Рассмотрим состав и назначение основных блоков ЭВМ на примере настольного персонального компьютера (ПК или PC – personal computer) архитектуры x86-64. Внешний вид такого ПК за последние десять лет не претерпел существенных изменений, если, конечно, это не ультрасовременный моноблок, планшет или ноутбук. Минимальный набор необходимых для работы устройств по-прежнему включает системный блок и внешние (периферийные) устройства: монитор (дисплей) и клавиатуру. Современный компьютер чаще всего имеет в своём составе также манипулятор-мышь и звуковые колонки.
Системный блок – корпус, в котором размещены основные электронные компоненты или модули ПК. Иногда, особенно в магазинах, именно его и называют компьютером, так как монитор продаётся отдельно. Типоразмеры корпуса бывают двух основных видов:
- вертикального расположения (tower – башня), разновидности: baby-tower, mini-tower, midi-tower, big-tower;
- горизонтального расположения (desktop), разновидности: small-footprint, slimline, (ultra) superslimline.
Состав системного блока (рис. 4.3):
- системная (или материнская) плата (motherboard) с расположенными на ней электронными компонентами, платами и разъёмами;
- накопители или приводы для сменных накопителей;
- блок питания (БП).
Рис. 4.3. Состав ПК
Блок питания смонтирован вместе с корпусом системного блока. Мощность блока питания варьируется в зависимости от типа корпуса – от 100–150 Вт (slim) до 300–330 Вт (big tower), выпускаются и более мощные модели 500 и даже 800 Вт.
На материнской плате размещаются все внутренние устройства компьютера (без которых компьютер принципиально не может работать – процессор и память), а также интегрируется всё больше устройств, относящихся к внешним (аудио-, видео-, сетевой и другие интерфейсные контроллеры).
Тип и характеристики различных элементов и устройств материнской платы, как правило, определяется типом и архитектурой центрального процессора. Как правило, именно центральный процессор или процессоры, их семейство, тип, архитектура и исполнение определяют тот или иной вариант архитектурного исполнения материнской платы.
По числу процессоров, составляющих центральный процессор, различают однопроцессорные и многопроцессорные (мультипроцессорные) материнские платы. Большинство персональных компьютеров являются однопроцессорными системами и комплектуются однопроцессорными материнскими платами.
Центральный процессор (ЦП, или CPU – Central Processing Unit) современного компьютера – микропроцессор (МП) – функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное на одной или нескольких СБИС. Именно процессор выполняет в соответствии с программой обработку информации и управление устройствами компьютера. В составе микропроцессора объединяются шиной уже знакомые нам АЛУ и УУ, а также регистры микропроцессорной памяти (МПП), часто имеется кэш-память и математический сопроцессор чисел с плавающей запятой. Тактовая частота процессора может существенно превосходить частоту системной шины и получаться из неё путём умножения. Частоту шины задаёт генератор тактовых импульсов (ГТИ), а процессора – его внутренний умножитель частоты.
Основные функции микропроцессора:
- выборка команд из памяти;
- декодирование команд, т.е. выделение из машинной команды кода операции и операндов, определение её назначения;
- выполнение операций, закодированных в командах;
- управление передачей информации между своими регистрами памяти, оперативной памятью и внешними устройствами;
- обработка прерываний (запрос на обработку по требованию внешнего устройства или при выполнении программы, например, переполнение).
Среди регистров МПП следует отметить счётчик адреса команд (автовычисление адреса следующей команды), регистр состояния (флаговый регистр – переполнение, ноль, знак результата), указатель стека (последний вошёл – первый вышел, неявная адресация), регистры общего назначения (хранение различных данных, работа с ними быстрее, чем с памятью).
В современных персональных компьютерах разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:
- полная система команд переменной длины – Complex Instruction Set Computer (CISC);
- сокращённый набор команд фиксированной длины – Reduced Instruction Set Computer (RISC).
Весь ряд процессоров фирмы Intel, устанавливаемых в персональные IBM-совместимые компьютеры, имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, используемые фирмой Apple для своих персональных компьютеров, имеют архитектуру RISC. Обе архитектуры имеют свои преимущества и недостатки.
CISC-процессоры имеют обширный набор команд (сотни), из которых программист может выбирать наиболее подходящие для решения задачи. Недостатком этой архитектуры является то, что большой набор команд усложняет внутреннее устройство управления процессором, увеличивает время исполнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнения.
RISC-архитектура имеет ограниченный набор команд, и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессора. К недостаткам RISC-архитектуры можно отнести то, что если требуемой команды в наборе нет, программист (а точнее компилятор) вынужден реализовать её с помощью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода.
Процессоры для ПК выпускают многие фирмы, но законодателем моды здесь являются фирмы Intel и AMD (Advanced Micro Devices). Одним из приоритетных направлений увеличения производительности признано увеличение количества вычислительных ядер процессора, содержащихся в одном корпусе. Многоядерные процессоры способны осуществлять независимое параллельное выполнение нескольких потоков команд одновременно.
Одним из представителей последних моделей производительных процессоров семейства Intel Core i7 третьего поколения является Intel Core i7-3970X Processor Extreme Edition. Этот самый мощный (на сегодня сентябрь 2012 г.) шестиядерный процессор для настольных ПК можно охарактеризовать следующими параметрами:
- Тактовая частота – 3,5 (с технологией Turbo Boost – 4,0) ГГц;
- Кеш память (технология Smart Cache) – 15 МБ;
- Разрядность – 64 бит;
- Размер корпуса – 52,5 на 45 мм;
- Количество транзисторов – 2,27 млрд.;
- Тип разъёма материнской платы – FCLGA2011;
- Технология Hyper-Threading (гиперпоточность) – позволяет каждому ядру процессора одновременно выполнять две задачи (два потока команд), в результате чего шесть физических ядер определяются операционной системой как 12 виртуальных;
- Технология виртуализации VT (Virtualization Technology) – поддержка нескольких операционных систем на одном компьютере;
- Технология Turbo Boost – автоматически ускоряет работу процессора при необходимости за счёт «передачи» неиспользуемых ресурсов производительности активным ядрам (путём повышения их тактовой частоты свыше номинальной);
- Технология SpeedStep – энергосбережение за счёт динамического изменения частоты и энергопотребления процессора в зависимости от используемого источника питания.
Одна из последних разработок фирмы AMD – «первый в мире реально восьмиядерный процессор для ПК» AMD FX 8350 (8-Core Black Edition), имеет во многом сходные в сравнении с представленным процессором Intel характеристики. Стоимость процессоров AMD может оказаться на 10% дешевле аналогичных процессоров Intel. Однако многие разработчики программ отдают предпочтение спецификациям процессоров Intel, поэтому не все программы оптимизированы для работы на процессорах AMD, хотя для обычного пользователя эта разница может быть и незаметна.
Оперативным запоминающим устройством (ОЗУ, или RAM – Random Access Memory) называется память с произвольным (и чтение, и запись) доступом. Оперативная, т.е. рабочая, память предназначена для хранения исполняемых программ и соответствующих им данных. Стандартный размер адресуемой ячейки ОЗУ равняется одному байту. Информация в ОЗУ сохраняется всё время, пока на схемы памяти подаётся питание, т.е. она является энергозависимой.
Существует два вида ОЗУ, отличающиеся техническими характеристиками: динамическое ОЗУ, или DRAM (Dynamic RAM), и статическое ОЗУ, или SRAM (Static RAM). Разряд динамического ОЗУ построен на одном транзисторе и конденсаторе, наличие или отсутствие заряда на котором определяет значение, записанное в данном бите. При записи или чтении информации из такой ячейки требуется время для накопления (стекания) заряда на конденсаторе. Поэтому быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем у статического ОЗУ, разряд которого представляет собой триггер на четырёх или шести транзисторах. Однако из-за большего числа элементов на один разряд в одну СБИС статического ОЗУ помещается гораздо меньше элементов, чем у динамического ОЗУ. Например, современные СБИС динамических ОЗУ способны хранить 256–1024 Мбайт информации, а схемы статических ОЗУ только 256–512 Кбайт. Кроме этого, статические ОЗУ более энергоёмки и значительно дороже. Обычно в качестве оперативной или видеопамяти используется динамическое ОЗУ.
Статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей памяти. Эта память называется кэш-памятью (от англ. cache – запас). Время обращения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем у ОЗУ, и сравнимо со скоростью работы самого процессора. Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновременно копируются и в кэш-память. Если процессор повторно обратится к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Такая же операция происходит и при записи процессором данных в память. Они записываются в кэш-память, а затем в интервалы, когда шина свободна, переписываются в ОЗУ.
Современные многоядерные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри корпуса процессора и разделяется на несколько уровней. Самой быстрой памятью, работающей на частоте процессора, является кэш первого уровня (L1-cache). По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. Подразделяется на кэш команд и кэш данных. Кэш первого уровня имеет небольшой объём – обычно не более 128 Кбайт. Кэш-память второго уровня имеет уже меньшее быстродействие, но больший объём – единицы Мбайт, при этом весь объём складывается из равных долей кэша каждого ядра. И, наконец, кэш третьего уровня является наименее быстродействующей микропроцессорной памятью, но всё равно значительно превосходящей по быстродействию оперативную память. Кэш третьего уровня обычно расположен отдельно от ядра ЦП, достигает объёма в десятки Мбайт и является общим для всех ядер, при этом каждое ядро процессора может динамически использовать до 100 % от доступного объёма кэш-памяти.
Управление записью и считыванием данных в кэш-память выполняется автоматически. Когда кэш-память полностью заполняется, то для записи последующих данных устройство управления кэш-памяти по специальному алгоритму автоматически удаляет те данные, которые реже всего использовались процессором на текущий момент. Использование процессором кэш-памяти увеличивает производительность процессора, особенно в тех случаях, когда происходит последовательное преобразование относительно небольшого числа данных, которые постоянно во время преобразования хранятся в кэш-памяти.
В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ, как тестирование и начальная загрузка компьютера, управление внешними устройствами. Она является энергонезависимой, т.е. сохраняет записанную информацию при отсутствии напряжения питания. Такая память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory). Постоянные запоминающие устройства можно разделить по способу записи в них информации на следующие категории:
- ПЗУ, программируемые однократно. Программируются при изготовлении и не позволяют изменять записанную в них информацию;
- перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). Позволяют перепрограммировать их многократно. Стирание хранящейся в ППЗУ информации осуществляется или засветкой полупроводникового кристалла ультрафиолетовым излучением, или электрическим сигналом повышенной мощности.
Системная (общая) шина обеспечивает обмен информацией между функциональными узлами. Общая шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шина адреса, шина данных, шина управления. Каждая шина характеризуется шириной или разрядностью – числом параллельных проводников для передачи информации. Другая важная характеристика – тактовая частота шины, на которой работает контроллер шины при управлении передачей информации.
Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Ширина шины адреса определяет максимальное количество ячеек, которое она может адресовать напрямую. Если ширина шины адреса равна N, то количество адресуемой памяти равно 2 N. Шина данных предназначена для передачи команд и данных. В современных компьютерах по шестидесятичетырёхразрядной шине данных за один такт передаётся 8 байт информации. Ширина шины управления зависит от типа шины и алгоритма её работы или, как говорят, протокола работы шины.
Примерный протокол работы системной шины состоит из четырёх пунктов. Первый такт – процессор выставляет на шину адреса адрес ячейки памяти или порта внешнего устройства и устанавливает на шине управления сигналы, определяющие тип обмена. На втором такте работы процессор получает сигнал готовности выбранного устройства к приёму или передаче информации. Если сигнал готовности не получен, второй такт может повторяться бесконечное число раз. На третьем такте процессор или открывает шину для приёма данных, или, при записи, выставляет на шину данных передаваемую информацию. На четвёртом такте происходит обмен информацией, и работа протокола передачи заканчивается.
Приведём основные типы шин, используемых в компьютерах, и их характеристики.
PCI (Peripheral Component Interconnect – стандарт подключения внешних компонентов) применяется в настольных компьютерах. Это интерфейс шины, связывающей процессор с оперативной памятью, в которую врезаны разъёмы для подключения внешних устройств. Данный интерфейс поддерживает частоту шины 33 МГц и обеспечивает пропускную способность 132 Мбайт/с. Последующие версии интерфейса с частотой шины 66 МГц обеспечивают пиковую производительность 264 Мбайт/с для 32-разрядных данных и 528 Мбайт/с для 64-разрядных данных (при частоте 66,66 МГц – 533 Мбайт/с). Важным нововведением стала поддержка так называемого режима plug-and-play, сформировавшегося в промышленный стандарт на самоустанавливающиеся устройства. После физического подключения внешнего устройства к разъёму шины PCI происходит обмен данными между устройством и материнской платой, и устройство автоматически получает номер используемого прерывания, адрес порта подключения и номер канала прямого доступа к памяти (в отличие от устаревшей шины ISA, где настройка прерываний осуществлялась переключателями на карте адаптера).
PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) применяется в переносных компьютерах класса ноутбук и имеет параметры, сравнимые с параметрами шины PCI.
AGP (Accelerated Graphics Port) – локальная шина, введённая для повышения производительности графической подсистемы компьютера, позволяет организовать непосредственную связь видеоконтроллера и оперативного запоминающего устройства. Имеет конвейерную организацию выполнения операций чтения/записи, что позволяет избежать задержек при обращении к модулям памяти. При установке режима параллельной передачи восьми блоков за один такт обеспечивается пиковая скорость передачи 2112 Мбайт/с. В настоящее время для увеличения производительности видеосистемы используется новая, более быстрая и прогрессивная шина PCI Express.
PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда. В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных общую шину, устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором. Каждое соединение обладает пропускной способностью до 250 Мбайт/с. Эта величина обеспечивается в обоих направлениях одновременно, что составляет 0,5 Гбайт/с для каждого соединения (в спецификации PCI Express 2.0 – 1 Гбайт/с) независимо от общего количества подключений. Кроме того, важной особенностью является масштабирование, т.е. возможность одновременного использования нескольких каналов сразу для получения соответствующей производительности. Так, пропускная способность PCI Express 2.0 со слотом ´32 составляет 32 Гбайт/с.
Контроллеры (адаптеры) служат для подключения внешних (по отношению к процессору) устройств к системной шине. В современных компьютерах контроллеры клавиатуры, накопителей на жёстких и гибких магнитных дисках (НЖМД и НГМД соответственно), накопителей на оптических дисках (НОД), аудио-, видео- и сетевые адаптеры чаще всего располагаются на системной плате. Набор микросхем, определяющих возможности системной платы (а также реализующих функции контроллеров и портов), называют чипсетами (Chipsets). Для подключения дополнительных контроллеров на системной плате имеются соответствующие стандарту шины разъёмы (слоты расширения).
