лекция 10
.pdf
Персональный компьютер (центральные устройства)
Вопросы:
1.Системный блок.
2.Материнская плата.
3.Процессор.
4.Интерфейсная система ПК.
5.Внутренняя память.
Персональный компьютер (ПК) — это сложная система взаимосвязанных аппаратных (технических) и программных средств, способных принимать, хранить, перерабатывать и выдавать данные по определенной программе.
Состав ПК принято называть конфигурацией. Поскольку современные компьютеры имеют блочно - модульную конструкцию, то необходимую аппаратную конфигурацию можно собрать из готовых узлов и блоков (модулей), изготовляемых различными производителями.
Совместимость устройств реализуется благодаря принципу открытой архитектуры. К базовой конфигурации относятся устройства, без которых не может работать
современный ПК:
системный блок;
клавиатура;
манипулятор мышь;
монитор.
:1 — Монитор,
2 — Материнская плата,
3 — Центральный процессор,
4 — Оперативная память,
5 — Карты расширений,
6 — Блок питания,
7 — Оптический привод,
8 — Жесткий диск,
9 — Компьютерная мышь,
10 — Клавиатура
1.1.Системный блок
Вперсональных компьютерах, выпускаемых в портативном варианте, системный блок, монитор и клавиатура объединяются в один корпус. Системный блок представляет
собой металлическую коробку со съемной крышкой, в которой размещены различные устройства компьютера.
Всистемном блоке расположены основные узлы компьютера:
Системная или материнская плата (motherboard), на которой установлены дочерние платы (контроллеры устройств, адаптеры или карты) и другие электронные устройства
блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, для электронных схем компьютера;
накопитель на жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер).
накопители на оптических дисках (типа DVD - RW или CD – RW), предназначенные для чтения и записи на компакт - диски
система охлаждения (кулеры).
1.2.Материнская плата
Практически все устройства компьютера напрямую или с помощью других компонентов подключаются к материнской (системной) плате. Основное ее назначение — связывать между собой все устройства компьютера, позволяя им обмениваться информацией, поддерживать слаженную работу компонентов, а также выполнять ряд дополнительных служебных функций.
Основные компоненты, установленные на материнской плате:
•ЦП
•набор системной логики (chipset) — набор микросхем, обеспечивающих подключение ЦП к ОП и контроллерам периферийных устройств. Как правило, современные наборы системной логики строятся на базе двух СБИС: «северного» и «южного мостов».
•оперативная память (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) — память, предназначенная для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций. ОП передаѐт процессору данные
непосредственно, либо через кешпамять. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.
•загрузочное ПЗУ — хранит ПО, которое выполняются сразу после включения питания. Как правило, загрузочное ПЗУ содержит BIOS.
Конструктивно материнская плата представляет собой электронную плату, имеющую множество разъемов, переключателей (перемычек), микросхем и других компонентов. Системная плата устанавливается на специальные крепления внутри корпуса системного блока. При этом часть ее разъемов выходят на заднюю стенку системного блока — их называют внешними разъемами, или портами, и используют для подключения внешних устройств.
К системной плате подключаются все периферийные устройства. Существует три способа присоединения:
•либо установкой соответствующей карты (платы) расширения в слот системной платы (например, видеокарта),
•либо с помощью интерфейсного кабеля (монитор),
•либо с помощью беспроводного интерфейса (беспроводная мышь).
На системной плате располагаются разъемы для установки процессора, модулей оперативной памяти, графической карты, различных плат расширения (звуковой карты, модема, ТВ-тюнера и др.), подключения жестких дисков, дисководов для оптических дисков и др. Помимо этого, на плате есть гнезда для подключения основного кабеля питания и охлаждающих вентиляторов.
Главным элементом любой материнской платы является набор микросхем системной логики, называемый чипсетом (chipset). Еще одним важным элементом материнской платы является базовая система ввода-вывода (Basic Input/Output System, BIOS), управляющая работой основных устройств ПК и использованием их базовых функций. Изменяя настройки BIOS, пользователь может устанавливать наиболее подходящие режимы работы аппаратных средств и устранять некоторые неполадки в их работе.
В зависимости от модели материнской платы такие устройства, как звуковая, сетевая и графическая карты, могут быть встроенными либо подключаться через шины расширения или порты ввода-вывода. Каждая материнская плата способна работать лишь с процессорами определенных типов. Под типом процессора подразумевается совокупность таких характеристик: тип процессорного разъема, допустимые частоты системной шины, возможность поддержки используемых в процессорах технологий и особенностей конструкции.
