Тема 4. Аппаратная часть информационных технологий.

Несмотря на огромный диапазон размеров и вычислительных мощностей ком­пьютеров, все они так или иначе имеют сходную функциональную структуру. В од­них случаях эта структура может быть немного упрощена, в других — расширена, но в общем функции вычислительного устройства и необходимые для вычислений функциональные блоки остаются одними и теми же.

Для ввода данных в компьютер предназначается устройство ввода, для выво­да — устройство вывода, вместе эти устройства обычно составляют единый блок — устройство ввода-вывода данных.

Независимо от того, будут данные в компьютере храниться годы или секунды, компьютер должен иметь место для их хранения. Соответствующее устройство называется памятью.

В компьютере должно быть устройство, которое производит манипуляции над данными, от простейших арифметических операций до сложных статистических, финансовых или научных расчетов. Функционально это устройство состоит из двух блоков: один блок отвечает за производимые вычисления, другой — за правила, по которым данные извлекаются из памяти, над ними производятся операции и ре­зультаты этих операций снова возвращаются в память. Устройство, производящее вычисления, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а устройство, формирующее правила, по которым происходит обработка данных — устройством управления (УУ). Вместе эти две функциональные единицы образуют единый блок, который получил название центральный процессор.

Связать между собой процессор, оперативную память, постоянную память (дис­ковые устройства), устройства ввода-вывода и другие компоненты компьютера напрямую невозможно конструктивно и технологически. Поэтому между всеми этими устройствами располагается системная шина — еще один весьма важный компонент, носителем которого является материнская плата. Системная шина представляет собой множество электрических проводников, конструктивно выпол­ненных в виде тончайших проводящих дорожек, в несколько слоев пронизывающих материнскую плату и электронные компоненты компьютера.

Реальные электрическая и компонентная схемы компьютера, конечно же, куда сложней функциональной схемы. Прежде всего, они усложняются за счет того, что все эти устройства связаны между собой большим количеством соединений. Нужны проводники, чтобы передавать данные, чтобы указывать памяти адрес, из которого следует выбрать данные или в который их следует записать. Компьютер, как мы знаем, не работает без электропитания, значит, нужно устройство, преоб­разующее переменный ток электрической сети в постоянный низковольтный ток питания компьютера. Устройства ввода-вывода, обозначенные одним прямоуголь­ником, на самом деле весьма разнообразны. Все эти и многие другие устройства должны быть где-то размещены и закреплены. Физически компьютер являет собой куда более сложную систему, чем его функциональное описание.

В современном компьютере взаимодействие центрального процессора с устрой­ствами ввода-вывода, а также с различными устройствами, присоединенными к общей шине, основано на механизме прерываний.

Механизм прерываний обеспечивает прерывание выполнения текущей програм­мы при поступлении сигнала на соответствующий вход центрального процессора и выполнение процессором операций обслуживания устройства, вызвавшего пре­рывание.

При поступлении сигнала прерывания центральный процессор совершает сле­дующие действия:

Запоминает адрес текущей инструкции выполняемой программы.

· Получает вектор прерывания (вектор прерывания — запись в специальной таблице прерываний, связывающей номер прерывания и адрес подпрограммы, выполняющей обработку прерывания. Получить вектор прерывания значит получить доступ к соответствующей записи в этой таблице).

· Переходит по адресу, хранимому в соответствующей записи вектора прерывания.

· Выполняет подпрограмму обработки прерывания.

· После завершения подпрограммы обработки прерывания возвращается к вы­полнению прерванной программы.

Подпрограмму обработки прерывания называют обработчиком прерывания. Прерывания обозначаются сокращением IRQ (InterruptRequest— запрос на прерывание) и номером. Прерывания имеют приоритет. Это значит, что прерыва­ние с более высоким приоритетом может прервать работу программы обработки прерывания с более низким приоритетом. Прерывания управляются контроллером прерываний. Поскольку в компьютерах АТ в качестве контроллера прерывания ис­пользовалась микросхема i8259, количество входов в которой было меньше, чем необходимое количество прерываний, два контроллера собирались в единую схему путем каскадного подключения. Хотя в современных компьютерах применяются другие контроллеры прерываний, для сохранения обратной совместимости логи­ческая структура номеров прерываний, номеров и адресов векторов прерываний и их назначение продолжают сохраняться в неизменном виде.

Компьютерный ввод можно подразделить на два основных типа — ввод данных и ввод команд.

Данные:

· необработанный текст (последовательность символов);

· числа;

· изображения;

· аудиоданные;

· видеоданные.

Команды:

· инструкции;

· программы;

· реакция пользователя.

Устройства ввода

Ввод информации в современный компьютер осуществляется различными путями и способами. Самое «старинное» устройство ввода — это клавиатура. Со­временная мультимедийная клавиатура с количеством клавиш больше сотни зна­чительно отличается от своей 84-клавишной прародительницы, поскольку кроме клавиш, позволяющих осуществлять ввод чисел и букв, на ней можно отыскать и клавиши управления медиапроигрывателем, и клавиши управления браузером интернета, и много других интересных командных клавиш.

Клавиатура — это унифицированное устройство ввода со стандартным разъемом и последовательным интерфейсом связи с системной платой.

Клавиатура подключается к компьютеру через разъем PS/2 или USB.

Клавиатура имеет внутренний микроконтроллер, способный определить факты нажатия и отпускания клавиш, при этом можно нажимать очередную клавишу, даже удерживая несколько ранее нажатых. При нажатии клавиши клавиатура пере­дает идентифицирующий клавишу скан-код. При удержании клавиши в нажатом положении через некоторое время клавиатура начинает автоповтор передачи скан- кода нажатия этой клавиши. Задержка автоповтора(typematicdelay) и скорость автоповтора(typematicrate) для современных клавиатур программируются.

Обмен данными между клавиатурой и процессором происходит через установ­ленную на системной плате микросхему контроллера интерфейса клавиатуры. Каждое событие клавиатуры (нажатие или отпускание клавиши) порождает ап­паратное прерывание и побуждает процессор считывать скан-код.

Современные клавиатуры поддерживают двусторонний обмен информацией с системной платой: от процессора в клавиатуру передаются команды задания параметров автоповтора, выбора таблицы скан-кодов, управления светодиодными индикаторами и запуска диагностического теста.

Типы клавиатур:

· простая проводная клавиатура без дополнительных клавиш;

· мультимедийная клавиатура имеет дополнительные зоны управления и клави­ши для взаимодействия с различными устройствами воспроизведения мульти­медийного контента;

· интернет-клавиатура обладает дополнительными клавишами, облегчающими взаимодействие с программами просмотра Интернета;

· музыкальная клавиатура, предназначена для тех, кто увлекается созданием компьютерной музыки;

· беспроводная клавиатура не подключается к компьютеру проводом, вместо это­го взаимодействие с системным блоком происходит по одному из беспроводных протоколов (IrDA,Wi-Fiили BlueTooth);

· встроенная клавиатура является непременным атрибутом ноутбуков;

· экранная клавиатура отображается на экране, нажатие клавиш на такой клави­атуре осуществляется указывающим устройством;

· гибкая клавиатура выполнена в виде тонкого резинового коврика или пленки, ее можно свернуть в трубочку или сложить, как носовой платок;

· проекционная клавиатура позволяет проецировать изображения клавиш на стол или другую поверхность.

По мере развития компьютерной техники и программного обеспечения, осо­бенно с появлением графических оконных оболочек, крайне актуальным стали указывающие устройства, позволяющие задавать определенные точки или объекты на экране, выбирать (путем щелчка), а также захватывать и перемещать экранные объекты (окна). Наиболее распространенным указывающим устройством сегодня является мышь. Типология мышей почти так же обширна, как типология клавиа­тур. Мыши бывают:

· двухкнопочные и трехкнопочные;

· проводные и беспроводные;

· механические и оптические;

· многофункциональные.

Так же, как и клавиатура, мышь передает информацию процессору через кон­троллер. Получив информацию о передвижении мыши, контроллер генерирует прерывание IRQ12, и процессор считывает данную информацию из контроллера.

Кроме двух основных устройство ввода в современной компьютерной технике существует большое количество устройств, позволяющих вводить данные разного типа в компьютер.

· Указывающие устройства

ü Электронное перо выполнено в форме карандаша, внутри которого нахо­дится светочувствительная матрица, способная считывать информацию с экрана компьютера.

ü Трекбол. Если в обыкновенной механической мыши шарик катается по ков­рику, то в случае трекбола шар довольно большого размера находится под рукой пользователя. Прокручивая шар в разных направлениях, пользователь перемещает указатель на экране.

ü Тачпад — прямоугольная область, по которой пользователь может водить пальцем или осуществлять одинарные и двойные нажатия. Перемещения пальца приводят к перемещению указателя на экране, а одинарные и двой­ные нажатия воспринимаются как одинарный или двойной щелчок мышью. Тачпадами оснащаются, в основном, ноутбуки, но встречаются также клави­атуры для стационарных компьютеров со встроенным тачпадом.

ü Pointingstick— выполнен в виде миниатюрного джойстика с поверхностью, похожей на твердый шершавый ластик. Это устройство располагается в цент­ре клавиатуры (обычно на ноутбуках) и при надавливании на него переме­щает указатель по экрану влево, вправо, вверх или вниз.

ü Игровые джойстики могут быть самыми разными, от простейших рукояток, нагибающихся в четырех направлениях, до полных симуляторов кабины автомобиля или самолета.

· Устройства ввода графических данных

ü Сенсорными экранами мини-устройств оснащены по большей части на­ладонные компьютеры. Экран выполняет одновременно функции и мыши, и клавиатуры. Функция указывающего устройства выполняется путем прикосновений специальным пером (стилусом) к экрану, при этом ими­тируется как одинарный, так и двойной щелчок (вместо терминов clickи double-clickтут применяется термины tapи double-tap). Такой способ ввода информации позволяет обходится без физической клавиатуры, ко­торая заменяется экранным изображением. Кроме того, дополнительное программное обеспечение позволяет распознавать буквы, нарисованные на экране стилусом от руки.

ü Сенсорными экранами больших размеров оснащаются планшетные компью­теры, а также профессиональные машины для компьютерного дизайна. Эти экраны предназначены в основном для ввода графического изображения путем рисования на экране стилусом.

ü Сканеры позволяют вводить графическую информацию, считывая ее с бу­мажного листа.

ü Цифровые фотоаппараты.

· Устройства ввода звуковых данных

ü Микрофон.

ü Линейный вход получает сигнал с выхода звуковой аппаратуры (магнито­фонов, проигрывателей, телеприемников и прочих источников звуковых сигналов).

ü Midi-клавиатура.

· Устройства ввода видеоинформации

ü Цифровые и аналоговые видеокамеры со специальным видео-выходом.

ü Телеприемники.

ü Видеомагнитофоны.

ü Веб-камеры и камеры сотовых телефонов.

· Устройства ввода радиосигнала подключаются к высокочастотному входу для приема FMрадио- и телевещания

· Сканирующие устройства для ввода символьной, числовой и биометрической информации (чтение штрих-кодов, отпечатков пальцев)

· Устройства считывания данных от датчиков бытовой, технологической и теле­метрической аппаратуры.

Разнообразие современных устройств, предназначенных для ввода информации в компьютер, очень велико. Выше перечислены не все устройства, поскольку не­прерывно появляются все новые и новые устройства, совершенствующие взаимо­действие компьютера и человека. Концепция «умных вещей» и «умных жилищ», появившаяся в конце прошлого века, ныне бурно развивается, и в соответствии с ней возникает все больше и больше каналов, по которым компьютеры могут вос­принимать данные и взаимодействовать с человеком.

Устройства вывода

Существует главное устройство вывода данных из компьютера — монитор. Главенство монитора среди устройств вывода данных вполне объяснимо: человек воспринимает и осознает свыше 90 % всей входящей информации именно визуаль­но. Таким образом, то устройство, которое обеспечивает генерацию изображения, всегда будет наиболее важным среди устройств вывода компьютера.

Мониторы в своем развитии прошли путь от микроскопических по сегодняш­ним меркам черно-белых (а вернее, черно-зеленых) экранов, работающих исклю­чительно в текстовом режиме, до огромных плоских матриц, размеры которых заставляют отодвигаться от них подальше, иначе невозможно охватить взглядом всю их поверхность.

· В настоящее время персональные компьютеры работают с тремя основными типами мониторов:

· мониторы с электронно-лучевой трубкой;

· жидкокристаллические мониторы;

· мониторы с плазменной панелью.

Конструкция монитора с электронно-лучевой трубкой (Cathode-RayTubedisplay, CRT), которая показана на рис. 10.4, абсолютно соответствует названию. Внутри этих мониторов находятся:

· катод, раскаляющий проводник так, чтобы вокруг него возникло облако элек­тронов;

· трубка с тремя магнитными ловушками, создающими из электронов катода три хорошо сфокусированных луча;

· дисплей, покрытый светящимся под воздействием электронного луча слоем.

Каждая точка экрана состоит из трех компонентов — красного, зеленого и сине­го, а каждый из лучей заставляет светится с заданной яркостью один или несколько этих компонентов. В результате получается картинка, в которой смешение трех основных цветов создает всевозможные оттенки всех цветов.

Среди достоинств современных мониторов с электронно-лучевой трубкой можно отметить только два: они дешевле по сравнению с жидкокристаллическими и плазменными мониторами и могут менять в определенных пределах свое раз­решение. Все остальные параметры при сравнении много хуже. Мониторы с элек- тронно-лучевой трубкой занимают больше места, имеют больший вес, потребляют много электроэнергии, генерируют сильные электромагнитные поля, а четкость изображения у них хуже, чем у жидкокристаллических и плазменных мониторов. Эти мониторы постепенно заменяются жидкокристаллическими и плазменными.

Жидкокристаллический монитор (LiquidCrystalDisplay, LCD), или жидкокри­сталлический дисплей (ЖКД), представляет собой плоский экран, характеризую­щийся хорошей четкостью, фиксированным разрешением (количеством отобра­жаемых точек), небольшим энергопотреблением, малыми габаритами (в глубину) и весом, к тому же он вполне доступен по цене. При более четком отображении ЖКД обладает куда меньшими показателями излучения от экрана и мощности электромагнитных полей.

Принцип действия ЖКД основан на способности физической структуры, на­званной «жидкими кристаллами», менять свою светопроводность (вернее, цве- топроводность) в зависимости от поданного на них напряжения. Таким образом, получая на входе определенный цветовой спектр, жидкие кристалы, в зависимости от того, какое напряжение на них подается, пропускают только свет определенного цвета. Каждой точке экрана соответствует одна жидкокристаллическая ячейка, которая в результате подачи на нее электрического сигнала становится светофиль­тром и подсвечивается светом того или иного цвета.

Поскольку матрица ЖКД сформирована из заранее установленного количества ячеек, эти дисплеи имеют фиксированные размер и разрешение экрана. Если для настольных персональных компьютеров и рабочих станций вы можете выбирать между тремя типами дисплеев, то для наладонных устройств и ноутбуков ЖКД на сегодняшний день — единственное приемлемое решение.

Конструктивно плазменные мониторы, как и жидкокристаллические, имеют вид плоских панелей. Плазменные мониторы работают за счет свечения инертного газа в плазменном разряде. Каждая ячейка (точка экрана) плазменного монитора представляет собой сочетание трех миниатюрных люминесцентных ламп, каждая из которых может светиться своим цветом (красным, зеленым или синим). Для того чтобы плазменный разряд возник, необходимо подвести к электродам до­вольно высокое напряжение, что делает плазменные дисплеи весьма энергоемкими устройствами. Кроме этого, плазменные панели имеют ограничение по размеру отображаемой точки на экране. На самом деле, если вам необходимо в некотором объеме разместить три люминесцентные лампы, этот объем невозможно уменьшать до бесконечности. Для современных плазменных дисплеев предел составляет около половины миллиметра. Таким образом, с точки зрения четкости изображения для плазменных панелей «чем больше размер, тем лучше». Когда плазменные панели применяются для представления изображений на большой площади, им нет равных как по четкости изображения, так и по насыщенности цвета.

Плазменные панели потребляют гораздо больше электроэнергии, чем жидко­кристаллические, они имеют ограничение по размеру точки экрана и значительно дороже ЖКД. Их применение ограничено экранами телевизоров и мониторами особо крупного размера (скорее для коллективного, чем для индивидуального пользования).

Изображение через системную шину записывается в видеопамять, которая расположена на плате видеоадаптера. Затем видеоадаптер считывает изображе­ние из видеопамяти, преобразуя его в видеосигнал, который и подается на вход монитора. Видеосигнал имеет стандартные параметры, поэтому мы можем под­ключать к компьютеру мониторы разных типов (с электронно-лучевой трубкой, жидкокристаллические, плазменные), используя один и тот же разъем на одном и том же видеоадаптере.

Первые устройства вывода на печать появились примерно в одно и то же время с устройствами вывода на экран (в 60-х годах прошлого века). На заре истории развития компьютеров принтеры играли более важную роль. Результаты компью­терных вычислений выводились на бумагу — никому не нужны были результаты вычислений на экране. С тех пор многое изменилось, и сейчас вполне можно себе представить персональный компьютер без принтера, но без монитора его предста­вить невозможно. Однако если говорить о важности устройств вывода, то принтер стоит в очереди непосредственно после монитора. Сколь бы ни были красивы созданные изображения на экране, рано или поздно появляется необходимость получить изображение (будь то текст или рисунок), отпечатанное на бумаге.

По конструкции и принципу действия принтеры можно подразделить на сле­дующие группы:

· матричные принтеры (ныне почти не встречаются);

· струйные принтеры;

· лазерные принтеры.

Принцип действия матричного принтера очень напоминает принцип действия печатной машинки: есть лента, покрытая красящим веществом, бумага и печатаю­щая головка. Но если в печатной машинке для пропечатывания каждого символа был свой боек с гравировкой, то в матричном принтере символ формируется при помощи иголок, выстреливающих из печатного узла под действием электромаг­нитов. Иголки выдвигаются сквозь отверстия в прямоугольной матрице, отсюда и пошло название принтера. Таким образом, каждая буква собирается из точек, которые появляются при ударе иголки по ленте. Матричные принтеры прожили довольно долгую жизнь, и изрядную часть своего пути персональные компьютеры в прошлом столетии прошли под аккомпанемент стрекотания матричных прин­теров. В сравнении с современными типами принтеров у матричных принтеров практически нет никаких плюсов: они громоздки, производят много шума, потре­бляют много электроэнергии, лента на них быстро изнашивается, да и остальные части механизма довольно часто выходят из строя. Но самое главное — они мед­ленно печатают. Скорость печати среднего матричного принтера вполне сравнима со скоростью печати хорошей машинистки. Все эти факторы привели к тому, что с появлением струйных и лазерных принтеров матричные принтеры практически сразу ушли в прошлое.

Первыми на смену матричным игольчатым принтерам пришли струйные прин­теры. Их принцип действия основан на выбрасывании специальных чернил через сопла размером в микроны под высоким давлением. Все компоненты струйного принтера были разработаны довольно быстро, принцип действия, который при­меняется в этих устройствах, применялся задолго до их появления для маркировки различного рода упаковок и грузов. Однако для длительной, скоростной и точной печати на бумаге нужны очень маленькие размеры капель, которые выбрасывают сопла, а это значит, что диаметр сопел тоже должен быть очень малым. Необхо­димость в уменьшении размера капель и диаметра сопел упиралось всего в одну вещь — чернила. Вся история струйных принтеров — это в первую очередь история поисков волшебной формулы чернил. Чернила для струйного принтера должны обладать широким спектром взаимоисключающих свойств. Например, они должны мгновенно высыхать на бумаге и совершенно не сохнуть внутри механизма прин­тера. Они должны быть достаточно вязкими, чтобы не расплываться при ударе о бумагу, и достаточно текучими, чтобы не застревать внутри сопла. Они должны быть стойкими и несмываемыми там, куда их наносят, и легко удаляться при очистке печатной головки. Недаром сегодня, купив недорогой струйный принтер, пользователь с удивлением узнает, что картридж с чернилами составляет едва ли не половину стоимости покупки. Среди достоинств струйного принтера можно назвать высокое качество печати, в особенности цветной, при приемлемой цене. Недостатком (в сравнении с лазерными принтерами) являются повышенный шум во время печати (поскольку печатающий механизм, как и в матричном принтере, постоянно перемещается по всей ширине листа) и проблемы, которые могут воз­никнуть, если принтером долго не пользоваться (чернила со временем в печатных соплах подсыхают).

В лазерных принтерах принцип печати такой же, как у большинства современ­ных копировальных машин. Есть фотобарабан, поверхность которого в ходе под­готовки к печати заряжается отрицательно. Затем на фотобарабан лазерным лучом наносится рисунок, то есть создаются точки, лишенные отрицательного заряда. Тонер (красящий порошок), обладающий магнитными свойствами, притягивается к фотобарабану только в тех местах, с которых лазерный луч снял отрицательный заряд. С фотобарабана тонер переносится на бумагу под действием расположенного с обратной стороны бумаги магнитного барабана. На последнем этапе бумага с то­нером пропускается сквозь валики, сильно сжимающие и нагревающие ее, — так происходит закрепление (запекание) изображения на листе.

У лазерных принтеров практически нет недостатков. Тонер для них достаточно дешев, скорость печати может быть гораздо выше, чем у струйных принтеров, каче­ство изображения практически типографское. Цена на монохромные (черно-белые) лазерные принтеры сравнима с ценой на струйные принтеры. И к тому же лазерные принтеры почти бесшумны (все, конечно, зависит от модели, есть модели, которые при совершенно бесшумном процессе печати производят столько звуков в процессе захвата и выпуска листа, что все преимущество бесшумной печати сводится на нет). Однако преимущество в соотношении цена/качество для лазерных принтеров очевидно только при монохромной печати. Цветные лазерные принтеры весьма дороги, и это вполне объяснимо: для нанесения тонера четырех цветов (черный,

красный, зеленый, синий), из которых формируется цветное изображение, внутри одного цветного принтера практически работают четыре монохромных принтера, выстроенных в одну технологическую цепочку и требующих особо точного меха­низма позиционирования листа бумаги.

Звук выводится из компьютера через разъемы видеоадаптера на устройства вос­произведения звука — звуковые колонки или головные телефоны. При этом звук может иметь двойную природу — это может быть естественный звук, хранимый на компьютере в цифровом виде, или звук синтезированный. Для кодирования и хранения в цифровом виде естественный звук должен быть дискретизирован и преобразован в бинарный вид. Этим занимается расположенное на звуковой кар­те устройство аналого-цифрового преобразования. При воспроизведении оцифро­ванного звука нужно произвести обратное преобразование (цифроаналоговое), чем занимается цифроаналоговый преобразователь, также расположенный на звуковой карте. Он преобразует поток двоичных данных в аналоговый электрический сигнал, который в колонках или головных телефонах превращается в звук.

Немного иной процесс происходит при записи и воспроизведении синтезиро­ванного звука (MusicalInstrumentsDigitalInterface, MIDI). Синтезированный звук не нуждается в преобразовании из цифровой формы в аналоговую и обратно. При записи синтезированного звука в память компьютера записывается последо­вательность чисел, в которых закодировано всего три вещи: нота (высота тона), инструмент и длительность звучания. Такую запись можно сделать напрямую со специального музыкального инструмента (MIDI-клавиатура) или же при помощи программы — редактора MIDI-файлов. При воспроизведении такого звука специ­альный синтезатор, микросхема которого также расположена на звуковой карте, принимает записанные в память данные и генерирует звук того инструмента, той высоты и той длительности, которым соответствует полученное им число. Само звучание музыкальных инструментов, включая ударные и шумовые эффекты, хранится в MIDI-банках и в нужный момент просто извлекается и подставляется в последовательность воспроизводимых звуков.

Кроме перечисленных выше устройств, к компьютеру можно подключать до­полнительные устройства вывода данных различной природы:

· плоттер для вычерчивания чертежей большого масштаба;

· механизмы управления роботизированными устройствами и технологическими процессами;

· сигнальные устройства различного рода;

· факс-модем — в этом случае при подключении к телефонной линии компьютер можно использовать для отправки факсов (в отличие от электромеханического факсимильного аппарата в качестве факса можно отправить изображение, от­сканированное задолго до момента отправки).

Материнская плата

Основными компонентами, устанавливаемыми на материнской плате, являются: процессор, постоянная память (BIOS), контроллеры внешних устройств и чипсет.

Современный чипсет строится на базе двух СБИС: «северного» и «южного» мостов. Микросхемы чипсета, установленные на материнской плате, предна­значаются для работы с определенным типом процессора (или его подтипами). Разъем для процессора (socketили slot)также однозначно соответствует кон­фигурации корпуса микросхемы процессора и количеству его ножек. Таким образом понятия «процессор», «материнская плата» и «чипсет» оказываются тесно связанными: невозможно использовать процессор, не предназначенный для установки на данной материнской плате, и, наоборот, невозможно задействовать материнскую плату, не предназначенную для установки на нее определенного типа процессора.

Память компьютера

За функцию хранения данных в комьютере отвечает целый ряд самых разных компонентов, объединенных одним названием — память (запоминающее устрой­ство), крайне различных как по назначению, так и по принципу действия.

Общим для всех компонентов памяти является то, что доступ к хранимым дан­ным осуществляется по адресам, указывающим на ячейки памяти.

В зависимости от принятой системы адресации ячейка памяти может иметь объем от байта до одной из степеней двойки (16, 32, 64 и более) битов.

В современном компьютере можно выделить четыре основных типа памяти:

· внутрипроцессорная память;

· оперативная память, или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

· постоянная память, или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

· дисковая память, или память на внешних носителях.

К внутрипроцессорной памяти относятся:

· регистровая память;

· кэш первого и второго уровней.

Регистровая память имеет самый маленький объем и является самой быстрой. Если быть точным, регистровая память не просто расположена в микросхеме про­цессора, она является неотъемлемой частью арифметико-решающего и управля­ющего устройств. Именно в регистры загружается команда для ее декодирования и выполнения, а также данные для выполнения операций над ними. Каждый из регистров процессора представляет собой 32-, 64- или 128-битную последова­тельность.

В современных процессорах встроенный кэш первого (L1) и второго (L2) уров­ней предназначен для временного хранения данных и команд, чтобы при повторном использовании не приходилось через системную шину вновь извлекать данные и команды из основной памяти компьютера. Поскольку производительность процессора всегда больше, чем производительность остальных компонентов, то повторное обращение через системную шину за уже извлекавшимися данными — нежелательная процедура, которой лучше избежать. При этом кэш первого уровня весьма мал размером, от 8 до 16 Кбайт, но его скорость сравнима со скоростью ра­боты регистров. Кэш второго уровня более объемистый, до 512 Кбайт, но немного более медленный, чем кэш первого уровня. Однако в любом случае кэши первого и второго уровней — гораздо более быстрый вид памяти, чем вся остальная память компьютера, которая находится вне процессорного чипа и к которой необходимо обращаться через системную шину.

Кэш-память играет важную роль в поддержании производительности процес­сора.

Если отключить кэширование, то производительность компьютера может упасть в десятки раз. По мере развития полупроводниковых технологий тактовая частота процессора увеличивалась гораздо быстрее, чем тактовая частота шины памяти. Для увеличе­ния производительности кэш-память второго уровня старались всячески прибли­зить к центральному процессору, чтобы иметь возможность увеличить ее частоту по сравнению с частотой шины памяти. Если сначала кэш-память второго уровня выполнялась в виде микросхем, которые устанавливались на системной плате в непосредственной близости от центрального процессора (PentiumI), то затем их стали выполнять внутри корпуса микросхемы процессора (PentiumII), а позже разместили непосредственно на кристалле процессора (PentiumIII и PentiumIV). Размещение кэш-памяти второго уровня непосредственно на кристалле практиче­ски полностью устранило разницу в быстродействии кэша и регистровой памяти.

Оперативная память компьютера (RandomAccessMemory, RAM) — это та об­ласть памяти, в которую загружаются программы и данные, откуда процессор берет инструкции для выполнения и данные для обработки. Физически основная память представляет собой платы небольшого размера, вставляющиеся в специальные слоты на материнской плате.На плате расположены микросхемы, в которые записываются данные. Запись и считывание происходят следующим образом: у платы памяти есть два набора контактов, первый называется шиной адреса, второй — шиной данных. Чтобы прочитать что-то из оперативной памяти, процессор выставляет на шине адреса число, соответствующее адресу, из которого будет производиться чтение. После этого процессор посылает памяти сигнал «готов читать», память выставляет на шину данных значения битовых ячеек, записанные по заданному адресу, и про­цессор считывает эти значения. Примерно в таком же порядке происходит запись данных в память, только процессор вместо сигнала «готов читать» выставляет на шину данных данные, которые надо записать, и посылает памяти команду «запись». В современных компьютерах применяется два основных типа оперативной памяти: статическая (StaticRandomAccessMemory, SRAM) и динамическая (DynamicRandomAccessMemory, DRAM). Отличие между ними состоит в том, что динамическая память имеет малое время хранения информации и требует по­стоянной циклической перезаписи (обновления) информации в своих ячейках. В отличие от DRAM, SRAMможет хранить память без перезаписи долгое время (долгое в сравнении с DRAM, статическая память не является энергонезависимой). За более высокую стабильность и скорость SRAMприходится платить более вы­сокой ценой этого типа памяти, поэтому большинство персональных компьютеров в качестве основной памяти используют DRAM.

Динамическая память, в свою очередь, подразделяется на два типа: синхронную и асинхронную.

Асинхронная динамическая память имеет встроенный генератор импульсов, управляющий всеми сигналами и этапами цикла извлечения и записи данных, в то время как в синхронной динамической памяти все сигналы синхронизируются с импульсами системной шины.

Асинхронная память не получила широкого распространения, поскольку по па­раметрам быстродействия проигрывала синхронной. По этой причине практически вся основная память, которая сегодня применяется в компьютерах, построена на разновидностях синхронной динамической памяти (SynchronousDynamicRandomAccessMemory, SDRAM).

Синхронная динамическая память, в свою очередь, имеет несколько разновид­ностей, которые сменяли друг друга по мере роста быстродействия процессоров: SDR (SingleDataRate— одинарная скорость передачи данных), DDR (DoubleDataRate— двойная скорость передачи данных), DDR2 и DDR3.

В широком смысле постоянная память означает память, которая записывается один раз, причем повторная запись в эту память невозможна. Другое, не менее ши­рокое определение этого термина — память, данные в которой не теряются после выключения компьютера. Однако в более узком смысле этот термин применяют в основном для обозначение микросхемы, в которую записана часть программно­го обеспечения, называемая BIOS (BasicInputOutputSystem — базовая система ввода-вывода). Микросхемы BIOS можно подразделить на три основных типа:

память однократной записи (ReadOnlyMemory, ROM) — микросхема одно­кратно программируется на заводе и больше не подлежит перезаписи;

память с возможностью перезаписи (ProgrammableROM, PROM) — микро­схему можно перепрограммировать («перепрожечь») при помощи специального программатора;

память с возможностью перезаписи без извлечения из компьютера (ElectricallyErasableProgrammableROM, EEPROM) — микросхему можно перепрограмми­ровать при помощи специального программного обеспечения, подавая на нее определенные команды.

Дисковая память представляет собой несколько дисков из магнитного материала, запись на которые производится, как на маг­нитную ленту, путем намагничивания определенных зон на диске. Блок дисков вращается с очень большой скоростью.

Флэш-память — это полупроводниковая микросхема, в которой нет движущих­ся частей, и принцип записи совершенно иной. За последние несколько лет объем одно флэш-чипа возрос от десятков мегабайтов до единиц гигабайтов, а скорости записи и чтения также увеличились на порядок. Возможность объединения не­скольких чипов в одном корпусе позволила создавать флэш-карты емкостью в 32, 64 и 128 Гбайт, что вполне сравнимо по емкости с жесткими дисками. Однако в от­личие от жесткого диска во флэш-памяти нет подвижных механических частей, по­этому с механической точки зрения срок ее жизни приближается к бесконечности. С электрической же стороны флэш-память может выдержать примерно миллион циклов перезаписи. Это очень важное ограничение, но прогресс не стоит на месте, и нет никаких сомнений, что данный порог также будет успешно преодолен. На сегодняшний день в мире уже выпускается множество устройств, в которых флэш- память заняла место жесткого диска. В то же время появились жесткие диски раз­мером, сравнимым с размерами флэш-карты. В конце концов, оба этих устройства имеют одно и то же назначение — они должны хранить данные и программы при отключении питания компьютера.

Центральный процессор

Центральные процессоры современных компьютеров обычно выполняются в одном корпусе в виде одной сверхбольшой интегральной схемы (СБИС). Коли­чество транзисторов внутри одного современного процессора — от десятков до сотен миллионов.

Процессор состоит из трех функциональных блоков.

Операционный блок предназначен для выполнения простейших действий над операндами. В нем располагаются:

· арфиметическое логическое устройство (АЛУ);

· регистры операндов (буферный регистр и регистр-сдвигатель),

· регистр результата (аккумулятор);

· блок регистров общего назначения (РОН);

Два триггера, Тг1 и Тг2, нужны для временного хранения перенесенного из старшего разряда бита.Арифметико-логическое устройство выполняет несколько простейших арифметических (сложение, вычитание) и логических (И, НЕ, ИЛИ) операций. Более сложные операции, для которых аппаратная реализация отсутствует, выполняются программно с использованием для хранения промежуточных результатов блока регистров общего назначения.

Блок управленияопределяет порядок выборки инструкций, выполняя следую­щие функции:

· считывает и запоминает текущую команду;

· формирует адрес следующей команды;

· реализует выполнение поступившей команды в соответствии с ее алго­ритмом (декодируя выбранную из памяти инструкцию, блок управления разбивает ее на ряд последовательных микрокоманд, то есть элементарных операций, которые умеет выполнять АЛУ, формируя, таким образом,микро­программу для выполнения данной инструкции;

· управляет обменом информацией с внешними устройствами по системной шине.

Интерфейсный блоксогласует работу процессора и системной шины (системная шина объединяет в себе шину данных, шину управления и шину адреса).