64 Разрядные процессоры
128 Битовые шины данных Память
Персональные ЭВМ используют три вида памяти: постоянную, оперативную и внешнюю. Последняя относится обычно к внешним устройствам.
Постоянная память, или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), - это место, где хранится такая информация, которая не должна меняться в ходе выполнения МПр программы. В литературе она обычно фигурирует под аббревиатурой ROM (Read Only Memory), указывающей на то, что обеспечиваются только режимы считывания и хранения. Постоянная память обладает свойством энергонезависимости, то есть способностью сохранять информацию и при отключенном питании. К такой информации относятся наборы программ и данных базовой системы ввода-вывода (BIOS), а именно: программы ввода-вывода, благодаря которым операционная система и прикладные программы могут взаимодействовать с различными устройствами как самого компьютера, так и подключенными к нему, программу тестирования при включении питания компьютера и программу начального загрузчика, необходимую для загрузки операционной системы с соответствующего накопителя.
Оперативная память, или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения МПр вычислительных операций, так как она предназначена для хранения текущей информации. Этот вид памяти обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации (выполняемых программ, исходных данных). Доступ может осуществляться в любой момент времени к произвольно выбранной ячейке, поэтому оперативную память называют также памятью с произвольной выборкой - RAM (Random Access Memory).
Для построения запоминающих устройств такого типа применяют микросхемы статической и динамической памяти.
В первом случае в качестве элементарной ячейки памяти используется статический триггер, который может находиться либо в возбужденном состоянии, соответствующем запоминанию единицы, либо в сброшенном, означающем хранение нуля. Состояние триггера не изменяется, если в нем не запоминаются новые данные или не прерывается подвод питания. Статический вид памяти обладает высоким быстродействием, но имеет существенный недостаток, который заключается в относительно высоком энергопотреблении. Поэтому статическая память используется в самых ”узких” местах микропроцессорной системы, например для организации кэш-памяти, а для ОЗУ применяют микросхемы динамической памяти..
Каждый бит динамической памяти представляется в виде наличия (или отсутствия) заряда на конденсаторе, образованном в полупроводниковом кристалле. Так как время хранения заряда ограничено (из-за явления стекания заряда), то необходимо периодическое восстановление записанной информации, которое выполняется в циклах регенерации. Регенерация заключается в последовательном считывании содержимого ОЗУ. В процессе считывания данных микросхема ОЗУ обеспечивает их автоматическую перезапись по тем же адресам. В результате во всех конденсаторах, где хранятся единицы, восстанавливаются полные заряды, а где хранятся нули, заряд по-прежнему отсутствует. Операции разрядки-перезарядки занимают определенное время, что отражается на скорости работы динамической памяти.
Кэш-память. Большинство элементов, на которых построен МПр, функционируют примерно так же, как и ячейки статической памяти. Поэтому их быстродействие существенно выше, чем элементов RAM. Такая ситуация приводит к существенному снижению производительности системы. Поэтому к шине МПр подключается кэш-память - область сверхоперативной памяти, выполненная на микросхемах статической памяти с временем доступа. Блок информации (программные конструкции, наборы данных) из оперативной памяти считывается сначала в кэш-память и уже из нее считывается процессором. Преимущество такого способа передачи данных заключается в том, что, во-первых, часть обращений к медленному ОЗУ заменяется на обращения к быстрой статической памяти, а во-вторых, информация из кэш-памяти поступает по быстродействующей шине. Помимо описанной выше кэш-памяти, называемой внешней, в состав процессоров, работающих с умножением внешней тактовой частоты, включают еще внутреннюю кэш-память (или кэш-память первого уровня) емкостью 16 и более Кбайт. Так как внутренние функциональные узлы подобных МПр используют умноженную тактовую частоту, а внешняя кэш-память - обычную, то часть информации считывается из внешней во внутреннюю кэш-память. При этом последняя обычно разделена на две секции: для данных и для команд, что позволяет исполнительным устройствам МПр быстрее отыскивать нужную информацию.
Количество и объем КЭШ памяти (быстрой памяти) Кэш L2: 12 Мб.