1.3. Процессор
Одним из важнейших компонентов компьютера является
центральный процессор (Central Processing Unit, CPU), который управляет работой всех устройств и программ, а также производит необходимые вычисления. Именно технические параметры процессора в значительной степени определяют возможности ПК и скорость его работы.
Процессор ПК представляет собой сложнейшую систему, включающую множество взаимодействующих компонентов: блок управления, регистры, арифметико-логическое устройство, кэш-память, интерфейс системной шины и другие. Каждый из этих компонентов состоит из большого числа микроскопических электронных устройств, называемых транзисторами, или вентилями. Несмотря на их огромное количество (десятки и сотни миллионов), применение современных технологий позволяет разместить все эти элементы на кристалле кремния очень малого размера (площадью менее одного квадратного сантиметра).
Любой процессор — это выращенный по специальной технологии кристалл кремния, который содержит в себе множество отдельных элементов — транзисторов, соединенных металлическими мостиками-контактами. Этот электронный переключатель — пропускает сигнал дальше или задерживает его, в зависимости от подаваемого на его «затвор» напряжения. Наличие сигнала дает логическую единицу (да); его отсутствие — логический же ноль (нет).
На любом процессорном кристалле находятся:
•Ядро процессора, главное вычислительное устройство. Именно здесь происходит обработка всех поступающих в процессор данных.
•Сопроцессор — дополнительных блок для самых сложных математических вычислений, в том числе операций с «плавающей точкой». Активно используется, в частности, при работе с графическими и мультимедийными программами.
•Кэш-память. Буферная память — своеобразный накопитель для данных. В современных процессорах используется два типа кэш-памяти: первого уровня — небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, и второго уровня
— чуть помедленнее, зато больше — от 128 килобайт до 2 Мб.
•Шина данных — информационная магистраль, благодаря которой процессор может обмениваться данными с другими устройствами компьютера.
На системной плате для установки процессора предназначен разъем, который называется сокетом. Сокеты различаются по числу ножекконтактов и их расположению.
Слот расширения- это щелевой разъем, в который устанавливается какая-либо печатная плата. Внутренний слотпосадочное место для модулей ОП, кэша и часто – процессора. А сокет- это гнездо, в которое устанавливается микросхема (ножки).
Наиболее важным показателем, определяющим выбор процессора, является его производительность. Производительность процессора определяется его рабочей частотой, объемом кэш-памяти, а также особенностями архитектуры (внутреннего устройства).
На сегодняшний день среди производителей процессоров лидерами являются компании Intel и AMD. Их ожесточенная конкурентная борьба за последние десять лет превратила скромные ПК в мощные мультимедийные компьютеры. Другие фирмы либо покупают лицензии на производство аналогов процессоров Intel и AMD , либо пытаются выпускать свои процессоры.
Тактовая частота. Одним из важнейших параметров, от которых зависит производительность процессора, является его тактовая частота. Этот показатель характеризует скорость выполнения команд процессором и измеряется в гигагерцах (ГГц).
Тактовая частота в 1 ГГц соответствует 1 млрд операций в секунду. Чем выше тактовая частота, тем быстрее работает процессор, однако это далеко не единственная характеристика, влияющая на его производительность. Последние модели процессоров для ПК функционируют на тактовых частотах до 4 ГГц.
Частота системной шины. Тактовая частота характеризует скорость выполнения различных операций внутри процессора, который по праву считается самым быстрым устройством компьютера. Остальные же компоненты (в том числе и оперативная память) не способны функционировать на таких частотах, поэтому связь с ними процессор осуществляет посредством специальной системной шины (Front Side Bus, FSB), частота которой значительно ниже.
Для каждой модели процессора определена максимальная частота системной шины, с которой он может работать. Допустимые значения этого параметра зависят также от модели используемой материнской платы. Тактовая частота процессора получается путем умножения частоты системной шины на определенное число, называемое
множителем.
Например, для обеспечения тактовой частоты процессора, равной 2,8 ГГц, при частоте системной шины 200 МГц должен быть установлен множитель 14х (14x200 МГц = 2800 МГц = 2,8 ГГц). Поддерживаемая процессором частота системной шины оказывает большое влияние на производительность компьютера, так как фактически определяет максимальную скорость обмена данными между процессором и оперативной памятью.
Кэш-память. Кэширование — это использование дополнительной быстродействующей памяти (кэша) для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика. Важной характеристикой, существенно влияющей на производительность процессора, является объем встроенной в него кэш-памяти. Тот из двух процессоров, у которого больше кэш-памяти (при равных остальных характеристиках), всегда отличается и более высокой производительностью.
Разрядность. Продолжительное время большинство процессоров для ПК были 32разрядными (32-битными). Компьютеры, построенные на их основе, работали под управлением 32-разрядных операционных систем и выполняли 32-разрядные приложения (хотя были способны работать и с 16-разрядными). Такая разрядность процессора позволяла ему напрямую работать с оперативной памятью объемом до 4 Гбайт. Но потребности новых приложений в оперативной памяти все возрастали, постепенно приближаясь к 4 Гб. Поэтому сначала компания AMD, а за ней и Intel начали выпускать новые 64-разрядные модели процессоров, теоретически способные работать с оперативной памятью объемом до 16 млрд гигабайтов.
Расширенные наборы инструкций. Одна из самых первых технологий повышения производительности процессоров основывалась на использовании в них расширенных наборов инструкций. Инструкция представляет собой простую команду (операцию), которую может выполнить процессор. Если же требуется осуществить более сложную операцию, она разбивается на последовательность простых, «понятных» процессору операций. Существует основополагающий набор инструкций, называемый х86; его поддерживают практически все современные процессоры для ПК.
При необходимости выполнить какую-нибудь простую операцию, не входящую в набор инструкций, ее приходится представлять в виде нескольких стандартных, вследствие чего на реализацию такой операции тратится больше времени. С целью повышения скорости работы процессоров производители начали к основному набору инструкций добавлять дополнительные, в которые включаются операции, часто выполняемые при работе с распространенными приложениями. На сегодняшний день существуют следующие дополнительные наборы инструкций: ММХ, ММХ+, SSE, SSE2 SSE3, 3DNow!, 3DNow!+. Входящие в них команды в большинстве своем ориентированы на приложения, работающие с трехмерной графикой или файлами мультимедиа, и позволяют значительно ускорить работу соответствующих приложений.
RISC (компьютер с сокращѐнным набором команд) — архитектура процессора, в которой быстродействие увеличивается за счѐт упрощения инструкций, чтобы их декодирование было более простым, а время выполнения — максимально коротким. Это также облегчает повышение тактовой частоты и делает более эффективной суперскалярность (распараллеливание инструкций между несколькими исполнительными блоками).
Поскольку многие реальные программы тратят большинство своего времени на выполнение простых операций, многие исследователи решили сфокусироваться на том, чтобы сделать эти операции максимально быстрыми. Тактовая частота процессора ограничена временем, которое процессор тратит на выполнение наиболее медленных шагов в процессе обработки любой инструкции; уменьшение длительности таких шагов даѐт общее повышение частоты, а также зачастую ускоряет выполнение и других инструкций за счѐт более эффективной конвейеризации. Фокусирование на простых инструкциях и ведѐт к архитектуре RISC, цель которой — сделать инструкции настолько простыми, чтобы они легко конвейеризировались и тратили не более одного такта на каждом шаге конвейера на высоких частотах.
Нередко в наборы включались инструкции для прямой поддержки конструкций языков высокого уровня. Другая особенность этих наборов — большинство инструкций, как правило, допускали все возможные методы адресации (т. н. «ортогональность системы команд »). Например, и операнды, и результат в арифметических операциях доступны не только в регистрах, но и через явное указание адресов ячеек памяти. Позднее такие архитектуры были названы CISC (англ. Complex instruction set computer).
Однако часто не были задействованы все возможности таких наборов инструкций, а на сложные методы адресации уходит много времени из-за дополнительных обращений к медленной памяти. Целесообразно дополнительные функции реализовать последовательностью более простых инструкций, это позволит упростить конструкцию процессора и добавить в нее дополнительные регистры, за счѐт которых можно сократить количество обращений к памяти.
В первых RISC архитектурах большинство инструкций для упрощения декодирования имеют одинаковую длину и похожую структуру, арифметические операции работают только с регистрами, а работа с памятью идѐт через отдельные инструкции загрузки (load) и сохранения (store). Эти свойства и позволили лучше сбалансировать этапы конвейеризации, сделав конвейеры в RISC значительно более эффективными и позволив поднять тактовую частоту.
Нередко часть «сокращѐнный набор команд» неверно понимается как минимизация количества инструкций в системе команд. В действительности, инструкций у многих RISC-процессоров больше, чем у CISC-процессоров. На самом деле, термин «сокращѐнный» в названии описывает тот факт, что сокращѐн объѐм (и время) работы, выполняемый каждой отдельной инструкцией — как максимум один цикл доступа к памяти, — тогда как сложные инструкции CISC-процессоров могут требовать сотен циклов доступа к памяти для своего выполнения.
Существуют и другие архитектуры, специально разработанные для минимизации количества инструкций, они сильно отличаются от классических RISC-архитектур.
В настоящее время многие архитектуры процессоров являются RISC-подобными, к примеру, ARM, DEC Alpha, SPARC, AVR, MIPS, POWER и PowerPC. Наиболее широко используемые в настольных компьютерах процессоры архитектуры x86 ранее являлись CISC-процессорами, однако новые процессоры,
начиная с Intel 486DX, являются CISC-процессорами с RISC-ядром. Они непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции x86-процессоров в более простой набор внутренних инструкций RISC.
После того, как процессоры архитектуры x86 были переведены на суперскалярную RISCархитектуру, можно сказать, что подавляющее большинство существующих ныне процессоров основаны на архитектуре RISC.
Многоядерность. В борьбе за повышение продуктивности процессоров их производители постепенно перешли от повышения тактовых частот к увеличению числа процессоров, вернее, к увеличению числа ядер у отдельно взятого процессора. Intel заявила о планировании производства 50-ядерного процессора.
Конвейерная архитектура (pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифровка команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что увеличивает производительность процессора, однако приводит к большому времени простоя.
Конве́йер — это способ организации вычислений, используемый в современных процессорах и контроллерах с целью повышения их производительности (увеличения числа инструкций, выполняемых в единицу времени), технология, используемая при разработке компьютеров и других цифровых электронных устройств.
Идея заключается в разделении обработки компьютерной инструкции на последовательность независимых стадий с сохранением результатов в конце каждой стадии. Это позволяет управляющим цепям процессора получать инструкции со скоростью самой медленной стадии обработки, однако при этом намного быстрее, чем при выполнении эксклюзивной полной обработки каждой инструкции от начала до конца.
1.4. Интерфейсная система ПК
IBM РС - совместимые компьютеры, как правило, имеют открытую, или шинную архитектуру. Особенность шинной архитектуры заключается в том, что на системной плате размещены только основные компоненты компьютера, а остальные объединяются в единую систему при помощи шины. Упрощенно шина (системная и локальная) – это совокупность сигнальных линий (проводников в теле системной платы), по которым осуществляется обмен сигналами (данными, адресами, специальными управляющими сигналами) между процессором и другими составляющими компьютера.
Иерархия шин. Основной шиной является высокоскоростная шина процессора, или Local bus, которая связывает процессор с кешем и контроллером ОП. ОП также имеет свою шину, которая связана через контроллер с шиной процессора. Шина процессора через мост связана с контроллером шины расширений, которая работает на значительно более низкой частоте, задаваемой через делители. И только с шиной расширений через свои контроллеры связаны периферийные устройства.
Системная шина (СШ) основная интерфейсная система ПК, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Управление работой системной шины осуществляется микропроцессором.
Рис. Типичная структура микропроцессорной системы Системная магистраль включает в себя четыре основные шины нижнего уровня:
шина адреса (Address Bus);
шина данных (Data Bus);
шина управления (Control Bus);
шина питания (Power Bus).
Шина адреса служит для определения адреса (номера) устройства, с которым процессор обменивается сигналами в данный момент. Каждому устройству (кроме процессора), каждой ячейке памяти в микропроцессорной системе присваивается собственный адрес. Когда код какого-то адреса выставляется процессором на шине адреса, устройство, которому этот адрес приписан, понимает, что оно будет участвовать в обмене данных.
Шина данных — это основная шина, которая используется для передачи информационных кодов между всеми устройствами. Обычно в пересылк е данных участвует процессор, который передает порцию данных в какое-то устройство или в ячейку памяти или же принимает порцию данных из какого-то устройства или из ячейки памяти. Но возможна также и передача информации между устройствами без участия процессора.
По шине управления может быть передан фиксированный набор управляющих сигналов. Каждый из этих сигналов во время обмена информацией имеет свою функцию. Некоторые сигналы определяют моменты времени, когда порция данных выставлена на шину данных, другие управляющие сигналы могут использоваться для подтверждения приема данных, для сброса всех устройств в исходное состояние.
Шина питания предназначена не для пересылки информационных сигналов, а для питания системы. Она состоит из линий питания и общего проводника.
