Инф и ИКТ лк 8 Архитектура ЭВМ. Лекция 8 по дисциплине Информатика и икт тема 2 организация и функционирование компьютеров Раздел Архитектура компьютера с одержание
 Скачать 67.86 Kb.
|
 Лекция 8по дисциплине «Информатика и ИКТ» ТЕМА 2 «ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ» Раздел 3. Архитектура компьютера Содержание: 3.1. Общая архитектура компьютера 3.2. Аппаратная конфигурация ПК 3.3. Материнская плата ПК3.4. Центральный процессор 3.5. Оперативная память 3.6. Системные шины 3.1. Общая архитектура компьютера Архитектуройназывают прежде всего систему составляющих компьютер устройств и взаимосвязей между ними, а также совокупность правил, по которым происходит это взаимодействие. К архитектуре компьютера относятся характеристики отдельных устройств компьютера, структура и способы доступа к памяти и к внешним устройствам, система машинных команд компьютера, форматы данных, используемые в машинных командах, и др Главными устройствами являются процессор и память. Именно взаимодействием этих компонентов определяется возможность компьютера производить вычисления. Линии связи, по которым данные передаются из процессора в память и обратно, называются шиной.Обычно это электрический провод (сейчас появились оптоволоконные провода). Линий связи в компьютере много, и они выполняют множество разных функций. Принято делить линии связи всей шины на шину данных, шину адреса, шину управления и шину питания. Кроме того, процессор и память должны быть связаны проводами со многими другими устройствами компьютера. В современных компьютерах одна и та же шина используется для обмена данными как между процессором и памятью, так и между процессором и всеми портами ввода-вывода. Такая шина называется общей шиной. Это означает, что если по общей шине идет сигнал, то его, в принципе, могут прочесть все подключенные к шине устройства. Однако реально технология обмена информацией устроена таким образом, что получает сигнал именно то устройство, для которого он предназначается. Как это получается, мы попытаемся объяснить далее. Следует отметить, что эта простая однозвенная схема часто бывает усложнена. Реально часть устройств подключается к общей шине не непосредственно, а через одну из вспомогательных шин, которая, в свою очередь, присоединяется к общей шине. Такие шины называются локальными шинами. Однако это не меняет принципиальной схемы работы компьютера. Внутримашинным системным интерфейсомназывается вся система связей и сопряжений узлов и блоков компьютера между собой. Интерфейс включает совокупность электрических проводов, электронных микросхем сопряжения с компонентами компьютера, соглашений о передаче и преобразовании сигналов. Интерфейс с общей шиной называется односвязным. При многосвязном интерфейсе устройства связаны друг с другом проводами (магистралями). Компоненты устройства, назначением которых является взаимодействие с другими устройствами, называются его интерфейсом, а правила, которым интерфейс обязан удовлетворять, — протоколами. Иногда термин «интерфейс» трактуется более широко, включая также и протоколы. Для устройств одинакового предназначения может существовать несколько различных протоколов, но можно объединять в одно целое только те устройства, которые работают по одинаковым протоколам. Современные компьютеры конструируются на основе идеологии открытых систем, согласно которой компьютер составляется из нескольких достаточно независимых устройств, выполняющих определенную функцию. Отдельные устройства, составляющие компьютер, могут иметь различную конструкцию и выпускаться различными фирмами. Однако они должны удовлетворять определенным стандартам взаимодействия друг с другом. Эти стандарты относятся как к техническим характеристикам устройств (например, величина напряжения на выходных контактах, форма и количество контактов в разъеме), так и к содержанию сигналов, которыми обмениваются эти устройства. Сигнал по каналам связи внутри компьютера передастся в цифровой форме: по проводам передаются импульсы, которые кодируют нули и единицы. Способ передачи данных, при котором по каналу связи одновременно передается одна двоичная цифра (т.