Файл: Изучение компонентов персонального компьютера и основ их взаимодействия, сборка компьютера под пользовательские задачи.pdf

Важнейшие этапы этого процесса:

1. Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;
2. Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;
3. Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;
4. Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;
5. Снова выполняется п. 1.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм полезной работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки аппаратного прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

Главным элементов микропроцессора является «ядро» - кристалл микропроцессора, кремниевый чип, являющийся непосредственно процессором. На сегодняшний день процессоры в большинстве имеют сразу несколько физических ядер в одном корпусе.

Так же каждое физическое ядро содержит одно или несколько логических ядер. Например, процессор Intel Core Duo содержит одно физическое ядро, разделённое на два логических. Отсюда вытекает термин «многопоточность» (англ. hyper-threading, HT) – способность процессора хранить сразу несколько потоков (обычно прямо пропорционально числу ядер процессора), что позволяет существенно увеличить количество обрабатываемых команд процессором и повысить общую производительность системы, сократив общее время выполнения одной операции. Технология многопоточности была впервые применена в процессорах Intel Xeon в 2002 году, в дальнейшем была добавлена во все последующие модели.

---

На данный момент доступны в широком ассортименте модели CPU, содержащие до 8(Intel Core i9 9900k, lga1151v2, AMD Ryzen 7 2700x AM4, а иногда и до 16 ядер (AMD Ryzen Threadripper TR4, Intel Core i9 Skylake – x Refresh), однако цены на них довольно высоки. На рисунке 7 показан принцип работы технологии hyper-threading (HT).

Рис.7 Принцип работы технологии hyper-threading (HT).

2.1.4 Оперативная память.

Часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором, называется оперативной памятью.

На сегодня наибольшее распространение имеют два вида ОЗУ:

• динамическая память (DRAM).
• статическая память (SRAM).

DRAM

SRAM

Экономичный вид памяти. Для хранения разряда (бита или трита) используется схема, состоящая из одного конденсатора и одного транзистора (в некоторых вариантах два конденсатора). Такой вид памяти, во-первых, дешевле (один конденсатор и один транзистор на 1 бит дешевле нескольких транзисторов триггера), и, во-вторых, занимает меньшую площадь на кристалле (там, где в SRAM размещается один триггер, хранящий 1 бит, можно разместить несколько конденсаторов и транзисторов для хранения нескольких бит).

Использует в виде метода хранения информации переключатели (статические триггеры). Триггером называют элемент на транзисторах, который может находиться в одном из двух устойчивых состояний (0 и 1), а по внешнему сигналу он способен менять состояние. Таким образом, триггер может служить ячейкой памяти, хранящей один бит информации. Этот тип памяти не нуждается в перезарядке в отличие от конденсаторной (DRAM), поэтому работает быстрее.

ОЗУ большинства современных компьютеров представляет собой модули динамической памяти. Память динамического типа дешевле, чем статического, и её плотность выше, что позволяет на той же площади кремниевого кристалла разместить больше ячеек памяти, но при этом её быстродействие ниже.

Статическая память, наоборот, более быстрая память, но она и дороже. В связи с этим основную оперативную память строят на модулях динамической памяти, а память статического типа используется для построения кэш-памяти внутри микропроцессора.

---

2.1.5 Видеокарта.

Устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора, называется видеокартой.

Обычно видеокарта является платой расширения и вставляется в разъём расширения, универсальный (ISA, VLB, PCI, PCI-Express) или специализированный (AGP), но бывает и встроенной (интегрированной).

Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом изображения, они имеют встроенный графический микропроцессор, который может производить основную обработку, разгружая от этих задач центральный процессор компьютера. Этот процессор играет огромную роль при обработке видео.

Видеокарта состоит из следующих частей:

1. Графический процессор (графическое процессорное устройство) — занимается расчётами выводимого изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор, производит расчёты для обработки команд трёхмерной графики. Является основой графической платы, именно от него зависят быстродействие и возможности всего устройства. Современные графические процессоры по сложности мало чем уступают центральному процессору компьютера, и зачастую превосходят его как по числу транзисторов, так и по вычислительной мощности
2. Видеопамять — выполняет роль буфера, в котором хранится изображение, генерируемое и постоянно изменяемое графическим процессором и выводимое на экран монитора (или нескольких мониторов). В видеопамяти хранятся также промежуточные невидимые на экране элементы изображения и другие данные. Видеопамять бывает нескольких типов, различающихся по скорости доступа и рабочей частоте. Современные видеокарты комплектуются памятью типа GDDR4 и GDDR5, ожидается так же выход GDDR6 приблизительно к 2022 году. Кроме того, одновременно с видеопамятью, находящейся на видеокарте, современные GPU также используют в своей работе часть общей системной памяти компьютера, прямой доступ к которой организуется драйвером GPU через шину PCIE.
3. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, англ. RAMDAC - Random Access Memory Digital-to-Analog Converter) - служит для преобразования изображения, формируемого видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на аналоговый монитор. Возможный диапазон цветности изображения определяется только параметрами RAMDAC. Чаще всего RAMDAC имеет четыре основных блока — три цифроаналоговых преобразователя, по одному на каждый цвет (красный, зелёный, синий, RGB), и SRAM для хранения данных коррекции. Большинство ЦАП имеют разрядность 8 бит на канал — получается по 256 уровней яркости на каждый основной цвет, что в сумме дает 16,7 млн. цветов.
4. Система охлаждения - предназначена для сохранения температурного режима видеопроцессора и видеопамяти в допустимых пределах.

