Учебное пособие Часть 1 основы персонального компьютера. Операционные системы

Вид материала

Учебное пособие

Содержание 2.2. Внутренние устройства системного блока 2.2.1. Материнская плата Basic Input-Output System (BIOS) 2.2.2. Жесткий диск 2.2.3. Дисковод гибких дисков 2.2.4. Дисковод лазерных компакт-дисков Рис. 2.8. Принцип действия дисковода 2.2.5. Видеокарта (видеоадаптер) Разрешение экрана Размер монитора Цветовое разрешение P – необходимый объем памяти видеоадаптера; m 2.2.6. Звуковая карта 2.3. Системы, расположенные на материнской плате Рис. 2.12. Разные виды процессоров Шина данных Шина команд Основные параметры процессоров Разрядность процессора Рабочая тактовая частота. ... Полное содержание

Подобный материал:

• Экзаменационные вопросы, 789.33kb.
• Учебное пособие Житомир 2001 удк 33: 007. Основы экономической кибернетики. Учебное, 3745.06kb.
• 7: Периферийные устройства персонального компьютера, 168.56kb.
• И в свет разрешаю на основании «Единых правил», п 14 Заместитель первого проректора, 1301.38kb.
• Тема: «Программные принципы работы компьютера. Оперирование компьютерными информационными, 240.39kb.
• Учебное пособие Издательство Тюменского государственного университета 2009, 3017.16kb.
• Лабораторная работа №4 видеоподсистема теоретическая часть, 142.44kb.
• М. С. Тарков введение в операционные системы учебное пособие, 1312.59kb.
• А. В. Яковлев Операционные системы и системное программирование Раздел Операционная, 1847.03kb.
• Архитектура персонального компьютера, 124.05kb.

2.2. Внутренние устройства системного блока

Внутри системного блока находятся:

• материнская плата;
  
• жесткий диск;
  
• дисковод гибких дисков;
  
• дисковод компакт-дисков;
  
• видеокарта;
  
• звуковая карта.
  

2.2.1. Материнская плата

Материнская плата (MotherBoard) – это плата, к которой подключаются все остальные устройства ПК (рис. 2.5). Фактически это большая коллекция разъемов, предназначенных для установки тех или иных комплектующих.



Рис. 2.5. Материнская плата

На материнской плате имеются:

• Разъем для установки процессора Soket – «гнездо» квадратной формы, с многочисленными дырочками под «ножки» процессора по краю рамки, для установки процессоров: Pentium, Pentium MMX, AMD K6, Cyrix M2, или Slot – длинный щелевой разъем для установки процессоров: Pentium IV, AMD K7;
  
• Разъемы-слоты и разъемы для установки звуковой и видео карт, оперативной памяти, внутренних модемов, сканеров и т.д. В настоящее время существуют так называемые комбайны, т.е. материнские платы со встроенной звуковой картой и видеоадаптером.
  
• Контроллеры портов. Под портами понимаются разъемы на задней стенке компьютера, предназначенные для подключения внешних устройств (принтер, мобильный дисковод большой емкости, внешний модем, мышь и др.).
  
• Basic Input-Output System (BIOS) – отдельная микросхема с автономным питанием и с вшитой в нее программой, с которой начинает работать компьютер, непосредственно после включения. BIOS – базовая система ввода-вывода, система контроля и управления подключенными к компьютеру устройствами. В ней заложены основные параметры, необходимые компьютеру для того, чтобы правильно распознать такие устройства как жесткий диск, на котором хранится информация, оперативную память – сколько ее, какого она типа, а также часы и календарь реального времени.
  

На материнской плате также размещаются:

• процессор – главная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;
  
• микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;
  
• шины - наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
  
• оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) – набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;
  
• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен.
  

На сегодняшний день одними из самых качественных являются материнские платы фирмы ASUSTek.

