, который подключает миниатюрные , встроенные накопители. [Выпускаются винчестеры в основном двух размеров дисков (форм-фактор) – 3,5″ и 2,5″, реже 1,8″ (последние два преимущественно для использования в ноутбуках и нетбуках)]^[59] Сегодня пути повышения характеристик жестких дисков подошли к «потолку теоретико-механических возможностей». Необходимо новое решение. Создание SSD именно такое решение. Это твердотельные накопители – немеханические запоминающие устройства, в основе которого микросхемы памяти. Можно выделить два вида: на основе памяти, подобной оперативной памяти компьютеров, и на основе флэш-памяти. Использовать SSD для хранения данных нецелесообразно. Но их можно использовать в качестве второго диска для системного раздела, на который инсталлируется ОС, и на серверах для кэширования статичных данных. Уменьшается время загрузки ОС и время обработки данных. Более подробно работа и устройство SSD представлена [в Книге]^[60]. Остальные виды памяти рассмотрим в разделе с периферийными устройствами.