---

Правильная и полнофункциональная работа современного графического адаптера обеспечивается с помощью видеодрайвера — специального программного обеспечения, поставляемого производителем видеокарты и загружаемого в процессе запуска операционной системы. Видеодрайвер выполняет функции интерфейса между системой с запущенными в ней приложениями и видеоадаптером. Видеодрайвер организует и программно контролирует работу всех частей видеоадаптера через специальные регистры управления, доступ к которым происходит через соответствующую шину.

Основными характеристиками GPU являются:

• Ширина шины памяти, измеряется в битах - количество бит информации, передаваемой за такт.
• Объём видеопамяти, измеряется в мегабайтах - объём встроенной оперативной памяти видеокарты.
• Частоты ядра и памяти - измеряются в мегагерцах, чем больше, тем быстрее видеокарта будет обрабатывать информацию.
• Техпроцесс - технология изготовления микросхем, измеряется в нанометрах. Современные микросхемы выпускаются по техпроцессу 14нм и 10нм. Ожидается переход на 7нм техпроцесс. Чем меньше данный параметр, тем больше элементов можно уместить на кристалле микросхемы.
• Выводы карты - первоначально видеоадаптер имел всего один разъём VGA (15-контактный D-Sub). В настоящее время платы оснащаются тремя - пятью разъёмами DVI или HDMI, либо Display Port. 

2.1.6 Жесткий диск (HDD, SSD, SSDM2).

Жестким диском называют устройства для хранения, чтения и записи информации. Основное средство накопления данных и их хранения в современных компьютерах.

Так же жесткий диск называют «винчестером». Название «винчестер» (англ. Winchester) накопитель получил благодаря работавшему в фирме IBM инженеру Кеннету Хотону, благодаря которому в 1973 году был выпущен жёсткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке использовалось краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 МБ каждый. Это название случайно совпало с обозначением винтовки «Winchester Model 1894», использующей винтовочный патрон «30-30 Winchester».

Основными характеристиками жестких дисков являются:

• Емкость – количество данных, которые носитель может вместить. Измеряется в гигабайтах (GB). Современные жесткие диски формата HDD могут иметь емкость до нескольких тысяч гигабайт, например, Western digital WD Blue Desktop 2TB имеет заявленную емкость 2000Гб.
• Форм фактор (физический размер) – почти все современные жесткие диски имеют стандартный форм фактор 3.5 дюйма либо 2.5 дюйма (для SSD). Данная стандартизация позволяет без труда установить жесткий диск в любой доступный корпус.
• Скорость вращения шпинделя - количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 7200 и 10000 (персональные компьютеры), 10000 и 15000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).
• Количество операций ввода-вывода в секунду - у современных дисков это около 50 оп/сек при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп/сек при последовательном доступе.

---

Классические HDD представляют собой блок магнитных пластин, данные с которых считываются при помощи специальной головки, ближайшим аналогом данного принципа является музыкальный проигрыватель виниловых пластинок. Такая конструкция имеет сравнительно небольшой срок службы и повергается большему износу. На рисунке 8 изображено строение жесткого диска типа HDD.

Рис. 8. Строение жесткого диска типа HDD.

В настоящее время набирают популярность т.н. SSD и M.2, которые обладают значительно меньшим объемом, но гораздо большей скоростью доступа к данным и долее долгим сроком службы за счет отсутствия подвижных элементов. SDD и M.2 представляют собой набор микросхем использующих NAND Flash память, которая, в свою очередь подразделяется на несколько типов:

• SLC (single – level cell) - это уже устаревший тип памяти, в котором использовались одноуровневые ячейки памяти для хранения информации (перевод на русский язык звучит как «Одноуровневая ячейка»). То есть, в одной ячейки хранился один бит данных. Подобная организация хранения данных позволяла обеспечить высокую скорость и огромный ресурс перезаписи. Так, скорость чтения достигает 25 мс, а количество циклов перезаписи — 100000. Однако, несмотря на свою простоту, SLC является очень дорогим типом памяти
• MLC (multi - level cell) - В отличии от SLC, здесь используются двухуровневые ячейки, которые хранят по два бита данных. Скорость чтения-записи остается на высоком уровне, однако выносливость значительно снижается. Если говорить языком цифр, то здесь скорость чтения составляет 25 мс, а количество циклов перезаписи — 3000. Также этот тип является и более дешевым, поэтому он используется в большинстве твердотельных накопителях.
• TLC (triple level cell) - Относительно двух предыдущих, этот тип является более дешевым и в настоящее время встречается достаточно часто в бюджетных накопителях. Этот тип является более плотным, в каждой ячейке здесь хранится по 3 бита. В свою очередь, высокая плотность приводит к снижению скорости чтения/записи и снижает выносливость диска. В отличии от других типов памяти, скорость здесь снизилась до 75 мс, а количество циклов перезаписи — до 1000.

На рисунке приводится сравнение характеристик SSD с разным типом памяти.

Рис.9 Сравнение характеристик SSD с разным типом памяти.

Стоит отметить, что и HDD и SSD подключаются к материнской плате при помощи проводных интерфейсов SATA, в то время как M.2 подключается непосредственно в специальный разъем, что так же влияет на скорость чтения и записи, а так же обмена данными.

---