2.2.2. Жесткий диск

Жесткий диск (HDD - Hard Disc Drive) – основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ (рис. 2.6). На самом деле это не один диск, а группа дисков с общей осью вращения, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Таким образом, жесткий диск имеет не две поверхности, как должно быть у обычного плоского диска, а 2n поверхностей, где n - число отдельных дисков в группе.





Рис. 2.6. Жесткий диск


Над каждой поверхностью располагается головка, предназначенная для чтения-записи данных. При высоких скоростях вращения дисков (90 об/с) в зазоре между головкой и поверхностью образуется аэродинамическая подушка, и головка парит над магнитной поверхностью на высоте, составляющей несколько тысячных долей миллиметра. При изменении силы тока, протекающего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля в зазоре, что вызывает изменения в стационарном магнитном поле ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска. Так осуществляется запись данных на магнитный диск.

Операция считывания происходит в обратном порядке. Намагниченные частицы покрытия, проносящиеся на высокой скорости вблизи головки, наводят в ней ЭДС самоиндукции. Электромагнитные сигналы, возникающие при этом, усиливаются и передаются на обработку.

Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство – контроллер жесткого диска. В прошлом оно представляло собой отдельную дочернюю плату, которую подключали к одному из свободных слотов материнской платы. В настоящее время функции контроллеров дисков выполняют микросхемы, входящие в микропроцессорный комплект (чипсет), хотя некоторые виды высокопроизводительных контроллеров жестких дисков по-прежнему поставляются на отдельной плате.

К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность.

Емкость дисков зависит от технологии их изготовления. В настоящее время большинство производителей жестких дисков используют изобретенную компанией IBM технологию с использованием гигантского магниторезистивного эффекта (GMR – Giant Magnetic Resistance). Теоретический предел емкости одной пластины, исполненной по этой технологии, составляет порядка 20 Гбайт. В настоящее время достигнут технологический уровень 6,4 Гбайт на пластину, но развитие продолжается.

Производительность жестких дисков меньше зависит от технологии их изготовления. Сегодня все жесткие диски имеют очень высокий показатель скорости внутренней передачи данных (до 30–60 Мбайт/с), и потому их производительность в первую очередь зависит от характеристик интерфейса, с помощью которого они связаны с материнской платой. В зависимости от типа интерфейса разброс значений может быть очень большим: от нескольких Мбайт/с до 13-16 Мбайт/с – для интерфейсов типа EIDE; до 80 Мбайт/с – для интерфейсов типа SCSI и от 50 Мбайт/с и более для наиболее современных интерфейсов типа IEЕЕ 1394.

Кроме скорости передачи данных с производительностью диска напрямую связан параметр среднего времени доступа. Он определяет интервал времени, необходимый для поиска нужных данных, и зависит от скорости вращения диска. Для дисков, вращающихся с частотой 5400 об/мин, среднее время доступа составляет 9–10 мкс, для дисков с частотой 7200 об/мин – 7–8 мкс. Изделия более высокого уровня обеспечивают среднее время доступа к данным 5–6 мкс.

2.2.3. Дисковод гибких дисков

Для оперативного переноса небольших объемов информации используют так называемые гибкие магнитные диски (дискеты), которые вставляют в специальный накопитель – дисковод (FDD - Floppy Disc Drive). Приемное отверстие накопителя находится на лицевой панели системного блока. Правильное направление подачи гибкого диска отмечено стрелкой (в левом верхнем углу) на его пластиковом кожухе.

Основными параметрами гибких дисков являются: технологический размер (измеряется в дюймах), плотность записи (измеряется в кратных единицах) и полная емкость.

Стандартными считают диски размером 3,5 дюйма высокой плотности. Они имеют емкость 1440 Кбайт (1,4 Мбайт) и маркируются буквами HD (high density – высокая плотность).

