Устройства, входящие в состав ЭВМ

Устройства, входящие в состав ЭВМ

12

СОДЕРЖАНИЕ

1. Микропроцессор

2. Основная (материнская) плата и шина

3. Память

4. Накопители на подвижном магнитном носителе

5. Накопители на гибких магнитных дисках

• 6. Оптические диски
• 7. Блоки расширения
• Список литературы

Центром вычислительной системы является ее процессор. Это основное звено, или "мозг" компьютера. Именно процессор обладает способностью выполнять команды, составляющие компьютерную программу. Персональные компьютеры строятся на базе микропроцессоров, выполняемых в настоящее время на одном кристалле (чипе).

Внутреннее устройство процессоров непрерывно совершенствуется, и каждый следующий тратит на одну и ту же работу вдвое меньше тактов, чем предыдущий. В 8088 одна команда занимала 5-15 тактов, в Pentium - 0,5-1 (внутреннее дублирование схем позволяет ему выполнять несколько команд одновременно). Поэтому с точки зрения производительности микропроцессора, т. е. сколько он выполняет миллионов операций в секунду (MIPS - Million Instruction Per Second), каждое его следующее поколение даже при одной и той же тактовой частоте работает быстрее.

При переходе от одного поколения микропроцессоров к другому разработчики стремились сохранить набор основных команд, чтобы обеспечить преемственность и совместимость. При этом в формировании набора команд микропроцессора наметилось два направления. С одной стороны, программисту очень удобна машина, выполняющая одной командой какую-нибудь сложную операцию, например, команду извлечения квадратного корня. Но чем сложнее команды, тем сложнее схемы и дороже процессор. Поэтому программисты уже давно определили, какого минимального набора команд достаточно, чтобы программы из них было легко и удобно строить. А инженеры разработали схемы быстрого выполнения именно таких удобных команд. Программа, составленная из подобных простейших команд, - длиннее. Однако она исполняется настолько быстро, что в целом, все равно, ее исполнение занимает меньше времени. Кроме того, легче учесть взаимовлияние простых команд. Значит, проще оптимизировать программу, а затем эту оптимизацию автоматизировать.

С начала 1998 года Intel избрал новую политику - дробить рынок на части и для каждой делать свой продукт. Так наряду с производительными и дорогими Pentium II (с начала 1999 г. Pentium III) появилось семейство Celeron (рис.1-1), нацеленное на низшую ценовую категорию для конкуренции с микропроцессорами фирмы AMD.

В последние годы Intel развивает серию Pentium 4: 2000г.- Intel Pentium 4 (Willamette, Socket 423). Принципиально новый процессор с гиперконвейеризацией (hyperpipelining) - с конвейером, состоящим из 20 ступеней. Согласно заявлениям Intel, процессоры, основанные на данной технологии, позволяют добиться увеличения частоты примерно на 40 процентов относительно семейства P6 при одинаковом технологическом процессе. Применена 400 МГц системная шина (Quad-pumped), обеспечивающая пропускную способность в 3,2 ГБайта в секунду против 133 МГц шины с пропускной способностью 1,06 ГБайт у Pentium III. Кодовое имя: Willamette. Технические характеристики: технология производства - 0,18 мкм; тактовая частота - 1.3-2 ГГц; кэш первого уровня - 8 Кб; кэш второго уровня - 256 Кб (полноскоростной); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (400 МГц); разъём Socket 423.

Для того чтобы микропроцессор мог работать, необходимы некоторые вспомогательные компоненты. Когда данные передаются внутри компьютерной системы, они проходят по общему каналу, к которому имеют доступ все компоненты системы. Этот путь получил название шины данных. Необходимо отметить, что понятие «шина данных» имеет общее значение, конкретно же и микропроцессор имеет свою шину данных и оперативная память. Когда нет специального уточнения, то речь идет, как правило, об общей шине, или иначе шине ввода-вывода.

Эта шина формируется на сложной многослойной печатной плате - основной, или иначе, материнской (motherboard рис. 1-2).

Системная шина представляет собой совокупность сигнальных линий, объединённых по их назначению (данные, адреса, управление). Основной функцией системной шины является передача информации между базовым микропроцессором и остальными электронными компонентами компьютера. По этой шине так же осуществляется не только передача информации, но и адресация устройств, а также обмен специальными служебными сигналами.

Концепция шины представляет собой один из наиболее совершенных методов унификации при разработке компьютеров. Вместо того чтобы пытаться соединять все элементы компьютерной системы между собой специальными соединениями, разработчики компьютеров ограничили пересылку данных одной общей шиной.

Эта идея чрезвычайно упростила конструкцию компьютеров и существенно увеличила ее гибкость. Чтобы добавить новый компонент, не требуется выполнять множество различных соединений, достаточно присоединить его к шине через специальный разъем (Slot). Чтобы упорядочить передачу информации по шине используется контроллер шины.

Одним из основных элементов компьютера, позволяющим ему нормально функционировать, является память. Внутренняя память компьютера (оперативная память и кэш-память) - это место хранения информации, с которой он работает. Она является временным рабочим пространством. Информация во внутренней памяти не сохраняется при выключении питания, на диске же или дискете может храниться годами без потребления питания. В постоянной памяти (ROM) персонального компьютера записан набор программ базовой системы ввода-вывода (BIOS). Эта память энергонезависима и BIOS всегда готова к чтению при включении питания компьютера.

Основная (оперативная) память (RAM - Random Access Memory - память с произвольным доступом) компьютера отличается от прочих устройств памяти, прежде всего тем, что к любому ее месту можно обратиться одинаково быстро, даже если делать это в случайном (произвольном) порядке (random access).

Большинство старых программ, работающих под управлением DOS, укладываются в сотни килобайт - ведь DOS адресует только 640 Кбайт. Современные операционные системы многозадачные. Они позволяют нескольким программам действовать одновременно, а главное, взаимодействовать между собой. Поэтому для их работы требуется значительный объем оперативной памяти, например, для операционной системы Windows ME - 64 Мбайт, для Windows XP - 128 Мбайт. Причем эти требования минимальные. Для приемлемой скорости работы с наиболее часто используемыми комбинациями программ эти цифры надо хотя бы удвоить или лучше учетверить.

Физически оперативная память устанавливается в виде модулей SIMM (Single In-line Memory Modules) или DIMM (Double In-line Memory Modules) в специальные гнезда на материнской плате (рис. 1-3).

На системной (материнской) плате модули памяти организуются в банки памяти. В компьютерах последних лет разъемы для модулей SIMM полностью исключены, так что используются только DIMM модули объемом 64 МВ и выше. Оперативная память подвержена многим помехам. Поэтому обычно к каждому байту добавляют девятый бит - для контроля на четность. Существуют также способы автоматического восстановления информации при сбоях. Однако они требуют большей избыточности памяти и соответственно повышают ее цену. Поэтому память с расширенным корректирующим кодом (ЕСС - Extended Correction Code) используют, прежде всего, в мощных машинах, решающих серьезные задачи.

Для первых персональных компьютеров разработали винчестеры диаметром 5,25", затем для портативных компьютеров - 3,5"; а в ноутбуки уже ставят накопители диаметром 2,5" и даже 1,8". Винчестеры размером 5,25" теперь не используются даже в настольных компьютерах, чаще устанавливаются 3.5" (рис. 1-4). Устройства управления винчестерами - контроллеры - раньше размещались на отдельных печатных платах. Теперь почти все нужные схемы встраивают в корпус винчестера - Integrated Drive Eiectronic (IDE), а немногие оставшиеся компоненты обычно включены в motherboard (или на плате расширения, называемой MultiCard) и подключаются через плоский специальный многожильный кабель.

В 2003 году появились первые экземпляры контроллеров Serial ATA на популярных материнских платах. Прежде всего, кабель у нового интерфейса принципиально отличается от прежнего плоского и широкого (40- или 80-жильного), у него количество сигнальных проводов сокращено до четырех (есть дополнительная «земля»), и до метра увеличена допустимая длина. Это способствует более компактной упаковке и лучшим условиям охлаждения внутри корпуса компьютера, удешевляет конструкцию. Тут компактные семиконтактные разъемы соединяются узким уплощенным кабелем шириной примерно 8 мм и толщиной около 2 мм. Внутри кабеля Serial ATA находятся две пары сигнальных проводов (одна пара на прием, другая - на передачу), отделенных тремя жилами общего провода («земли»). На разъеме, расположенном на дисках и материнских платах, три «земляных» контакта выступают чуть дальше сигнальных контактов, чтобы облегчить «горячее» подключение (рис. 1-5).

Гибкий (floppy) диск (дискета) - круг лавсановой пленки с магнитным покрытием, помещенный в защитный конверт еще недавно был единственным сменным носителем информации в компьютере, ведь первые PC (до РС ХТ) других дисков не имели. Первые дискеты для РС были размера 5,25", портативные РС потребовали формата 3,5", однако позднее они стали применяться на всех компьютерах, и вытеснили дискеты 5,25".

Информация на дискету записывается с двух сторон, с каждой из которых располагается 80 дорожек. Головки на верхней и нижней сторонах дискеты смещены друг относительно друга, чтобы они не мешали подтягивать (для уменьшения зазора) поверхность дискеты к головкам за счет аэродинамических эффектов при вращении носителя. Также в зависимости от формата каждая сторона разбивается на определенное количество секторов.

В дисководах (рис. 1-6) для гибких дисков (дискет) головки записи/чтения при его работе непосредственно касаются поверхности дискеты, поэтому скорость вращения значительно ниже (300 или 360 оборотов в минуту) и дискеты быстрее выходят из строя. Для уменьшения трения дискеты покрывают защитным слоем тефлона (фр. тефаль) - материала с очень низким коэффициентом трения. Они дороже раза в полтора, но зато служат гораздо дольше.

В эту группу объединены носители, которые для считывания информации используется чисто оптический принцип, когда 1 или 0 распознаются по различной фазе отраженного лазерного луча от поверхности с различным состоянием, созданным при записи данных.

WORM - накопители (Write Once Read Many - одна запись много считываний) представляют собой диск, помещенный обычно в прочный картридж 5,25", по конструкции подобный дискете 3,5" . Запись информации сводится к тому, что на светлой поверхности диска там, где это нужно, выжигаются лазерным лучом микроскопические темные пятнышки. Емкость накопителя составляет от 650 Мбайт до 1,3 Гбайт.

Для записи поверхность магнитооптического диска прогревают лазерным лучом до температуры легкого перемагничивания (точки Кюри). Обычно сначала при постоянном нагреве намагничивают записываемый участок в одном направлении, а потом импульсным нагревом перемагничивают нужные точки. Это долго, требуется два оборота диска. Новейшие устройства способны создавать быстропеременное магнитное поле нужной силы и записывают за один оборот. Так что и по скорости записи магнитооптика догоняет винчестер. При этом, как и винчестер позволяют многократно перезаписывать информацию и подобно дискете заменять носитель. Такое сочетание свойств объясняет большую популярность МО в мире.

В конце 70-х годов компания Philips выпустила первые компакт-диски (CD - Compact-Disk). Вначале они предназначались для 14-разрядной звуковой записи продолжительностью звучания 60 минут. Диаметр тех дисков был несколько меньше диаметра современных компакт-дисков, который равен 12 см (4,75 дюйма). Вскоре Philips обменялась патентами с Sony, в результате чего был издан совместный стандарт. Стандарт определял характеристики аудиодисков (CD-DA - Compact-Disk Digital Audio - компакт-диск для цифровой аудиозаписи). Запись звука стала 16-разрядной, а продолжительность звучания не менее 72 минут (говорят, что длительность определялась возможностью записи на один диск Девятой симфонии Бетховена). При непрерывном чтении и воспроизведении музыки для этого оказалось достаточно скорости чтения 150 Кбайт/с. Теперь приводы CD-ROM работают с существенно большей кратностью чтения до 56Х (рис. 1-7).

Впоследствии были выпущены стандарты для других типов компакт-дисков. Компании Philips и Sony в декабре 1994 года объявили, что разработан проект стандарта, названного MMCD (MultiMedia Compact Disk). Диск с однослойной записью мог иметь емкость 3,7 Гбайт. При помощи компании ЗМ была разработана технология 2-cлoйной записи для проекта MMCD. В этом случае емкость диска удваивалась. Такие параметры уже могли обеспечить проигрывание цифрового видео в формате MPEG-2 (Motion Picture Experts Group) в течение 135 и 270 минут соответственно.

Блоки (платы) расширения или карты (Card), как их иногда называют, могут использоваться для обслуживания устройств, подключаемых к IBM PC. Они могут использоваться для подключения дополнительных устройств (адаптеров дисплея, контроллера дисков и т.п.). Если оборудование умещается на одной плате, то его можно разместить внутри корпуса системного блока. Если же оно не помещается в корпус, например, в случае с монитором, то внутри размещается только плата управления или согласования, соединяющаяся с оборудованием с помощью кабеля, который можно подключить через соединитель (Connector), расположенный на задней стенке корпуса (точнее, соединитель располагается обычно непосредственно на торце платы). Каждой плате расширения, устанавливаемой в слот (Slot) на материнской плате, соответствует специальное отверстие в задней стенке корпуса, закрытое заглушкой, если оно не используется. При установке платы ее торец вместо заглушки становится элементом задней стенки компьютера.

Первой приобрела популярность, достаточную для массового выпуска, плата Sound Blaster. Сегодня почти все звуковые платы обеспечивают совместимость с нею (рис. 1-8). Современные звуковые платы могут не просто воспроизвести объемный звук, но и объемный управляемый в зависимости от изображения на экране.

В персональных компьютерах видео платы (VideoCard), прежде всего, предназначались для согласования с монитором (видеоадаптеры), затем вывода на экран графики понадобились ускорители (видео акселераторы).

РС начинают загрузку с режима VGA - Video Graphic Array (640x480 пикселей - picture element, pixel). Режим SuperVGA, формат 800 х 600 пикселей нужен, чтобы при оформлении одиночного документа было доступно все богатство шрифтов системы Windows. Для верстки журналов и газет требуется, хотя бы 1024 х 768, а лучше - 1280 х 1024 пикселей. Иначе не разглядишь, как стыкуются отдельные фрагменты. Рисование идет быстро на экране с разрешением 1280 х 1024 - 1600 х 1200, с меньшим форматом придется постоянно переключаться на крупномасштабный просмотр фрагментов и т.д.

Если умножить шаг (расстояние между центрами пикселей) на требуемое число пикселей в строке, а затем помножить на 1,25 (отношение длины диагонали экрана к длине его строки), то получится длина в миллиметрах диагонали нужного монитора. (В дюймах - поделите на 25,4). Так, что для современных персональных компьютеров требуется монитор с размером по диагонали не менее 15 (лучше 17) дюймов (рис. 1-9).