Учебник_Информатика. Стандарт третьего поколениян. В. Макарова, В. Б. Волков
 Скачать 14.49 Mb.
|
|
Тип центрального процессора Pentium Pentium II Pentium III Pentium IV Тактовая частота центрального процессора, МГц 233 450 1400 2530 Длительность цикла (и тактовая частота) кэш-памяти первого уровня, не (МГц) 4,3 (233) 2,2 (450) 0,71 (1400) 0,39 (2530) Объем кэш-памяти первого уровня, Кбайт 16 32 32 20 Тип кэш-памяти второго уровня Модуль на системной плате На микро схеме На кристал ле На кристал ле Соотношение тактовой частоты и частоты кэш-памяти второго уровня - 1/2 1/1 1/1 Длительность цикла (и тактовая частота) кэш-памяти второго уровня, не (МГц) 15(66) 4,4 (255) 0,71 (1400) 0,39 (2530) Объем кэш-памяти второго уровня Различный 512 512 512 Тактовая частота шины центрального про цессора, Мгц 66 100 133 533 Длительность цикла (и тактовая частота) шины памяти, не (МГц) 60(16) 10(100) 7,5(133) 1,9 (533) 10.5. Память компьютера 299 10.6.2. Оперативная память Оперативная память компьютера (Random Access Memory, RAM) — это та об ласть 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 (рис. 10.12). 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 про цессор 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 зависимости от разрядности шины адреса, адресное пространство процессора, или диапазон адресуемой памяти, может быть разным. Количество ячеек памяти, к которым может обратиться процессор, подсчитывается по формуле. Здесь п — количество разрядов шины адреса. Для 16-разрядной шины адреса это значение 65 535 (64 Кбайт), для 32-разрядной шины — 4 Гбайт, для 36-раз- рядной — 64 Гбайт. В современных компьютерах применяется два основных типа оперативной памяти: статическая (S tatic Random Access Memory, SRAM) и динамическая (Dynamic Random Access Memory, DRAM). Отличие между ними состоит в том, что динамическая память имеет малое время хранения информации и требует по стоянной циклической перезаписи (обновления) информации в своих ячейках. В отличие от DRAM, SRAM может хранить память без перезаписи долгое время (долгое в сравнении с DRAM, статическая память не является энергонезависимой). За более высокую стабильность и скорость SRAM приходится платить более вы Рис. 10.12. Модуль («планка», «линейка») оперативной памяти М = 2” - 1 300 Глава 10. Аппаратная часть компьютера сокой 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 па раметрам быстродействия проигрывала синхронной. По этой причине практически вся основная память, которая сегодня применяется в компьютерах, построена на разновидностях синхронной динамической памяти (Synchronous Dynamic Random Access Memory, SDRAM). Синхронная динамическая память, в свою очередь, имеет несколько разновид ностей, которые сменяли друг друга по мере роста быстродействия процессоров: SDR (Single Data Rate — одинарная скорость передачи данных), DDR (Double Data Rate — двойная скорость передачи данных), DDR2 и DDR3. 10.5.3. Постоянная память В широком смысле постоянная память означает память, которая записывается один раз, причем повторная запись в эту память невозможна. Другое, не менее ши рокое 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 программно го обеспечения, называемая BIOS (Basic Input O utput System — базовая система ввода-вывода). Микросхемы BIOS можно подразделить на три основных типа: □ память однократной записи (Read Only Memory, ROM) — микросхема одно кратно программируется на заводе и больше не подлежит перезаписи; □ память с возможностью перезаписи (Programmable ROM, PROM ) — микро схему можно перепрограммировать («перепрожечь») при помощи специального программатора; □ память с возможностью перезаписи без извлечения из компьютера (Electrically Erasable Programmable ROM, EEPROM ) — микросхему можно перепрограмми ровать при помощи специального программного обеспечения, подавая на нее определенные команды. 10.5.4. Дисковая память и флэш-память Несмотря на огромную разницу в конструкции этих двух видов памяти, они рассматриваются в одном разделе. Дисковая память представляет собой несколько дисков из магнитного материала, запись на которые производится, как на маг нитную ленту, путем намагничивания определенных зон на диске. Блок дисков вращается с очень большой скоростью. 10.6. Центральный процессор 301 Флэш-память — это полупроводниковая микросхема, в которой нет движущих ся 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 не скольких 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 от личие от жесткого диска во флэш-памяти нет подвижных механических частей, по этому 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 раз мером, 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. На рис. 10.13 рядом показаны миниатюрный жесткий диск и флэш-карта стан дартного размера. ШШт J h BL— ш ш м шш ш ш я яш Ш я Ш Яшш Рис. 10.13. Сравнение миниатюрного жесткого диска и флэш-карты 10.6. Центральный процессор Ш тш ый прощсйор (ЦЙ) иш Central Processing Unit (CPU) — зт Ъ часть втшрёхпоф; втнщя компьютера* сяш ш йщ за выполнение операций* заданных программами! Центральные процессоры современных компьютеров обычно выполняются в одном корпусе в виде одной сверхбольшой интегральной схемы (С БИ С ). Коли чество транзисторов внутри одного современного процессора — от десятков до сотен миллионов. 10.6.1. Классификация процессоров С момента создания первого однокристального (то есть выполненного как одна микросхема) процессора (процессор 4004, выпущенный корпорацией Intel в 1971 году) темпы развития технологий в этой отрасли промышленности по 302 Глава 10. Аппаратная часть компьютера стоянно увеличиваются. Поиски решений, нацеленных на достижение как можно большей продуктивности и эффективности, ведутся множеством фирм и исследо вательских коллективов практически во всех возможных направлениях. Интенсив ная работа на таком широком фронте привела к созданию тысяч разновидностей процессоров. На схеме, приведенной на рис. 10.14, показаны только наиболее важные критерии, по которым можно классифицировать современные процессоры. | Процесоры По системе | По разрядности | По микро архитектуре | По разработчику! | По назначению | команд - Intel - AMD - IBM - VIA - SUN Microsystem - для серверов - для рабочих станций - для настольных компьютеров - для ноутбуков - для интернет-устройств - встраиваемые - CISC - RISC - VLIW - MISC - 32-разрядные - 64-разрядные - Intel Pentium III - Intel Pentium 4 - Intel Core - AMD Athlon 64 _ IBM PowerPC970 Рис. 10.14. Классификация процессоров На рис. 10.14 используются следующие сокращения: □ CISC (Complex Instruction Set Computing) — процессоры с полным набором команд; □ RISC (Reduced Instruction Set Computing) — процессоры с сокращенным на бором команд; □ VLIW (Very Long Instruction Word) — процессоры с набором длинных команд, у которых одна команда содержит описание сразу нескольких операций; □ MISC (Minimal Instruction Set Computer) — процессор с минимальным набором длинных команд. 10.6.2. Работа центрального процессора Как центральный процессор осуществляет выполнение компьютерной про граммы и манипуляции данными? Начнем с понятия машинного цикла. В центральном процессоре существует специальная область памяти (регистр), которая называется счетчиком команд. Когда включается компьютер, в счетчике команд находится число 0 (или другое фиксированное значение), которое соответствует адресу первой ячейки памяти. Центральный процессор «смотрит» в эту ячейку памяти, интерпретирует число, которое там находится, как команду, считывает данные, указанные командой, выполняет над ними операцию, записывает результат операции в память, увели чивает счетчик команд, считывает следующую команду по адресу, который указан 10.6. Центральный процессор 303 в счетчике команд, и все повторяется снова. Эта последовательность операций, изображенная на рис. 10.15, носит название машинного цикла. Один из элементов процессора задает темп его работы — это генератор тактовой частоты. Каждый раз, когда генератор вырабатывает импульс, процессор выполняет одно действие. На рисунке 10.15 обработка одной инструкции процессора состоит как минимум из 8 действий (возможно и большее их число, если имеют место по вторения, обозначенные пунктирными стрелками). Рис. 10.15. Машинный цикл 10.6.3. Структура центрального процессора В общем виде структура центрального процессора, соответствующая процессо рам Intel 80486, представлена на рис. 10.16. На рисунке видны три функциональных блока, из которых состоит процессор. □ Операционный блок предназначен для выполнения простейших действий над операндами. В нем располагаются: О арфиметическое логическое устройство (АЛУ); О регистры операндов (б у ф е р н ы й р егистр и р еги стр -сдвигател ь), О регистр результата (аккумулятор); О блок регистров общего назначения (РО Н ); 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, И Л И ) операций. Более сложные операции, для которых аппаратная реализация отсутствует, выполняются программно с использованием для хранения промежуточных результатов блока регистров общего назначения. 