Если надо ввести входной код (или входной сигнал), то процессор по шине адреса обращается к нужному устройству ввода/вывода и принимает по шине данных входную информацию. Если из микропроцессорной системы надо вывести выходной код (или выходной сигнал), то процессор обращается по шине адреса к нужному устройству ввода/вывода и передает ему по шине данных выходную информацию.
Если данные должны пройти сложную многоступенчатую обработку, то процессор может хранить промежуточные результаты в ОП. Для обращения к любой ячейке памяти процессор выставляет ее адрес на шину адреса и передает в нее данные по шине данных или принимает от нее данные.
Важнейшими характеристиками системной шины являются:
количество обслуживаемых ею устройств;
пропускная способность (скорость передачи данных).
Пропускная способность зависит от тактовой частоты, на которой работает шина, и от разрядности шины. Разрядность — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно производится элементарная машинная операция, в том числе и операция передачи информации. Чем больше разрядность, тем при прочих равных условиях будет больше производительность. Например, 64-разрядная шина за один такт передает два 32-разрядных числа, а 32-разрядная шина — одно.
Важную роль в информационном обмене играет система прерываний.
Прерывание - временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы. Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания процессору. Процессор, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и приступает к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания прерывания восстанавливается выполнение прерванной программы.
В качестве системной магистрали в современных ПК используются:
шины расширений - шины общего назначения, позволяющие подключать большое количество устройств.
локальные шины, специализирующиеся на обслуживании устройств определенного типа.
В современном ПК довольно много шин периферийных устройств (USB, FireWare и др.), работающих на разных скоростях, поэтому для оптимизации работы ПК на материнской плате
реализованы два моста: северный – для высокоскоростных периферийных устройств, таких как видеоадаптер, и южный – для низкоскоростных периферийных устройств, таких как SerialATA, USB, FireWare. Северный мост подключен к шине процессора, а южный - к северному мосту по специальной шине.
Любые устройства подключаются через интерфейсы. Интерфейскомплекс механических, электрических и программных характеристик линий связи, которые позволяют соединить вместе и организовать обмен данными между двумя объектами (разъем+кабель+программа). Т.к. конструкция внешних устройств сильно отличается, то для упрощения подключения внешних устройств к компьютеру было разработано несколько стандартных интерфейсов.
Внешние интерфейсы:
параллельный LPT, (принтер)
последовательный RS -232 = COM-порт (мышь и модем)и USB,
сетевой Ethernet
последовательный FireWire
инфракрасный IrDa
Параллельный – данные передаются не по битам, а машинными словами (для каждого бита своя линия). В настоящее время применяется для подключения принтеров, сканеров и внешних накопителей (внешних винчестеров, ZIP), а также для создания прямого кабельного подключения между двумя компьютерами.
Последовательный – данные передаются по одному проводу, т.е. побитно. Приемное устройство постоянно слушает линию, ловит стартовый бит. После его получения начинается прием посылки, которая заканчивается стоповым битом.
Сейчас наметился отказ от других видов интерфейсов в пользу USB и FireWire. USB позволяет подключить до 127 разных внешних устройств, обладающих разными скоростями обмена. Уже имеется три поколения USB 1.0, 2.0 (480 мбит/сек), 3.0 (4,8 Гбит/сек). Использовать USB целесообразно практически для всех устройств, кроме очень скоростных внешних дисков и цифровых камер. Особенно удобно его использовать для часто отключаемых устройств.
Интерфейс FireWire распространился благодаря Apple, которая применила его в своих Macintosh. Количество устройств, которые можно подключить к одному порту-63. Он не является конкурентом для USB, т.к. используется для высокопроизводительных устройств (для двух каналов живого видео или подключения высокоскоростного внешнего накопителя).
Интерфейс SCSI (скази) возможно использовать при подключении винчестеров. Для использования этого интерфейса в ПК нужно установить плату контроллера SCSI, к которой подключается интерфейсный кабель для соединения устройств, установленных внутри системного блока. Для подключения внешних устройств (сканера, например) контроллер снабжается разъемом, можно подключить до 15 устройств. Скорость передачи данных самая высокая.
Радиоинтерфейс BLUETOOTH обеспечивает беспроводную передачу данных. Для этого интерфейса выделен диапазон частот от 2,4 до 2,48 ГГц. Надежность соединения в радиусе от 10 до 100 м для некоторых вариантов. Интерфейс создавался с целью соединить любые устройства без проводов и сложной настройки. Сегодня он используется