Файл: Устройство персонального компьютера (основные компоненты).pdf

Кэш 1-го уровня, самый быстрый и работает напрямую с ядром процессора, поэтому он имеет наименьшую латентность (время доступа) и частоту максимально приближенную к процессорной. Это самый малый по объему (достигает всего 64 Кб) тип кэш-памяти.^[15]

Тема 5. Оперативная память

Оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ ) - Часть системы компьютерной памяти , в которой храниться выполняемый машинный код, входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором. ОЗУ передаёт процессору данные непосредственно, либо через кэш-память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. ^[16]

На сегодня наибольшее распространение имеют два вида ОЗУ:

SRAM - static random access memory - статическая память. Основным элементом данной памяти является триггер, способный хранить состояния вкл/выкл. Главное достоинство является скорость, однако из-за технологических сложностей ее цена высока поэтому часто используется для построения, кэш-памяти в микропроцессорах.

DRAM – dynamic random access memory – динамическая память с произвольным доступом. В этом типе памяти используются полупроводниковые материалы, отличается энергозависимостью и возможностью доступа к данным, хранящимся в ячейках памяти. Изготавливается на основе конденсаторов малой емкости, поэтому они быстро теряют заряд и требуют подзарядки через какой-то промежуток времени, этот процесс называется регенерацией. Периодически контроллер памяти приостанавливает операции с памятью, для ее регенерации, что снижает ее производительность. В современных компьютерах эту память используют как основную.^[17]

Из-за сильного развития ЭВМ и ЦПУ, постоянно требовалось ускорение и увеличение объемов оперативной памяти, что приводило к выпуску новых типов DRAM, обладающих разными характеристиками:

Страничная память (page mode DRAM) самый старый тип выпускаемой оперативной памяти, который осуществлял чтение ячейки в 5 тактов. Но из-за усовершенствования ЦП, потребовалось увеличить скорость и объем оперативной памяти, что привело к устареванию этого типа памяти.

Быстрая страничная память (fast page mode DRAM) от обычной PM DRAM отличалась лишь увеличением скорости работы, достигавшимся путем увеличения нагрузки на аппаратную часть. Память могла работать на частотах 25 МГц и 33 МГц , но с появлением процессоров Intel Pentium признана не эффективной.

---

Память с усовершенствованным выходом (extended data out DRAM). Эта память оказалась примерно на 15% эффективнее ее предшественника, рабочая частота стала 40 МГц и 50 МГц. Так же в эту память встроили регистр-защелку выходных данных, что увеличило производительность чтения данного типа памяти. Но и этой памяти не суждено было служить долго и ее заменили следующим типом из-за новых процессоров и увеличения частоты системной шины.

Синхронная память (Synchronous DRAM) главными особенностями этого типа являлось использование тактового генератора и конвейерной обработки. Память хорошо работала на более высоких частотах системной шины, а ее рабочие частоты могли достигать 66 МГц, 100 МГц или 133 МГц.^[18]

Память с удвоенной скоростью передачи данных (double data rate SDRAM, DDR SDRAM) этот тип памяти пришел на смену обычной SDRAM, а главной особенностью является вдвое увеличенная скорость работы. Изначально ее использовали в видеокартах, но со временем появилась поддержка со стороны чипсетов. Эта память может работать на частотах до 400 МГЦ.

Модуль память DDR SDRAM 2 поколения, получила более высокую полосу пропускания данных, что увеличило ее быстродействие и обеспечило ей работу на частоте до 800 МГц.

DDR3 SDRAM модуль памяти 3 поколения получила еще большее быстродействие, и работает на частоте до 1600МГц, так же уменьшено энергопотребление до 1,35 - 1,5В, что объясняется использованием более тонкого технического процесса. Модули памяти этого типа оснащены до 16Гб памяти и используются в современных компьютерах по сей день.^[19]

DDR4 SDRAM четвертное поколение памяти DDR SDRAM, которое только набирает обороты в современном обществе, отличается высокими частотными характеристиками и пониженным энергопотреблением до 1.2В. Рабочая частота этого типа памяти может достигать до 3200МГц с объемом до 64Гб.

Форма фактор оперативной памяти

Модули типа SIMM прямоугольная плата с односторонней контактной зоной, модули фиксируются в разъёме защёлками. Ранее эти модули использовались в основном в 2 вариантах 30- и 72-контактных. Применялись планки с объемом до 64Мб. На данный момент эти модули полностью вытеснены модулями DIMM.

