1.2.1. Состав и особенности основных устройств

В ПЭВМ можно выделить центральный (системный) блок и периферию. В центральном блоке находятся компоненты, без которых работа с ПЭВМ невозможна. Основными устройствами, находящимися в центральном блоке, являются:

– системная (материнская) плата;

– системная шина (системная магистраль данных);

– центральный процессор;

– внутренняя память.

Платами называют различные комбинации микросхем (звуковая плата, плата видеоадаптера и т.д.).

Контроллер – это специализированный процессор, управляющий работой соответствующего внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Обмен информацией осуществляется под руководством контроллера без участия центрального процессора.

Интерфейс – это программное или аппаратное средство связи между различными устройствами или программами.

Системная (материнская) плата – это основная плата ПЭВМ, которая обеспечивает подключение и согласование всех компонент компьютера. Компоненты компьютера подключаются к материнской плате непосредственно через разъемы (внутренняя память, процессор) либо через специальные устройства сопряжения (адаптеры, контроллеры). Подобные устройства сопряжения называются интерфейсами.

Интерфейс – аппаратное или программное средство связи между узлами или программами

Контроллер - специальный процессор, управляющий работой соответствующего внешнего устройства по специальным, встроенным программам обмена. Обмен информации осуществляется под управлением контроллера без участия ЦП.

Системная шина представляет собой группу электрических проводников и состоит из трех частей: шина адреса (адресная шина), шина данных и шина управления (шина команд). В некоторых ЭВМ шины данных и адреса для экономии объединены. В современных ПЭВМ могут быть установлены дополнительные шины.

Адресная шина – 32-разрядная и предназначена для передачи 32-разрядного адреса ячейки оперативной памяти, из которой процессор считывает очередной блок данных в один из своих регистров. Эта шина определяет, откуда передаются данные.

Шина данных – 64-разрядная шина и предназначена для копирования данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. По этой шине передается обрабатываемая информация.

Командная шина – 32-, 64- или 128-разрядная шина, предназначенная для передачи очередной команды из оперативной памяти в процессор. Шина управления регулирует процесс обмена информацией.

В них сначала по шине передается адрес, а затем данные. Для какой именно цели используется шина в данный момент, определяется сигналами на шине управления.

В современных ПЭВМ при наличии большого количества внешних устройств увеличиваются и потоки информации между устройствами, что приводит к перегрузке единственной магистрали. Поэтому в состав ЭВМ могут вводиться одна или несколько дополнительных шин. Например, отдельные шины для обмена с ОЗУ, связи с быстрыми и связи с медленными внешними устройствами.

Например, на следующем рисунке приведена схема с использованием видеопамяти.

Системная шина (СМД) предназначена для передачи данных, адресов, сигналов между компонентами компьютера. Она представляет собой группу электронных проводников. Шина состоит из 3х частей:

- шина данных, по которой передается обрабатываемая информация;

- шина адреса, определяющая адрес передаваемых данных;

-шина управления (команд), регистрирующая процесс обмена информацией.

Современные процессоры могут состоять из нескольких частей (ядер), каждая из которых может работать как отдельный процессор. Кроме этого, он включает в себя специальный электронный блок (устройство управления), которое включает в работу другие устройства. Именно ЦП обладает способностью выполнять команды. Через ЦП проходит вся обрабатываемая информация.

Показывает, сколько бит данных может принять и обработать процессор в своих регистрах за один такт. Такая разрядность определяется не разрядностью шины данных, а разрядностью шины команд.

Характеризует скорость выполнения элементарных операций ЦП. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, расположенная на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих в процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность.

Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая по исключительно физическим причинам не может работать с такими 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.

Кэш-память (cache-memory) предназначена для согласования высокой скорости обмена данными внутри процессора и в несколько раз меньшей скорости обмена с оперативной памятью. Представляет собой специальную область памяти, используемую для уменьшения количества обращений процессора к оперативной памяти. Это как бы “сверхоперативная память”. Она может быть первого уровня (объемом в десятки Кб), второго уровня (512 Кб и более) и даже третьего уровня (объемом несколько Мб). Наличие этой памяти существенно увеличивает производительность компьютера в целом.

Система команд любого процессора обязательно содержит следующие группы команд:

1) команды передачи данных, копирующие данные из одного места в другое;

2) арифметические операции;

3) логические операции и операции сравнения, анализ отдельных битов, их сброс и установка;

4) сдвиги двоичного кода влево и вправо;

5) команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами;

6) команды управления, реализующие ветвления в алгоритмах (условный и безусловный переход), а также обращение к подпрограмме (переход с возвратом).

В настоящее время конкурируют два направления в построении системы команд: CISC-процессоры (используются в универсальных компьютерах) и RISC-процессоры (обычно используются в специализированных компьютерах).

CISC-процессоры (Complex Instruction Set Computing) – процессоры с расширенным набором команд (например, система команд Intel Pentium насчитывает более тысячи команд). Обычно они используются в универсальных компьютерах.

Чем шире набор команд процессора, тем сложнее его архитектура, длиннее формальная запись команды, выше средняя продолжительность исполнения одной команды, измеренная в тактах работы процессора. Однако при необходимости выполнения сложных разнообразных операций производительность выше, чем в RISC-процессорах, так как их выполнение реализуется аппаратно, а не программно.

RISC-процессоры (Reduced Instruction Set Computing) – процессоры с сокращенной системой команд. Обычно они используются в специализированных компьютерах.

