5 лекция инфо

Лекция знакомит студентов с составом современного персонального компьютера, назначением и характеристиками основных его элементов. Изучив материал, студент должен уметь использовать конфигурацию компьютера для организации вычислительных процессов.

Аппаратное обеспечение персонального компьютера

Персональный компьютер – универсальная техническая система. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко менять по мере необходимости. Принято считать, что с аппаратной точки зрения компьютер состоит из трех основных частей: системный блок, монитор и клавиатура и внешние устройства. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, в таком комплекте компьютер обычно поставляется. В настоящее время в базовую конфигурацию входят: системный блок, монитор и клавиатура, мышь. Блок схема устройства современного персонального компьютера с аппаратной точки зрения показана на рисунке 19.

Системный блок персонального компьютера

Системный блок - металлический корпус, покрытый пластиком для уменьшения электромагнитных излучений. Он представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты компьютера.

В современных компьютерах системный блок содержит следующие компоненты:

−материнская плата (mother board);

−дочерние платы (платы расширения – контроллеры и адаптеры внешних устройств – платы, соединяющие входные и выходные устройства с процессором);

−внутренний накопитель – жесткий магнитный диск (винчестер);

−дисководы для накопителей на гибких магнитных дисках (НГМД или floppy

disk);

−дисководы для оптических и СD – дисков;

−блок питания;

−устройства охлаждения.

Сверхоперативную память компьютера и системную память принято называть внутренней памятью компьютера. Жесткий магнитный диск, НГМД и компакт или оптические диски называют внешней памятью компьютера.

Рисунок 20 – Горизонтальный системный блок По внешнему виду компьютеры различаются формой корпуса. Корпуса

персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop - смотри рисунок 20) и вертикальном (tower - смотри рисунок 21) исполнении.

Рисунок 21 – Вертикальный системный блок Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам:

полноразмерный (big tower), среднеразмерный (midi tower), и малоразмерный (mini tower). Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение, выделяют плоские (slim line) и особоплоские (ultra slim line). В настоящее время многие фирмы работают над дизайном внешнего вида системного блока компьютера. Законодателем мод в этой области является фирма Луиджи Колани (Luigi Colani). Фирма Packard Bell выпустила оригинальный системный блок Conner (угловой – смотри рисунок 22).

Рисунок 22 – Системный блок «Угловой» Для направления мультимедиа - выпускают специальные корпуса со встроенными

акустическими системами с регулировками громкости, тембра, баланса, цифровым эквалайзером и т.д.

Кроме формы, для системного блока важен параметр, называемый форм- фактором. От него зависят требования к размещаемым устройствам. Форм-фактор

корпуса должен быть обязательно согласован с форм-фактором главной материнской системной платы компьютера.

Системная материнская плата (System board, Mother board)

Системная (материнская) плата – основная плата компьютера, связывающая все его электронные компоненты и обеспечивающая их взаимодействие.

На материнской плате размещаются различные микросхемы и имеются разъемы для подключения микросхем.

Необходимые электрические соединения отдельных элементов на системной плате выполняется предварительным травлением медной фольги, нанесенной на подложку из стеклотекстолита. Системная плата представляет собой большую печатную плату, при помощи которой части компьютера, объединяются в единое целое. Внешний вид системной материнской платы с подключенными на ней основными компонентами компьютера показан на рисунке 23.

Рисунок 23 – Системная (материнская) плата Конструктивные особенности современных системных плат определяются

следующими факторами.

Форм-фактор. Доминирующим форм-фактором (или форматом) для современных системных плат и корпусов пока остается ATX. Он имеет несколько разновидностей, отличающихся по размерам платы, а значит и по количеству слотов расширения. Кроме того, существуют такие разновидности системных плат как: полноразмерная плата AT; Baby-AT; LPX; NLX.

Все основные функции системной платы, к которым относится организация взаимодействия процессора, памяти, шины и периферийных устройств, реализуются с помощью набора специальных контроллеров - чипсета.

Параметры микропроцессорного комплекта (чипсета) в наибольшей степени определяют свойства и функции материнской платы.

Современные чипсеты развиваются сразу в нескольких направлениях.

Первое – это совершенствование основных функций, стимулированное возрастанием производительности процессоров и периферийных устройств и затрагивающее контроллеры памяти и шины AGP, IDE контроллер, IEEE 1394.

Второе - это дифференциация решений с учетом особенностей отдельных сегментов рынка.

И третье – интеграция дополнительных устройств: графических и звуковых ускорителей, портов ввода-вывода, сетевых контроллеров и других. В современном сленге, если котроллер встроен в чипсет материнской платы, то говорят, что он на борту. (Звук на борту, видео на борту).

