Файл: Устройство персонального компьютера ( ПК. Архитектура, основные характеристики).pdf
Добавлен: 26.05.2023
Просмотров: 56
Скачиваний: 2
Микропроцессор.
CPU (Central Processor Unit) – «мозг» любой электронно-вычислительной мащины. CPU представляет из себя сверх большую интегральную схему. Ее возможности определяются размером кристалла и количеством транзисторов. Т.к. в последнем десятилетии был достигнут технологический предел миниатюризации производства процессоров, их начали производить в так называемом многоядерном исполнении. Обычно в них предусмотрено от 2 до 8 ядер находящихся в одном корпусе. При этом, физические ядра для обеспечения многопоточности выполнения задач на делят на логические. Такое деление проводится с применением технологии SMT (Simultaneous Multithreading), у компании Intel эта технология носит название Hyper-threading и удваивает количество процессоров вдвое.
Базовыми элементами CPU являются транзисторные переключатели, на основе которых строятся регистры. Регистры представляют собой набор устройств, имеющих два устойчивых состояния и предназначенных для хранения данных, а также быстрого доступа к ним. Количество и разрядность регистров определяют архитектуру микропроцессора. Выполняемые микропроцессором команды, как правило, предусматривают, выполнение арифметических и логических, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных между регистрами, оперативной памятью и портами ввода/вывода.
С внешними устройствами микропроцессор сообщается благодаря своим шинам адреса, данных и управления, выведенным на специализированные контакты корпуса микросхемы. Эталоном являются микропроцессоры фирмы Intel. Кроме указанной компании производителями микропроцессоров являются и другие фирмы. Выпускаемые ими микропроцессоры иногда называют клонами (AMD и IBM).
В современных процессорах компании Intel (наиболее распространены процессоры семейства Core) адресная шина которых 64-разрядная. Это означает, что она имеет 64 параллельные линии. Если на линиях есть напряжение, то на них выставляется единица, в противном случае – ноль, образуя, таким образом, 64-битный двоичный адрес, указывающий на определенную ячейку оперативной памяти. Процессор подключается к этой ячейке для копирования данных в свой регистр из области, где хранятся данные. Обработку данных процессор ведет с помощью команд, поступающих на него из той области оперативной памяти, где хранятся программы. Команды представлены байтами (8 разрядами) данных, хотя существуют команды, которые могут быть представлены большим числом байтов. Например, в процессоре Intel Core i5 шина 64-разрядная (существуют также 128-разрядные и 256-разрядные шины). Процессором обрабатываются данные, расположенные в регистрах оперативной памяти и на своих внешних портах. Существует три вида таких данных - обычные данные, адреса и команды. Процессоры Intel Core насчитывают более нескольких тысяч команд и относятся к процессорам с расширенной системой команд (CISC-процессоры). В CISC-процессорах команды представлены длинными байтовыми записями, в отличие от ранних процессоров с сокращенной системой команд - RISC-процессоров, в которой команды требует меньше памяти для запоминания, а их число многократно меньше. По этой причине CISC-процессоры имеют много меньшую производительность, измеренную в тактах, в сравнении с RISC-процессорами. Однако реально в процессе работы RISC-процессора на него могут поступать сложные команды, которые отсутствуют в его системе, в этих случаях их приходится эмулировать последовательностью простейших команд, что заметно снижает производительность RISC-процессоров. В настоящее время находят применения гибридные процессоры, сочетающие достоинства CISC- и RISC-процессоров.
Основные параметры процессоров – напряжение, разрядность, тактовая частота, размер кеша:
Напряжение. Ранние модели процессоров питались 5 Вольт, современные процессоры потребляют не более 3 Вольт. Уменьшение необходимого для их питания напряжения позволило значительно уменьшить размеры кристаллов и снизить тепловыделение.
