Файл: Архитектура современных компьютеров (материнская плата).pdf

3.2.3 Классификация по количеству выполняемых программ

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

3.3 Важнейшие характеристики процессора

1) Тактовая частота - характеризует быстродействие компьютера. Режим работы процессора задается микросхемой, называемой генератором тактовых импульсов. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций выполняет микропроцессор за одну секунду. Тактовая частота измеряется в МГц; (см. Рисунок 37)

Специалисты выделяют 2 разновидности тактовой частоты: Внешняя (влияет на обмен данными между платой оперативной памяти и процессором). Внутренняя (влияет на правильность и быстроту работы внутри процессора).

2) Разрядность процессора - это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция. Чем больше разрядность процессора, тем больше информации он может обрабатывать в единицу времени и тем больше, при прочих равных условиях, производительность компьютера;

В 2002 году произошёл скачок в эволюционном развитии разрядности процессоров. Компания «AMD» выпустила на рынок процессоры с расширенной 64-битной «IA32 — AMD64» архитектурой вместо стандартной 32-битной. Компания «Intel не заставила себя долго ждать», и на рынок была выпущена их новая разработка 64-битного процессора с обозначением – «EM64T». Конечно, цифры поменялись, но суть сохранилась, то есть основные внутренние регистры процессора просто увеличили свою разрядность в 2 раза – было 32 бита, стало 64.

На сегодняшний день все выпускаемые процессоры имеют 64-битную разрядность, но на них также можно запускать 32-разрядные программные продукты. Такая возможность сохранилась по той причине, что 64-разр. сделана как расширение и поэтому допускает запуск 32-разр. приложений.

32 и 64-разрядные процессоры имеют разную маркировку. У 32-р. маркировка «х86», где «86» означает поколение процессора. 64-разр. маркируются символами «х64, EM64T, AMD64».

Чтобы вы имели возможность использовать 64-разр. процессор во всю силу вам необходимо установить на компьютер 64-битную ОС, которая обозначается теми же символами «х64».

Что в итоге дает разрядность для обычного пользователя ПК 32 или 64? Если не лезть в дебри, то на компьютере, построенном на 32-р. x86 процессоре и на этом компьютере установлена 32-битная операционная система то объем доступной оперативной памяти будет ограничен 4 Гб. Ну а в 64-битной операционной системе установленной на 64-р. процессор – объем поддерживаемой оперативной памяти специально логически ограничен до 16 Тб.

В целом для обычного рядового пользователя, использование 64-битной операционной системы на ПК дает возможность использовать более 4 Гб оперативной памяти.

Вы можете узнать всю информацию о своём процессоре с помощью программных утилит. К ним относится, например «CPU-Z», которая анализирует архитектуру компьютера и выдаёт все данные о его основных компонентах.

Рисунок 37. Разрядность процессора

Глава 4. Оперативная память

4.1 Что такое оперативная память

Оперативная память - динамическая память с произвольным доступом или оперативное запоминающее устройство, сокращенно - ОЗУ.

Давайте разберёмся почему же она именно так называется? Во время работы компьютера в оперативной памяти хранятся все данные и программы, запущенные во время работы пользователем. Слово "энергозависимая" в отношении памяти означает лишь то, что при выключении питания системного блока (завершения работы) оперативная память компьютера обнуляется. Исчезает все ее содержимое.

Есть еще энергонезависимая память - это жесткий диск Вашего компьютера, ведь данные на нем сохраняются даже после выключения питания.

"Динамическая память с произвольным доступом": доступ (обращение) к разным ее ячейкам происходит в произвольном порядке и в разные моменты времени, отсюда и определение.

Наименьшей единицей структуры оперативной памяти компьютера является ячейка. Массив близко расположенных ячеек объединяется в условные прямоугольные таблицы, которые называются матрицами. Горизонтальные линейки такой матрицы называют строками, а вертикальные столбцами. Весь прямоугольник матрицы носит название "страница", а совокупность страниц называется банком. Все эти вещи немного виртуальны, в том смысле, что, к примеру, "банком" может называться как целый модуль DIMM, так и отдельная его часть (микросхемы памяти, расположенные с одной его стороны).

Ячейка состоит из одного микро-конденсатора (на схеме выше обозначен как С) и трех транзисторов (VT). Конденсатор хранит небольшой заряд, а транзисторы выступают в роли "ключей", которые, с одной стороны, не дают заряду конденсатора самопроизвольно стечь, а с другой, - разрешают/запрещают доступ к конденсатору на чтение или изменение.

Каждый конденсатор может хранить наименьшую единицу информации - один бит данных. Если конденсатор заряжен, то, согласно двоичной системе счисления, применяющейся в компьютерах, - это логическая "единица", если заряда нет - логический "ноль" и данных нет.

В теории схема организации работы оперативной памяти выглядит красиво, но идеальных решений нет и на практике разработчикам приходится сталкиваться с тем, что заряд из конденсатора достаточно быстро уходит или происходит его частичная самопроизвольная разрядка (не спасают положение и "ключи"), поэтому не остается иного выхода, как периодически подзаряжать его. Насколько часто? Несколько десятков раз в секунду! И это при том, что таких конденсаторов в одном чипе памяти - несколько миллионов!

Память стандарта DIMM в конце 90-х годов прошлого века пришла на смену предыдущему стандарту SIMM (Single In-Line Memory Module - односторонний модуль памяти). Фактически, модуль DIMM представляет собой печатную плату с нанесенными на нее контактными площадками. Это - своеобразная основа: чипы памяти и прочая электрическая "обвязка" производителем добавляются уже потом.

