Структура персонального компьютера
Поскольку в ближайшее время Вам придется работать в основном с ПК, познакомимся с его общей структурной схемой, которая представлена на рис.1. Рассмотрим состав и назначение основных блоков ПК.
Микропроцессор (МП). Это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.
В состав микропроцессора входят:
устройство управления (УУ)— формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций;
- формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ;
- опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;
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 в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);
Блок «Схемы» или иначе 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 (ПВВ) и системной шиной.
Интерфейс (interface) — совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.
Порт ввода-вывода (I/O — Input/Output port) — аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК
Генератор тактовых импульсов. Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.
Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов:
Процессоры разных фирм.
Процессоры фирмы AMD. «ATHLON»
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Тактовые частоты: 1000…3500 МГц.
Кэш 1 уровня 128 кб (64 кб для инструкций и 64 кб для данных).
Кэш 2 уровня 512 …1024 кбайт
Технология 0,18 мкм.
Стоимость в 2004 г. = 60…315
Наименования: K7 Athlon,
K7 Athlon (BOX),
K7 Athlon XP
ДОСТОИНСТВА: очень хорошее быстродействие, высокое соотношение скорость/цена (особенно у младших серий), поддержка расширенного набора инструкций 3DNow!.
НЕДОСТАТКИ: высокое тепловыделение и энергопотребление, низкая скорость кэш-памяти у наиболее мощных серий
Процессоры фирмы Intel: «Celeron»
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Тактовые частоты: 1700 - 2600 МГц. Стандартная частота шины: 66 МГц. Кэш 1 уровня 32 кб (16 кб для инструкций и 16 кб для данных). Кэш 2 уровня 128 – 256 кб.
Технология 0,18 мкм.
Celeron II, в отличие от "полноценного" Coppermine, имеет не 8-канальный ассоциативный кэш, а 4-х канальный, что снижает скорость поиска необходимых данных и инструкций в кэш-памяти.
ДОСТОИНСТВА: доступная цена, очень хорошее быстродействие во всех задачах, очень низкое тепловыделение, возможность разгона.
НЕДОСТАТКИ: все серии официально предназначены для работы на частоте 66 МГц, отсутствует поддержка двухпроцессорной конфигурации.
Системная шина. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.
Системная шина включает в себя:
■ кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;
■ кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;
■ кодовую шину инструкций (ЮПИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;
■ шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.
Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
1) между микропроцессором и основной памятью;
2) между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
3) между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).
Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры {адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему — контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.
Основная память (ОП). Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).
ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). После выключения питания машины информации в ней исчезает (энергозависимость).
Память ЭВМ построена из двоичных запоминающих элементов - битов (англ. binary digit - двоичная цифра), объединенных в группы по 8 битов, которые называют байтами. Поэтому память измеряют в байтах (восемь двоичных разрядов). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.
Байты могут объединяться в ячейки, которые часто называются также словами. Для каждой ЭВМ характерна определенная длина слова - два, четыре, или восемь байтов. Это не исключает использование ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово).
| 64 разрядный процессор | |||||||||||||
| 32 разрядный процессор | |||||||||||||
| 16-ти разрядный процессор | |||||||||||||
| Байт 0 | Байт 1 | Байт 2 | Байт 3 | Байт 4 | Байт 5 | Байт 6 | Байт 7 | ||||||
| полуслово | полуслово | полуслово | полуслово | ||||||||||
| Слово | слово | ||||||||||||
| двойное слово |
В обычных ЭВМ используются ячейки, состоящие из четырех последовательно расположенных байтов (из слов), но в слабеньких микро-ЭВМ используются одно- или двухбайтовые ячейки (полуслова), а некоторые супер-ЭВМ используют восьмибайтовые ячейки.
В каждую ячейку памяти может быть записано только одно число, либо одна команда. Двоичный код хранится в ячейке до тех пор, пока в нее не будет записан новый двоичный код, или пока не будет обесточена машина. Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых ЭВМ представлено в таблице.
Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы подключаются внешние устройства: дополнительные устройства памяти, клавиатура, дисплей, принтер и др.
Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами — адаптерами внешних устройств.
На системной плате(часто ее называют материнской платой — Mother Board), как правило, размещаются :
- микропроцессор;
- математический сопроцессор;
- генератор тактовых импульсов;
- блоки (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ;
- адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД;
- контроллер прерываний;
- таймер и др.
Материнские платы разных производителей отличаются уровнем сервисных функций, степенью «продвинутости», т.е. учетом перспектив развития комплектующих элементов (микропроцессоров, оперативной памяти, развития количества портов (USB), их качества (USB 2., инфракрасный порт под технологию BlueTooth), облегчением использования ПК в сетях, с учетом интенсивно развивающегося мультимедийного направления, с учетом стремления пользователей к концентрации всех устройств в одном ПК, используемом в качестве центра управления.
