Санкт-Петербург. Кафедра судовой автоматики и измерений

Кафедра судовой автоматики и измерений

Вычислительные системы

Доцент Галушин С.Я.

Санкт-Петербург

2016 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение. 3

1. КОНСТРУКЦИЯ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА.. 6

1.1. Термины.. 10

1.2. Системные ресурсы ПК.. 12

1.3. Клавиатура. 13

1.4. Манипуляторы (mouse, trackball) 14

2. СИСТЕМНАЯ ПЛАТА.. 16

2.1. Конструктив и установка плат. 16

2.2. BIOS. 20

2.3. Чипсет. 21

2.4. Синхронизация компонентов системной платы.. 23

2.5. Шины расширения ввода/вывода. 25

2.5.1. Шина ISA (Industrial Standard Architecture) 26

2.5.2. Шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus) 28

2.5.3. Шина AGP (Accelerated Graphic Port) 30

2.5.4 Шина PCI Express. 32

3. ПРОЦЕССОРЫ... 35

3.1. Питание и охлаждение процессоров. 37

3.2. 16-разрядные процессоры фирмы Intel 38

3.2.1. Процессоры 8086/8088 — родоначальники семейства. 39

3.2.2. Процессор 80286. 39

3.3. 32-разрядные процессоры.. 40

3.3.1. Архитектура процессоров. 40

3.3.2. Внутренний кэш.. 41

3.4. Процессоры 386/387. 42

3.5. Процессоры 486. 42

3.5.1. Процессоры, совместимые с i486. 44

3.6. Обзор процессоров семейства Pentium.. 45

3.7. Процессоры пятого поколения класса Pentium.. 49

3.8. Процессоры, совместимые с Pentium.. 52

3.8.1. AMD.. 52

3.8.2. Cyrix. 53

3.8.3. Малораспространенные Pentium-совместимые процессоры.. 55

3.9. Шестое поколение процессоров Pentium.. 56

3.9.1. Процессоры Pentium II. 56

3.9.2. Процессоры Pentium III. 58

3.9.3. Процессоры Celeron. 60

3.10. Процессоры Pentium 4. 61

3.11 Технология Hyper-Threading. 63

3.12 64-разрядные процессоры.. 65

3.12.1 Процессоры Core 2. 65

3.11.2 Процессоры Intel i3. 66

3.11.3 Процессоры Intel i5. 68

3.11.4 Процессоры Intel i7. 69

Введение

Компьютер представляет собой устройство, способное исполнять четко опре­деленную последовательность операций, предписанную программой. Понятие «компьютер» является более широким, чем «электронно-вычислительная маши­на» (ЭВМ), поскольку в последнем явный акцент делается на вычисления. Пер­сональный компьютер (ПК) характерен тем, что им может пользоваться один человек, не прибегая к помощи бригады обслуживающего персонала и не от­водя под него специального зала с поддержанием климата, мощной системой электропитания и прочими атрибутами больших вычислительных машин. Этот компьютер обычно сильно ориентирован на интерактивное взаимодействие с одним пользователем (в играх иногда и с двумя), причем взаимодействие про­исходит через множество сред общения — от алфавитно-цифрового и графи­ческого диалога с помощью дисплея, клавиатуры и мыши до устройств виртуальной реальности, в которой пока не задействованы, наверное, только запахи. Когда используется аббревиатура PC (Personal Computer), подразуме­вается ПК, совместимый с самым массовым семейством персональных компь­ютеров фирмы IBM и их клонов. Конечно же, это не единственное в мире семейство — есть множество и других достойных компьютерных линий, но дан­ная книга посвящена именно IBM PC-совместимым персональным компьюте­рам. Таким образом, можно объяснить словосочетание PC-сервер, которое неявно предполагает повышенную мощность (скорость вы­числений, объем оперативной и внешней памяти) и особое конструктивное ис­полнение (просторный корпус) компьютера. Словосочетание ПК-сервер уже звучит странновато, хотя в одноранговых сетях и этому словосочетанию можно найти объяснение — персональный компьютер может предоставлять свои ре­сурсы (например, дисковое пространство, принтеры или модемы) другим компь­ютерам, для которых он будет являться невыделенным сервером. Попутно отметим и термин рабочая станция (Workstation, WS), в который может быть вложено два значения. В компьютерной сети рабочей станцией называют компь­ютер пользователя (как противоположность серверу). Однако рабочая станция может быть и отдельно стоящим (Standalone Computer), но особенно мощным компьютером (его подключение к сети, конечно же, не исключается). В этом случае часто подразумевается архитектура, отличающаяся от IBM PC-совмес­тимой (например, компьютер на RISC-процессоре). Для мощного IBM PC-со­вместимого компьютера применяют англоязычный термин High End PC, которому короткого русского аналога пока нет.

