Ім'я файлу: науки.doc
Розширення: doc
Розмір: 508кб.
Дата: 15.12.2020
скачати
Пов'язані файли:
реферат Правила торгівлі на ринках.doc
Информатика.doc
ПК науки.doc
Zadacha_1_ (3).doc
Розширення: doc
Розмір: 508кб.
Дата: 15.12.2020
скачати
Пов'язані файли:
реферат Правила торгівлі на ринках.doc
Информатика.doc
ПК науки.doc
Zadacha_1_ (3).doc
Рис. 1.3. Упрощенная блок-схема компьютера
Компоненты, представленные на блок-схеме, имеют следующее назначение.
Центральный процессор - это электронный модуль, выполняющий в компьютерной системе основную вычислительную работу. Он управляет взаимодействием между всеми блоками и системами компьютера. Именно к ЦП стягиваются все магистрали компьютерной системы. ЦП находится в функциональном центре компьютерной системы, окруженном аппаратными функциональными блоками и подсистемами.
Вообще говоря, процессор - это отдельный модуль компьютерной системы, реализующий определенные вычислительные и обменные процессы. В компьютере может быть несколько процессоров. Одни из них управляют вводом-выводом данных и называются процессорами ввода-вывода. Другие процессоры выполняют вычисления с вещественными числами и называются математическими сопроцессорами. Третьи генерируют изображения на экран монитора и называются видеопроцессорами. Но в любом персональном компьютере есть ЦП, который управляет всей компьютерной системой.
Чипсет - так называется комплект микросхем, предназначенный для поддержки в компьютерной системе функциональных возможностей, предоставляемых процессором, оперативной памятью, кэш-памятью, дисковой и видеопамятью и прочими компонентами системы. Чипсет объединяет различные составные части компьютерной системы. Микросхемы чипсета генерируют большинство сигналов для системных и периферийных компонентов, преобразуют сигналы между шинами, позволяют процессору и оперативной памяти работать с постоянной производительностью.
В состав нескольких микросхем, из которых состоят чипсеты, входят узлы, называемые "обрамлением центрального процессора". Это - таймеры, контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти, контроллеры графической шины AGP, последовательного и параллельного портов и прочие устройства, поддерживающие системные процессы в ПК.
Контроллеры - предназначены для управления доступом из системы к какому-либо из устройств, а также для выполнения соответствующих операций информационного обмена. Каждое внешнее устройство имеет свой контроллер. После получения соответствующих команд от центрального процессора контроллер выполняет операции по обслуживанию внешнего устройства.
Как видно из схемы на рис. 1.3, все электронные элементы компьютера обмениваются информацией друг с другом и взаимосвязаны с помощью шин - совокупности линий и микросхем, осуществляющих передачу электрических сигналов определенного функционального назначения между различными компонентами ПК.
Совокупность всех шин информационно-вычислительной системы называется системной магистралью.
По шинам передаются сигналы трех групп: адресные, управляющие и данные. Соответственно различают следующие шины.
Шина данных - предназначена для передачи данных между электронными модулями ПК.
Шина адреса - обеспечивает пересылку кодов адресной информации к ОЗУ или электронным модулям ПК для доступа к ячейкам памяти или к устройствам ввода-вывода.
Шина управления - включает линии, по которым передаются сигналы управления, обмена, запросы на прерывания, передачи управления, синхронизации и т.д.
Шины характеризуются разрядностью, т.е. количеством линий, составляющих шину. Другое определение разрядности - количество одновременно передаваемых по линиям шины битов информации. В архитектуре персональных компьютеров чаще всего встречаются 8-, 16-, 32- и 64-разрядные шины.
Бывают шины последовательные и параллельные. Последовательная шина состоит из одной линии данных, которые передаются последовательно, бит за битом, и нескольких линий управления и адреса. Параллельная шина состоит из нескольких линий данных, адреса и управления.
Пропускной способностью шины называется количество информации, которое может быть передано по каналу за единицу времени.
Для пересылки данных между устройствами существует несколько стандартных процедур.
Процедура прерывания - это механизм, позволяющий ЦП обработать требования устройства на обмен данными с другим устройством или с памятью. Выполнение процедуры прерывания начинается с генерирования каким-либо из устройств, например клавиатурой или накопителем на гибких дисках, сигнала запроса на прерывание IRQ (Interrupt Request). Запрос может поступить также и в том случае, если системой выявлена аварийная ситуация.
Каждое из устройств, работающих по прерываниям, имеет собственную линию IRQ запроса на прерывание.
Линии IRQ - это физические линии на материнской плате, позволяющие передавать запросы на прерывания от контроллера устройства контроллеру прерываний, которым эти прерывания обрабатываются.
Контроллер прерываний при поступлении сигнала IRQ прерывает работу ЦП, формирует уникальный для каждого устройства код, посылает его в ЦП. В соответствии с этим кодом процессор формирует адрес обращения в оперативную память, который называется вектором прерывания. По адресам векторов прерываний расположены адреса обращений к программам-обработчикам прерываний. Программа-обработчик прерываний реализует ту функцию, потребность в которой вызвало данное прерывание.
Если устройство-источник прерываний расположено за пределами материнской платы, то прерывания от него называются внешними аппаратными. Если устройство, генерирующее прерывания, находится в пределах материнской платы, то такие прерывания называются внутренними аппаратными. Если источником прерываний является одна из команд выполняемой программы, то такое прерывание обрабатывается непосредственно в ЦП и называется программным прерыванием. Если прерывание является реакцией на ошибки процессора, например деление на нуль, то такие прерывания называются внутренними.
Другой способ, позволяющий устройствам обмениваться данными с оперативной памятью, называется прямым доступом к памяти (Direct Memory Access или DMA). В этом процессе участвует контроллер DMA, расположенный на материнской плате, к которому сходятся линии запросов DMA (Direct Request - DRQ) от периферийных устройств. Контроллер DMA блокирует линии управления от ЦП, и сам генерирует сигналы, необходимые для обмена данными между оперативной памятью и устройством. Таким образом, между оперативной памятью и устройством происходит быстрое "перекачивание" данных без участия ЦП.
Системные компоненты ПК
Персональный компьютер содержит множество электронных элементов, которые объединяются в более крупные компоненты, - модули, узлы, цепи, схемы, блоки и т.д. Если из всего этого разнообразия электронных компонентов изъять хотя бы один, то вся информационно-вычислительная компьютерная система перестанет работать. Вместе с тем, важность выполняемой различными электронными узлами работы для ПК неравнозначна. Одни устройства, например ЦП или ОЗУ, принимают участие практически во всех без исключения действиях, выполняемых ПК. Другие устройства, например контроллеры периферийных устройств, менее активны.
Рассмотрим подробнее, как работают такие важные компоненты материнской платы, как ЦП, память, порты, и как они взаимосвязаны с помощью шин.
Современный центральный процессор
Как вам уже известно, ЦП - это основной электронный модуль на материнской плате, который выполняет вычислительную работу, управляет обменом данными с оперативной памятью и устройствами ввода-вывода. ЦП, являясь аппаратным центром информационно-вычислительной системы, отвечает за характеристики производительности ПК.
ЦП работает циклически и упрощенно его работу можно описать следующим образом. В начале очередного цикла ЦП считывает из ОЗУ команду, расшифровывает ее и реализует указанные в ней действия. Например, считывает из памяти два числа, расположенные в памяти по определенным адресам, указанным в выполняемой команде, суммирует их и результат записывает в заданную ячейку ОЗУ. После этого цикл повторяется: считывается очередная команда (или команда, адрес которой указан в предыдущей команде), выполняются указанные в ней действия и т.д.
Центральный процессор оперирует целочисленными данными. Если необходимо выполнить вычисления с более высокой степенью точности, в работу включается встроенный в ЦП узел математического сопроцессора. Математический сопроцессор реализует высокоскоростные вычисления с вещественными числами, вычисления тригонометрических функций и т.д.
Важными характеристиками ЦП являются тактовая частота, скорость выполнения команд и разрядность шин данных и адреса.
Все современные процессоры располагают 64-разрядной шиной данных. По разрядности адресной шины процессора можно судить об адресном пространстве памяти. Например, если ширина шины адреса 32 разряда, то процессору доступно пространство памяти 4 Гбайт, а при 36-разрядной шине - 64 Гбайт.
Адресное пространство памяти состоит из всех ячеек ОЗУ, видеопамяти и памяти BIOS (Basic Input Output System - базовая система ввода-вывода), к которым может обращаться процессор.
Процессор обращается не к отдельной ячейке памяти и даже не к байту, а сразу к нескольким байтам, которые в информатике называются "слово". Все "слова" должны располагаться по четным адресам обращения к памяти. Процессор одновременно может обратиться, например, сразу к восьми байтам, если располагает 64-разрядной шиной данных.
Вся доступная память разбита на модули, предназначенные для хранения отдельных частей программного обеспечения и данных (рис. 1.4). Так, например, по самым младшим адресам (в пределах 640 Кбайт) располагаются векторы прерываний, данные BIOS и программные модули операционной системы. За пределами 640 Кбайт 128 Кбайт занимает видеопамять, а за ней 256 Кбайт отводятся для хранения различных компонентов BIOS. За пределами 1 Мбайт памяти хранятся коды команд и данных защищенного режима работы системы.
| РАСШИРЕННАЯ ПАМЯТЬ |
| BIOS |
| ВЕРХНЯЯ ПАМЯТЬ UPPER MEMORY AREA |
| ОСНОВНАЯ ПАМЯТЬ BASE MEMORY |
Рис. 1.4. Карта распределения доступной памяти ПК IBM PC.
Все процессы, связанные с вычислениями, обработкой и пересылками данных между электронными модулями компьютера, должны быть синхронизированы во времени.
Синхронизация ЦП и всех узлов компьютера осуществляется с помощью специального электронного узла - тактового генератора, расположенного на материнской плате. Тактовый генератор формирует периодические последовательности тактовых импульсов, которые направляются и в ЦП, и в систему памяти, и во все остальные подсистемы компьютера. Однако необходимо отличать частоту тактового генератора и тактовую частоту процессора. В ЦП поступают тактовые сигналы с материнской платы (от тактового генератора), а необходимая для работы внутрипроцессорная частота получается при умножении частоты материнской платы в специальном встроенном блоке умножения. Она-то и синхронизирует вычислительные процессы непосредственно в самом процессоре. Таким образом, если материнская плата может работать на фиксированной частоте, например 100 МГц, то процессор может синхронизироваться, например, частотой 450 МГц.
Частота синхронизации электронных компонентов на материнской плате (типичные значения 66, 75, 83, 100 МГц) синхронизирует обменные процессы вне процессора, например между оперативной памятью и ЦП, устройствами ввода-вывода и т.д. С ростом частоты синхронизации повышается скорость работы ЦП и компьютера в целом.
Для ускорения доступа к ОЗУ и увеличения производительности в ЦП встроен модуль кэш-памяти (кэш). Это промежуточная память между ЦП и ОЗУ. Кэш малоёмкое, но более быстрое, чем ОЗУ, хранилище данных.
Кэш работает следующим образом. Все свои запросы ЦП адресует одновременно ОЗУ и кэш. Если адреса обращения идентичны, то констатируется попадание в кэш. В этом случае данные или команды считываются из более быстрой памяти, что повышает общую производительность ПК. Если кэш не располагает информацией по искомому адресу, процессор обращается за ней к ОЗУ. В этом случае скорость обмена данными замедляется.
Таким образом, современные ЦП - это высокотехнологичные электронные изделия, выполняющие сотни миллионов операций в секунду и позволяющие ПК решать очень сложные задачи за короткие промежутки времени.
В изготовлении процессоров задействованы технологические процессы, практически полностью протекающие под управлением робототехники, выполняемые при этом операции отличаются высокой точностью и гарантируют отсутствие в кристалле микросхемы примесей, не предусмотренных в документации технологического процесса.
Одним из основных параметров, определяющих главные характеристики процессора, является показатель конструктивных технологических норм (измеряется в мкм), определяющий минимально допустимые размеры элементов топологии микросхем. Например, норма 0,25 мкм свидетельствует о том, что минимальное расстояние между двумя соседними транзисторами составляет 0,25 мкм. Чем меньше норма, тем выше скорость информационного обмена, меньше потребление тока и нагрев элементов, и тем плотнее "набивка" кристалла интегральной микросхемы.
Процессоры Pentium производства 1993 г. изготавливались по технологическим нормам 0,8 мкм, современные процессоры имеют конструктивные нормы на уровне 0,25-0,18 мкм. Снижение технологических норм позволяет переходить на более высокие внутрипроцессорные частоты. Если процессоры с технологическими нормами 0,35 мкм работают на частотах 133—233 МГц, то для кристаллов с нормами 0,25 мкм характерны скорости от 300 МГц и выше. Процессоры, изготовленные в соответствии с 0,25 мкм нормами, имеют напряжение питания 1,8 В.
Процессоры Intel и их клоны - базовая основа IBM-совместимых компьютеров (клонами принято называть компьютеры и их компоненты, разработанные сторонними фирмами в соответствии с характеристиками и параметрами фирм-стандартизаторов).
Корпорация Intel является разработчиком шести поколений процессоров, составляющих аппаратное ядро ПК семейства IBM PC. В таблице 1.1 представлены краткие характеритики производимых компанией Intel процессоров.
Таблица 2.2. Краткие характеристики процессоров Intel
| Микропроцессор | Количество транзисторов на кристалл (млн.) | Начало производства (год) | Шина данных (разрядность) | Тактовая частота (МГц) |
| 8086 | 0,029 | 1978 | 16 | 4,77-10 |
| 8088 | 0,029 | 1979 | 8 | 4,77-10 |
| 80286 | 0,134 | 1982 | 16 | 6-25 |
| 80386DX | 0,275 | 1985 | 32 | 16-40 |
| 80386SX | 0,275 | 1988 | 16 | 16-33 |
| 80486DX | 1,2 | 1989 | 32 | 20-50 |
| 80486SX | 1,185 | 1991 | 32 | 16-33 |
| 80486DX2 | 1.3 | 1992 | 32 | 40-66 |
| 80486DX4 | 1,35 | 1992 | 32 | 100-132 |
| Pentium | 3,1 | 1992 | 64 | 60-100 |
| Pentium MMX | 3,8 | 1996 | 64 | 120-300 |
| PentiumPro | 36,5 | 1996 | 64 | 150-300 |
| Pentium II | 7,8 | 1997 | 64 | 233-450 |
| Pentium III | 9,5 | 1999 | 64 | 450-500 |
Процессоры Pentium MMX (Multimedia Extantive - расширение мультимедиа) начали продвижение на компьютерном рынке в 1996 г. Они отличаются от классического Pentium тем, что располагают средствами для обработки дополнительной группы мультимедиа-команд, используемых для специальных целочисленных вычислений. Для их обработки в процессор встроены дополнительные аппаратные модули. В этих процессорах также используется метод обработки нескольких блоков данных одной командой, что позволяет использовать технологию MMX для решения весьма широкого спектра задач мультимедийного и коммуникационного плана. Массовое внедрение новой технологии Pentium MMX позволило корпорации Intel уже в 1997 г. прекратить выпуск классических процессоров Pentium.
Процессоры различных поколений имеют преемственность на аппаратном и программном уровнях. В настоящее время ПК оснащаются процессорами Intel пятого-шестого поколений. К пятому поколению относятся всевозможные модификации процессоров Pentium, включая Pentium MMX.
Первым представителем шестого поколения процессоров Intel является PentiumPro, поступивший на компьютерный рынок в 1996 г. Он имеет стандартную для процессоров Pentium архитектуру, но с существенными доработками. К шестому поколению относится Pentium II.
Для удовлетворения массового спроса пользователей корпорация Intel разработала ряд интересных процессоров для "недорогих систем" с ограниченными возможностями расширения. В этих недорогих компьютерах можно разместить меньше периферийных устройств, их быстродействие ниже, чем у систем с "полноценными" Pentium II. В 1998 г. в производство компьютеров низкоценового уровня было внедрено целое созвездие процессоров, объединенных общим названием Celeron.
В 1998 г. для применения в мощных серверах и рабочих станциях был разработан процессор Pentium II Хеоn (рис. 2.3). Этот процессор создан в ходе реализации программы Intel Inside, которая опирается на все наиболее важные достижения архитектуры Р6 (обозначение к процессорам шестого поколения Intel). Процессор Pentium II Хеоn располагает всеми средствами температурного контроля и стабилизации напряжения, присущими Pentium II.
Процессоры шестого поколения Pentium III и Pentium III Xeon — это усовершенствованные варианты процессоров Pentium II и Pentium II Xeon. Pentium III имеет следующие основные характеристики:
Изготавливается по 0,25 мкм технологии.
Работает на тактовой частоте 450 и 500 М Гц.
Содержит дополнительные компоненты для обработки 70 новых команд, улучшающих работу с графическими программами.
Располагает разделенной кэш-памятью первого (32 Кбайт) и второго (512 Кбайт) уровней.
Поддерживает работу с двумя процессорами.
Pentium III Xeon имеет дополнительные, по сравнению с Pentium III, возможности:
работает на тактовых частотах 500 и 550 МГц;
поддерживает совместную работу от 2 до 8 процессоров;
выпускается с кэш-памятью второго уровня 512 Кбайт, 1 Мбайт, 2 Мбайт (500 МГц) или 512 Кбайт (550 МГц).
В настоящее время компания Intel ведет разработки полностью 64-разрядного процессора седьмого поколения с кодовым именем Merced, который, предположительно, будет работать с тактовой частотой 1000 МГц.
Шины ПК
Рассмотрим более подробно блок-схему современного ПК (рис. 1.6).
1 2 3 4 5 6 7