Во всех существующих на сегодняшний день многоядерных процессорах кэш-память первого уровня у каждого ядра своя, а кэш 2-го уровня существует в нескольких вариантах:
-
разделяемый — кэш расположен на одном с обеими ядрами кристалле и доступен каждому из них в полном объёме. Используется в процессорах семейств Intel Core.
-
индивидуальный — отдельные кэши равного объёма, интегрированные в каждое из ядер. Обмен данными из кэшей L2 между ядрами осуществляется через контроллер памяти — интегрированный (Athlon 64 X2) или внешний (Pentium D).
Взаимодействие центральных и периферийных устройств ПЭВМ
Все периферийные устройства должны коммутироваться с центральной частью компьютера таким образом, чтобы вводимые данные могли корректно поступать в МПр, а информация, поступающая на устройства вывода, должна быть предварительно обработана, чтобы соответствовать спецификации этих устройств. Иначе говоря, обмен данными между устройствами возможен только в случае совместимости их интерфейсов.
Под интерфейсом понимают совокупность различных характеристик какого-либо устройства, определяющих организацию обмена информацией между ним и МПр. Это электрические и временные параметры, набор управляющих сигналов, протокол обмена данными и конструктивные особенности подключения.
В случае несовместимости интерфейсов используют контроллеры, в состав которых входят схемы сопряжения и регистры, используемые для временного хранения передаваемой информации (порты ввода-вывода).
С середины 2000 годов для подключения периферийных устройств широко используется интерфейс USB (универсальная последовательная шина).
Периферийные устройства, с поддержкой USB при подключении к компьютеру автоматически распознаются системой, и готовы к работе без вмешательства пользователя.
USB устраняет проблему ограничения числа подключаемых устройств. При использовании USB с компьютером может одновременно работать до 127 устройств.
USB позволяет выполнять "горячее" (оперативное) подключение. При этом не требуется предварительное выключение компьютера, затем подключение устройства, перезагрузка компьютера и настройка установленных периферийных устройств.
Проще говоря, USB позволяет фактически реализовать все преимущества современной технологии "plug and play" ("включай и работай").
При подключении периферийного устройства вырабатывается аппаратное прерывание и управление получает драйвер контроллера USB , который на сегодняшний день интегрирован во все выпускаемые чипсеты материнских плат. Он опрашивает устройство и получает от него идентификационную информацию, исходя из которой, управление передается драйверу, обслуживающему данный тип устройств.
При взаимодействии МПр и периферийных устройств важную роль играют прерывания. ПУ вырабатывает специальный сигнал (запроса прерывания) в момент его готовности для обмена данных с МПр. Так как прерывания могут возникать одновременно от различных устройств, то каждое из них имеет свой приоритет. Для управления очередностью и анализа возможностей выполнения прерываний в компьютере предусмотрено специальное устройство - контроллер прерываний.
При получении запроса от ПУ по одной из линий управляющей шины контроллер прерываний выдает в МПр сигнал прерывания (если оно должно быть обработано). Последний приостанвливает выполнение текущего задания и запрашивает, на каком устройстве произошло прерывание. Получив по шине данных из контроллера прерываний номер прерывания, МПр использует его как индекс для выборки из таблицы адреса программы - обработчика данного прерывания, под управлением которой осуществляется операция ввода-вывода. После того, как прерывание будет обработано МПр, выполнение текущих операций будет продолжено.
Основная Внешние
программа
запросы
из
шины управления 
Программа
МПр
обработки
Номер Контроллер
прерывания
прерывания прерываний
Основная
программа
Таким образом, компьютер можно представить как набор элементов, связанных межде собой каналами связи. Обмен информацией между отдельными элементами выполняется в виде электрических сигналов. Все сигналы можно разделитьна управляющие и информационные. Управляющие сигналы предназначены для организации обмена информацией между отдельными элементами компьютера, а информационные содержат собственно пересылаемую информацию.
Рассмотрим такое взаимодействие на примере ввода символа с клавиатуры.