304 Глава 10. Аппаратная часть компьютера □ Блок управления оп р едел я ет порядок вы борки инструкций, вы полняя сл ед у ю щ ие ф ункции: О считы вает и зап ом и н ает текущ ую команду; О ф о р м и р у ет адр ес сл ед ую щ ей команды; О р е а л и з у е т в ы п о л н ен и е п о с т у п и в ш е й к ом ан ды в с о о т в е т с т в и и с ее а л г о р и т м ом (д е к о д и р у я вы бран н ую и з пам яти и н стр ук ц и ю , бл ок уп равл ен и я р азби вает ее на р яд п осл едовательн ы х микрокоманд , то есть элем ентарны х оп ер ац и й , которы е у м еет вы полнять АЛУ, ф ор м и р уя таким обр азом микро программу дл я вы пол нения д а н н ой инструкции; О уп р авл яет о бм ен ом и н ф ор м ац и ей с внеш ним и устр ойствам и по систем ной ш ине. В бл ок е уп равл ен и я п од аббр ев и атур ой БФУС скры вается блок ф орм и рова ния управ л яю щ и х сигналов. □ Интерфейсный блок согласует работу процессора и систем ной шины (системная ш ина о б ъ ед и н я ет в с е б е ш ин у данны х, ш ину уп равл ения и ш ин у адр еса). Внешняя Внешняя Внешняя шина шина шина данных управления адреса Рис. 10.16. Структура центрального процессора 10.6. Центральный процессор 305 10.6.4. Пути повышения производительности центрального процессора Производительность центрального процессора выражается в миллионах эле ментарных операций, выполняемых за секунду, и измеряется в mips (M illion Instructions Per Second). Повышение тактовой частоты процессора. В приведенной упрощенной функци ональной схеме процессора вся работа выполняется процессором последовательно, согласно командам блока формирования управляющих сигналов (БФУС), который в свою очередь выполняет микропрограммы выбранных из памяти и декодирован ных инструкций. При такой микроархитектуре единственным путем повышения производительности процессора является увеличение количества выполняемых микрокоманд в единицу времени, то есть путем повышения тактовой частоты про цессора. Именно это вызывает постоянное уменьшение размеров и увеличение плотности расположения полупроводниковых элементов на кристалле С БИ С (сверхбольшой интегральной схемы). Чем меньший размер имеют элементы, тем более высокую частоту работы они могут обеспечить. Конвейерная обработка. В случае, когда микроинструкции выполняются после довательно, одна за другой, работу процессора можно сравнить с работой ремеслен- ника-одиночки: он выполняет микрооперацию при помощи одних инструментов, а другие в это время простаивают. Принцип конвейерной обработки полностью соответствует конвейеру на промышленном производстве: инструкции выбираются каждый такт, их выполнение передается от одного инструмента к другому, таким образом все инструменты процессора оказываются равномерно загруженными, а результат выполнения инструкций (как и их выборка) формируется во время каждого такта работы процессора (рис. 10.17). Промежуточные буферы Дешиф рация команды (ДК) Чтение операндов (ЧО) Исполнение операции (ИО) Запись результата (ЗР) Такты работы процессора 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Команда / ВК ДК чЬ ИОЗР Команда / + 1 ВК ДК ЧО ИО ЗР | Команда / + 2 ВК ДК ЧО ИО ЗР Команда / + 3 ВК ДК ЧО ИО ЗР Команда / + 4 ВК ДК ЧО ИО ЗР Команда / + 5 , ВКДКЧОИОЗР Рис. 10.17. Конвейерная обработка команд 306 Глава 10. Аппаратная часть компьютера Суперскалярная архитектура. При наличии в процессоре нескольких блоков декодирования и выполнения команд множество команд может выполняться па раллельно. Симметричная многопроцессорность (Symmetric Multiprocessor, SM P). При поддержке симметричной многопроцессорности в одном корпусе (на одной мате ринской плате) размещают несколько процессоров для параллельной обработки заданий. Многоядерность. На одном кристалле (в одном корпусе процессора) размещают несколько практически полностью независимых процессоров, предназначенных для параллельного выполнения заданий. 10.7. Системный блок В зависимости от того, о какой категории компьютеров идет речь, системный блок может быть выполнен в виде автономного блока (например, у настольных персональных компьютеров), составлять единое целое с клавиатурой, но иметь откидной, закрепленный на нем монитор (ноутбук), или быть монолитным, вклю чающим в себя все составляющие компьютера (наладонные и некоторые типы планшетных компьютеров). Системный блок служит одновременно и защитным корпусом, и тем механиче ским скелетом, на котором крепятся остальные функциональные узлы компьютера: □ источник питания; □ материнская плата; □ жесткие диски; □ дисководы; □ CD -приводы; □ вентиляторы (кулеры); □ карты адаптеров. На рис. 10.18 показана типичная конструкция системного блока персонального компьютера. Цифрами на рисунке обозначены следующие компоненты: 1. Процессор. 2. Линейка оперативной памяти. 3. Блок питания. 4. Устройство для чтения-записи CD-DVD. 10.7. Системный блок 307 5. Кулер (вентилятор охлаждения процессора). 6. Жесткий диск. 7. Сетевой адаптер (специальное устройство, обеспечивающее соединение с ком пьютерной сетью), устанавливаемый на материнскую плату. 8. Материнская плата. Сегодня к компьютеру можно подключить столько разных устройств, что поль зователь невольно теряется перед огромным количеством разного рода гнезд, от верстий и штекеров. На самом деле, производители компьютерного оборудования сделали все, чтобы любой разъем было просто невозможно подключить в «непра вильное» место. Все разъемы на компьютере отличаются размерами, количеством ножек и диаметром отверстий. В редких случаях, когда разъемы у разных устройств совпадают по конструкции (например, у мыши и клавиатуры или у микрофона и колонок), они обязательно маркируются цветом, который совпадает с цветом разъема подключаемого устройства. Рисунок 10.19 иллюстрирует основные типы разъемов компьютера. Рис. 10.18. Конструкция системного блока персонального компьютера 308 Глава 10. Аппаратная часть компьютера Аудиовыход (красный) Мышь (зеленый) Кабельное телевидение Сетевой кабель Композитный видеоканал Принтер FireWire Serial FM- приемник Колонки (зеленый) Головные телефоны %ай S-Video (вход) Клавиатура (синий) S-Video (выход) Микрофон (красный) Телефонная линия (модем) Монитор 1,58 ■ Рис. 10.19. Основные типы разъемов компьютера Вопросы для самопроверки 1. Из каких элементов состоит процессор компьютера? 2. Что такое «прерывания» и зачем они нужны? 3. Какие типы мониторов вам известны? 4. Какие типы принтеров вам известны? 5. Какие шаги составляют машинный цикл? Литература 309 6. Каковы способы увеличения производительности работы центрального про цессора? 7. Что такое «микрокоманда»? 8. Каково назначение материнской платы? 9. Что такое «чипсет»? 10. Перечислите все известные вам устройства для ввода данных в компьютер. 11. Перечислите известные вам устройства для вывода данных. 12. Какие типы памяти вам известны? Литература 1. Гук М. Ю. Аппаратные средства IBM PC. СПб.: Питер, 2006. 2. Кристи Дэрил и Виченсио Карлито. Собери компьютер сам. М.: НТ-Пресс, 2007. 3. Мураховский В. И. Железо ПК. Новые возможности. СПб.: Питер, 2005. 4. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. СПб.: Питер, 2007. 5. Хамахер К и др. Организация ЭВМ. СПб.: Питер, 2005. Глава 11 Представление данных в компьютере 11.1. Форма представления данных в компьютере 11.2. Система счисления При изучении любой темы, непосредственно связанной с компьютером, так или иначе речь все время будет идти о данных: компьютер обрабатывает и хранит данные, операционные системы и программы манипулируют данными, данные передают по сетям, данные хранят, данные охраняют, данными управляют, данные используют. Понимание того, каким образом данные представлены внутри компью тера, как они хранятся, извлекаются и в какой момент становятся информацией, — важно для освоения всего курса информатики. 11.1. Форма представления данных в компьютере 11.1.1. Общее представление В каком виде хранится, как перерабатывается информация в мозгу человека, откуда появляется там еще одно нематериальное понятие, «смысл», в обозримом будущем наука вряд ли сможет достаточно аргументировано объяснить. А вот в каком виде информация хранится в компьютерах, что именно передается, коди руется, декодируется, извлекается, переводится в сигналы и посылается человеку, мы знаем точно — это данные. 11.1. Форма представления данных в компьютере 311 Приведенное определение данных достаточно широко, чтобы отнести его не только к хранению и обработке при помощи компьютера. Когда в древние века люди вели учет казны на глиняных табличках, у них не было компьютеров, но уже были данные, ибо они фиксировали информацию на физическом носителе, в форме, пригодной для постоянного хранения и использования. В наше время этот процесс претерпел значительные усовершенствования, причем как на стадии преоб разования информации в данные, так и на стадии хранения и передачи. В качестве физического носителя теперь используются различного рода электронные и маг нитные средства, для обработки данных применяются компьютеры, а для переда чи — различного рода компьютерные сети и другие радиоэлектронные устройства. В то же время смысловое отношение между понятиями «информация» и «дан ные» сохраняется, и данные, как и много веков назад, по-прежнему являю тся физическим (материальным) носителем некоторых сигналов, которые становятся информацией только в момент осмысления их человеком. Самым удобным представлением данных в компьютере оказалось представле ние с помощью двоичной элементной базы в виде дискретных сигналов с двумя состояниями. Это связано с простотой распознавания и хранения на физическом уровне сигналов, имеющих только два состояния: «включен — выключен», «да — нет», «есть ток (потенциал) — нет тока (потенциала)». Для хранения данных в компьютере используется ячейка памяти. Каждая ячейка памяти представляет собой физическую систему, состоящую из однородных элементов — битовых разрядов, каждый из которых может принимать одно из двух возможных значений: 0 или 1. Представление данных с помощью битовых разрядов получило название бинарного представления. Минимальное количество битовых разрядов в одной ячейке памяти, к которой можно обратиться по адресу, равно 8. Ячейка памяти, состоящая из 8 битовых раз рядов, получила название байта. |