Модуль 2. Системы аппаратного обеспечения

Этот модуль охватывает аппаратное обеспечение компьютера – компоненты, из которых состоит компьютерная система а также то, как они совместно работают. Вначале вы узнаете о том, как компьютер обрабатывает информацию и как работает память. Затем вы узнаете о том, как данные могут перемещаться среди компонентов внутри и за пределами системы. Вы также ознакомитесь с различными способами хранения данных. В конце этого модуля вы должны иметь базовое представление о том, как работают компьютеры. Понимание этого модуля также поможет вам стать информированным пользователем компьютерного оборудования.

Для отображения аппаратных компонентов, которые будут рассмотрены в этом модуле, ниже приводится диаграмма, где представлен обобщенный взгляд на компоненты компьютерной системы.

Рисунок 1. Обзор компонентов

Микропроцессор, также называемый процессором – основной компонент, который выполняет команды, сохраненные в оперативной памяти. Микропроцессор, иногда называемый – "мозгом" компьютерной системы, принимает решения и отправляет команды другим компонентам для выполнения набора команд. Оперативная памятьсохраняет команды, выполняемые микропроцессором. Данные, сохраненные в оперативной памяти, теряются, когда компьютер выключается. В отличие от оперативной памяти, запоминающие устройства,такие как CD-ROM, DVD-ROM, Blueray, жесткий диск сохраняют данные постоянно, даже когда компьютер выключен.

Внешние устройстваосуществляют ввод и вывод данных. Примеры внешних устройств – монитор, принтер, клавиатура и мышь. Внешние устройства также включают в себя механизмы, позволяющие переносить данные "в" и "из" компьютерной системы.

Набор микросхем или чипсет (chipset)служит регулятором движения потока данных и координатором взаимодействия компонентов системы. Компоненты передают данные через набор микросхем, и набор микросхем отслеживает поток данных и передает данные на другие компоненты.

1. Рассмотрим пример того, как эти компоненты работают вместе. В этом примере компьютерная система делает запрос на открытие файла и отображает открытый файл на мониторе. Вот четыре шага для выполнения этой задачи:
1. Микропроцессор отправляет команды запоминающим устройствам (через чипсет), запрашивая указанный файл для загрузки в оперативную память.
2. Запоминающие устройства посылают файл через чипсет в оперативную память.
3. Микропроцессор захватывает содержимое файла из оперативной памяти.
4. Микропроцессор отправляет отображаемые данные на монитор через чипсет.

Внизу приведена диаграмма потока данных между компонентами.

Рис. 2. Потоки данных в компьютерных системах.

В каждом разделе этого модуля вы узнаете более подробно о главных компонентах, проиллюстрированных на вышеприведенной диаграмме и приобретете более глубокое понимание того, как эти компоненты работают вместе. Чтобы помочь вам ознакомиться с физическим видом аппаратных компонентов, рисунок внизу иллюстрирует основные компоненты внутри системного модуля с краткими пояснениями.

Рисунок 3. Компоненты внутри компьютера

A. Материнская плата

Обеспечивает разъемы (сокеты – sockets) для микропроцессора и чипов памяти, слоты (slots) для плат расширения и электрическую схему, которая позволяет сигналам переходить от компонента к компоненту. Большинство аппаратных компонентов внутри системного блока крепятся к системной плате.

B. Блок питания

Обеспечивает электропитание компьютерной системы.

C. Микропроцессор

Обрабатывает команды, сохраненные в оперативной памяти. Часто микропроцессор находится под охлаждающим вентилятором для предотвращения перегрева.

D. Слоты расширения

Служит разъемом на системной плате, в который может быть вставлена плата расширения.

E. Плата расширения

Позволяет компьютеру управлять внешними устройствами, такими как монитор, микрофон, внешние запоминающие устройства и т.п. Современные материнские платы часто уже содержат звуковую плату и видеокарту, уменьшая потребность в платах расширения.

F. Набор микросхем (чипсет)

Контролирует потоки данных между компонентами (см. Приложение Е Статья «Чипсет»).

G. IDE кабель (Integrated Drive Electronics)

Передает данные от запоминающего устройства к материнской плате

H. Дисковые запоминающие устройства (ЗУ)

Постоянно запоминают данные (даже после того как компьютер выключен). Они могут быть накопителем на гибком диске (floppy disk) или CD-ROM/CD-RW, которые в настоящее время используются редко, или более современным устройством – DVD-ROM/DVD+/-RW, Blue Ray и жестким диском.