е. 1 бит данных), называется последовательным.При параллельномспособе передачи данных сигналы одновременно идут по нескольким проводам, которые в совокупности образуют один параллельный канал связи. Количество проводов в канале определяет его разрядность. Объем одновременно передаваемых по каналу данных зависит от разрядности канала. Параллельная передача данных является более быстродействующей, чем последовательная По способу передачи данных во времени различают синхронную и асинхронную передачи. При синхронной передаче данных процесс передачи синхронизируется с тактовыми сигналами, которые вырабатывает тактовый генератор. Интервал передачи определяется наибольшим временем задержки в системе передачи данных и максимальным временем преобразования сигнала. Асинхронная передача данных происходит при получении специальных сообщений, которые сигнализируют о готовности внешнего устройства к обмену и о этапах самого процесса передачи (эти сигналы посылаются процессором и характеризуют начало обмена, конец обмена и контроль правильности передачи данных). При такой организации обмена автоматически устанавливается рациональное соотношение между скоростью передачи данных и величинами задержки сигналов в канале связи. Существует множество различных типов периферийных устройств. Если ограничиться персональным компьютером, то в его состав могут входить устройства ручного ввода — клавиатура и мышь, устройства графического ввода — сканер, устройства вывода — монитор, принтер, графопостроитель (плоттер), внешние накопители данных — жесткий диск (винчестер), дисковод для гибкого диска (флоппи-диска), CD-ROM, звуковые колонки, сетевой выход. В более мощных компьютерах используются специализированные внешние устройства. Устройства компьютера подключены к шине не непосредственно, а через промежуточные устройства, которые называются контроллерами или адаптерами. Связано это с несколькими обстоятельствами:
Фактически контроллеры и адаптеры имеют свой процессор, который зачастую можно даже программировать, и свою память и представляют собой специализированный микрокомпьютер. Интерфейс отдельного устройства включает в себя весь комплекс средств, предназначенных для обеспечения связи конкретного устройства компьютера с другими устройствами: соединительные каналы, контроллеры или адаптеры, алгоритмы, обеспечивающие управление устройством. От характеристик интерфейса зависит быстродействие и надежность устройства. Интерфейс стандартизирован согласно протоколам, описывающим устройства именно этого функционального предназначения. Стандартизация касается как технических параметров устройства, так и команд управления устройством. Схемы управления обычно помещаются внутри. Многосвязный интерфейс используется в больших и супербольших компьютерах, когда отдельные устройства связываются друг с другом по нескольким независимым каналам связи (магистралям). Чаще всего каждое устройство снабжается одной выходной магистралью для выдачи данных и несколькими входными для приема данных от других устройств. При неисправности какой-либо магистрали или обслуживающих ее устройств оказывается отключенным только одно периферийное устройство. Управляющая аппаратура компьютера автоматически определяет неисправный узел и выбирает исправные и незанятые магистрали. Вся работа компьютера сводится к организации потоков данных и операциям обработки информации в процессоре, посколькуy только процессор определяет, когда, кому и какое сообщение должно быть передано. Прочие устройства могут только получать управляющие сигналы и выполнять нужные действия. В свою очередь, процессор извлекает эту информацию из компьютерной программы и данных, используемых программой. Для того чтобы он мог это сделать, и то и другое должно находиться в оперативной памяти компьютера. Даже если первоначально эти данные хранились на внешнем носителе, прежде чем они могут быть использованы компьютером (процессором!), они должны быть переписаны в оперативную память. 3.2. Аппаратная конфигурация ПК Аппаратную конфигурацию настольного ПК можно рассмотреть с двух точек зрения.
Рассмотрим сначала внешнюю конфигурацию настольного ПК (рис. 2.1).
Базовая конфигурация Расширенная конфигурация Рис. 2.1 Внешняя конфигурация ПК Базовую конфигурацию составляют 4 основных элемента: системный блок, монитор, клавиатура и мышь. Все остальные элементы относятся к расширенной конфигурации. Рассмотрим теперь функциональную конфигурацию (рис. 2.2). Основу функциональной конфигурации ПК составляет материнская плата, которую будем обозначать MB (main board, motherboard). Материнская плата устанавливается в системном блоке, все остальные устройства ПК подключаются к ней. CPU Видеокарта Монитор MB Звуковая карта Аудиосистема Адаптер Устройство RAMMMM Рис. 2.2 Функциональная конфигурация ПК Блок питания Основными устройствами, которые обязательно должны быть подключены к материнской плате являются процессор (CPU – Central Processing Unit) и оперативная память (RAM – Random Access Memory). Все остальные устройства подключаются к материнской плате через соответствующие адаптеры. Например, адаптером монитора является видеокарта, адаптером аудиосистемы – звуковая карта. Большинство адаптеров включают в себя контроллеры, управляющие работой устройств. Контроллер способен осуществлять некоторые операции по управлению устройством и по передачи данных без обращения к CPU, в этом смысле каждый контроллер можно считать дополнительным к CPU узкоспециализированным процессором. При необходимости контроллер может записывать/считывать данные из RAM. Процедура прямого (минуя CPU) обмена данными между устройством и RAM называется прямым доступом к памяти или DMA (Direct Memory Access). Если устройству требуется DMA, ему выделяется для этого специальная область памяти (диапазон адресов). Для подключения адаптеров устройств на материнской плате установлены специальные разъемы (слоты). Часто используется термин «порт» - это более широкое понятие, включающее, кроме типа разъема, еще и тип аппаратного интерфейса - набор соглашений о передаче сигналов. Видеокарта подключается к специальным высокоскоростным портам AGP (Accelerated Graphic Port) или PCIE, звуковая карта, сетевая карта и многие другие устройства – к порту PCI (Peripheral Component Interconnect). Адаптеры некоторых устройств входят в состав материнской платы (так называемые интегрированные адаптеры) – в этом случае на материнской плате есть разъем для подключения самого устройства. Так, например, жесткий диск можно подключить непосредственно к порту IDE, а клавиатуру и мышь – к портам PS/2. В настоящее время для подключения периферийных устройств разработаны универсальные адаптеры USB (Universal Serial Bus) и FireWire (IEEE 1394, i-Link). Через порт USB можно подключать самые разные устройства – клавиатуру, мышь, принтер, сканер, сотовый телефон, цифровой фотоаппарат, а также внешние носители данных – флэш-накопители и переносные жесткие диски (такие устройства желательно подключать через высокоскоростной порт USB 2.0). Порт FireWire обычно используется для подключения цифровых телекамер, работающих в режиме реального времени. В последнее время все чаще используется беспроводное подключение устройств к материнской плате – обмен сигналами при этом происходит при помощи электромагнитных волн. Для такого подключения существуют специальные адаптеры BlueTooth, которые подсоединяются к USB порту. При помощи такого адаптера можно, например, установить беспроводную связь компьютера с сотовым телефоном, подключить компьютер к Интернету, связать настольный компьютер с ноутбуком и т.д. Более подробно особенности подключения различных устройств мы рассмотрим в следующей Лекции. 3.3. Материнская плата ПКМатеринская плата, является основным устройством ПК, обеспечивающим подключение и взаимодействие всех других устройств друг с другом. Именно материнская плата обеспечивает реализацию аппаратных интерфейсов. В составе материнской платы можно выделить следующие элементы.
Рассмотрим назначение этих элементов. Чипсет – это набор микросхем, из которых собственно и построена материнская плата. Именно чипсет реализует необходимые аппаратные интерфейсы, на основе которых работает компьютер. Все остальные устройства материнской платы можно считать дополнением к чипсету. Однако необходимо иметь в виду, что на основе одного и того же чипсета разными производителями разрабатываются различные материнские платы, поэтому типов материнских плат значительно больше, чем базовых чипсетов. Энергонезависимая память является необходимым дополнением к чипсету. Она содержит набор базовых программ (BIOS – Basic Input and Output System), поддерживающих аппаратные интерфейсы, выполняющих проверку работоспособности компьютера при его включении, загружающих операционную систему и т.д. Основное содержимое энергонезависимой памяти записывается при изготовлении материнской платы и не изменяется в процессе эксплуатации компьютера, однако часть этого содержимого (настройки BIOS) можно изменить через специальную программу BIOSSetup, которая также записана в энергонезависимую память. Современные материнские платы поддерживают и процедуру перезаписи всего содержимого энергонезависимой памяти (перезапись BIOS, прошивка BIOS), но это очень критичная процедура – при неудаче компьютер окажется полностью неработоспособным. Кроме чипсета в состав материнской платы могут входить микросхемы других устройств, выполняющих функции, не относящиеся к функциям материнской платы. Например, в материнскую плату может быть встроена звуковая карта, сетевая карта или видеокарта. Такие устройства называются интегрированными в материнскую плату. Наличие интегрированной видеокарты означает, например, что монитор можно подключать непосредственно к соответствующему разъему материнской платы. Генератор тактовой частоты также является необходимым элементом материнской платы, задающим частоту прохождения всех электрических импульсов (частоту системной шины) и, следовательно – скорость обмена данными между всеми устройствами компьютера. Если частота системной шины равна  , то минимальное временное расстояние между импульсами  . Если от одного устройства передается другому одновременно n бит, то максимальная (пиковая) скорость передачи денных между этими устройствами  бит/с. Это же относится и к передаче данных внутри устройств, за исключением процессора – в нем внутренняя скорость передачи данных гораздо выше. В процессоре действует другая, более высокая тактовая частота  , где Кп – коэффициент умножения частоты. Величина Kп находится в диапазоне от 2 до 21. Поэтому  - тактовая частота процессора - может значительно превышать тактовую частоту системной шины .Системные шины – это системы проводников, обеспечивающие прохождение электрических сигналов между устройствами. Таким образом, устройства обмениваются данными друг с другом именно через системные шины. Микросхемы чипсета связаны друг с другом и со слотами устройств через шины, выполненные в виде электрической разводки платы. Основной характеристикой шины является разрядность (ширина шины) – количество бит, которые могут передаваться по шине одновременно. Тип и разрядность шины определяются аппаратным интерфейсом, который эта шина должна поддерживать, поэтому, говоря о разрядности шины, имеют в виду именно тип интерфейса. Для подключения различных устройств к материнской плате используются слоты – специальные разъемы, соединенные через соответствующие шины с микросхемами чипсета. Каждый слот предназначен для передачи данных в соответствии с определенным интерфейсом, поэтому слоты обозначаются теми же аббревиатурами, что и интерфейсы, например, PCI, AGP, USB. Последний элемент списка автономный источник питания представляет собой стандартный маленький аккумулятор, предназначенный для поддержания работы энергонезависимой памяти и генератора тактовой частоты в то время, когда компьютер выключен. При выходе автономного источника питания из строя происходит сбой системных часов и настроек BIOS, что может привести к сбоям в работе программ. Вышедший из строя автономный источник питания, как правило, несложно заменить. 3.4. Центральный процессор (CPU) Центральный процессор (ЦП) — это устройство, которое выполняет обработку информации в соответствии с выполняемой компьютером программой, находящейся в оперативной памяти и состоящей из отдельных команд, понятных для процессора. В каждой команде содержатся сведения о том, откуда взять исходные данные, какую операцию над ними выполнять и куда поместить результат. Процессор выполняет следующие функции:
• прием и обработка запросов и команд от адаптеров внешних устройств; • выработка управляющих сигналов для всех прочих устройств компьютера. Функционально процессор состоит из двух компонентов — операционной и интерфейсной частей. Операционная часть включает устройство управления, арифметико-логическое устройство и процессорную память (регистры общего назначения — РОН). Интерфейсная часть включает микросхемы управления шиной и портами, а также адресный и командный регистры. Устройство управления является наиболее сложной частью процессора. Оно вырабатывает сигналы, которые управляют всеми устройствами компьютера, и процессором в частности. Большинство операций в процессоре выполняется параллельно, а синхронизируются они с помощью тактовых импульсов, вырабатываемых генератором тактовых импульсов, частота которых — одна из важнейших характеристик процессора. Устройство управления выполняет следующие функции:
•считывает адреса в ОЗУ операндов операции и в случае необходимости переписывает данные из ОЗУ в регистры общего назначения;
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций. Операнды операции перед этим должны быть размещены в регистрах общего назначения. Результат также помещается в регистр общего назначения. Само АЛУ представляет собой микросхему, на вход которой подаются операнды операции, а на выходе получается результат. Обычно для повышения общего быстродействия процессор может выполнять сложение и умножение только целых чисел, а для сложения и умножения чисел с плавающей точкой используются специальные микропрограммы. Регистры общего назначения используются для хранения начальных, конечных и промежуточных данных при работе процессора. Для повышения эффективности работы в современных процессорах используется встроенная быстродействующая память – кэш-память, выполняющая функцию буфера между оперативной памятью и ядром процессора, в котором происходит выполнение команд. Данные из оперативной памяти сначала попадают в кэш-память процессора и только затем подвергаются дальнейшей обработке. При этом реализуется пакетный способ передачи данных – данные из оперативной памяти в кэш-память передаются сразу большим блоком (пакетом). Производительность процессора зависит в первую очередь от его тактовой частоты , определяющей количество элементарных операций совершаемых процессором в единицу времени. Современные ПК характеризуются значениями от 2 ГГц до 4 ГГц. Использование более высоких тактовых частот связано со значительными техническими трудностями, главными из которых являются проявление волновых свойств электрических импульсов на высоких частотах (что приводит к искажениям сигналов) и увеличение тепловыделения с ростом частоты (что приводит перегреву микросхем или к необходимости делать сложную и громоздкую систему охлаждения). Поэтому в настоящее время разработчики процессоров стремятся увеличить производительность процессоров, не увеличивая существенно тактовую частоту.Производительность процессора зависит также от числа элементарных операций, выполняемых процессором одновременно (за один такт). В этом случае говорят, что операции выполняются параллельно и что процессор поддерживает параллельные вычисления. Рассмотрим основные способы организации параллельных вычислений внутри процессора. 1. Конвейерная обработка данных. Применяется почти во всех современных процессорах. В основу конвейерной обработки положен тот факт, что тактовые (т.е. выполняющиеся за один такт частоты процессора) элементарные операции, на которые разбивается каждая команда, выполняются разными независимыми блоками процессора. Э ти операции могли бы выполняться одновременно, но для одной команды это невозможно – каждая следующая операция использует результат предыдущей. Зато одновременные вычисления можно организовать для группы однородных независимых между собой команд. Пусть, например, процессору нужно выполнить последовательность из большого количества независимых однотипных команд. Для упрощения рассуждений будем считать, что процессор состоит из n блоков, а каждая команда состоит из последовательности n тактовых операций, причем, i-ю операцию выполняет i-й блок. После того, как 1-й блок выполнит 1-ю операцию 1-й команды (за 1-й такт), он освободится и сможет сразу выполнить 1-ю операцию 2-й команды. Одновременно с ним 2-й блок будет выполнять 2-ю операцию 1-й команды. Все это произойдет за 2-й такт. За 3-й такт 1-й блок выполнит 1-ю операцию 3-й команды, 2-й блок – 2-ю операцию 2-й команды, а 3-й блок – 3-ю операцию 1-й команды и т.д. Таким образом, каждая очередная команда процессора начинает выполняться не после окончания предыдущей команды (на это в нашем примере ушло бы n тактов), а через один такт после начала предыдущей. Эффективность конвейерной обработки зависит от конструкции процессора, объема кэш-памяти, и от специфики обрабатываемого программного кода. Конвейерная обработка данных, позволяющая одновременно обрабатывать любые (не обязательно однотипные) команды называется суперскалярной. 2. Технология Hyperthreading (гипертрединг, многоконвейерная обработка данных) – дальнейшее развитие идеи конвейерной обработки. В этом случае процессор снабжается двойным набором регистров и воспринимается программным обеспечением как 2 параллельно работающих процессора. На самом деле процессор один и имеет одно ядро, в котором собственно происходят вычисления, но одновременно могут выполняться команды от 2-х различных задач. Наибольший эффект дает использование такого процессора, если компьютер работает в многозадачном режиме (это характерно для всех современных ПК), причем, одновременно выполняющиеся программы носят существенно разный характер. Например, если сложная вычислительная задача выполняется одновременно с компьютерной игрой, процессор с Hyperthreading даст максимальный выигрыш – обе программы почти не заметят друг друга. Если же одновременно работают две вычислительных задачи, то использование процессора с Hyperthreadingпрактически не даст выигрыша по сравнению с таким же процессором без этой технологии. 3. Двухядерные процессоры. Это по сути дела выполнение двух процессоров в одной микросхеме, т.е. одновременное использование двух параллельно работающих процессоров. Использование двухядерного процессора повышает производительность работы в 2 раза практически для любого многозадачного режима работы компьютера. Не дает выигрыша такой процессор только в однозадачном режиме (например, в операционной системе DOS). Дальнейшее развитие этой технологии, по-видимому, приведет к созданию многоядерных процессоров для ПК. Конструктивно любой процессор для ПК выполняется в виде микросхемы, которая вставляется в специальный (процессорный) слот материнской платы. Т.к. работа процессора сопровождается выделением большого количества тепла, для его охлаждения используются радиатор и специальный вентилятор, которые плотно прижимаются к корпусу процессора. В настоящее время есть несколько стандартов процессорных слотов, поэтому необходимо, чтобы процессор и материнская плата соответствовали друг другу. Микросхема процессора состоит из огромного количества (сотен миллионов) мельчайших полупроводниковых элементов – транзисторов. Количество транзисторов в единице объема процессора называется степенью интеграции и определяет удельную производительность. Увеличение степени интеграции позволяет либо уменьшить объем при данной производительности, либо увеличить производительность при заданном объеме. Вместо степени интеграции часто пользуются другой величиной – средним размером одного транзистора. В этом случае говорится, что микросхема изготовлена по технологии … - и далее указывается средний размер транзистора в микронах (1мкм = 10-6 м) .или в нанометрах ( 1 нм = 10-9 м). Современные микросхемы изготавливаются по технологии 50 – 90 нм, что близко к технологическому пределу. 3.5 Оперативная память (RAM).Оперативная память, называемая также ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) или RAM (Random Access Memory, память с произвольным доступом) – это устройство, в котором находятся работающие в данный момент программы и данные для них. Любая программа перед выполнением должна быть загружена в оперативную память, после чего процессор сможет последовательно извлекать из памяти команды этой программы и выполнять их. Оперативная память, как и процессор, является необходимым устройством – без нее компьютер работать не сможет. Данные в оперативной памяти хранятся только во время работы компьютера, при его выключении оперативная память очищается. Оперативная память для ПК выполняется в виде модулей, представляющих собой набор микросхем закрепленных на специальной плате с контактами. Модули памяти вставляются в специальные слоты на материнской плате. Тип модулей памяти должен быть согласован с типом материнской платы и с типом процессора. Модули памяти отличаются как по конструктивному исполнению (форм-фактор), так и по функциональному типу. Форм-фактор - это стандарт, определяющий размеры модуля памяти, а также количество и расположение контактов. Существует несколько физически несовместимых форм-факторов памяти: SIMM (30 или 72 контактов, в настоящее время почти не используются), DIMM(168, 184, 200 или 240 контактов), SODIMM (72, 144, 168 или 200 контактов, уменьшенный размер), MicroDIMM (60 контактов, уменьшенный размер), RIMM (168, 184 или 242 контакта, для памяти типа Rambus). Любая микросхема (чип) модуля памяти состоит из большого количества одинаковых элементарных ячеек, каждая ячейка способна хранить 1 бит данных, т.е. может находиться в одном из 2-х состояний: 0 (выключено) или 1 (включено), переход из одного состояния в другое осуществляется подачей управляющего импульса на эту ячейку. В настоящее время используются 2 типа элементарных ячеек памяти.
В соответствии с используемыми типами ячеек, строятся различные функциональные типы памяти. 1) Статическая память SRAM (Static RAM) строится из триггеров это наиболее надежный, но и наиболее дорогой, громоздкий и энергоемкий тип памяти. Статическая память используется для построения кэш-памяти, буфера жесткого диска и для других наиболее ответственных узлов. 2) Динамическая память DRAM (Dynamic RAM) строится из емкостных ячеек. Однако ограничиться только емкостными ячейками нельзя – такая память сможет хранить данные только в течение долей секунды. Поэтому, необходимым элементом динамической памяти является буфер, состоящий из триггеров, а необходимым условием работы такой памяти - процесс регенерации, состоящий в постоянном автоматическом считывании в буфер данных из различных блоков емкостных ячеек и перезаписи этих данных обратно. Таким образом, в динамической памяти реализуется непрерывный процесс перезаписи данных через буфер, что и объясняет ее название. Объем оперативной памяти, установленной в ПК – это одна из главных характеристик, определяющих производительность компьютера. Быстродействие компьютера зависит от объема оперативной памяти не меньше (а часто и больше!), чем от тактовой частоты процессора. Это объясняется тем, что современное программное обеспечение характеризуется большим объемом кода программ, а для эффективной работы компьютера необходимо, чтобы все выполняющиеся в данный момент программы и все данные к ним находились в оперативной памяти. Если выполняющаяся программа не помещается в оперативную память, сбоя не происходит – вся программа или ее часть выгружается на жесткий диск,- но работа компьютера при этом резко замедляется. Таким образом, объем оперативной памяти должен быть достаточным с точки зрения используемого программного обеспечения. Например, для офисного компьютера при использовании в основном программ пакета Microsoft Office (MS Word, MS Excel, MS Power Point, MS Access) под операционной системой Windows XP необходимо не менее 256 MB оперативной памяти. При использовании же компьютера в качестве графической станции, для видеомонтажа или для трехмерных игр потребуется уже не менее 1 GB памяти. Следует отметить, что если объем оперативной памяти таков, что всегда все выполняющиеся программы помещаются в оперативную память, дальнейшее увеличение объема памяти не приведет к повышению производительности компьютера. Поэтому объем памяти всегда нужно выбирать оптимальным, исходя из тех задач, для которых будет использоваться компьютер. Еще одним важным параметром памяти является ее пиковое быстродействие (пропускная способность), т.е. максимальная скорость, с которой могут происходить операции чтения/записи данных. Эта величина определяется типом памяти, который, в свою очередь, определяется типом материнской платы. Пропускная способность обозначается количеством передаваемых в секунду бит, например, PC-4200 (4200 Mб/с), PC-6000 (6000 Mб/с). 3.6. Системные шины По системным шинам осуществляется передача информации (по шине данных), адресация устройств (по шине адреса) и обмен специальными служебными сигналами (по шине управления). Основной функцией системной шины является обмен информацией между процессором и остальными электронными компонентами компьютера. Перемещение информации между оперативной памятью и процессором и между оперативной памятью и портами происходит по системе соединений, которые называются шиной данных. Для увеличения скорости передачи биты информации передаются одновременно по нескольким линиям шины. Количество линий называется разрядностью шины. В современных персональных компьютерах используется 64-разрядная шина данных, по ней можно передавать 8 байтов данных одновременно. Для правильной организации работы компьютера процессор и память должны обмениваться не только данными, но и управляющими сигналами. Для этого в компьютере предусмотрены, кроме шины данных, еще две шины: шина адреса и шина управления (на самом деле есть еще шина питания, по которой на все устройства компьютера подается питание). 1. Как уже отмечалось, шина адреса нужна для того, чтобы локализовать те ячейки оперативной памяти или те порты ввода-вывода, которые должны непосредственно участвовать в операции. Все байты оперативной памяти перенумерованы числами от нуля до максимального номера байта (последний зависит от объема оперативной памяти). Аналогично перенумерованы также все порты ввода-вывода (обычно от 0 до 65 535). Адресом байта оперативной памяти называется его номер. Адресом участка памяти, состоящего из нескольких последовательных байтов (области памяти), служит адрес начального байта. Адресом порта ввода-вывода также называется его номер. При выполнении машинной команды адрес байта оперативной памяти, содержимое которого должно участвовать в операции, посылается процессором по шине адреса. При прохождении адреса по шине адреса активизируется именно байт памяти с указанным адресом. Остальные управляющие сигналы, необходимые для правильного выполнения операции, посылаются по шине управления. Для характеристики компьютера очень важна разрядность шины адреса. Например, у прежних персональных компьютеров использовалась 20-разрядная шина адреса. Максимальный адрес, который можно послать по такой шине, равен 220 - 1 = 1Мб, поэтому байту оперативной памяти с адресом, большим 1 Мб, предписание по шине адреса отправить, в принципе, невозможно. В таких компьютерах объем оперативной памяти принципиально не мог быть больше 1 Мб. В процессорах этих компьютеров использовалась специальная система определения адреса, ориентированная на такое ограничение. Современные персональные компьютеры включают 32-разрядную шину адреса. При такой шине максимальный объем оперативной памяти равен 232= 4 Гб. Пока этого достаточно, но уже существуют компьютеры с 64-разрядной шиной адреса. При 32-разрядной шине можно обратиться к любому байту оперативной памяти в пределах 4 Гб. В новых программах используется эта возможность. Однако необходимо предусмотреть возможность выполнения программ, написанных для старых процессоров. Поэтому в современных процессорах предусмотрены два режима работы: один режим, называемый реальным, имитирует работу старых процессоров, и в этом режиме осуществляется доступ только к 1 Мб оперативной памяти; другой режим, называемый защищенным, имеет доступ ко всей оперативной памяти. 2. По шине управления идут сигналы, которые выполняют различные вспомогательные функции, необходимые для правильного выполнения операций. Всего в шине управления может быть более 100 линий. Перечислим только некоторые из них. Существует линия переключения между оперативной памятью и портами ввода-вывода. Дело в том, что когда по шине адреса идет сигнал, то он может восприниматься и как адрес байта оперативной памяти, и как адрес порта ввода-вывода. Как именно воспринимать этот адрес, зависит от сигнала, который одновременно с адресом идет по управляющей линии (например, ноль на управляющей линии обозначает оперативную память, единица — порт). По другой управляющей линии идет сигнал, который задает направление перемещения информации (ноль — информация читается из памяти или из порта в регистр процессора, единица — пишется из регистра в память или порт). По третьей управляющей линии передаются сигналы от тактового генератора. Эти сигналы позволяют синхронизировать операции, которые должны одновременно выполняться сразу несколькими устройствами компьютера (например, подготовиться к очередной операции). Архитектура системной шины определяется типом процессора, применяемым набором микросхем, количеством и разрядностью периферийных устройств, подключаемых к шине. Так, системные шины платформы Pentium (PCI)обеспечивают обмен центрального процессора с оперативной памятью 64 разрядами данных, при этом адресация данных осуществляется 32-разрядным адресом. Часто используется в качестве критерия сравнения возможностей шин различной архитектуры максимальная пропускная способность шины. Ее можно рассчитать, умножив рабочую частоту шины на количество байтов, передающихся в одном такте (ширину полосы пропускания). Например, системная шина PCIпроцессора Pentiumимеет пропускную способность 533 Мб/с Если процессор имеет тактовую частоту выше частоты системной шины и/или способен исполнять несколько инструкций в одном такте, он может полностью использовать пропускную способность шины. Если тактовая частота процессора ниже, чем у шины, то это приводит к задержкам, существенно снижающим производительность процессора. Для увеличения пропускной способности требуется увеличить либо тактовую частоту, либо разрядность шины данных. |