Производители материнских плат:
AMD
Успехи этой фирмы впечатляют. За прошедший год AMD не только подтвердила свою жизнеспособность, но и произвела своеобразный переворот в индустрии, потеснив на всех фронтах империю Intel. Безусловно, этому способствовали и просчеты гиганта, но нельзя не отдать должное и правильно выбранной стратегии, а так же качеству новых изделий AMD.
Gygabyte
Представитель тройки лидеров тайваньских производителей, который набирает все большую популярность и в России. Как и полагается "правильной" фирме, Gigabyte продвигает свою продукцию прежде всего за счет качества изготовления, стабильной работы и хорошей надежности наряду с отличным быстродействием последних моделей. В качестве фирменной "изюминки" фирма предлагает технологию Dual BIOS, гарантирующую работоспособность системы даже при повреждении основного BIOS за счет резервной копии, прошитой в дополнительной микросхеме.
ASUSTeK
Фирма - лидер тайваньского производства материнских плат. Высокий уровень качества, поддержка популярной программной настройки параметров работы процессора и высокая стабильность при разгоне наряду с приемлемой ценой достаточно хорошо объясняют успех марки
Chaintech
Фирма относится не только к лидерам производства материнских плат, но и к наиболее активно действующим на российском рынке поставщикам такой продукции. Плюсы материнских плат Chaintech весомы - качество, стабильность работы и интересные возможности для повышения производительности системы и разгона сочетаются с привлекательной ценой.
- Архитектура набора микросхем 815E
Если «раздеть» компьютер до материнской платы, то на ней между многочисленными разъемами можно разглядеть ее «плоть от плоти» — микросхемы, входящие в состав i815/815E. Их совсем немного:
- это северный мост GMCH (Graphics and Memory Controller Hub),
- южный мост ICH (I/O Controller Hub)
и FWH (Firmware Hub) для обеспечения высококачественного датчика случайных чисел и подсоединения BIOS.
Микросхема 82562ЕН, реализует встроенную поддержку сетевых интерфейсов
Внешняя память. Она относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках, на дисках CD и DVD, и в последнее время на картах памяти (Flash Driver).
Назначение этих накопителей — хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД и НГМД конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.
Головки считывания/записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных. При установке модуля данных на дисковод он автоматически соединяется с системой, подающей очищенный охлажденный воздух.
Поверхность диска имеет магнитное покрытие толщиной всего 1,1 мкм, а также слой смазки для предохранения головки от повреждения при опускании и подъеме на ходу. При вращении диска над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную подушку для зависания головки на высоте всего 0.5 мкм над поверхностью диска. Поэтому во время работы компьютера не желательны ударные нагрузки. Винчестерские диски имеют большую емкость: по состоянию на 2004 г 40-200 Гбт.
Достоинства флэш-памяти:
1) Энергонезависимость. Не потребляет энергии при хранении.
2) Перезаписываемость. Они допускают до 1000000 циклов перезаписи (чуть меньше чем винчестеры).
3) Долговечность. Информация может храниться свыше 20 лет.
4) Стойкость. Выдерживает механические нагрузки в 50 раз превышающие предельно допустимые для винчестеров. Не боится сильных магнитных полей.
В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стриммеры), которые также выпускаются на различные объемы хранимой информации (от 20 до 200 Гбт), основное назначение которых – архивация данных. Резервное копирование ценной информации – очень актуальная задача, особенно в условиях жестокой войны с вирусопроизводителями.
Кроме перечисленных устройств внешней памяти достаточно большим спросом пользуются: магнитооптические накопители, которые бывают самого разного размера ( от 3,5” ) и различного объема хранимой информации(до 2,3Гбт);
накопители на оптических дисках (CD-ROM — Compact Disk Read Only Memory — компакт-диск с памятью, только читаемой) и DVD-R/ и RW
Внешние устройства (ВУ). Это важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса.
Внешние устройства ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователя, объектами управления и другими ЭВМ. Внешние устройства весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно выделить следующие виды ВУ:
- внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;
- диалоговые средства пользователя;
- устройства ввода информации;
- устройства вывода информации;
- средства связи и телекоммуникации.
Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи) и устройства речевого ввода-вывода информации.
Устройства речевого ввода-вывода относятся к быстроразвивающимся средствам мультимедиа. Устройства речевого ввода — это различные микрофонные акустические системы, "звуковые мыши", например, со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их кодировать.
Устройства речевого вывода — это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через звуковые колонки.
К устройствам ввода информации относятся:
- клавиатура — устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;
- графические планшеты (диджитайзеры)— для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;
- сканеры (читающие автоматы) — для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей. В устройстве кодирования сканера в текстовом режиме считанные символы после сравнения с эталонными контурами специальными программами преобразуются в коды ASCII, а в графическом режиме считанные графики и чертежи преобразуются в последовательности двухмерных координат
- манипуляторы (устройства указания):
- джойстик — рычаг,
- мышь,
- трекбол — шар в оправе,
- световое перо и др. — для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;
- сенсорные экраны — для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.