Разъемы для установки процессора (одного или нескольких) различны для разных процессоров.

Микросхема BIOS (Basic Input Output System – базовая система ввода-вывода)

содержит программное обеспечение платы – драйверы низкого уровня для обслуживания основных устройств ввода-вывода, программу начального загрузчика, выполняющую функцию загрузки операционной системы с диска, и программу POST (Power on Self Test), осуществляющую тестирование устройств ПК при включении питания. Раньше для микросхем BIOS использовалась нестираемая память, а теперь используется перезаписываемая память.

Микросхема CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Для того чтобы начать работу с конкретным оборудованием, программы, входящие в состав BIOS, должны знать, где найти нужные параметры. Специально для этого на материнской плате есть микросхема энергонезависимой памяти, по технологии изготовления называемая

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), микросхемы, выполненные по этой технологии, как известно, отличаются малым энергопотреблением. Данные в нее можно заносить и стирать самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав вычислительной системы. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер будет отключен несколько лет.

В микросхеме CMOS хранится аппаратная конфигурация компьютера данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы. При включении питания текущая конфигурация сравнивается с сохраненной ранее. Если найдены отличия, то содержимое CMOS-памяти обновляется и, если это необходимо, предлагается вызвать подпрограмму BIOS Setup для указания параметров вновь обнаруженных компонентов. Если же отличий в конфигурации нет, или же обновление конфигурации выполнено без участия пользователя, то осуществляются необходимые настройки (конфигурирование) аппаратных компонентов компьютера. С помощью специальной подпрограммы BIOS Setup пользователю предоставляется возможность указать параметры и режимы функционирования отдельных компонентов компьютера. Там же, при необходимости, можно часть оборудования и отключить.

Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхем CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны.

Тот факт, что компьютер четко отслеживает время и календарь даже в выключенном состоянии, тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся и изменяются в CMOS.

Также на материнской плате имеются:

−разъемы для модулей памяти;

−разъемы для установки дочерних плат. Обычно имеется несколько (4-6) слотов для плат с интерфейсом PCI и один слот для платы видеоадаптера с интерфейсом AGP. В современных платах редко встречаются слоты для подключения плат с интерфейсом ISA (EISA);

−разъем для подключения питания;

−разъемы подключения дисководов и внешних устройств;

−вспомогательные микросхемы и устройства (преобразователь напряжения, тактовый генератор, таймер, контроллер прерываний и т. п.).

Аппаратный мониторинг. Средства для контроля за напряжениями питания, температурой и работой охлаждающих вентиляторов, встраиваются сейчас в большинство системных плат.

Регулировки. Большинство современных системных плат позволяет производить установку напряжения питания и частоты шины процессора программным путем, без использования механических переключателей. Необходимое напряжение питания автоматически устанавливается с помощью VRM (Voltage Regulator Module) в соответствии со значениями, «зашитыми» в процессор при изготовлении.

Современные системные платы изготавливают разные фирмы производители. Большинство этих фирм расположено на Тайване. В настоящее время доля Тайваня достигает более 80% от всех производимых в мире системных плат. Крупнейшим Тайваньским производителем является фирма ASUSTek. На российском рынке она представлена особенно широко.

Основные характеристики материнских плат:

-модель чипсета;

-тип используемого процессора (зависит от разъема для установки процессора);

-формат;

-число и тип разъемов для установки дочерних плат;

-возможность обновления BIOS.

Процессор, сопроцессор и КЭШ память.

СОП (Сверхоперативная память компьютера)

Процессор, иначе, центральный процессор – Central Processing Unit (CPU) – это основной элемент компьютера, в современных компьютерах представляет собой сверхбольшую интегральную схему, реализованную на одном полупроводниковом кристалле. Процессор это программно управляемое устройство обработки информации, в котором производятся все вычисления.

Для современных процессоров характерно:

¾простота производства, что обеспечивается единой технологией производства;

¾низкая стоимость, так производство современных процессоров является

массовым;

¾малые габариты, современный микропроцессор имеет площадь несколько квадратных сантиметров, размер одной стороны всего несколько миллиметров (внешний вид современных процессоров показан на рисунках 24 и 25);

¾высокая надежность;

¾малое потребление энергии.

Рисунок 24 – процессор «Pentium 4»

Рисунок 25 – процессор «Athlon»

Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.

С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три.

