2.5. Устройства персонального компьютера

В основе компьютеров классической архитектуры лежит магист­рально-модульный принцип. Согласно последнему ПК стро­ится из на­бора уст­ройств и блоков-модулей. Каждый модуль реали­зует ка­кую-либо закон­ченную функцию и обладает свойством неза­виси­мости от других модулей. Мо­дули объе­ди­ня­ются в не­обхо­ди­мую конфигура­цию ПК (компью­тер, как сборный конструктор, комплектуется из отдельных модулей, пред­став­ляющих логические узлы компьютера). Соедине­ние модулей про­изводят с помо­щью шин (электри­ческих це­пей) для передачи по ним сигна­лов (от­дельные модули соединены с процессором общей системной шиной - маги­ст­ралью). Сово­куп­ность шин, свя­зы­вающих два мо­дуля, и алгоритм, оп­реде­ляю­щий поря­док обмена информа­цией ме­жду ними, на­зыва­ется интерфейсом (interface от inter - между, и face - лицо). Ком­пьютерный ин­терфейс - это совокупность стандартных фи­зиче­ских, про­граммных и конст­рук­тивных средств, обеспечивающих объеди­не­ние различных компьютер­ных компо­нен­тов в единую систему. Фи­зиче­ские сред­ства обеспечи­вают совмес­тимость ам­плитудных и временных пара­метров элек­трических сигна­лов. Программ­ные сред­ства обеспечивают логиче­ские пра­вила и форматы обмена данными. Кон­струк­тивные средства – это, главным об­ра­зом, типы разъемов, обес­печи­вающих элек­трическую стыковку компонентов, а также стандарты на габа­ритно-установоч­ные размеры. Основные электронные ком­по­ненты, опреде­ляющие архитектуру (микро­процессор, постоянная и опера­тивная память, кэш-па­мять, ин­терфейс­ные схемы шин и др.), размещаются на основной плате компью­тера, ко­торая на­зывается систем­ной или мате­ринской, и кото­рая является основной в сис­темном блоке.

2.5.1. Процессор

Процессор (CPU) – это функционально за­кон­чен­ное программно-управляемое устройство обработки информации (выполнен­ное в виде одной или нескольких боль­ших или сверхбольших интегральных схем), центральная часть ПК, предназначенная для управления работой всех блоков ма­шины. В состав микропроцессора входят:

• устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нуж­ные моменты времени определенные сигналы управления, обуслов­ленные спецификой выполняемой операции, а также формирует адреса ячеек па­мяти и передает эти адреса в соответст­вующие блоки ЭВМ;

• арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для вы­пол­нения всех арифметических и логических операций над числовой и сим­воль­ной инфор­ма­цией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполне­ния опе­раций к АЛУ подключа­ется дополнительный математический со­процессор);

• микропроцессорная память (МПП) - служит для кратковременного хра­нения, за­писи и выдачи информации, непосредственно используемой в вы­числениях (обес­пе­чивает высокое быстродействие машины);

• регистры - применяются для хранения различных адресов, признаков ре­зультатов выполнения операций, режимов работы ПК и др.;

• кэш-память - высокоскоростная память, позволяющая увеличить ско­рость вы­полнения операций;

• интерфейсная система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с дру­гими устройствами ПК (включает в себя внутренний интерфейс МП, буфер­ные за­поминающие регистры и схемы управления портами ввода-вы­вода и сис­темной шиной).

Количество фирм, разрабатывающих и производящих процессоры для IBM-совместимых компьютеров, невелико. В настоящее время известны: In­tel, Cyrix, AMD и др.

Производительность CPU характеризуется следующими основными па­раметрами:

• степенью интеграции;

• тактовой частотой;

• внутренней и внешней разрядностью;

• памятью, к которой может адресоваться CPU.

Степень интеграции микросхемы показывает, сколько транзисторов (самый простой элемент любой микросхемы) может поместиться на единице площади. Для процессора Pentium Intel эта величина составляет приблизи­тельно 3 млн. на 3,5 кв.см, у Pentium Pro – 5 млн.

Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (так­тов) микропроцессор выполняет за одну секунду (измеряется в МГц). Так­товая частота определяет быстродействие процессора.

Для процессора различают внутреннюю (собственную) тактовую час­тоту процессора (с таким быстродействием могут выполняться внутренние простейшие операции) и внешнюю (определяет скорость передачи данных по внешней шине).

Внутренняя разрядность процессора определяет, какое количество битов он может обрабатывать одновременно при выполнении арифметиче­ских операций (в зависимости от поколения процессоров – от 8 до 32 би­тов).

Внешняя разрядность процессора определяет сколько битов одновре­менно он может принимать или передавать во внешние устройства (от 16 до 64 и более в современных процессорах).

Количество адресов ОЗУ, доступное процессору, определя­ется разряд­ностью адресной шины.

С бурным развитием мультимедиа-приложений перед разработчиками процессоров возникли проблемы увеличения скорости обработки огромных массивов данных, содержащих графическую, звуковую или видео информа­цию. В результате возникли дополнительно устанавливаемые специальные процессоры DSP, а затем появились разработанные на базе процессоров Pen­tium так называемые MMX-процессоры (первый из них – Pentium P55C).

Кроме того, к основным характеристикам процессора относят: ко­ли­че­ство регистров, систему команд, объем кэш-па­мяти.

В современных персональных компьютерах разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:

• МП типа CISC (Complex Instruction Set Computing) с полным набором ко­манд;

• МП типа RISC (Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным набо­ром ко­манд;

Весь ряд процессоров фирмы Intel, устанавливаемых в персональные компьютеры IBM, имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, исполь­зуемые фирмой Apple для своих персональных компьютеров, имеют архитек­туру RISC. Обе они имеют свои преимущества и недостатки. Так CISC-про­цессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых про­граммист может выбирать команду, наиболее подходящую в конкретном случае. Не­достатком этой архитектуры является то, что большой набор ко­манд услож­няет внутреннее устройство управления процессором, увеличи­вает время ис­полнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различ­ную длину и время исполнении.

RISC-архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд уп­рощает устройство управления процессора. К недостаткам RISC-архитектуры можно отнести то, что если требуемой команды в наборе нет, программист вынужден реализовать ее с помощью нескольких команд из имеющегося на­бора, увеличивая размер программного кода.

Напомним, что ЭВМ может иметь несколько процессоров. Мно­гопро­цессорные системы, ориентированные на достижение сверхбольших скоро­стей работы, со­дер­жат десятки или сотни сравнительно простых процес­соров с уп­рощенными блоками управления. Такие вычислительные системы, их спе­циали­зация на опре­деленном круге за­дач обеспечивают эффективное рас­парал­лели­вание вычисле­ний.

Контроллер - высокая скорость обработки информации процессором и медлен­ная работа устройств ввода-вывода (в большинстве своем содержа­щих ме­ханиче­ские движущиеся части) породило проблему малоэффективной работы ПК в целом (процессор вынужден про­стаивать в ожидании инфор­мации от внешних уст­ройств). Решением ее было освобождение централь­но­го процессора от функций обмена ин­формацией и передаче их специаль­ным электронным схемам управления работой внешних устройств - контрол­лерам внешних устройств. Контроллер можно рас­сматривать как специали­зированный процессор, управляющий работой соответст­вующего внешнего устройства по специальным встроенным программам. Примене­ние контрол­леров позволило использовать для связи между от­дельными функцио­наль­ными узлами ЭВМ принципиально но­вое устройство - общую шину, на­личие которой позволяет изменить организацию обме­на информацией между ОЗУ и внеш­ним устройством. Передача информации протекает под управлением кон­троллера без использования аппаратно-программных средств централь­ного про­цессора. Это, во-первых, повысило эффективность работы ПК в це­лом и, во-вторых, компьютер, созданный по такой схеме, легко пополнять но­выми устройствами. Дан­ное свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя открытая ар­хитектура оз­на­чает возможность свободно вы­бирать состав внешних устройств для своего ком­пь­ютера в зависимости от круга решаемых задач.