Процессор и память

Процессор и память – важные компоненты, которые позволяют компьютеру обрабатывать команды. Процессор выполняет команды, даваемые компьютеру. Эти команды сохраняются в памяти компьютера. В этом разделе вы изучите выполнение команд процессором и различные виды памяти в компьютере.

Процессор. Основы.

• Процессор
• Выполнение ЦПУ инструкций
• Быстродействие: факторы и оценки
• Типы процессоров

Процессор

Процессор компьютера, обычно именуется микропроцессоромиз-за его размера, который примерно соответствует размеру ногтя. (см. также http://ru.wikipedia.org/wiki/Процессор)

Рисунок 1. Микропроцессорный чип

Процессор обрабатывает все команды, даваемые компьютеру (например, сложить два числа, выполнить программные команды или печатать документы). Физически, процессор – отдельный чип, известный как интегральная микросхема(IC). Каждый чип делается из кремния и содержит миллионы упакованных на нем транзисторов.

Процессор Intel Pentium, произведенный 12 марта, 2003, имеет 77 миллионов транзисторов, и толщина самой маленькой линии на чипе составляет 0.13 микрона, или 0.00000013 метра. (Для спавки: 0.13 микрона составляет около 1/800 ширины человеческого волоса. Подробнее о процессорах Intel см. http://ru.wikipedia.org/wiki/список­_микропроцессоров_Intel )

Процессор обычно называется Центральным Процессором(Central Processor Unit – CPU). Работа процессора – выполнять серии машинных команд. Эти команды – инструкции для выполнения задач, записанные в форме, понятной компьютеру.

Выполнение команд CPU

Команды сохраняются в памяти компьютера (RAM – random access memory), о которой будет рассказано в разделе 2.1.2 Типы памяти.

Есть два основных компонента CPU. Один – устройство управления, которое обращается к командам, сохраненным в оперативной памяти, интерпретирует их, а затем пересылает. Другой – АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО) (ALU),которое выполняет арифметические операции (сложение, вычитание, умножение, деление) и логические операции (больше чем, меньше чем, равно), необходимые для обработки команд.

Четыре шага, которые делает CPU, выполняя команду; называются циклом выборки-выполнения. Вот эти шаги:

1. Выборка – Устройство управления получает команду из памяти.

2. Интерпретация – устройство управления декодирует команду и направляет необходимые данные от памяти к арифметико-логическому устройству (ALU).

3. Выполнение – устройство управления дает команду ALU на выполнение необходимых арифметических или логических операций.

4. Сохранение – результат вычисления сохраняется в памяти.

Рисунок внизу показывает шаги, которые делает CPU для выполнения команды сложения двух чисел. Эта команда: Let R = X + Y.

Рисунок 2. Цикл выборки-выполнения

Другой компонент процессора – кэш, – специальная высокоскоростная память, которая запоминает данные, используемые чаще всего, чтобы повысить скорость выполнения команд. Кэш может повышать скорость выборки данных, потому что недавно использованные данные, снова могут быть использованы компьютером.

Уровень 1 (L1) память кэшаили основная память кэша размещается на CPU, чтобы обеспечить самый быстрый доступ CPU к данным. Есть также более медленный кэш, кэш-память уровня 2 (L2)или вторичный кэш, расположенный между RAM и CPU (иногда на CPU). Если данные не найдены в обоих кэшах, они будут выбраны из оперативной памяти. Отметим, что данные быстрее выбираются из кэша L1, чем из кэша L2, который, в свою очередь, работает быстрее, чем оперативная память.

Рисунок ниже иллюстрирует, как части процессора согласуются с другими компонентами компьютера.

Рисунок 3. Вид процессора

Быстродействие: факторы и оценки

Скорость обработки команд контролируется внутренним тактовым генератором тактовых импульсов, известным как системные часы. Генератор посылает импульсы фиксированной периодичности, чтобы синхронизировать все компьютерные операции. Единица измерения циклов в секунду – герц (Hz). Один герц означает один цикл в секунду, один килогерц (kHz – kilohertz) – одна тысяча циклов в секунду, один мегагерц (MHz) – один миллион циклов в секунду, один гигагагерц (GHz) – один миллиард циклов в секунду. Циклы компьютерных часов тесно связаны с выполнением команд. Так, машина 3 GHz Pentium IV может выполнять больше команд в секунду, чем 2 GHz Pentium IV. Чем больше число герц, тем выше скорость выполнения команд процессором.