Адресная шина. Комбинация из нолей и единиц в этой шине образует адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. В процессоре эта шина связана с регистром, который называют «программный счетчик». Регистр «программный счетчик» всегда содержит адрес оперативной памяти, из которого считывается текущая, то есть выполняемая в данный момент процессором, команда.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора для обработки, и после выполнения над ними необходимых действий, запись их обратно из процессора в оперативную память.

Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует делать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, в регистр процессора, который называют «регистр команд». Команды тоже представлены в виде байтов.

В процессе работы процессор обслуживает данные. Находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть – как адресные данные, а часть – как команды. Совокупность всех возможных команд процессора, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют близкие системы команд.

Таким образом, в процессе работы процессор выполняет следующие функции:

¾чтение и дешифрация команд из основной памяти;

¾чтение данных из оперативной памяти и регистров на адаптерах внешних

устройств;

¾прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних

устройств;

¾обработку данных и их запись в оперативную память и регистры адаптеров внешних устройств;

¾выработку управляющих сигналов для всех узлов и блоков персонального компьютера.

Часто различают процессоры CISC (Common Instruction Computer процессоры с полным набором команд) и RISC (Reduced Instruction Set Computer - процессоры с сокращенным набором команд).

Основные характеристики процессора.

Разрядность процессора. Это число двоичных разрядов, одновременно обрабатываемых при выполнении одной команды. В настоящее время в основном работают 64-разрядные процессоры. Очевидно, что чем больше разрядность, тем выше производительность процессора.

Производительность процессора определяется также скоростью выполнения команд программы. Поскольку время исполнения разных команд существенно варьируется, то для характеристики производительности процессора используют тактовую частоту.

Тактовая частота. В основе работы процессора лежит тактовый принцип, что и в обычных часах. Тактовый период – это время, за которое в процессоре, в одной ячейке памяти (бите) может произойти смена данных (т.е. ноль обратится в единицу или единица в ноль). Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем выше его производительность, но строгой зависимости нет.

Система команд. В составе команд современного процессора, как правило, присутствуют арифметические и логические команды над числами с фиксированной и плавающей запятой, а также дополнительные команды, реализующие обработку графических, видео- и аудиоданных. В предшествующих моделях для реализации таких команд нужно было создавать программу, включающую несколько десятков или сотен машинных команд. За счет этого соответствующие действия выполняются намного быстрее. Общее количество команд, реализуемых современным процессором, достигает нескольких сотен.

Наличие и характеристики кэш-памяти.

Кэш-память в процессорах используется для ускорения доступа к данным, размещенным в ОЗУ. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область – так называемую кэш-память. В

общем случае кэш-память – это определенным способом организованная память - место, куда помещается информация, подготовленная для использования каким - либо устройством. (В данной ситуации это сверхоперативная память, но кэш может быть создан и другими микросхемами памяти, например кэш-память между оперативной памятью и жестким диском ускоряет обмен информацией между этими устройствами).

Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память.

Обычно используется кэш-память первого и второго уровня. Кэш-память первого уровня имеет меньший объем, чем кэш-память второго уровня, но она размещается непосредственно в процессоре и потому намного быстрее. Различия между процессорами Pentium и Celeron состоят главным образом в том, что у первых размеры кэш-памяти существенно больше. У процессоров серии Хеоп, предназначенных для серверов, кэшпамять еще больше. С каждым новым поколением процессоров кэш-память увеличивается, и таким образом увеличивается производительность компьютера.

Параллельное исполнение команд.

Оно основано на том, что каждая команда исполняется процессором за несколько внутренних циклов работы. Поэтому, когда исполнение одной команды переходит к следующему циклу, процессор одновременно может начать обрабатывать другую команду. За счет организации конвейера команд скорость работы процессора намного возрастает. Но конвейер не всегда возможен. Поэтому активно развиваются научные исследования, связанные с оптимизацией построения конвейеров обработки команд.

Технология изготовления процессоров.

Чем меньше размеры процессора, тем он быстрее, потому что меньше расстояние между элементами и электроны проходят его быстрее. Поэтому все время идут работы по разработке технологий более плотного размещения элементов в процессорах. Одним из основных путей уменьшения размеров и соответственно увеличения плотности расположения элементов в микросхеме процессора является уменьшение толщины проводников. В современных процессорах нормы толщины проводников снижены до 0,18 - 0,09 мкм. Чем меньше размер одного электронного элемента, тем выше тактовая частота процессора.