С нижней стороны гибкий диск имеет центральную втулку, которая захватывается шпинделем дисковода и приводится во вращение. Магнитная поверхность прикрыта сдвигающейся шторкой для защиты от влаги, грязи и пыли. Если на гибком диске записаны ценные данные, его можно защитить от стирания и перезаписи, сдвинув защитную задвижку так, чтобы образовалось открытое отверстие. Для разрешения записи задвижку перемещают в обратную сторону и перекрывают отверстие. В некоторых случаях для безусловной защиты информации на диске задвижку выламывают физически, но и в этом случае разрешить запись на диск можно, если, например, заклеить образовавшееся отверстие тонкой полоской липкой ленты.

Гибкие диски считаются малонадежными носителями информации. Пыль, грязь, влага, температурные перепады и внешние электромагнитные поля очень часто становятся причиной частичной или полной утраты данных, хранившихся на гибком диске. Поэтому использовать гибкие диски в качестве основного средства хранения информации недопустимо. Их используют только для транспортировки информации или в качестве дополнительного (резервного) средства хранения.

2.2.4. Дисковод лазерных компакт-дисков

Первые дисководы лазерных компакт-дисков появились в начале 1970-х годов, но широкое распространение получили значительно позже. В настоящее время существует несколько разновидностей таких дисководов.

• CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) – для оптических дисков, допускающих только чтение однократно записанной в заводских условиях информации. Основным параметром дисководов СD-RОМ является скорость чтения данных. Она измеряется в кратных долях. За единицу измерения принята скорость чтения в первых серийных образцах, составлявшая 150 Кбайт/с. Таким образом, дисковод с удвоенной скоростью чтения обеспечивает производительность 300 Кбайт/с, с учетверенной скоростью – 600 Кбайт/с и т.д.
  

Рис. 2.7. Дисковод CD-ROM


Внешний вид дисководов компакт-дисков CD-ROM представлен на рис.2.7.

Принцип действия этого устройства состоит в считывании информации с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска (рис. 2.8).

Проникая сквозь защитный слой пластика, луч попадает на отражающий слой алюминия на поверхности диска. При попадании на гладкую поверхность, луч отражается и проходит через призму, которая отклоняет его на светочувствительный диод. Если луч попадает в бороздку, он рассеивается и лишь малая часть излучения отражается обратно и доходит до светочувствительного диода.


Рис. 2.8. Принцип действия дисковода

CD-ROM

Диод преобразует световые импульсы в электрические сигналы. Яркое излучение преобразуется в нули, а слабое - в единицы. Таким образом, ямки воспринимаются дисководом как логические нули, а гладкая поверхность как логические единицы.

В дисководе имеется электродвигатель со следящей системой, обеспечивающей точное считывание дорожки лазерным лучом и неизменную линейную скорость считывания. Поэтому скорость вращения диска непостоянна и изменяется от 500 об/мин. для внутренней части диска, с которой начинается считывание, до 200 об/мин. для внешней.

Специальный оптикоэлектронный блок имеет устройства для стабилизации излучения лазера, автоматической фокусировки, слежения за дорожкой при биении диска и выбора треков диска для считывания.

• CD-R – накопитель, допускающий однократную запись информации на рабочем месте.
  
• CD-RW (CD-ReWriter) – накопитель, допускающий многократную перезапись информации, со стиранием предшествующей. Внешне он ничем не отличается от обычного «алюминиевого» компакт-диска, разве что его рабочая сторона темнее, чем у CD-ROM. Обычно в характеристиках CD-ReWriter’ов пишут примерно следующее 20х/8х/32х, что означает: максимальная скорость записи CD-R – дисков = 20, CD-RW – дисков = 8, скорость чтения = 32.
  

Однако физически CD-R и CD-RW устроены не так, как CD-ROM. Они не имеют физического рельефа, вместо него – идеальная ровная поверхность, на которой «рельеф» создается путем нагрева лазерным лучом смеси лака и тончайшей золотой пленки. При чтении с помощью отраженного луча этот «рельеф» воспринимается так же, как механические бороздки на CD-ROM – диске. Поэтому CD-ROM – накопитель позволяет читать и эти диски.

• DVD-ROM – устройство для чтения DVD (Digital Versatile Disc) - дисков. Также как и CD-ROM характеризуется скоростью чтения данных. Стандартный размер DVD–диска 4,7 Гб, что достаточно для хранения полнометражного фильма с трехканальным звуковым сопровождением. Диски нового стандарта DVD9 (двухслойные) имеют емкость 8,5 Гб. Существуют также двухслойные, двусторонние диски, которые могут иметь емкость до 18 Гб.
  
• Combo-drive - накопители, способные читать CD и DVD диски и записывать CD-R и CD-RW диски. В одном устройстве скомбинированы и DVD-ROM и CD-ReWriter. В прайс-листах их иногда обозначают DVD-CDRW.
  
• DVD-RAM, DVD±RW – устройства для записи DVD-дисков. Существует несколько форматов записываемых DVD-дисков: DVD-R, DVD-RW, DVD+R, DVD+RW, DVD-RAM. Диски с буквой R – это диски для однократной записи, RW и RAM диски можно использовать несколько раз. Следует отметить, что «+» стандарт позволяет записывать диски с большей скоростью, а «–» стандарт обладает лучшей совместимостью с бытовыми DVD-проигрывателями.
  

В настоящее время большие объемы данных характерны для мультимедийной информации (графика, музыка, видео), поэтому дисководы лазерных компакт дисков относят к аппаратным средствам мультимедиа.

2.2.5. Видеокарта (видеоадаптер)

Совместно с монитором видеокарта образует видеоподсистему ПК. Все операции, связанные с управлением экраном, выделены в отдельный блок, получивший название видеоадаптер. Физически видеоадаптер выполнен в виде отдельной дочерней платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы и называется видеокартой (рис. 2.9). Видеоадаптер взял на себя функции видеоконтроллера, видеопроцессора и видеопамяти.





Рис. 2.9. Видеокарта


Таким образом, видеокарта (видеоадаптер) – это устройство, формирующее изображение и выводящее его на монитор. За время существования персональных компьютеров сменилось несколько стандартов видеоадаптеров: MDA (монохромный); CGA (4 цвета); EGA (16 цветов); VGA (256 цветов). В настоящее время применяются видеоадаптеры SVGA, обеспечивающие по выбору воспроизведение до 16,7 миллионов цветов с возможностью произвольного выбора разрешения экрана из стандартного ряда значений (640 x 480, 800 x 600, 1024 x 768, 1152 x 864, 1280 x 1024 точек и далее).

Разрешение экрана является одним из важнейших параметров видеоподсистемы. Чем оно выше, тем больше информации можно отобразить на экране, но тем меньше размер каждой отдельной точки и, тем самым, тем меньше видимый размер элементов изображения. Использование завышенного разрешения на мониторе малого размера приводит к тому, что элементы изображения становятся неразборчивыми и работа с документами и программами вызывает утомление органов зрения. Использование заниженного разрешения приводит к тому, что элементы изображения становятся крупными, но на экране их располагается очень мало. Если программа имеет сложную систему управления и большое число экранных элементов, они не полностью помещаются на экране. Это приводит к снижению производительности труда и неэффективной работе.

Таким образом, для каждого размера монитора существует свое оптимальное разрешение экрана, которое должен обеспечивать видеоадаптер:

Размер монитора	Оптимальное разрешение экрана
14 дюймов	640х480
15 дюймов	800х600
17 дюймов	1024х768
19 дюймов	1280х1024

Сегодня наиболее популярный размер мониторов составляет 17 дюймов.