Любой компьютер имеет три основные составные части: процессор, память и периферийные устройства. Они взаимодействуют между собой с помощью шин, стандартизация которых делает архитектуру компьютеров открытой.

Процессор является основным «мозговым» узлом, в задачу которого входит исполнение программного кода, находящегося в памяти. В настоящее время под словом «процессор» подразумевают микропроцессор — микросхему, кото­рая, кроме собственно процессора, может содержать и другие узлы — например, кэш-память. Процессор в определенной последовательности выбирает из памяти инструкции и исполняет их. Инструкции процессора предназначены для пере­сылки, обработки и анализа данных, расположенных в пространствах памяти и портов ввода/вывода, а также организации ветвлений и переходов в вычис­лительном процессе. В компьютере обязательно должен присутствовать центральный процессор (CPU — Central Processing Unit), который исполняет основную программу. В многопроцессорной системе функции центрального процессора распределяются между несколькими обычно идентичными процессорами для повышения общей производительности системы, а один из них назначается главным. В помощь центральному процессору в компьютер часто вводят сопро­цессоры, ориентированные на эффективное исполнение каких-либо специфических функций. Широко распространены математические сопроцессоры, эффективно обрабатывающие числовые данные в формате с плавающей точкой; графические сопроцессоры, выполняющие геометрические построения и обработку графи­ческих изображений; сопроцессоры ввода-вывода, разгружающие центральный процессор от несложных, но многочисленных операций взаимодействия с пе­риферийными устройствами. Возможны и другие сопроцессоры, однако все они несамостоятельны — исполнение основного вычислительного процесса осущест­вляется центральным процессором, который в соответствии с программой вы­дает «задания» сопроцессорам на исполнение их «партий».

Память компьютера предназначена для кратковременного и долговремен­ного хранения информации — кодов команд и данных. Информация в памяти хранится в двоичных кодах, каждый бит — элементарная ячейка памяти — может принимать значение «0» или «1». Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, однозначно ее идентифицирующий в определенной системе координат. Минимальной адресуемой единицей хранения информации в памяти обычно является байт, состоящий, как правило, из 8 бит.

Со времени появления больших (по размерам) компьютеров сложилось де­ление памяти на внутреннюю и внешнюю. Под внутренней подразумевалась память, расположенная внутри процессорного «шкафа» (или плотно к нему при­мыкающая). Сюда входила и электронная и магнитная память (на магнитных сердечниках). Внешняя память представляла собой отдельные устройства с под­вижными носителями — накопители на магнитных дисках (а сначала — на ба­рабанах) и ленте. Со временем все устройства компьютера удалось поселить в один небольшой корпус, и прежнюю классификацию памяти применительно к PC можно переформулировать так:

· внутренняя память — электронная (полупроводниковая) память, уста­навливаемая на системной плате или на платах расширения;

· внешняя память — память, реализованная в виде устройств с различными принципами хранения информации и обычно с подвижными носителями. В настоящее время сюда входят устройства магнитной (дисковой и лен­точной) памяти, оптической и магнитооптической памяти. Устройства внешней памяти могут размещаться как в системном блоке компьютера, так и в отдельных корпусах, достигающих иногда и размеров небольшого шкафа.