Так как процессоры стали быстрее, и емкость запоминающих устройств возросла, то стало возможным выполнять больше задач, чем ранее. Например, моментальная проверка орфографии может производиться непосредственно при наборе пользователем слов, тогда как некоторое время назад это было невозможно. Из-за ограниченных ресурсов предыдущие процессоры не могли позволить пользователю одновременно набирать текст и проверять правописание.

Цикл выборки-выполнения не обязательно жестко соответствует выполнению фиксированного числа команд. Иногда требуется два или более циклов для выполнения команды. И современные компьютеры иногда выполняют много команд в одном цикле. Поэтому, число выполненных команд не зависит от числа использованных циклов. Иногда, вместо тактовой частоты, машины сравниваются числом команд в секунду (IPS); это значение зависит как от количества операций в секунду, так и от того, какой вид смешивания команд (набора команд) выполняется. Машина, быстрая в финансовых вычислениях, возможно, не будет столь же быстра в графическом приложении, так как набор команд у нее будет другим.

Команды могут очень сильно отличаться. Некоторые сложные команды требуют множество циклов и занимают сравнительно много времени для выполнения. Другие команды могут быть очень простыми и занимают мало времени. Например, операция деления длится дольше, чем операция сложения. Хотя IPS – не лучший метод сравнения, он может быть полезен в сравнении похожих чипов.

Другой критерий сравнения работы компьютера – пропускная способность, – объем данных, который может передаваться в пределах определенного количества времени между компонентами компьютерной системы (скорость передачи от диска к системной плате) или через соединения с другими компьютерами. Пропускная способность выражается в битах в секунду (bps) или иногда в байтах в секунду (Bps) (напомним, что 8 битов равняются 1 байту).

Различные машины, однако, можно сравнить, выполняя стандартный набор команд с тщательным измерением и записью времени выполнения. Более точный способ измерить работу машины, –benchmarking,сравнивающий неравноправные системы или компоненты посредством стандартного набора команд или серии задач. Эталонное тестирование (benchmarking) может проверить что-либо от процессора до выполнения офисных приложений. При сравнении оценивается время, необходимое для выполнения команд. Например, в Intel тестировали свой процессор Pentium III при работе процессора над различными задачами. Также поступали и Advanced Micro Devicesс их процессорами. Вы можете посмотреть различные benchmark results, (результаты эталонного тестирования) при сравнении процессоров AMD и Intel.

Вообще, хорошо знать, какие эталонные тесты использованы при оценке. Например, эталонный тест, который проверяет скорость графики, может быть неуместен, если используемые графические приложения отличны от тех, которые использовались при тестировании. Важно убедиться, что сравнения или требования основаны на одних эталонных тестах. Особенно ценны беспристрастные результаты эталонного тестирования независимыми организациями.

Типы процессоров

Intel– широко известный разработчик процессоров. Процессоры, производимые Intel, стали чрезвычайно популярными в персональном компьютере (PC) IBM, произведенном в 1981. IBM PC использовал процессоры семейства x86 от Intel и операционную систему (MS-DOS), предоставив Intel и Microsoft долю рынка на раннем этапе и увеличив признание продукции. Развитие процессоров Intel PC, с несколькими вариациями, продвинулась от 8086-го, через 80286-ой (или просто – 286, 80 часто пропускается), к 386-му и 486-му. 586 был переименован в Pentium по причинамлегализации и маркетинга. Среди семейства Pentium – есть Pentium Pro, Celeron, и Pentium II, III, IV, М., и Xeon. Читать о истории процессоров Intel. Узнать о последних процессорах Intel.

Такие компании как Advanced Micro Devices (AMD) сейчас продают на рынке чипы процессора, совместимые с семейством Pentium. Эти чипы, под названием "Клоны (имитации Pentium)", обычно менее дорогие и иногда даже быстрее, чем продукция Intel. Продолжается борьба среди изготовителей чипов, чтобы обеспечить самые быстрые процессоры при самой низкой стоимости. Хотя Intel сохраняет большинство доли рынка для процессоров Pentium, чипы других продавцов находят широкое применение, особенно в менее дорогих системах, спроектированных для домашнего использования. Читать о процессорах AMD.

Другая широко применяемая архитектура процессора – PowerPC, используемая в семействе компьютеров Macintosh. PowerPC был основан на архитектуре IBM, а затем изменен Motorola и Apple. Серверы базы данных, хранящие большие количества данных, иногда проектируются с помощью семейства процессоров SPARC, созданных Sun Microsystems. Для устройств небольших размеров есть много специализированных семейств чипов процессоров, созданных для встроенных приложений, например в автомобилях или сотовых телефонах. Сотовый телефон – фактически сравнительно мощный компьютер с радиопередатчиком, как основным внешним устройством. Если вас заинтересовало, вы можете узнать о том, как работает сотовый телефон.

Вот также некоторые Веб-узлы, которые сравнивают характеристики CPU и цены на CPU. Если вы встречаете незнакомые термины, есть справочные ресурсы, например Geek.com или Webopedia. Сравнивая процессоры, имейте в виду, что некоторые процессоры с пометками "mobile" или "-M" в его имени указывают, что они могут использоваться для портативных компьютеров. Например, AMD Mobile Duron и Mobile Athlon XP – для портативных компьютеров (лаптопов). Процессоры для лаптопов, в общем, имеют меньшую скорость обработки для снижения энергопотребления и увеличения продолжительности жизни батареи. Intel "mobile" или "-M" процессоры для лаптопов и процессоры Transmeta (в настоящее время практически не используются) – в основном для лаптопов.

Типы памяти

• RAM (оперативная память)
• ROM (постоянное запоминающее устройство)
• CMOS Memory (кэш-память)
• Резюме

Компоненты памяти включают оперативную память, также известную как RAM, и компоненты памяти для загрузки или запуска компьютера, – ROM и CMOS. Каждый из этих компонентов памяти будет обсуждаться на последующих страницах.

Рисунок внизу иллюстрирует в общем виде различные типы памяти.

Рисунок1. RAM, ROM, и CMOS

RAM

RAM (память прямого доступа) – временная область как для данных так и команд. Ее также, называют – оперативная память. RAM запоминает данные и команды, необходимые для выполнения программ. Данные в RAM теряются, когда компьютер выключается. Несмотря на последовательный доступ к данным, что означает последовательный поиск данных, доступ к данным в оперативной памяти может быть осуществлен непосредственно через их адрес. Поэтому RAM поддерживает "память прямого доступа". Прямой доступ подобен доступу к песне на CD, непосредственно через номер дорожки в противоположность поиску песни последовательно на ленте магнитофона.

RAM измеряется ее объемом и временем ожидания.

Объем –максимальное число битов или байтов, которые могут быть сохранены. Объем оперативной памяти обычно измеряют в мегабайтах (МB) и гигабайтах (GB). Большинство современных компьютеров имеют объем оперативной памяти 1GB и больше.

Время ожидания –задержка между временем, когда устройство памяти получает адрес и время доступа к первому биту данных от устройства памяти. Эта задержка также называется временем доступа. Время ожидания обычно измеряется в наносекундах (ns), биллион секунд (10^-9 sec). Скорость оперативной памяти измеряется временем ожидания.

Две категории памяти RAM, называемой DRAM и SRAM описаны ниже.

DRAM – Динамическая память – основной тип оперативной памяти. Она сделана на интегральной микросхеме (IC), состоящей из миллионов транзисторов и конденсаторов. Конденсатор может держать электроны, так же как кружка – воду. Пустой конденсатор представляет ноль, и не пустой конденсатор – единицу. Каждый конденсатор может быть как нулем так и единицей для ячейки памяти, сохраняя один бит данных. Транзистор подобен выключателю, который управляет состоянием конденсатора (заряжен или не заряжен, 1 или 0), – читается или изменяться. Изменение состояния конденсатора подобно записи новых данных в ячейки памяти. К сожалению, конденсатор это кружка, которая протекает, и для того, чтобы сохранить его заряд, элементу управления памятью нужно его периодически перезаряжать или обновлять. Поэтому, данный тип памяти называют динамической, вследствие того, что ее состояние не постоянно. Обновление конденсаторов также занимает время и замедляет память.

Есть несколько видов DRAM, один – SDRAM(синхронная динамическая оперативная память),используемая во многих персональных компьютерах. Она быстрая и относительно недорогая. Она синхронизирована с тактовым генератором таким образом, что данные могут быть отправлены в CPU в каждом такте, увеличивая число команд, которое процессор может выполнить в пределах предоставленного времени. Ниже – рисунок SDRAM, сконфигурированной как серия DIP (dual in-line packages – двусторонние встроенные пакеты), которая имеет два ряда контактов, соединяющих микросхему IC с системной платой. Данная схемная плата названа DIMM (dual in-line memory module – двойной встроенный модуль памяти).

Рисунок 2. Плата SDRAM

Более быстрая версия SDRAM – DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM – двойная скорость передачи данных SDRAM), которая передает удвоенное количество данных за такт по сравнению с SDRAM. Ее объем – до 2 GB.

Другой вид DRAM – RDRAM (Rambus Dynamic RAM, динамическая оперативная память Rambus), которая имеет большую пропускную способность, чем SDRAM, но дороже в сравнении с ней (в настоящее время не выпускается). Высокая пропускная способность расширяет быстродействие приложений, которые требуют большое количество данных из памяти, т.е. видео в реальном времени и видеоредактирование. Вы можете узнать больше о RDRAM.

SRAM –статическая RAM – вид оперативной памяти, которая использует транзисторы для сохранения данных. Поскольку SRAM не использует конденсаторы, чтение данных из SRAM не требует перезарядки конденсаторов. Поэтому она быстрее, чем DRAM. Но, она состоит из большего количества электронных частей, содержит меньше битов и стоит больше по сравнению с DRAM того же размера. SRAM предназначена для использования в кэше, потому что она быстрая и кэшу не требуется большого количества памяти.

В следующей таблице – список сравнения объема и цен видов оперативной памяти, упомянутых выше.

Таблица1. Сравнение различных типов RAM

Вы можете узнать больше о RAM в официальном документе "A Basic Overview of Commonly Encountered Types of Random Access Memory (RAM)." Таблицу сравнения типов RAM можно найти на 20-й странице PDF-файла.

ROM

Постоянное запоминающее устройство ПЗУ (ROM) программируется вместе с аппаратными компонентами в процессе производства. Данные и команды в ROM постоянны, или энергонезависимы, а это означает, что они не теряются, когда питание выключается. В чем необходимость ROM, если RAM позволяет выполнять все необходимые операции памяти для компьютера? Ответ следующий – поскольку данные в оперативной памяти теряются, когда компьютер выключается, некоторые команды, нужные CPU для запуска и загрузки компьютера записываются в ROM. Поэтому, ROM содержит набор команд, необходимых для запуска компьютера. Эти команды говорят компьютеру, как обратиться к жесткому диску, находят операционную систему, и загружают ее в оперативную память. Затем оперативная память запоминает все последующие команды для выполнения процессором.

Обычно, ROM зашит вместе со стартовыми командами компьютера. Когда-то, при изменении загрузочных команд (например, чтобы установить новую видеокарту и отключить старую) требовалась замена чипа ROM. В настоящий момент, ROM, электрически стираемое программируемое ПЗУ(EEPROM), может быть перезаписано с использованием электрического тока. При этом процесс изменения происходит так, что в каждый момент времени изменяется один байт. Это замедляет процесс обновления.

Альтернатива EEPROM – перепрограммируемая память (флэш). Перепрограммируемая память – вид EEPROM, где данные перезаписываются кусками, обычно размером 512 байт, вместо 1 байта за один раз.

CMOS Память CMOS

Параметры конфигурации компьютера, такие емкость запоминающего устройства, объем памяти (RAM) и конфигурации дисплея, также могут быть сохранены постоянно. Эта информация запоминается в памяти CMOS (complementary metal oxide semiconductor – комплиментарный метало оксидный полупроводник). Чипу CMOS требуется очень маленькая электрическая энергия для сохранения данных. Он может питаться от маленькой батарейки на системной плате или батарейки упакованной вместе с чипом. Батарейка поддерживает данные на CMOS, когда компьютер выключен.

Больше о роли BIOS и CMOS в загрузке компьютера будет рассказано далее в модуле 4: Программное обеспечение операционных систем.

Резюме

Ниже приведена схема принятия решений, указывающая при каких условиях необходим каждый тип памяти.

Рисунок 3. Дерево решений памяти

Таблица ниже показывает различные устройства памяти, включая регистр, которые сохраняют результаты работы CPU. Диаграмма также дает список относительной цены, объема памяти, времени ожидания, и расположения каждого устройства.

Таблица 2. Сравнение устройств памяти

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: