3. Системы, расположенные на материнской плате

3.1. Оперативная память (RAM – Random Access Memory) – набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен.

Слово «оперативное» означает, что процессор быстро получает доступ к нужным данным. Эффективность работы компьютера зависит от объема оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). При выборе между процессором среднего уровня с большим объемом памяти ОЗУ и быстродействующим процессором с недостаточным объемом ОЗУ, предпочтение будет отдано первому варианту. На протяжении всей истории компьютеров оперативная память всегда имела большое значение. Более того, для сегодняшних быстродействующих, многозадачных и работающих с графической информацией компьютеров требуется огромное количество памяти. Первый компьютер IBM PC поставлялся с ОЗУ объемом всего 16 Кбайт. Современные компьютеры оснащаются, как минимум 128 Мбайтами памяти.

Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и скорость передачи данных. Сегодня наиболее распространены модули объемом 128 – 512 Мбайт. Скорость передачи данных определяет максимальную пропускную способность памяти (в Мбайт/с или Гбайт/с) в оптимальном режиме доступа. При этом учитывается время доступа к памяти, ширина шины и дополнительные возможности, такие как передача нескольких сигналов за один такт работы. Одинаковые по объему модули могут иметь разные скоростные характеристики.

В настоящее время компьютеры оснащаются двумя типами памяти: динамической (DRAM) и статической (SRAM). Всю информацию, которая содержится в динамической оперативной памяти, нужно постоянно обновлять. Если оперативную память постоянно не «подзаряжать», утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.

Статическая память сохраняет записанные данные до тех пор, пока они не будут перезаписаны или пока система не будет выключена. Таким образом достигается большая производительность и уменьшаются задержки, так как ни процессору, ни подсистеме памяти не нужно тратить циклы, постоянно обновляя ОЗУ. Память SRAM стоит дороже чем DRAM, а её преимущества заметны только при небольших объемах. Именно поэтому вся системная память не является статической.

Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Кэш-память – это небольшой блок очень быстрой памяти, которая физически располагается очень близко к процессору. Поскольку она находится близко и процессору не нужно обращаться к контроллеру памяти, чтобы получить к ней доступ, содержимое кэш-памяти можно очень быстро извлечь. Здесь идет речь о наносекундах (миллиардные доли секунды), но именно эти сэкономленные наносекунды играют немалую роль в обеспечении быстродействия системы.

Разработчики следуют правилу «80/20». Оно означает, что около 20% инструкций, приложений и данных обычного компьютера используется на протяжении 80% рабочего времени. Среди наиболее часто используемых фрагментов кода находятся инструкции низкого уровня для сохранения или извлечения файлов, распознавание вводимых с клавиатуры символов и, все больше и больше команд, связанных с Интернет.

Когда процессор выполняет инструкцию, контроллер памяти копирует её в кэш. Последние использованные биты данных имеют наивысший приоритет. А когда кэш-память полностью заполнена, самые «старые» биты данных удаляются, а на их место записываются новые.

Кэш-память может быть частью самого процессора, либо располагается рядом на модуле или картридже, на котором расположен процессор, либо в гнезде на системной плате.

3.2. Процессор – основная микросхема компьютера, в которой производятся все вычисления. Процессор аппаратно реализуется на большой интегральной схеме (БИС). Большая интегральная схема на самом деле не является «большой» по размеру и представляет собой, наоборот, маленькую плоскую полупроводниковую пластину размером примерно 20 х 20 мм, заключенную в плоский корпус с рядами металлических штырьков (контактов). БИС является большой по количеству элементов. Использование современных высоких технологий позволяет разместить на БИС процессора огромное количество (42 миллиона в процессоре Pentium 4) функциональных элементов (переключателей), размеры которых составляют всего около 0,13 микрон (1 микрон = 10^-6метра).

Важнейшей характеристикой, определяющей быстродействие процессора, является тактовая частота, то есть количество тактов в секунду. Такт – это промежуток времени между началами подачи двух последовательных импульсов специальной микросхемой – генератором тактовой частоты, синхронизирующим работу узлов компьютера. На выполнение процессором каждой базовой операции (например, сложения) отводится определенное количество тактов. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но 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 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.

Современные процессоры обладают совместимостью по принципу «сверху вниз».

Принцип совместимости «сверху вниз» - это пример неполной совместимости, когда каждый новый процессор «понимает» все команды своих предшественников, но не наоборот. Это естественно, поскольку двадцать лет назад разработчики процессоров не могли предусмотреть систему команд, нужную для современных программ. Благодаря такой совместимости на современном компьютере можно выполнять любые программы, созданные в последние десятилетия для любого из предшествующих компьютеров, принадлежащего той же аппаратной платформе.