Файл: «Устройство персонального компьютера»(Структура и принципы работы персонального компьютера).pdf
Добавлен: 01.04.2023
Просмотров: 58
Скачиваний: 1
Пример технических характеристик процессора, приводимых на сайтах Internet-магазинов компьютерной техники (табл. 1).
Тактовая частота – определяет сколько элементарных операций (тактов) выполняет микропроцессор в одну секунду. Измеряется в гигагерцах (ГГц – GHz). От тактовой частоты в значительной степени зависит быстродействие микропроцессора.
Таблица 1
Пример технических характеристик процессора
|
Процессор |
|
|
Тип процессора |
Intel® Core™ i7 |
|
Модель процессора |
6700 |
|
Тактовая частота |
3.4 Ггц |
|
Количество ядер |
4 |
|
Кэш L3 |
8192 Кб |
|
Кэш L2 |
1024 Кб |
|
Кэш L1 |
64 Кб |
Но надо заметить, что утверждение «чем выше тактовая частота, тем "шустрее" процессор» справедливо, если сравнивать между собой поколения CPU одной марки. Сопоставлять по этому показателю процессоры разных производителей нельзя – при одинаковой тактовой частоте они работают с различной скоростью, поскольку на нее влияют в не меньшей степени и другие характеристики. Например, процессоры марки AMD работают на более низких тактовых частотах, чем Intel, но за один такт производят больше действий [7, с. 248].
Разрядность (обрабатываемых данных) процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Очевидно, и эта характеристика процессора влияет на его быстродействие. Первые процессоры x86 были 16-разрядными. Начиная с процессора 80386, они имеют 32-разрядную архитектуру. Подавляющее большинство современных процессоров являются 64-разрядными, но они полностью поддерживают архитектуру x86. Конечно, для пользователя важно знать, разрядность процессора на его компьютере, так как, например, программное обеспечение, рассчитанное на 64-х разрядный процессор, не может быть установлено на компьютер с 32-х разрядным процессором.
Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например, с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область – так называемую кэш-память (англ. cache – тайник, тайный склад). Кэш-память процессора - это сверхпроизводительная память, откуда процессор получает доступ к обрабатываемым данным. Объем ее очень мал и не позволяет вместить в себя исполняемую программу целиком, поэтому в кэш обычно загружены только часто используемые данные. Разумеется, чем кэш больше, тем к большему объему информации процессор может получить быстрый доступ. Поэтому от величины кэш-памяти зависит скорость исполнения программы [7, с. 253].
Кэш-память служит буфером, в который загружаются часто исполняемые команды и используемые данные из ОЗУ (оперативная память).
Большинство современных процессоров оснащены кэш-памятью двух или трех уровней (рис. 10):
- Кэш-память первого уровня (L1) – самый быстрый из всех уровней, выполняется в том же кристалле, что и процессор, за счет чего имеет наименьшее время отклика и работает на скорости близкой к скорости процессора. Имеет объем порядка десятков килобайт. Еще одна функция этого вида памяти – обеспечивать обмен между процессором и вторым уровнем кэш-памяти.
- Кэш-память второго уровня (L2) – имеет больший объем памяти, чем первый. Находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле. Одно из предназначений – буфер между вторым и третьим уровнем.
- Кэш-память третьего уровня (L3) – самый медленный из кэшей (но все же значительно быстрее ОЗУ), имеет самый большой объем памяти (может достигать нескольких мегабайт). Выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской вблизи процессора.
Рисунок 10 - Уровни памяти
В центре современного центрального микропроцессора находится ядро (core) – кристалл кремния площадью примерно один квадратный сантиметр, на котором посредством микроскопических логических элементов реализована принципиальная схема процессора, так называемая архитектура (chip architecture). Процессоры бывают одноядерные и многоядерные.
Долгое время повышение производительности традиционных одноядерных процессоров в основном происходило за счет последовательного увеличения тактовой частоты (около 80% производительности процессора определяла именно тактовая частота) с одновременным увеличением количества транзисторов на одном кристалле. Однако дальнейшее повышение тактовой частоты (при тактовой частоте более 3,8 ГГц чипы попросту перегреваются!) упирается в ряд фундаментальных физических барьеров [7, с. 255].
Многоядерный процессор – это центральный микропроцессор, содержащий 2 и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе.
Чем больше у процессора ядер, тем большее число операций он может выполнять одновременно без потери производительности. Одноядерные процессоры для персональных компьютеров сегодня уже не выпускаются - наступила эра многоядерности. Именно за счет увеличения числа ядер ведущие производители планируют наращивать мощность процессоров в дальнейшем. Сегодня на персональные рабочие станции устанавливаются, как правило, 2-8 ядерные CPU, а для серверных систем уже существуют и 16-ядерные. В экспериментальных условиях проходят апробирование процессоры, оснащенные более чем 20 ядрами.
За счет параллельной работы ядер процессора (одновременно выполняются несколько независимых потоков команд) при меньшей тактовой частоте многоядерный процессор обеспечивает большую производительность, чем одноядерный [7, с. 257].
Например, тактовая частота средненького двухъядерного процессора нередко может быть намного ниже частоты неплохого одноядерного процессора, но из-за разделения задач на «обе головы», разница в результатах становится несущественной. Двухъядерный процессор Core 2 Duo с тактовой частотой 1,7ГГц легко сможет обскакать одноядерный Celeron с тактовой частотой 2,8ГГц, ведь производительность зависит не от одной лишь частоты, но и от количества ядер, кэша и других факторов.
Увеличение производительности за счет количества ядер особенно ощутимо при исполнении многозадачных программ, в логику которых заложено одновременное выполнение нескольких действий. В то время, как одноядерный процессор выполнял бы задачи последовательно - одну за другой, многоядерный - делает это параллельно.
Оперативная память (ОЗУ) – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Является достаточно дорогой частью аппаратного обеспечения ПК и оказывает значительное влияние на его производительность. Из ОЗУ процессор берет программы и исходные данные для обработки, туда же записываются полученные результаты. Но при выключении компьютера ее содержимое стирается.
Важнейшее свойство оперативной памяти – энергозависимость.
При обработке данных процессором может произойти обращение к любой ячейке памяти, поэтому ее называют памятью с произвольным доступом (Random Access Memory – RAM). Название «оперативная» отражает высокую скорость ее работы.
Наиболее важные характеристики памяти: тип, емкость и скорость передачи данных (пропускная способность).
С точки зрения физического принципа различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).
Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так м при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно. Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве, причем весьма быстро. Если оперативную память постоянно не «подзаряжать», утрата данных происходит через несколько сотых секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы [12, с. 119].
Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы – триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно дороже.
Микросхемы динамической памяти используются в качестве оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве кэш-памяти [12, с. 121].
Оперативная память выпускается в виде модулей памяти (memory module). С точки зрения организации элементов памяти существует два наиболее распространенных вида модулей памяти:
- SIMM (Single In-line Memory Module – одинарный (односторонний) модуль памяти) - модули памяти с однорядным расположением контактов;
- DIMM (Dual In-line Memory Module – двойной модуль памяти). Основным отличием DIMM является то, что контакты, расположенные на разных сторонах модуля, являются независимыми, в отличие от SIMM, где симметричные контакты, расположенные на разных сторонах модуля, замкнуты между собой и передают одни и те же сигналы.
Модули оперативной памяти (ОП) (рис. 11) вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате (рис. 6).
Рисунок 11 - Модуль оперативной памяти
Представление о том, сколько ОП должно быть в типовом компьютере, непрерывно меняется. В середине 80-х годов поле памяти размером 1 Мбайт казалось огромным, в начале 90-х годов достаточным считалось объем 4 Мбайт, к середине 90-х годов он увеличился до 8 Мбайт, а затем и до 16 Мбайт. Сегодня считается, что размер ОП должен быть не менее 1 Гбайт, но тенденция к росту сохраняется.
Минимальный объем ОП определяется требованиями операционной системы.
Для компьютера, который используется для выхода в интернет и для работы с офисными программами, вполне достаточно 1Гб памяти. Для оцифровки видео, работы с графикой и для игр нужно иметь, как минимум 2 или 4Гб.
Скорость передачи данных определяет максимальную пропускную способность памяти (в мегабайтах в секунду или гигабайтах в секунду) в оптимальном режиме. Одинаковые по объему модули могут иметь разные скоростные характеристики [12, с. 123].
Пример технических характеристик памяти, приводимых в описании модели компьютера на сайтах Internet-магазинов компьютерной техники (табл. 2).
Таблица 2
Пример технических характеристик оперативной памяти
|
Память |
|
|
Тип памяти |
DDR3 DIMM |
|
Размер оперативной памяти |
4 Гб |
|
Максимальный размер оперативной памяти |
16 Гб |
Аббревиатура DDR расшифровывается как Double Data Rate – «двойная скорость передачи данных»: память этого типа способна «удваивать» оригинальную частоту шины памяти. Параметр «максимальный размер ОП» указывает на возможность увеличения объема ОП за счет установки новых модулей памяти. Если разъемов на материнской плате несколько, то, желательно, чтобы модули при этом обладали одной и той же скоростью доступа и были выпущены одним и тем же производителем.
Общие параметры процессора и установленной памяти на компьютере, работающем под управлением операционной системы Windows, можно узнать в Свойствах системы через Панель управления. Пример фрагмента окна Система (рис. 12).
Рисунок 12 - Пример фрагмента окна Система
Жесткий магнитный диск (HDD (HMDD) – Hard (Magnetic) Disk Drive) – это магнитное устройство для хранения и использования данных, установленное в специальные отсеки в системном блоке [12, с. 125].
Часто жесткий диск называют «винчестер». Это название появилось в 1973 г., когда компания IBM выпустила пакет из двух дисков по 30 МБ с маркировкой «30/30», что напоминало пользователям калибр охотничьего оружия «Винчестер 30/30».
Жесткий диск представляет собой один или несколько металллических дисков, покрытых специальным магниточувствительным веществом, которые размещаются на одной оси и заключены в герметизированный корпус из прессованного алюминия. Кроме того, винчестер содержит двигатель, головку чтения (записи) и управляющую электронику (рис. 13).
Рисунок 13 - Жесткий диск (винчестер)
В персональных компьютерах жесткие диски появились только в 1983 году. Тогда их объем составлял 10 МБ.
К основным числовым параметрам жесткого диска относятся: емкость, скорость чтения, среднее время доступа, скорость вращения диска, размер кэш-памяти [12, с. 127].
Параметр емкость, очевидно, определяет, какое количество информации он может хранить. Надо заметить, что потребности в дисковом пространстве растут более, чем на 50% в год. Если операционной системе MS DOS хватало менее 2 МБ на диске, а Windows 95 – порядка 100 МБ, то Windows XP требуется уже около 2 ГБ. А Windows 7 – более 16 ГБ.
Характерной особенностью маркировки винчестеров является то, что указанная в названии модели примерная емкость рассчитана на миллион байт (а не мегабайт) или миллиард байт (а не гигабайт). В математическом виде это выглядит следующим образом: