Функциональная схема компьютера. Характеристики современных персональных компьютеров.
Начиная с самых первых поколений, любая ЭВМ состоит из следующих основных устройств: процессор, память (внутренняя и внешняя) и устройства ввода и вывода информации.
Современный персональный компьютер может быть реализован в настольном (desktop), портативном (notebook) или карманном (handheld) варианте.
Все основные компоненты настольного компьютера находятся внутри системного блока. Основным аппаратным компонентом компьютера является системная (материнская) плата (motherboard). На системной плате реализована магистраль обмена информацией, имеются разъемы для установки процессора и оперативной памяти, а также слоты для установки контролеров внешних устройств.
Процессор является главным устройством компьютера, в котором собственно и происходит обработка всех видов информации. Другой важной функцией процессора является обеспечение согласованного действия всех узлов, входящих в состав компьютера. Соответственно наиболее важными частями процессора являются арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ).
Каждый процессор способен выполнять вполне определенный набор универсальных инструкций, называемых чаще всего машинными командами. Каков именно этот набор, определяется устройством конкретного процессора, но он не очень велик и в основном аналогичен для различных процессоров. Работа ЭВМ состоит в выполнении последовательности таких команд, подготовленных в виде программы. Процессор способен организовать считывание очередной команды, ее анализ и выполнение, а также при необходимости принять данные или отправить результаты их обработки на требуемое устройство. Выбрать, какую инструкцию программы исполнять следующей, также должен сам процессор, причем результат этого выбора часто может зависеть от обрабатываемой в данный момент информации.
Процессор аппаратно реализуется на большой интегральной схеме (БИС). БИС на самом деле не является "большой" по размеру и представляет собой маленькую плоскую полупроводниковую пластину размером примерно 20×20 мм, заключенную в плоский корпус с рядами металлических штырьков (контактов). БИС является большой по количеству элементов.
Важнейшей характеристикой, определяющей быстродействие процессора, является тактовая частота, т.е. количество тактов в секунду. Такт – это промежуток времени между началами подачи двух последовательных импульсов специальной микросхемой ndash; генератором тактовой частоты, синхронизирующим работу узлов компьютера. На выполнение процессором каждой базовой операции (например, сложения) отводится определенное количество тактов. Чем больше тактовая частота, тем больше операций в секунду выполняет процессор. Тактовая частота измеряется в МГц (мегагерцах) и ГГц (гигагерцах).
Другой характеристикой процессора, влияющей на его производительность, является разрядность процессора. Разрядность определяется количеством двоичных разрядов, которые могут передаваться или обрабатываться процессором одновременно. Часто уточняют разрядность процессора и пишут 64/36, что означает, что процессор имеет 64-разрядную шину данных и 36-разрядную шину адреса.
Производительность процессора является его интегральной характеристикой, которая зависит от частоты процессора, его разрядности, а также особенностей архитектуры (наличие кэш-памяти и др.).
Хотя внутри процессора всегда имеются специальные ячейки (регистры) для оперативного хранения обрабатываемых данных и некоторой служебной информации, в нем сознательно не предусмотрено место для хранения программы. Для этой важной цели в компьютере служит другое устройство ndash; память.
Память в целом предназначена для хранения как данных, так и программ их обработки: согласно фундаментальному принципу фон Неймана, для обоих типов информации используется единое устройство.
Начиная с самых первых ЭВМ, память сразу стали делить на внутреннюю и внешнюю. Под внутренней памятью современного компьютера принято понимать быстродействующую электронную память, расположенную на его системной плате. Сейчас такая память изготавливается на базе самых современных полупроводниковых технологий. Наиболее существенная часть внутренней памяти называется оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM: random access memory − память произвольного доступа). Его главное назначение состоит в том, чтобы хранить данные и программы для решаемых в текущий момент задач. Наверное, каждому пользователю известно, что при выключении питания содержимое ОЗУ полностью теряется.
Оперативная память изготавливается в виде модулей памяти. Модули памяти представляют собой пластины с рядами контактов, на которых размещаются БИС памяти. Модули памяти могут различаться между собой по размеру и количеству контактов (DIMM: dual in-line memory module − модуль памяти с двухрядным расположением выводов, DDR: double data rate − двойная скорость передачи данных), быстродействию (максимально возможная частота операций записи или считывания информации из ячеек памяти), информационной емкости (в МБайтах).
Кэш-память. Для ускорения доступа к оперативной памяти используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы "между" микропроцессором и основной памятью (DRAM: dynamic random access memory − динамическое запоминающее устройство с произвольным доступом): он состоит из кэш-контролера и кэш-памяти SRAM (static random access memory − статическое запоминающее устройство с произвольным доступом) и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении процессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем ко всей оперативной памяти, а в большинстве случаев необходимые данные уже содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается. Он появился относительно недавно, но начиная с 486-го процессора, без кэш-памяти не обходится ни одна модель процессора. Название «кэш» происходит от английского слова “cashe”, которое обозначает тайник или замаскированный склад (в частности, этим словом называют провиант, оставленный экспедицией для обратного пути, или запас продуктов, например, меда, которые животные создают на зиму).
Кэш-память может быть встроена непосредственно внутрь процессора (кэш-память, встроенная в кристалл), а может существовать в виде отдельного элемента. Кэш-память работает на той же частоте, что и сам процессор, имеет небольшой объем. Заметим, что именно размером кэш-памяти отличаются между собой идентичные в остальном процессоры Pentium и Celeron фирмы Intel, а также Athlon и Duron фирмы AMD. Как и для ОЗУ, увеличение объема кэша повышает эффективность работы компьютерной системы.
В состав внутренней памяти современного компьютера, помимо ОЗУ, также входят и некоторые другие разновидности памяти.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) или BIOS (Basic Input-Output System – базовая система ввода-вывода). В ПЗУ (BIOS) хранится информация, необходимая для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания. Как очевидно из названия, информация в ПЗУ не зависит от состояния компьютера (для лучшего понимания можно указать на некоторую аналогию между информацией в ПЗУ и "врожденными" безусловными рефлексами у живых существ). Раньше содержимое ПЗУ раз и навсегда формировалось на заводе, теперь же современные технологии позволяют в случае необходимости обновлять его даже не извлекая из компьютерной платы.
CMOS (complementary metal-oxide semiconductor − комплементарный (дополняющий) металло-оксидный полупроводник) или полупостоянная память. Небольшой участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Его называют CMOS-памятью, поскольку эта память обычно выполняется по технологии, обладающей низким энергопотреблением. Содержимое CMOS-памяти не изменяется при выключении электропитания компьютера, поскольку для ее электропитания используется специальный аккумулятор. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера – SETUP. Она позволяет установить некоторые характеристики устройств компьютера (типы видеоконтроллера, жестких дисков и дисководов для дискет. Программа настройки конфигурации вызывается, если пользователь во время начальной загрузки нажмет клавишу Del.
Видеопамять (VRAM: video random access memory − запоминающее устройство с произвольным доступом для сопряжения микропроцессора с монитором, ОЗУ видеоизображений). Еще один вид памяти, который используется для хранения изображения, выводимого на экран монитора. Эта память обычно входит в состав видеоконтроллера – электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран. Она характеризуется объемом.
Контролеры. Электронные схемы, управляющие различными устройствами компьютера, называются контролерами – контролер для управления клавиатурой, монитором (видеоконтроллер), звуковой контролер, сетевой контролер, контролеры дисководов.
Некоторые контролеры входят в состав материнской платы. Такие контролеры называются встроенными или интегрированными (в материнскую плату). Так контролер клавиатуры всегда является встроенным. На современных материнских платах обычно имеются встроенные контролеры дисководов, портов ввода-вывода, иногда видеоконтроллер и аудиоконтролер.
Разным пользователям в компьютере нужен разный набор контролеров. Поэтому материнские платы продаются как со встроенными видео- и аудиоконтролерами, так и без них. Поэтому видео-, аудиоконтролеры и др. располагаются на отдельных электронных платах – платах контролеров. Эти платы вставляются в специальные разъемы (слоты) на материнской плате компьютера.
При вставке в разъем материнской платы контролер подключается к системной шине – магистрали передачи данных между оперативной памятью и контролерами. Существуют два типа шин: последовательная и параллельная. Скорость работы последовательных шин принято выражать в мегабитах в секунду, а параллельных − в мегабайтах в секунду.
Одним из контролеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контролер портов ввода-вывода. Порты ввода-вывода бывают следующих типов:
1. Параллельные (LPT), имеющий 25 контактов, обычно подключаются принтеры, сканеры;
2. Последовательный (СОМ) (9 контактов) подключаются мышь, модем и др. устройства;
3. игровой порт для джойстика;
4. порт USB (1.1 или 2.0) − обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств (принтеры, сканеры, модемы, мыши, флэш-память и др.);
5. PS/2 – подключение мыши и клавиатуры.
Внешняя память реализуется в виде довольно разнообразных устройств хранения информации и обычно конструктивно оформляется в виде самостоятельных блоков. Сюда, прежде всего, следует отнести накопители на гибких и жестких магнитных дисках (последние пользователи жаргонно именуют винчестерами), а также оптические дисководы (устройства для работы с CD-ROM). В конструкции устройств внешней памяти имеются механически движущиеся части, поэтому скорость их работы существенно ниже, чем у полностью электронной внутренней памяти. Тем не менее, внешняя память позволяет сохранить огромные объемы информации с целью последующего использования. Подчеркнем, что информация во внешней памяти, прежде всего, предназначена для самого компьютера и поэтому хранится в удобной ему форме; человек без использования машины не в состоянии, например, даже отдаленно представить содержимое немаркированной дискеты или диска CD-ROM.
Современные программные системы способны объединять внутреннюю и внешнюю память в единое целое, причем так, чтобы наиболее редко используемая информация попадала в более медленно работающую внешнюю память. Такой метод дает возможность очень существенно расширить объем обрабатываемой с помощью компьютера информации.
Для получения информации о результатах необходимы устройства вывода, которые позволяют представить их в доступной человеческому восприятию форме. Наиболее распространенным устройством вывода является дисплей, способный быстро и оперативно отображать на своем экране как текстовую, так и графическую информацию. Для того чтобы получить копию результатов на бумаге, используют печатающее устройство, или принтер; плоттер (графопостроитель), ризограф.
Наконец, поскольку пользователю часто требуется вводить в компьютерную систему новую информацию, необходимы еще и устройства ввода. Простейшим устройством ввода является клавиатура. Широкое распространение программ с графическим интерфейсом способствовало популярности другого устройства ввода — манипулятора мышь. Наконец, очень эффективным современным устройством для автоматического ввода информации в компьютер является сканер, позволяющий не просто преобразовать картинку с листа бумаги в графический компьютерный файл, но и с помощью специального программного обеспечения распознать в прочитанном изображении текст и сохранить его в виде, пригодном для редактирования в обычном текстовом редакторе.
Быстродействие различных компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контролеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контролер оперативной памяти (так называемый северный мост) и контролер периферийных устройств (южный мост).
Взаимосвязь основных устройств. Напомним, что для связи основных устройств компьютера между собой используется специальная информационная магистраль, обычно называемая инженерами шиной (FSB: Front Side Bus), параллельная, 64 бита. Шина состоит из трех частей:
шина адреса, на которой устанавливается адрес требуемой ячейки памяти или устройства, с которым будет происходить обмен информацией;
шина данных, по которой собственно и будет передана необходимая информация;
шина управления, регулирующая этот процесс (например, один из сигналов на этой шине позволяет компьютеру различать между собой адреса памяти и устройств ввода/вывода).
Рассмотрим в качестве примера, как процессор читает содержимое ячейки памяти. Убедившись, что шина в данный момент свободна, процессор помещает на шину адреса требуемый адрес и устанавливает необходимую служебную информацию (операция – чтение, устройство – ОЗУ и т.п.) на шину управления. Теперь ему остается только ожидать ответа от ОЗУ. Последнее, "увидев" на шине обращенный к нему запрос на чтение информации, извлекает содержимое необходимой ячейки и помещает его на шину данных. Разумеется, реальный процесс значительно подробнее, но нас сейчас не интересуют технические детали. Особо отметим, что обмен по шине при определенных условиях и при наличии определенного вспомогательного оборудования может происходить и без непосредственного участия процессора, например, между устройством ввода и внутренней памятью.
Подчеркнем также, что описанная нами функциональная схема на практике может быть значительно сложнее. Современный компьютер может содержать несколько согласованно работающих процессоров, прямые информационные каналы между отдельными устройствами, несколько взаимодействующих магистралей и т.д.
Магистральная структура позволяет легко подсоединять к компьютеру именно те внешние устройства, которые нужны для данного пользователя. Благодаря ей удается скомпоновать из стандартных блоков любую индивидуальную конфигурацию компьютера.
Функциональная схема компьютера
Персональные компьютеры (ПК) - это микрокомпьютеры (центральный процессор выполнен в виде микропроцессора) универсального назначения, рассчитанные на одного пользователя и управляемые одним человеком.
Персональный компьютер имеет следующие характеристики:
стоимость от нескольких сотен до 5-10 тыс. долларов;
наличие внешних ЗУ на магнитных дисках;
объём оперативной памяти не менее 4 Мбайт;
наличие операционной системы;
способность работать с программами на языках высокого уровня;
ориентация на пользователя-непрофессионала.
Важными характеристиками являются быстродействие (производительность, тактовая частота) и объём оперативной памяти. Быстродействие (производительность) используется для оценки скорости работы компьютера. Под ним понимается число коротких операций, выполняемых компьютером за одну секунду. Короткая операция - это действие типа сложения над числами. Условное обозначение единицы измерения быстродействия - оп/с (операций в секунду). В последнее время оценка скорости работы компьютера определяется значением тактовой частоты (МГц).
Объём (ёмкость) оперативной памяти - максимальное количество хранимой в ней информации. Единицами измерения являются Кбайт, Мбайт, Гбайт, Тбайт.
Разрядность показывает, сколько бит данных процессор может обрабатывать одновременно.
КЭШ-память – это высокоскоростная память произвольного доступа, используемая процессором компьютера для временного хранения информации. Она увеличивает производительность, поскольку хранит наиболее часто используемые данные и команды «ближе» к процессору, откуда их можно быстрее получить.
Характеристики современных персональных компьютеров:
Тактовая частота до 3,6 ГГц
Объём оперативной памяти до 8 Гбайт (в январе этого года появятся модули оперативной памяти 16 Гбайт)
Обьём внешней памяти 3 Тбайт
Разрядность 32, 64 бит
КЭШ-память – до 8 Мбайт
Частота системной шины (FSB) – до 2000 МГц.