Модули DIMM главная особенность, которых это расположение контактных зон с двух сторон. Так же как и SIMM в разъемах фиксируются заглушками. Этот стандарт получил свое применение с DDR и используется по сегодняшний день. Количество контактов на этих модулях может достигать до 288 для DDR4. Для портативных устройств применяют уменьшенную по размерам плату получившую название SO DIMM получившую до 260 контактов для плат типа DDR4.^[20]

---

Тайминги оперативной памяти определяются временем, которое необходимо ОЗУ для выполнения определенных операций, следовательно, чем меньше тайминги, тем выше показатель быстродействия. Подразделяются на 4 вида:

1 CAS Latency (CL) – Латентность CAS – важнейший тайминг, определяющий время необходимое памяти для выдачи запрашиваемых данных

2 RAS to CAS Delay (TRCD) – Задержка RAS to CAS

3 RAS Precharge (TRP) – Время зарядки RAS

4 Row Active Time – определяет время активности одной строки модуля памяти.^[21]

Тема 6. Графическая плата

Графический адаптер — устройство, служащее для преобразования графического изображения содержащегося в памяти компьютера в изображение для вывода пользователю на монитор. Современные видео карты не ограничиваются простым выводом изображения, а имея в своем составе графический микропроцессор, производят дополнительную обработку данных, разгружая центральный процессор компьютера.^[22]

Ранее видеокарты подсоединялись к универсальным разъемам ISA, VLB, AGP расположенным на материнской плате, на данный момент времени эти разъемы уже не встречаются, а графический адаптер подключается к разъему PCI-Express. Существуют встроенные видеокарты, называемые интегрированными, довольно часто встречаются в ноутбуках.

Устройство^[23]

1. графический процессор (Graphic processing unit GPU) — Основа видеокарты, занимающаяся расчетами и обработкой выводимой графики, освобождая это этого ЦПУ. Именно от этого компонента зависит быстродействие всего устройства.
2. видеопамять — внутренняя оперативная память для данных формирующих изображение. В ней храниться изображения, генерируемые графическим процессором, промежуточные элементы, не отображающиеся на экране и другие данные. Существу видеокарты нескольких типов от DDR до самой современной на данный момент DDR5, их основные отличия в скорости и рабочей частоте.
3. Видеоконтроллер (Video Display Controller VDC)  — микросхема, отвечающая за создание графического изображения. В большинство видеоконтроллеров встраивают цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Современные графические адаптеры имеют не меньше двух видеоконтроллеров, работающих отдельно друг от друга, и имеют возможность управлять сразу несколькими дисплеями.
4. цифро-аналоговый преобразователь (Random Access Memory Digital-to-Analog Converter RAMDAC, ЦАП) — преобразует цифровой код, в аналоговые сигналы, а изображение созданное видеоконтроллером, в цветовое изображение, выводимое на аналоговый монитор. Доступный диапазон цветов изображения ограничен лишь параметрами данного устройства. В основном ЦАП имеет четыре блока: по одному на каждый цветов RGB (красный, синий, зеленый) и SRAM для данных о гамма-корекции.
5. видео-ПЗУ (Video ROM) —в этой памяти записаны видео-BIOS, текстовые шрифты экрана и т.п. Эта память используется только при обращении к видеоконтроллеру центрального процессора. Видео-BIOS обеспечивает запуск видеокарты, до включения операционной системы и содержит некоторые системные данные.
6. система охлаждения — служит для поддержания охлаждения компонентов видеокарты и поддержания ее в допустимых значениях. В современных компьютерах нагрузка на видеокарту очень высока, из-за чего компоненты перегреваются, поэтому хорошая система охлаждения необходима для долгосрочной работы видеокарты. Иногда когда обычная воздушная система охлаждения не справляется со своей задачей, можно перейти на «жидкую» систему, она гораздо эффективнее воздушной.^[24]

---

Характеристики^[25]

• разрядность шины памяти – характеристика, обозначающая скорость обмена данными между процессором и памятью измеряемая в битах, достигает отметки 8000 бит (Sapphire Radeon Pro Duo).
• объём видеопамяти – объем встроенной в видеокарту оперативной памяти измеряемой в мегабайтах, в современных видеокартах это число может доходить до 8000Мб.
• частоты ядра и памяти — параметры влияющие на скорость обмена данными, измеряются в мегагерцах. Современные видеокарты работают с частотой ядра видеопроцессора до 1700 МГц, а частота видеопамяти до 11000 МГц.
• Техпроцесс – размер изготовления микросхем, от этой величины зависит величина тепловыделения и максимальная тактовая частота, изготавливают по техразмерам от 14 до 180 нм, но самыми производительными считаются кристаллы площадью в 28нм.^{[26] [27]}

Типы памяти видеокарт.