В RISC-процессорах количество команд намного меньше, чем в CISC-процессорах, и выполняются они значительно быстрее. Однако при этом выполнение сложных операций приходится обеспечивать программно, что приводит к уменьшению общей производительности. Если такие операции редки, то в целом производительность высока.

Производительность процессора, то есть скорость выполнения операций (инструкций), зависит от нескольких параметров (разрядность, тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения частоты, количество ядер, размер кэш-памяти и др.) и измеряется в коротких (MIPS), длинных (FLOPS) и теоретических операциях в секунду (MTOPS).

MIPS (Million Instructions Per Second) – единица измерения быстродействия, равная одному миллиону инструкций в секунду. Если указано быстродействие в MIPS, то, как правило, оно показывает, сколько миллионов инструкций в секунду выполняет процессор в некотором тесте.

FLOPS (Floating point Operations Per Second) – флопс, величина, используемая для измерения производительности компьютеров, показывающая, сколько операций с дробными числами в секунду выполняет данная вычислительная система. Обычно имеются в виду операции с вещественными числами в формате с плавающей точкой размером 64 бита. 1 флопс равен 1 операции в секунду (оп/сек). Поскольку современные ЦП обладают высокой производительностью, более распространены производные величины от FLOPS – терафлопс (10¹² оп/сек), петафлопс (10¹⁵ оп/сек), эксафлопс (10¹⁸ оп/сек).

MTOPS (Millions of Theoretical Operations Per Second) –  единица измерения производительности проектируемых процессоров и компьютеров, равная одному миллиону теоретических операций в секунду. Она характеризует максимально возможную производительность, выше которой в реальных условиях производительность быть не может. Ее называют теоретической, подчеркивая, что такое значение может быть достигнуто лишь в теории.

Центральный процессор (ЦП) совершает все арифметические и логические операции. Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение (обеспечивает материнская плата), разрядность (показывает, сколько бит данных может принять и обработать ЦП в своих регистрах за 1 такт), рабочая тактовая частота (характеризует скорость выполнения элементарных операций), коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты, размер кэш-памяти (предназначена для согласования высоких скоростей обмена данными внутри ЦП), система исполняемых команд и производительность.

Кэш-память предназначена для согласования высокой обмена данными внутри ЦП и в несколько раз меньше скорость обмена с оперативной памятью. Она может быть 1го уровня (внутри процессора объемом в 10 Кб), 2го уровня (512 Кб и более, как внутри процессора, так и вне его, но и в том же узле, что и процессор), 3го уровня (объемом в несколько Мб вне процессора на материнской плате). Первые две работают на частоте процессора, а 3ья частота материнской платы. Размер этой памяти и ее объем существенно повышают производительность компьютера в целом.

В настоящее время конкурируют 2 направления в построении системы команд, которые может выполнить ЦП.

1. CISC (процессоры с расширенным набором команд, которые используются в универсальном компьютере).

2. RISC (процессоры с сокращенной системой команд, которые используются в специальных компьютерах).

Чем шире набор команд, тем сложнее архитектура, длиннее формальная запись команды, выше физическая продолжительность исполнения команды, измеренная в тактах работы процессора. Для CISK –процессоров система команд может насчитывать тысячи. При архитектуре RISK количество команд намного меньше и выполняются они значительнее быстрее, однако при этом выполнение сложных операций приходится обеспечивать программно, что приводит к уменьшению общей производительности.

Комплексный параметр – производительность (скорость выполнения операций, инструкций, команд).

Производительность определяется разрядностью, тактовой частотой, количеством ядер и т.д. Она измеряется в коротких (MIPS), длинных (FLOPS) и теоретических (MTOPS) операций в секунду.

Микросхему еще называют чипом (chip), а комплект микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо функций, – чипсетом (chip set).

В английском варианте – ROM (Read Only Memory, то есть память только для чтения). В большинстве современных компьютеров (точнее, материнских плат) микросхема ПЗУ представляет собой так называемую флэш-память, которая допускает перезапись информации. В ПЗУ находятся программы, которые доступны только для чтения и объединены в комплекс, который называется базовой системой ввода/вывода (BIOS – Basic Input/Output System). Эти программы не уничтожаются при отключении ПЭВМ. Другие программы работают на основе программ BIOS.

В BIOS находятся программы, которые обеспечивают начало работы компьютера, связь процессора с другими устройствами и проверку работоспособности основных частей ЭВМ. Кроме этого, BIOS содержит программы, в каждой из которых описаны особенности управления компонентами и ресурсами системной платы. Эти программы называются драйверами устройств (drive) или просто драйверами. Драйверы наиболее тесно работают с аппаратурой. Именно они обеспечивают детали работы аппаратуры, которые используют остальные программы.

Драйвер – это программа, в которой описаны все особенности управления конкретным аппаратным средством. Для каждого устройства (оперативной памяти, клавиатуры, монитора, принтера и т.д.) должна быть своя программа-драйвер. Драйверы для основных устройств ПЭВМ находятся в ПЗУ и являются компонентами BIOS, драйверы для других устройств (принтер, мышь и т.п.) находятся во внешней памяти.

В английском варианте – RAM (Random Access Memory – память с произвольным доступом, то есть как для чтения, так и для записи). Предназначена для хранения оперативной, часто изменяющейся информации. Эта память используется процессором. При отключении ПЭВМ информация из ОЗУ исчезает. Оперативная память ПЭВМ – это место размещения всей информации, которую обрабатывает процессор, и ее объем имеет существенное значение.