Разрядность (битность). Определяет размер обработки данных за один такт, которыми процессор обменивается с оперативной памятью. Если размер данных за такт равен 1 байту, то процессор называют восьмиразрядным (8 bit), если размер 2 байта процессор шестнадцатиразрядный (16 bit), если размер равен 4 байтам, то процессор тридцатидвухразрядный (32 bit), если размер равен 8 байтам, то процессор шестидесяти четырех разрядный (64 bit).
Первыми процессорами х86 были 16-разрядными. Но с выпуском процессора 80386 архитектура стала иметь разрядность равную 32. На смену 32-битной архитектуре была предложена 64-битная архитектура в 2002 году фирмой AMD в процессорах линейки К8 (тогда процессоры маркировались как x86-64 и в последствии заменена на AMD64). Не отставая от конкурента, компанией «Интел» было предложено новое обозначение – EM64T (Extended Memory 64-bit Technology). Хотя различий в архитектуре не было никаких: разрядность внутренних регистров 64-битных процессоров удвоилась (с 32 до 64 бит), а 32-битные команды x86-кода получили 64-битные аналоги. Так же, благодаря расширению разрядности шины адресов объем адресуемой процессором памяти значительно увеличился. Основная польза этих преобразований, это поддержка оперативной памяти больше 4 Гб. Каждая ячейка оперативной памяти имеет адрес в 32-х битной операционной системе он записывается как двоичный код длиной в 32 символа. Получаем – 2^32=4294967296 байт, что равняется примерно 4 ГБайтам. Иначе говоря, в 32-битной системе, ячейки памяти расположенные за границей в 4Gb не получат адреса и не будут использованы. В 64-х битной архитектуре размер адресной памяти равен 2^64= 18446744073709551616, т.е. примерно 16 ГБайтам.
Однако, Windows 7 Professional, Windows 7 Enterprise, Windows 7 Ultimate могут поддерживать до 192 GB оперативной памяти, а операционные системы для серверов Windows Server 2008 до 2 TB.
BIOS
Базовая система ввода/вывода является составной частью аппаратных средств и программным модулем операционной системы одновременно. BIOS встроен в материнскую плату и содержит программы управления клавиатурой, видеокартой, дисками, портами и другими устройствами, до загрузки операционной системы, после чего передает управление последней. BIOS также содержит программу тестирования оборудования компьютера и программу начального загрузчика. Большинство современных видеоадаптеров, а также многие SCSI-контроллеры имеют собственные модули BIOS, которые дополняет систему. В современных ПК BIOS реализован в виде одной микросхемы постоянного запоминающего устройства, установленной на системной плате компьютера. Для хранения в материнских платах применяются электрически перепрограммируемые запоминающие устройства (ППЗУ). BIOS содержит энергозависимую память типа CMOS RAM, в которой хранится информация о текущей дате, показания таймера (часов), конфигурации компьютера (количестве оперативной памяти, типах накопителей и т.д.). В BIOS имеется программа установок, которая может изменять содержимое CMOS-памяти, то есть задавать параметры конфигурации системы и, обычно, запускается нажатием клавиши Delete, или F8 в процессе загрузки компьютера. При загрузке и выполнения контроля оборудования BIOS подает на динамик «beeper» компьютера звуки, по которым можно диагностировать его состояние. Если все в порядке, то подается длинный гудок; если неисправна видеокарта - один длинный и два коротких гудка; если неисправна память - повторяющиеся короткие гудки. Если неисправен процессор, то никаких гудков не будет, поскольку программа выполняется процессором. Система сигнализации неисправностей у разных производителей материнских плат может отличаться.
Оперативная память
ОЗУ - оперативно запоминающее устройство предназначено для хранения информации, к которой приходится часто обращаться, и обеспечивает режимы ее записи, считывания и хранения. По способу хранения информации оперативная память бывает статической и динамической. Для ее работы необходимо напряжение.
Оперативная память выполнена обычно на микросхемах динамического типа с произвольной выборкой (DRAM). Каждый бит такой памяти представляется наличием (или отсутствием) заряда на конденсаторе, образованном в структуре полупроводникового кристалла. Другой тип памяти - статический (SRAM) - в качестве элементарной ячейки использует так называемый статический триггер (схема которого состоит из нескольких транзисторов). Статический тип памяти обладает более высоким быстродействием и используется, например, для организации кэш-памяти. Для описания характеристик быстродействия оперативной памяти применяются так называемые циклы чтения/записи. Так, для SRAM чтение одного слова выполняется за 3 такта, запись за 4 такта. Динамическая память (DRAM) в современных ПК используется обычно в качестве оперативной памяти общего назначения, а так же как память для видеоадаптера. Микросхемы видеопамяти, используемые в видеоадаптерах, относятся к динамической оперативной памяти, работа которой имеет ряд особенностей, состоящих в том, что доступ к ней осуществляется достаточно крупными блоками, а перезапись производится без прерывания процедуры считывания из памяти. Эту задачу наиболее эффективно решает так называемая двухпортовая RAM, для которой возможно одновременное считывание и запись данных. Такая память представлена VRAM (Video RAM) и WRAM (Window RAM). Для ускорения доступа к памяти со стороны графического ускорителя (что особенно важно в 3D-акселераторах) используется либо MDRAM, использующая распараллеливание операций доступа данным между большим количеством банков памяти. Либо синхронная память SGRAM.
Постоянная память
ПЗУ - постоянное запоминающее устройство, обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в ходе выполнения микропроцессором различных программ. Постоянная память имеет также название ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что обеспечиваются только режимы считывания и хранения. Постоянная память энергонезависима, т. е. может сохранять информацию и при отключенном питании. Все микросхемы постоянной памяти по способу занесения в них информации делятся на масочные, программируемые изготовителем, однократно программируемые пользователем (Program-mable ROM) и многократно программируемые пользователем (Erasable PROM). Последние, в свою очередь, подразделяются на стираемые электрически и с помощью ультрафиолетового излучения. К элементам Erasable PROM с электрическим стиранием информации относятся, например, микросхемы флеш-памяти. От обычных EPROM они отличаются высокой скоростью доступа и быстрым стиранием записанной информации. Данный тип памяти сегодня широко используется для хранения BIOS и другой постоянной информации.
Кэш-память
Кэшированием данных называется размещение наиболее важных и часто используемых данных в области памяти с более быстрым доступом. Применение кэширования существенно повышает быстродействие ПК при чтении данных (в 10-1000 раз). Помимо кэширования операций чтения данных можно выполнять кэширование записи данных. Применение кэш-записи еще более увеличивает скорость работы ПК, но повышает риск потери данных в случае внезапного выхода системы из строя (например, при отключении электропитания).
Шина
Связь устройств с материнской платой осуществляется ее шинными интерфейсами. Пропускная способность первой шины, выполненной два десятка лет назад в архитектуре ISA, составляла около 5,5 Мбит/с. Расширением этого стандарта стал EISA (расширенный ISA) производительностью до 32 Мбит/с. С 2000 г. выпуск материнских плат для разъемов ISA и EISA прекращен из-за низкой производительности этих шин.
С выходом процессора Intel 80386 и 80486 для обмена данных между оперативной памятью и процессором внедрен новый стандарт VLB, позволяющий увеличить производительность шины до 130 Мбит/с.
С появлением процессора Intel Pentium внедрена шина стандарта PCI производительностью до 264 Мбит/с для 32-разрядных данных и 528 Мбит/с для 64-разрядных данных. Шина имеет разъемы для подключения внешних устройств и PCI-мосты в виде чипсета для связи с основной шиной ISA/EISA.
Внедрение шины PSI позволило впервые реализовать режим Plug And Play, состоящий в способности операционной системы автоматически реагировать на появление нового устройства и производить его установку на компьютере при помощи автоматических программных средств.
В современных компьютерах используются шины PCI express 3.0 с 16 линиями. Скорость этой шины обеспечивает скорость передачи данных до 32 Гбит/с.
Накопители данных
Для хранения программ и данных в персональных компьютерах используют различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотню раз превосходит емкость памяти других видов. По отношению к компьютеру накопители могут быть внешними и внутренними (встроенными). Внешние накопители имеют собственный корпус и источник питания, что экономит пространство внутри корпуса компьютера и уменьшает нагрузку на его блок питания. Внутренние накопители крепятся в специальных монтажных отсеках, что позволяет создавать компактные системы, которые совмещают в системном блоке все необходимые устройства. Сам накопитель можно рассматривать как совокупность носителя и привода. Различают накопители со сменными и несменными носителями. Используемые в настоящее время накопители имеют различные интерфейсы, среди которых преобладают IDE (ATAPI), SATA и SCSI. Встречаются решения на основе USB, PCMCIA, FireWire и других интерфейсов.
Жесткие диски (HDD). В 1973 г. фирмой IBM по новой технологии был разработан жесткий магнитный диск, который мог хранить до 16 Кб данных. Этот жесткий диск имел 30 цилиндров (дорожек), каждый из которых был разбит на 30 секторов, ему присвоили название 30/30. По аналогии с автоматическими винтовками, имеющими калибр 30/30, такие жесткие диски стали называться винчестерами. Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками первоначально были заключены в герметически закрытый корпус. В современных винчестерах пакет дисков крепится на дисководе, система негерметична. Толщина воздушной подушки, создаваемой аэродинамикой вращающегося диска и формой головки, гораздо тоньше человеческого волоса. С развитием современных технологий все большее распространение получают диски на основе флешь памяти (SSD), характеризующиеся, на данном этапе меньшими объемами возможной хранимой информации и большей дороговизной, при этом несомненно большей скоростью доступа к данным. Небольшие твердотельные накопители могут встраиваться в один корпус с магнитными жёсткими дисками, образуя гибридные жёсткие диски (англ. SSHD, solid-state hybrid drive. Флеш-память в них может использоваться либо в качестве буфера (кэша) небольшого объёма (4–8 ГБ), либо (реже) быть доступной как отдельный накопитель (англ. dual-drive hybrid systems). Подобное объединение позволяет воспользоваться частью преимуществ флеш-памяти (быстрый произвольный доступ) при сохранении небольшой стоимости хранения больших объёмов данных. Главный недостаток NAND SSD — ограниченное количество циклов перезаписи. Обычная (MLC, Multi-level cell, многоуровневые ячейки памяти) флеш-память позволяет записывать данные примерно 3000–10 000 раз (это гарантированный ресурс); в самых дешёвых накопителях (USB, SD, uSD) может использоваться ещё более плотная память типа TLC (MLC-3) с ресурсом порядка тысячи циклов или менее. Самые дорогостоящие виды памяти (SLC, Single-level cell, одноуровневые ячейки памяти) — имеют порядка сотен тысяч циклов перезаписи. Для борьбы с неравномерным износом в высокопроизводительных (SATA и PCIe) SSD применяются схемы балансирования нагрузки: контроллер хранит информацию о том, сколько раз и какие блоки перезаписывались, и при необходимости производит запись в менее изношенные блоки. При выработке реального ресурса банков памяти накопитель может перейти в режим «только для чтения», что позволит скопировать данные. Данный недостаток отсутствует у RAM SSD, а также у нескольких перспективных технологий, которые могут заменить флеш-память, например FRAM, где ресурс может составлять десятки лет в режиме непрерывной перезаписи. При ряде вариантов использования, в том числе в бытовых компьютерах, при корректно работающих алгоритмах выравнивания износа, ресурса SSD накопителей обычно достаточно на многие годы, то есть срок службы превышает сроки морального устаревания.