К устройствам вывода информацииотносятся:
- принтеры — печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель.
- графопостроители (плоттеры) — для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель; плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера и растровые: термографические, электростатические, струйные и лазерные. По конструкции они подразделяются на плоттеры планшетные и барабанные. Основные характеристики всех плоттеров примерно одинаковы. Скорость вычерчивания — 100 - 1000 мм/с, у лучших моделей возможны цветное изображение и передача полутонов. Наибольшая разрешающая способность и четкость изображения у лазерных плоттеров, но они самые дорогие.
Устройства связи и телекоммуникациииспользуются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, "стыки", мультиплексоры передачи данных, модемы).
Дополнительные схемы. К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора:
- математический сопроцессор,
- контроллер прямого доступа к памяти,
- сопроцессор ввода-вывода,
- контроллер прерываний и др.
Математический сопроцессор широко используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических, функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным МП, но под управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз. Последние модели МП, начиная с МП 80486 DX, включают сопроцессор в свою структуру.
Контроллер прямого доступа к памяти освобождает МП от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает быстродействие ПК. Без этого контроллера обмен данными между ВЗУ и ОЗУ осуществляется через регистр МП, а при его наличии данные непосредственно передаются между ВЗУ и ОЗУ, минуя МП.
Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с МП значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплей, принтер, НЖМД, НГМД и др.); освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти.
Важнейшую роль играет в ПК контроллер прерываний.
Прерывание— временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы.
Прерывания возникают при работе компьютера постоянно. Достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям, например, прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером 18 раз в секунду (пользователь их не замечает).
Контроллер прерыванийобслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. МП, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым.
l Основными характеристиками ПК являются:
1. Быстродействие, производительность, тактовая частота. Единицами измерения быстродействия служат:
МИПС (MIPS — Mega Instruction Per Second) — миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой);
МФЛОПС (MFLOPS — Mega FLoating Operations Per Second) — миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой);
КОПС (KOPS — Kilo Operations Per Second) для низкопроизводительных ЭВМ — тысяча неких усредненных операций над числами;
ГФЛОПС (GFLOPS — Giga FLoating Operations Per Second) — миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой (точкой).
Для сравнения отметим, что быстродействие современных мощных вычислительных машин исчисляется десятками триллионов операций в секунду над числами с плавающей запятой.
Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.
ПримерПри отсутствии конвейерного выполнения команд тактовый генератор с частотой 33 МГц обеспечивает выполнение 7 млн. коротких машинных операций (сложение и вычитание с фиксированной запятой, пересылки информации и др.) в секунду; с частотой 100 МГц — 20 млн. коротких операций в секунду.
2. Разрядность машины и кодовых шин интерфейса.
Разрядность — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.
3. Типы системного и локальных интерфейсов.
Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.
4. Емкость оперативной памяти.
l Емкость оперативной памяти измеряется чаще всего в мегабайтах (Мбайт), реже в килобайтах (Кбайт). Напоминаем: 1 Мбайт = 1024 Кбайта = 10242 байт.
1 Килобайт = 1024 байт = 210 байт;
1 Мегабайт = 10242 байт = 220 байт;
1 Гигабайт = 10243 байт = 230 байт
Многие современные прикладные программы при оперативной памяти емкостью меньше 8 Мбайт просто не работают либо работают, но очень медленно.
Следует иметь в виду, что увеличение емкости основной памяти в 2 раза, помимо всего прочего, дает повышение эффективной производительности ЭВМ при решении сложных задач примерно в 1,7 раза.
5. Емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера).
Емкость винчестера измеряется обычно в мегабайтах или гигабайтах. Сейчас (в 2004 г) в продаже уже отсутствуют винчестеры менее 40 Гбайт. Верхний предел емкости винчестеров составляет 200 Гб.
6. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках.
Сейчас еще применяются накопители на гибких магнитных дисках, использующие дискеты диаметром 3,5 (1 дюйм = 25,4 мм) со стандартной емкостью 1,44 Мбайта, но уже в ближайшем будущем они будут заменены картами Flash.
7. Виды и емкость КЭШ-памяти.
Сверхоперативная память (cache – кеш от англ. «тайна») - очень быстрое ЗУ малого объема, используется для временного хранения промежуточных результатов и содержимого часто используемых ячеек. Основная цель его применения состоит в компенсации разницы в скорости обработки информации процессором (его регистры самые быстродействующие) и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. В настоящее время (2003 г) используется кеш память объёмом 128 – 512кбт.
КЭШ-память не доступна для пользователя, используется компьютером автоматически. Для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая КЭШ-память внутри микропроцессора (КЭШ-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (КЭШ-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется КЭШ-память на ячейках электронной памяти.
Следует иметь в виду, что наличие КЭШ-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20%.