Принципиальное отличие DIMM от SIMM, кроме размеров, состоит в том, что в новом стандарте электрически контакты на модуле расположены с двух сторон и являются независимыми, а в SIMM они расположены только с одной его стороны (встречаются и с двух, но там они просто закольцованы и передают, по сути, один и тот же сигнал). Стандарт DIMM способен также реализовывать такую функцию, как обнаружение и исправление ошибок с контролем.

Оперативная память компьютера это то место, где центральный процессор сохраняет все промежуточные результаты своих вычислений и работы, забирая их обратно по необходимости для дальнейшей обработки. Можно сказать, что RAM - это рабочая область для центрального процессора компьютера.

Услугами оперативной памяти также с удовольствием пользуются и видеокарты (если им не хватает для размещения данных объема своей). Встроенное видео собственной вообще не имеет и без зазрения пользуется оперативной. 

4.2 Типы оперативной памяти

Оперативная память компьютера - многослойная пластина текстолита (на рисунке 38 - зеленая и красная соответственно). Печатная плата (PCB - printed circuit board) - это основа с нанесенными на ней печатным способом элементами. Впаянное в нее определенное количество микросхем памяти (на фото - по четыре с каждой стороны) и разъем подключения, который вставляется в соответствующий слот на материнской плате. 

Разъем модуля, фактически, определяет тип нашей DRAM (SDRAM, DDR, DDR2, DDR3 и т.д.). Присмотритесь повнимательней и Вы увидите, что на фотографии разъем разделен пополам небольшим разрезом (его называют "ключ"). Именно этот "ключ" (см. Рисунок 39) не позволяет вставить модуль памяти в несовместимый с ней разъем на материнской плате. Важно:"ключи" на модуле и на плате должны совпадать идеально. Это защита от неправильной установки в плату.

Как видите, длина у всех модулей одинаковая. Внешне разница только в количестве контактных площадок на разъеме и расположении "ключей".

Теперь коротко рассмотрим самые распространенные типы оперативной памяти. Разные ее поколения: 

• SDRAM - (Synchronous Dynamic Random Access Memory - синхронная динамическая память с произвольным доступом). Модуль с 168-мю пинами (контактами), питающийся от напряжения 3,3 Вольта (V).
• DDR - (Double Data Rate - удвоенная скорость передачи данных). Позволяет (в отличие от SDRAM) делать выборку (или передавать данные) дважды за один такт шины памяти. Модуль имеет 184 контакта, его питающее напряжение - 2,6 V. С появлением памяти стандарта DDR предыдущее поколение памяти стали называть SDR SDRAM (Single Data Rate DRAM).
• DDR2 - следующее поколение чипов. Она позволяет за один такт передавать уже 4 бита информации (два набора данных) из ячеек микросхем памяти в буферы ввода-вывода. Печатная плата с 240-ка контактами (по 120 с каждой стороны). Ее напряжение питания - 1,8 В.
• DDR3 - следующее поколение, способное за один такт делать выборку 8-ми бит данных, 240 контактов и питающее напряжение в 1,5 Вольта. При этом энергопотребление памяти DDR3 на 40% меньше, чем у DDR2, что достаточно важно при ее использовании с мобильных устройствах (ноутбуках). Снижение энергопотребления достигается за счет перехода на более "тонкий" техпроцесс (90-65-50-40 нанометров).
• DDR4 - появилась на рынке в 2014-ом году. Эволюция DDR3 (пониженное напряжение (1.2V), чуть больше контактов - 288, чуть выше модуль, скорость передачи удвоена за счет двойного количества самих чипов памяти). Скорость передачи данных до 3.2 Гигабита в секунду. Максимальная частота работы памяти данного типа - 4 266 МГц.

Рисунок 38. Оперативная память Рисунок 39. Поколения RAM

Глава 5. Чипсеты

5.1 Что такое чипсеты

Чипсет - набор микросхем (см. Рисунок 40), спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора заданных функций. Так, в компьютерах чипсет, размещаемый на материнской плате, выполняет роль связующего компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, центрального процессора (ЦП), ввода-вывода и других. Чипсеты встречаются и в других устройствах, например, в сотовых телефонах и сетевых медиаплеерах.

Чаще всего чипсет материнских плат современных компьютеров состоит из двух основных микросхем (иногда объединяемых в один чип, т. н. системный контроллер-концентратор (англ. System Controller Hub, SCH)):

1. контроллер-концентратор памяти (англ. Memory Controller Hub, MCH) или северный мост - обеспечивает взаимодействие ЦП с памятью. Соединяется с ЦП высокоскоростной шиной (FSB, HyperTransport или QPI). В современных ЦП (например Opteron, Itanium, Nehalem, UltraSPARC T1) контроллер памяти может быть интегрирован непосредственно в ЦП. В MCH некоторых чипсетов может интегрироваться графический процессор;
2. контроллер-концентратор ввода-вывода или южный мост — обеспечивает взаимодействие между ЦП и жестким диском, картами PCI, низкоскоростными интерфейсами PCI Express, интерфейсами IDE, SATA, USB и пр.

Иногда в состав чипсета включают микросхему Super I/O, которая подключается к южному мосту по шине Low Pin Count и отвечает за низкоскоростные порты: RS232, LPT, PS/2.

Существуют и чипсеты, заметно отличающиеся от традиционной схемы. Например, у процессоров для разъёма LGA 1156 функциональность северного моста (соединение с видеокартой и памятью) полностью встроена в сам процессор, и следовательно, чипсет для LGA 1156 состоит из одного южного моста, соединенного с процессором через шину DMI[5].

Создание полноценной вычислительной системы для персонального и домашнего компьютера на базе, состоящей из столь малого количества микросхем (чипсет и микропроцессор) является следствием развития техпроцессов микроэлектроники развивающихся по закону Мура.

Рисунок 40. Чипсеты