В компьютерных видеокартах используются видеопамять типа GDDR, которая так же, как и оперативная память того же типа, прошла несколько поколений от GDDR до GDDR5.

GDDR – редко встретишь этот тип памяти, графические адаптеры такого типа обладают частотой памяти до 740МГц и частотой процессора до 503МГц, шириной шины до 256 бит и максимальным объемом до 256 Мб.

GDDR2 – используется в основном в самых бюджетных компьютерах, оснащен до 1000МГц и 725 МГц частоты памяти и процессора соответственно, шириной шины до 256 бит и объемом памяти до 1000 Мб.

GDDR3 – более современный и широко использующийся тип памяти, оснащенный до 2500 и 1000 частотой памяти и процессора соответственно, максимальные показатели ширины шины возросли до 512 бит, а объем памяти до 4000 Мб.

GDDR5 – очень распространенный тип видеокарт, очень подходящий под современные компьютерные игры, обладает высокой производительностью, за счет высоких частот памяти и процессора до 9000 и 1700 МГц соответственно. Так же его не обделили объемом памяти, который может достигать до 24000 Мб, а частота шины достигла предела в 768 бит.

Сейчас применение получает новый тип HBM (High Bandwidth Memory) отличающийся своей шириной шины достигающей до 8000 бит, но при этом он теряет большие частоты памяти и процессора.

Тема 7. Звуковая карта

Звуковая карта — представляют собой платы, устанавливаемые в слот материнской платы или интегрированную в нее систему.^[28] Основные задачи звуковых систем компьютера следующие:

---

1. Запись сигналов поступающих от внешних источников
2. Воспроизведение звуковых данных
3. Обработка звуковых сигналов

Интегрированное аудио

1. AC'97 (Audio Codec '97) – предусматривает разделение звукозаписывающего устройства на цифровой контроллер и кодировщик-декодировщик, соединенных шиной. Стандартно они работают на частоте 48 кГц при разрядности в 16 бит, так же в расширенном формате работают на частоте 96 кГц при 20 битах. Встречаются кодеки с разрядностью 16, 18 и 20 бит.

 Хост-контроллер (цифровой контроллер, DC'97) — реализует обмен цифровыми данными между аудикодеком и системной шиной.

Аналоговый кодек — чип осуществляющий преобразование аналог – цифра и наоборот. Состоит из ЦАП/АЦП выполняющего эти преобразования. От качества преобразователя во много зависит качество звука.^[29]

1. HD Audio (High Definition Audio) — обеспечивает больше канальное звучание с более высоким качеством звука. Стандарт работает на частоте 192 кГц при разрядности в 24 бита в двухканальном режиме и 96 кГц в той же разрядности, но в многоканальном режиме (до 8 каналов).

Преимуществом этого стандарта является поддержка новых форматов, таких как Dolby digital, DVD-Audio и более широкая полоса пропускания, которая позволяет использовать больше каналов.^[30]

Тема 8. Жёсткий диск

Жёсткий диск (Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD) — основное энергонезависимое устройство для хранения данных на компьютере. Информация записывается на одну или несколько специальных пластин находящихся на одной оси.^[31]

Характеристики

Интерфейс — выпускаемые жесткие диски могут использовать интерфейсы IDE, EIDE, SATA, SCSI, SAS, SDIO.

Ёмкость — общий объем накопителя для хранения данных. Ёмкость современных устройств достигает 12000 Гб. (12 Тб).

Объём буфера — память, предназначенная для хранения часто используемых данных. В современных HDD он обычно варьируется от 8 до 256 Мб.

Уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его работе.

Скорость вращения шпинделя — количество оборотов шпинделя в минуту. Чем больше этот параметр, тем быстрее происходит обращение к информации на жестком диске.

Время произвольного доступа — время гарантированного выполнения операции (чтении или записи) на любом участке диска.^[32]

Помимо обычных жестких дисков, существуют твердотелых накопителей называемых SSD (Solide State Drive) – запоминающее устройства без движущихся частей, что обеспечивает им большую долговечность, чем у жестких дисков. Преимущества по сравнению с жесткими дисками:

---