При нажатии клавиши утройство клавиатуры вырабатывает управляющий сигнал «Нажатие на клавишу» и информационный сигнал, представляющий собой номер нажатой клавиши. При отпускании клавиши клавиатура вырабатывает управляющий сигнал «Отпускание клавиша» и информационный сигнал «Номер клавиши».
Код символа записывается в специальное место памяти, которое называется буфером ввода с клавиатуры. Если в буфере закончилось место, то вместо записи кода символа в буфер программа генерирует звуковой сигнал.
Управляющий сигнал «Нажатие клавиши» прерывает выполнение текущей программы до завершения обработки этого сигнала, а сам сигнал называется прерыванием.
Обмен информацией между процессором и всеми внешними устройствами реализуется в форме системы прерываний, в которой управляющим сигналам с различных устройств соответствует своя программа обработки сигнала, позволяющая организовать обмен информацией между устройствами различного типа и процессором. Все это называется механизмом прерываний.
С другой стороны, выполняемой процессором программе в какой-то момент времени может потребоваться информация, в виде кода символа, введенного с клавиатуры. В этом случае выполнение программы приостанавливается, сохраняются все параметры ее выполнения и запускается специальная программа, которая читает код символа из буфера. Таким образом, выполнение программы может быть приостановлено и по инициативе самой программы. Такое действие программы называют исключением.
Рассмотрим такое взаимодействие на примере ввода символа с клавиатуры.
При нажатии клавиши утройство клавиатуры вырабатывает управляющий сигнал «Нажатие на клавишу» и информационный сигнал, представляющий собой номер нажатой клавиши. При отпускании клавиши клавиатура вырабатывает управляющий сигнал «Отпускание клавиша» и информационный сигнал «Номер клавиши». Управляющий сигнал «Нажатие клавиши» поступает на процессор, который в это время занят выполнением какой-либо программы. При поступлении этого сигнала процессор приостанавливает выполнение текущей программы, сохраняет все парамеры ее выполнения и начинает выполнять программу получения информации с клавиатуры. Программа определяет номер нажатой клавиши и по этому номеру определяет код символа клавиши из таблицы сиволов.
Код символа записывается в специальное место памяти, которое называется буфером ввода с клавиатуры. Эта область памяти позволяет разместить в ней ограниченное количество кодов. После выполнения этих действий программа полчения информации с клавиатуры организует некоторую задержку. Если за это время не поступает сигна «Отпускание клавиши», то программа записывает в буфер ввода с клавиатуры еще один код символа нажатой клавиши и снова повторяет задержку. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не появится сигнал «Отпускание клавиши» или не закончится место в буфере. Если в буфере закончилось место, то вместо записи кода символа в буфер программа генерирует звуковой сигнал. После получения сигнала «Отпускание клавиши» работа программы получения информации завершается, а процессор восстанавливает параметры выполнения текущей программы и продолжает ее выполнение.
Таким образом, управляющий сигнал «Нажатие клавиши» прерывает выполнение текущей программы до завершения обработки этого сигнала, а сам сигнал называется прерыванием.
Обмен информацией между процессором и всеми внешними устройствами реализуется в форме системы прерываний, в которой управляющим сигналам с различных устройств соответствует своя программа обработки сигнала, позволяющая организовать обмен информацией между устройствами различного типа и процессором. Все это называется механизмом прерываний. С другой стороны, выполняемой процессором программе в какой-то момент времени может потребоваться информация, в виде кода символа, введенного с клавиатуры. В этом случае выполнение программы приостанавливается, сохраняются все параметры ее выполнения и запускается специальная программа, которая читает код символа из буфера. Процедура чтения символа берет символ из буфера, если он там есть, в том порядке, в котором он поступил в буфер. При чтении символа место в буфере освобождается. Если в буфере нет записанных символов, то организуется ожидание до момента поступления информации в буфер. Выполнявшаяся программа переводится в состояние «Ожидание», а для последующей работы вызывается специальная программа, которая определяет, какую программу процессор будет выполнять. Если таких программ больше нет, то выполняется специальная программа, которая, по-существу, не выполняет никаких полезных действий. Таким образом, выполнение программы может быть приостановлено и по инициативе самой программы. Такое действие программы называют исключением.