Многоядерность. История развития центральных процессоров довольно интересна. Если проследить за ней с появления первых настольных компьютеров, то становится, очевидно, что основным двигателем производительности было повышение тактовой частоты. Но всё в природе имеет придел. С увеличением частоты тепловыделение процессоров нелинейно растёт, что в конечном итоге приводит к слишком высоким значениям. Не помогает даже использование более тонких технических процессов, при создании транзисторов выход нашли в использование нескольких ядер в одном кристалле. Многоядерность сродни использованию нескольких отдельных процессоров в одном компьютере. Только находятся они в одном кристалле и не полностью независимы (например, использование общей кэш-памяти). При использовании уже имеющегося программного обеспечения, созданного для работы только с одним ядром, это даёт определённый плюс. Так, можно запустить одновременно две ресурсоёмкие задачи без какого-либо дискомфорта. А вот ускорение одного процесса – задача для таких систем непосильная. Таким образом, мы получаем практически тот же самый одноядерный процессор с небольшим бонусом в виде возможности использования нескольких требовательных программ одновременно. Выход из данной ситуации очевиден – разработка нового поколения ПО, способного задействовать несколько ядер одновременно. Этот процесс можно назвать распараллеливанием процессов. На деле всё оказалось довольно сложно. Переход к многоядерным процессорам может дать заметный толчок развитию индустрии виртуализации. Виртуализация ресурсов процессоров позволит осуществлять параллельную обработку разных приложений и потоков данных.

Многоядерность, многопоточность, виртуализация и энергосбережение становятся ключевыми направлениями развития процессорной индустрии.

Для увеличения производительности процессора в компьютерах используют

сопроцессор.

Сопроцессор - процессор, выполняющий операции определенной направленности. Математический сопроцессор - это процессор, выполняющий операции над

числами с плавающей запятой.

Графический сопроцессор – это процессор для рисования на экране компьютера. Большая часть изображений строится из простейших стандартных элементов - прямая, прямоугольник, эллипс, круг и т.д. Выполняя эти операции специальным процессором, мы увеличиваем производительность вычислительной системы в целом.

Среди фирм, производящих процессоры для персональных компьютеров, безусловными лидерами являются фирмы Intel и AMD в течение длительного периода присутствовали и другие производители National Semiconductor (Cyrix), Rise Technology, IDT (Centaur Technology) и т.д. Продукция этих фирм оказалась недостаточно конкурентоспособной, и их активность со временем упала до очень низкого уровня. В настоящее время фирмы Cyrix и Centaur куплены фирмой VIA, известной в первую очередь как производитель чипсетов.

Фирма Intel производит процессоры моделей Pentium и Celeron и новые модели двухядерных процессоров Core 2 Duo, четырехядерный Core 2 Extreme. Фирма AMD процессоры моделей Athlon, Duron и новый двухядерный Athlon 64Х2

Фирма VIA также подготовила несколько новых продуктов.

Основные направления совершенствования процессоров:

¾уменьшение размеров и увеличение плотности элементов;

¾увеличение разрядности;

¾параллельное исполнение команд;

¾развитие системы команд;

¾оптимизация кэш-памяти.

Оперативная память компьютера

Изучив материал, студент должен знать:

¾виды памяти компьютера;

¾внешние запоминающие устройства;

¾основные характеристики запоминающих устройств.

Изучив материал, студент должен уметь:

¾использовать различные запоминающие устройства для хранения

информации.

Оперативная память или Оперативное Запоминающее Устройство (ОЗУ) или

Random Access Memory (RAM) – это внутренняя память компьютера, которая допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения команд процессором, т.е. в ходе выполнения программ. Оперативная память служит для того, чтобы хранить всю информацию, поступающую в компьютер во время его работы. Любая программа, с которой мы собираемся работать, записывается или как говорят "загружается" в оперативную память, и в памяти хранятся все данные и результаты вычислений, которые производятся процессором во время выполнения программы.

Объем оперативной памяти влияет на скорость работы компьютера. Если объем памяти невелик, то для хранения промежуточных данных при работе программы, процессор удаляет некоторые, не нужные при данной операции, модули программы из оперативной памяти, затем удаленные модули вновь записываются в память. Все эти операции увеличивают время выполнения программ. Если оперативная память имеет достаточный объем, то никаких лишних операций процессор не производит и компьютер работает быстрее.

Объем адресуемой памяти зависит от типа процессора, в частности от разрядности адресной шины.

Информация в оперативной памяти сохраняется, пока включен компьютер. Плата оперативной памяти приведена на рисунке 26.

Рисунок 26 – Плата оперативной памяти

Оперативная память Random Access Memory (RAM) – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. С точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).

Динамическая память (DRAM) - динамический тип памяти с произвольной выборкой и матричной реализацией. Каждый бит такой памяти представляется в наличии или отсутствии разряда на конденсаторе. Для реализации одного запоминающего элемента динамической памяти требуется 1-2 транзистора. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем,