Архитектура современного ПК

система и т.д.).

1.3 Характеристики основных компонентов современного ПК  

 

Устройства обработки

Микропроцессор (центральный микропроцессор, CPU) – программно

управляемое устройство, предназначенное  для обработки информации под 

управлением программы, находящейся  сейчас в оперативной памяти.  

Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему – 

тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы 

площадью всего несколько  квадратных сантиметров, на которой  размещены 

схемы, реализующие все  функции процессора (рис. 6). Микропроцессор

установлен на материнской  плате и связан с ней интерфейсом 

процессорного разъема (Socket). Следующие два года AMD готовят  нам 

встречу с тремя новыми процессорными разъёмами: Socket AM2+, Socket

AM3 и Socket F+. С ними будут  выпускаться чипы, основанные на 

архитектуре, условно названной K8L.

Рис. 6. Процессоры Pentium 4 (слева) и Pentium D (справа)

 

В состав микропроцессора  входят АЛУ, устройство управления,

внутренние регистры. УУ вырабатывает управляющие сигналы  для 

выполнения команд, АЛУ  – арифметические и логические операции над 

данными. Оно может состоять из нескольких блоков, например блока 

обработки целых чисел  и блока обработки чисел с  плавающей запятой.

Директор по технологиям Intel Патрик Гелсингер, отметил, что 

процессоры Intel следующего поколения  будут поддерживать новый набор 

векторных инструкций AVX (Advanced Vector Extensions), которые 

позволят ускорить выполнение операций с плавающей запятой.[11]

В современных микропроцессорах в основу работы каждого блока 

положен принцип конвейера. Если в микропроцессоре имеется  несколько 

блоков обработки, в основу работы которых положен принцип  конвейера,

то его архитектуру  называют суперскалярной. Серия процессоров NVIDIA

GeForce 6 имеет новую суперскалярную  шейдерную архитектуру, которая 

удваивает количество операций на такт по сравнению с традиционными 

архитектурами. В результате производительность становится значительно 

выше одношейдерного нескалярного проектирования. Также, новая 

архитектура обеспечивает полноценную 32-битную точность операций с 

плавающей запятой, сохраняя при этом 16-битный режим сохранения в 

памяти.

Основными характеристиками процессора являются: быстродействие,

тактовая чистота и  разрядность. По результатам тестирования,

проведенного журналом «Железо», неплохие характеристики имеет 

четырехъядерный процессор Intel Core 2 Extreme QX6700 (частота 

процессора 2,66 ГГц, кэш второго  уровня L2 8192 Кб, частота шины 1066

Мгц).

Важным этапом в развитии аппаратных платформ Intel, по словам П.

Гелсингера, станет появление  новой архитектуры Nehalem. В Intel

отмечают, что переход  на архитектуру Nehalem позволит добиться

значительного повышения  производительности при одновременном 

снижении энергопотребления. Платформа Nehalem будет использовать

новую системную архитектуру QuickPath Interconnect, включающую

встроенный контроллер памяти и усовершенствованные каналы связи  между 

компонентами. Процессоры на основе Nehalem получат от двух до восьми

ядер и благодаря технологии Simultaneous Multi-threading смогут

одновременно обрабатывать от четырех до шестнадцати потоков 

инструкций. Объем кэш-памяти третьего уровня сможет достигать 12 Мб.

Процессоры Nehalem получат  новый набор инструкций SSE4 и поддержку 

технологии Smart Cache для работы нескольких ядер с общим кэшем.

Гелсингер также заметил, что позднее Intel планирует показать чип,

разрабатывающийся в рамках проекта Larrabee. Larrabee будет 

предназначен, прежде всего, для ускорения различных расчетов, а также 

повышения производительности вычислительных систем, обрабатывающих

данные научного, финансового  характера и пр. Инициатива Larrabee

предполагает создание многоядерного  процессора, построенного на основе

усовершенствованной архитектуры  х86. Первые версии чипа,

предположительно, будут  насчитывать от 16 до 24 ядер и работать на

тактовой частоте около 2 ГГц. Производительность процессора

теоретически будет достигать  одного терафлопса (триллиона операций с 

плавающей запятой в секунду). Ожидать появления продуктов  на основе

Larrabee следует ближе к  концу 2009 года или в 2010 году. [10]

Связь между устройствами ПК осуществляется с помощью сопряжений,

которые в вычислительной технике называются интерфейсами.

В персональном компьютере, как правило, используется структура  с 

одним общим интерфейсом, называемым также системной шиной. При

такой структуре все устройства компьютера обмениваются информацией  и 

управляющими сигналами  через системную шину. Физически  она 

представляет собой систему  функционально объединенных проводов, по

которым передаются три потока данных: непосредственно информация,

управляющие сигналы и  адреса (рис. 7).

Несомненными достоинствами  ПК с шинной структурой являются ее

простота, а, следовательно, и невысокая стоимость; гибкость, так как 

унификация связи между  устройствами позволяет достаточно легко 

включать в состав ПК новые  модули, т.е. менять конфигурацию

компьютера. К недостаткам  следует отнести снижение производительности

системы из-за задержек, связанных  со временем ожидания устройствами

возможности занять шину, пока осуществляется передача информации

между устройствами с более  высоким приоритетом. Для преодоления  этого 

недостатка в персональных суперкомпьютерах используется архитектура  с 

несколькими шинами.

Рис.7. Шинная структура ПК. [tanjan.ucoz.ru на 12.03.10]

(ЦП - центральный процессор,  ОП – оперативная память, ПП  – 

постоянная память, К –  контроллер, ПУ – периферийное устройство).

Максимальное количество одновременно передаваемой информации

называется разрядностью шины. Чем больше разрядность шины, тем

больше информации она  может передать в единицу времени.

При работе с оперативной  памятью шина проводит поиск нужного 

участка памяти и обменивается информацией с найденным участком. Эти 

задачи выполняют две  части системной шины: адресная шина и шина

данных.

Шина адреса предназначена  для передачи адреса ячейки памяти или 

порта ввода-вывода. Разрядность  адресной шины определяет адресное

пространство процессора, т.е. количество ячеек памяти. У процессоров Intel

Pentium (а именно они наиболее  распространены в персональных 

компьютерах) адресная шина 32-разрядная.

Шина данных предназначена  для передачи команд и данных, которые 

могут передаваться в любом  направлении. В современных компьютерах 

разрядность шины данных составляет 64 бита.

Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают

работу общей шины. В  большинстве современных процессоров  шина

управления 32-разрядная (например, в процессоре Intel Pentium), хотя

существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

Шина работает циклами. Количество циклов срабатывания шины в 

единицу времени называется частотой шины. В современных компьютерах

частота процессора может  превышать частоту системной  шины.

Корпорация Intel официально представила  новые серверные процессоры

Itanium серии 9100 (кодовое  название Montvale). Процессор Itanium 9110N

имеет тактовую частоту 1,6 ГГц, частота системной шины - 533 МГц.

Для каждого устройства в  компьютере имеется электронная  схема,

которая им управляет, - контроллер. Все контроллеры взаимодействуют с

процессором и оперативной  памятью через системную плату.

Устройства хранения

Центральный процессор (ЦП) взаимодействует с внутренним ЗУ,

называемым оперативным  запоминающим устройством (ОЗУ) или 

оперативной памятью (ОП). ОП предназначена для приема, хранения и 

выдачи всей информации, необходимой для выполнения операций в ЦП.

Кроме оперативной памяти во всех компьютерах обычно имеется 

внутренняя постоянная память, используемая для хранения постоянных

данных и программ.

Оперативная память (ОП, англ. RAM – Random Access Memory –

память с произвольным доступом) – это быстродействующее 

запоминающее устройство с прямым доступом процессора, которое 

предназначено для записи, считывания и временного хранения

выполняемых программ и данных. Она ограничена по объему. ОП – 

электрическое устройство, и при выключении ПК все его  содержимое

пропадает.

В связи с этим на материнской  плате есть микросхема

«энергонезависимой памяти», так называемая СMOS-память

(изготовленная по технологии CMOS – Comple Mentary Metal – oxide

semiconductor), которая предназначена  для длительного хранения данных  о 

конфигурации и настройке  компьютера. Для этого используют специальные 

электронные схемы со средним  быстродействием, но очень малым 

энергопотреблением, питаемые от специального аккумулятора,

установленного на материнской  плате. Это полупостоянная память.

Данные записываются и  считываются под управлением  команд,

содержащихся в другом виде памяти – BIOS (Basic Input-Output System),

которая является базовой  системой ввода-вывода – содержит наборы групп 

команд, называемых функциями, для непосредственного управления

различными устройствами ПК.

Для ускорения доступа  к оперативной памяти используется кэш-память

(cache – запас). Это сверхбыстрая  оперативная память, предназначенная  для 

временного хранения текущих  данных и помещенная между оперативной 

памятью и процессором. У  современных микропроцессоров может  быть

кэш-память первого уровня, которая обычно встроена в тот  же кристалл и 

работает на одинаковой с  микропроцессором частоте. Для некоторых 

микропроцессоров предусмотрена  еще кэш-память второго и третьего

уровня (от 8Мб до 24Мб). Существуют два способа организации такой 

памяти: общая, когда команды  и данные хранятся вместе, и разделенная,

когда они хранятся в разных местах. Наличие разделенной кэш-памяти

увеличивает производительность микропроцессора, сокращая среднее  время 

доступа к используемым командам и данным.

Для хранения больших объемов  информации, которые не используются в 

данный момент времени  процессором, предназначаются внешние

запоминающие  устройства (ВЗУ). К ним относятся: винчестеры (жесткие

магнитные диски), оптические диски, магнитно-оптические диски, флоппи

диски, Zip and Jaz Iomega discs (относительно новые носители информации,

которые призваны заменить гибкие магнитные диски. Они быстрые  и 

большие по емкости (100 мегабайт - Zip, 1 гигабайт - Jaz)), магнитные 

ленты.

Ученые из Центра прикладной наноионики (CANi) при Университете

штата Аризона (США) сообщили о создании нового типа памяти,

позволяющей выпускать крошечные  накопители емкостью до 1 Тб. Кроме 

столь впечатляющей емкости  при малых размерах, чипы памяти на базе