Цветовое разрешение (глубина цвета) определяет количество различных оттенков, которые может принимать отдельная точка экрана (пиксель). Максимально возможное цветовое разрешение зависит от свойств видеоадаптера и, в первую очередь, от количества установленной на нем видеопамяти. Кроме того, оно зависит и от установленного разрешения экрана. При высоком разрешении экрана на каждую точку изображения приходится отводить меньше места в видеопамяти, так что информация о цветах вынужденно оказывается более ограниченной. В зависимости от заданного экранного разрешения и глубины цвета необходимый объем видеопамяти можно определить по следующей формуле:

,

где P – необходимый объем памяти видеоадаптера;

m – горизонтальное разрешение экрана (точек);

n – вертикальное разрешение экрана (точек);

b – разрядность кодирования цвета (бит).

Минимальное требование по глубине цвета на сегодняшний день – 256 цветов, хотя большинство программ требуют не менее 65 тыс. цветов (режим High Color). Наиболее комфортная работа достигается при глубине цвета 16,7 млн. цветов (режим True Color).

Работа в полноцветном режиме True Color с высоким экранным разрешением требует значительных размеров видеопамяти. Современные видеоадаптеры способны также выполнять функции обработки изображения, снижая нагрузку на центральный процессор ценой дополнительных затрат видеопамяти. Сегодня обычным считается объем видеопамяти 128 Мбайт и более.

В настоящее время используются в основном видеокарты созданные для шины AGP или PCI Express. Общепризнанными лидерами в производстве графических процессоров для видеокарт являются фирма nVidia со своим графическим процессором серии GeForce и канадская фирма ATI с графическим процессором Radeon.

2.2.6. Звуковая карта

Звуковая карта – устройство для формирования звука и вывода его на колонки или внешний усилитель, явилась одним из наиболее поздних усовершенствований персонального компьютера (рис. 2.10). Она подключается к одному из слотов материнской платы в виде дочерней карты и выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к выходу звуковой карты. Специальный разъем позволяет отправить звуковой сигнал на внешний усилитель. Имеется также разъем для подключения микрофона, что позволяет записывать речь или музыку и сохранять их на жестком диске для последующей обработки и использования.




Рис. 2.10. Звуковые карты


Основным параметром звуковой карты является разрядность, определяющая количество битов, используемых при преобразовании сигналов из аналоговой в цифровую форму и наоборот. Чем выше разрядность, тем меньше погрешность, связанная с оцифровкой, тем выше качество звучания. Минимальным требованием сегодняшнего дня являются 16 разрядов, а наибольшее распространение имеют 32-разрядные и 64-разрядные устройства.

На большинстве звуковых карт находится также синтезатор звуков: FM-синтезатор – у примитивных и волновой (wave-table) – у хороших. Именно этот синтезатор определяет качество звучания во многих компьютерных играх и музыкальных редакторах-секвенсерах.

В области воспроизведения звука наиболее сложно обстоит дело со стандартизацией. Отсутствие единых централизованных стандартов привело к тому, что ряд фирм, занимающихся выпуском звукового оборудования, де-факто ввели в широкое использование свои внутрифирменные стандарты. Так, например, во многих случаях стандартными считают устройства, совместимые с устройством Sound Blaster, торговая марка на которое принадлежит компании Creative Labs.

В настоящее время звуковая карта, как правило, встроена в материнскую плату. Но встроенные звуковые платы часто не позволяют получить хороший звук. Общепризнанным лидером в производстве звуковых карт является фирма Creative и ее серия Audigy.

2.3. Системы, расположенные на материнской плате

2.3.1. Оперативная память

Оперативная память (RAM - Random Access Memory) или ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Информация в ней хранится не постоянно, а временно до выключения компьютера. Естественно, чем она больше, тем лучше.

Существует множество стандартов, на сегодняшний день самый популярный – DDR SDRAM, а также новый стандарт DDR2 DDR4. Скорость работы памяти записывается как PC2100 или PC3200, что означает количество мегабайт, которое могут принять и передать микросхемы памяти в секунду. То есть, память DDR PC2100 способна за секунду принять/передать около 2 Гб информации.

Представление о том, сколько оперативной памяти должно быть в типовом компьютере, непрерывно меняется. В середине 80-х годов поле памяти размером 1 Мбайт казалось огромным, в начале 90-х годов достаточным считался объем 4 Мбайт, к середине 90-х годов он увеличился до 8 Мбайт, а затем и до 64 Мбайт. Сегодня типичным считается размер оперативной памяти 256–512 Мбайт и выше.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями (рис. 2.11). Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате.



Рис. 2.11. Оперативная память


Существенно то, что память можно наращивать, добавляя модули в специально отведенные для них места на материнской плате.

2.3.2. Процессор

Центральный процессор (CPU) – главная микросхема компьютера («мозг» компьютера), в которой и производятся все вычисления. Выполнен в виде отдельного кремниевого кристалла на подложке (рис. 2.12).

Конструктивно процессор состоит из ячеек, в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. 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 других регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.





Рис. 2.12. Разные виды процессоров


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

Адресная шина. У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная (например, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

Основные параметры процессоров. Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров х86 имели рабочее напряжение 5 В. С переходом к процессорам Intel Pentium оно было понижено до 3,3 В, а в настоящее время оно составляет менее 3 В. Причем ядро процессора питается пониженным напряжением 2,2 В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры х86 были 16-разрядными. Начиная с процессора 80386, они имеют 32-разрядную архитектуру. Современные процессоры семейства Intel Pentium остаются 32-разрядными, хотя и работают с 64-разрядной шиной данных (разрядность процессора определяется не разрядностью шины данных, а разрядностью командной шины).

Рабочая тактовая частота. В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В настенных часах такты колебаний задает маятник; в ручных механических часах их задает пружинный маятник; в электронных часах для этого есть колебательный контур, задающий такты строго определенной частоты. В ПК тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность. Первые процессоры х86 могли работать с частотой не выше 4,77 МГц. В настоящее время тактовая частота измеряется в гигагерцах и достигает 3 ГГц и выше (частота в 3 ГГц показывает, что процессор выполняет 3 миллиарда элементарных операций за секунду).

Каждый процессор, как и любая другая микросхема, имеет определенное количество выводов, т.е. ножек и для него существует особый вид гнезда (разъема), в которое он вставляется. Каждый разъем имеет свое название, так же как и процессоры. Socket357 – Pentium-III, Се1еron, С3; SocketA – Athlon, Duron, Semoron; 478-PGA, 423-PGA для Pentium-IV, Се1еron; 775-LGA - Pentium-IV и - Се1еron-D, Socket-754, Socket-939 – Athlon64, Sempron и т.д.

Коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты. Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более.

Размер кэш-памяти. Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область - так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». 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. «Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

Двухядерный поцессор. Двухядерный чип – это фактически два процессора в одном чипе. Преимущество такого процессора над одноядерным проявляется, прежде всего, при работе с многопоточными приложениями. В частности, это расширит возможности домашних развлечений благодаря тому, что несколько пользователей одновременно смогут слушать музыку, смотреть видео и играть в компьютерные игры.

Многопоточные задачи работают быстрее на двухядерных процессорах, потому что операционная система может распределять программные потоки отдельно по каждому ядру, в то время как на одноядерных процессорах задачи меняются по мере выполнения, то есть по очереди.

Применение этой технологии позволит увеличить производительность процессоров нового поколения и одновременно избежать роста потребления энергии, которое накладывает ограничения на развитие одноядерных процессоров. Кроме того, чем выше частота процессора, тем больше он теряет производительность при обращении к памяти. Два ядра получаются предпочтительней, чем одно, так как в этом случае легче обеспечить процессор данными для обработки. Поскольку производительность памяти увеличивается медленнее, чем скорость процессоров, увеличение производительности путем использования нескольких ядер выглядит более предпочтительным, чем наращивание частоты.

К
Рис. 2.13. Двухядерный

процессор AMD Athlon64 X2
орпорация AMD первой представила стратегию двухядерных процессоров архитектуры x86 и первой объявила о завершении разработки двухядерного процессора архитектуры x86 для 64-разрядных вычислений. Однако в первое время в ассортименте AMD имелись только двуядерные чипы Opteron для серверов. В настоящее время на рынок поставляются двухядерные процессоры AMD Opteron для серверов и AMD Athlon64 X2 для десктопов.

Корпорация Intel, основной конкурент AMD, первой начала поставлять на рынок двуядерные процессоры Pentium 4 Extreme Edition 840 для настольных ПК. Эти чипы изготавливаются по нормам 90-нанометровой технологии и работают на тактовой частоте 3,2 ГГц при частоте системной шины 800 МГц. Каждое ядро процессоров имеет 1 Мб кэш-памяти второго уровня, поддерживаются 64-разрядные расширения и технология многопоточности Hyper-Threading.

Примечательно, что результаты первого сравнительного тестирования двухядерных процессоров Intel и AMD для десктопов (в тесте WorldBench 5) показали, что чип Athlon 64 X2 набрал 116 баллов, тогда как конкурирующий Pentium 4 Extreme Edition 840 - только 95 баллов.

Одним из последних достижений мультиядерных технологий является новейший двуядерный процессор, специально разработанный для использования в ноутбуках. Если для настольных компьютеров двуядерные процессоры были доступны уже достаточно давно, то на ноутбуках эти достижения современных технологий до сих пор места не находили. Тому были объективные причины, главная из которых – недопустимо высокие энергопотребление и тепловыделение существовавших ранее образцов.

Широкое распространение мультиядерных технологий - это следующий этап развития компьютерных технологий, который преобразит существующую вычислительную среду.

2.3.3. Микросхема ПЗУ и система BIOS

В момент включения компьютера в его оперативной памяти нет ничего - ни данных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки ячеек более сотых долей секунды, но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения. Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ (всегда одинаково). Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам.

Этот исходный адрес не может указывать на оперативную память, в которой пока ничего нет. Он указывает на другой тип памяти - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Микросхема ПЗУ (рис. 2.14) способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» - их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.




Рис. 2.14. ПЗУ (BIOS)


Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS - Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют нам наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

Подобно всем другим программам BIOS устаревает, и наступает время, когда он не может корректно работать с каким либо новым устройством. Если на материнской плате установлена микросхема BIOS с возможностью перезаписи, то проблема решается простой перезаписью новой версии BIOS, которую можно найти, например, в Internet, если нет, то материнскую плату надо менять.

2.3.4. Энергонезависимая память CMOS

Средствами, входящими в ВIOS, нельзя обеспечить работу со всеми возможными устройствами. Так, например, изготовители ВIOS абсолютно ничего не знают о параметрах жестких и гибких дисков конкретного ПК, им не известны ни состав, ни свойства произвольной вычислительной системы. Для того чтобы начать работу с другим оборудованием, программы, входящие в состав ВIOS, должны знать, где можно найти нужные параметры. По очевидным причинам их нельзя хранить ни в оперативной памяти, ни в постоянном запоминающем устройстве.

Специально для этого на материнской плате есть микросхема «энергонезависимой памяти», по технологии изготовления называемая CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав 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 не будут включать несколько лет.

В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы. Тот факт, что компьютер четко отслеживает время и календарь (даже и в выключенном состоянии), тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS.

Таким образом, программы, записанные в ВIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы 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.

2.3.5. Шинные интерфейсы материнской платы

Связь между всеми собственными и подключаемыми устройствами материнской платы выполняют ее шины и логические устройства, размещенные в микросхемах микропроцессорного комплекта (чипсета). От архитектуры этих элементов во многом зависит производительность компьютера.

ISA (Industry Standard Architecture – архитектура промышленного стандарта). ISA позволила связать все устройства системного блока между собой и обеспечила простое подключение новых устройств через стандартные разъемы (слоты). Пропускная способность шины, выполненной по такой архитектуре, составляет всего до 5,5 Мбайт/с. Тем не менее, несмотря на низкую пропускную способность, эта шина продолжает использоваться в компьютерах для подключения сравнительно «медленных» внешних устройств, например звуковых карт, модемов, специализированных плат сканеров и т.д. Это достаточно длинные слоты черного цвета. В настоящее время данный стандарт считается устаревшим.

PCI (Peripheral Component Interconnect – стандарт подключения внешних компонентов). Интерфейс PCI был введен в ПК, выполненных на базе процессоров Intel Pentium. Разъемы PCI обычно самые короткие на плате, белого цвета, разделенные своеобразной «перемычкой» на две неравные части (см. рис. 2.15).





Рис. 2.15. Слоты PCI

Данный интерфейс поддерживает частоту шины 33 МГц и обеспечивает пропускную способность 132 Мбайт/с. Последние версии интерфейса поддерживают частоту до 66 МГц и обеспечивают производительность 264 Мбайт/с для 32-разрядных данных и 528 Мбайт/с для 64-разрядных данных.

Важным нововведением, реализованным этим стандартом, стала поддержка так называемого режима plug-and-play, впоследствии оформившегося в промышленный стандарт на самоустанавливающиеся устройства. Его суть состоит в том, что после физического подключения внешнего устройства к разъему шины PCI, происходит обмен данными между устройством и материнской платой, в результате которого устройство автоматически получает номер используемого прерывания, адрес порта подключения и номер канала прямого доступа к памяти.

Конфликты между устройствами за обладание одними и теми же ресурсами (номерами прерываний, адресами портов и каналами прямого доступа к памяти) вызывают массу проблем у пользователей при установке устройств, подключаемых к шине ISA. С появлением интерфейса PCI и с оформлением стандарта plug-and-play появилась возможность выполнять установку новых устройств с помощью автоматических программных средств – эти функции во многом были возложены на операционную систему.

AGP (Advanced Graphic Port – усовершенствованный графический порт). Видеоадаптер – устройство, требующее особенно высокой скорости передачи данных. Сегодня параметры шины PCI уже не соответствуют требованиям видеоадаптеров, поэтому для них разработана отдельная шина, получившая название AGP. Частота этой шины соответствует частоте шины PCI (33 МГц или 66 МГц), но она имеет много более высокую пропускную способность – до 1066 Мбайт/с (в режиме четырехкратного умножения).

USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная магистраль). Это одно из последних нововведений в архитектурах материнских плат. Этот стандарт определяет способ взаимодействия компьютера с периферийным оборудованием. Он позволяет подключать до 256 различных устройств, имеющих последовательный интерфейс. Устройства могут включаться цепочками (каждое следующее устройство подключается к предыдущему). Производительность шины USB относительно невелика и составляет до 1,5 Мбит/с, но для таких устройств, как клавиатура, мышь, модем, джойстик и т. п., этого достаточно. Удобство шины состоит в том, что она практически исключает конфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства в «горячем режиме» (не выключая компьютер) и позволяет объединять несколько компьютеров в простейшую локальную сеть без применения специального оборудования и программного обеспечения.

2.3.6. Функции микропроцессорного комплекта (чипсета)

Параметры микропроцессорного комплекта (чипсета) в наибольшей степени определяют свойства и функции материнской платы. В настоящее время большинство чипсетов материнских плат выпускаются на базе двух микросхем, получивших название «северный мост» и «южный мост».

«Северный мост» управляет взаимосвязью четырех устройств: процессора, оперативной памяти, порта AGP и шины PCI. Поэтому его также называют четырехпортовым контроллером.

«Южный мост» называют также функциональным контроллером. Он выполняет функции контроллера жестких и гибких дисков, функции моста ISA – PCI, контроллера клавиатуры, мыши, шины USB и т. п.