Для процессора непосредственно доступной является внутренняя память, доступ к которой осуществляется по адресу, заданному программой. Для внут­ренней памяти характерен одномерный (линейный) адрес, который представля­ет собой одно двоичное число определенной разрядности. Внутренняя память подразделяется на оперативную, информация в которой может изменяться процессором в любой момент времени, и постоянную, информацию которой процессор может только считывать. Обращение к ячейкам оперативной памяти может происходить в любом порядке, причем как по чтению, так и по записи, и оперативную память называют памятью с произвольным доступом — Random Access Memory (RAM) — в отличие от постоянной памяти (Read Only Memory, ROM). Внешняя память адресуется более сложным образом — каждая ее ячейка имеет свой адрес внутри некоторого блока, который, в свою очередь, имеет многомерный адрес. Во время физических операций обмена данными блок может быть считан или записан только целиком. В случае одиночного дискового накопителя адрес блока будет трехмерным: номер поверхности (головки), номер цилиндра и номер сектора. В современных накопителях этот трехмерный адрес часто заменяют линейным номером — логическим адресом блока, а его преоб­разованием в физический адрес занимается внутренний контроллер накопителя. Поскольку дисковых накопителей в компьютере может быть множество, в ад­ресации дисковой памяти участвует и номер накопителя, а также номер канала интерфейса. С такой сложной системой адресации процессор справляется толь­ко с помощью программного драйвера, в задачу которого в общем случае входит копирование некоторого блока данных из оперативной памяти в дисковую и обратно. Дисковая память является внешней памятью с прямым доступом, что подразумевает возможность обращения к блокам (но не ячейкам) в произволь­ном порядке. Память на ленточных носителях имеет самый неудобный метод доступа — последовательный. В ней информация хранится также в виде бло­ков фиксированной или переменной длины, и в пределах одного носителя эти блоки имеют последовательные адреса. Для доступа к какому-либо блоку устрой­ство должно найти некоторый маркер начала ленты (тома), после чего после­довательным холостым чтением блока за блоком дойти до требуемого места и только тогда производить сами операции обмена данными. С такими неудобст­вами мирятся только потому, что ленточные носители являются самым дешевым хранилищем для больших объемов информации, к которой не требуется опера­тивного доступа.

Для подсистемы памяти важными параметрами являются следующие:

• объем хранимой информации. Нет необходимости объяснять, что чем он больше, тем лучше. Максимальный (в принципе неограниченный) объем хранят ленточные и дисковые устройства со сменными носителями, за ними идут дисковые накопители, и завершает этот ряд оперативная па­мять;
• время доступа — усредненная задержка начала обмена полезной информа­цией относительно появления запроса на данные. Минимальное время доступа имеет оперативная память, за ней идет дисковая и после нее — ленточная;
• скорость обмена при передаче потока данных (после задержки на время доступа). Максимальную скорость обмена имеет оперативная память, за ней идет дисковая и после нее — ленточная;
• удельная стоимость хранения единицы данных — цена накопителя (с но­сителями), отнесенная к единице хранения (байту или мегабайту). Мини­мальную стоимость хранения имеют ленточные устройства со сменными носителями, их догоняют дисковые накопители, а самая дорогая — опера­тивная память.

Кроме этих параметров имеется и ряд других характеристик — энергонеза­висимость (способность сохранения информации при отключении внешнего пи­тания), устойчивость к внешним воздействиям, время хранения, конструктивные особенности (размер, вес) и т. п. У каждого типа памяти имеются различные реа­лизации со своими достоинствами и недостатками.

Внутренняя и внешняя память используются существенно различными спо­собами. Внутренняя (оперативная и постоянная) память является хранилищем программного кода, который непосредственно может быть исполнен процессо­ром. В ней же хранятся и данные, также непосредственно доступные процессору (а следовательно, и исполняемой программе). Внешняя память обычно исполь­зуется для хранения файлов, содержимое которых может быть произвольным. Процессор (программа) имеет доступ к содержимому файлов только опосре­дованно через отображение их (полное или частичное) в некоторой области оперативной памяти. Исполнить программный код или обратиться к данным непосредственно на диске процессор не может в принципе. То же относится и к ленточной памяти.

Основной недостаток оперативной памяти заключается в том, что конструк­тивно достижимый ее объем во много раз меньше, чем у дисковой (пока что это было справедливо на всех ступенях технического прогресса). Решить про­блему увеличения объема оперативной памяти за счет дисковой позволяет вир­туальная память, которую можно считать кэшированием оперативной памяти на диске. Суть ее заключается в том, что программам предоставляется вирту­альное пространство оперативной памяти, по размерам превышающее объем физически установленной оперативной памяти. Это виртуальное пространство разбито на страницы фиксированного размера, а в физической оперативной па­мяти в каждый момент времени присутствует только часть из них. Остальные страницы хранятся на диске, откуда операционная система может их «подка­чать» в физическую на место предварительно выгруженных на диск страниц. Для прикладной программы этот процесс прозрачен (если только она не кри­тична ко времени обращения к памяти). Для пользователя этот процесс заметен по работе диска даже в тот момент, когда не требуется обращение к файлам. Расплатой за почти безмерное увеличение объема доступной оперативной памяти является снижение средней производительности памяти и некото­рый расход дисковой памяти на так называемый файл подкачки (Swap File). Естественно, размер виртуальной памяти не может превышать размера диска (файл подкачки на нескольких дисках обычно не размещают). Виртуальная па­мять реализуется операционными системами (и оболочками) защищенного ре­жима (например, OS/2, MS Windows) на основе аппаратных средств процессоров класса не ниже 286, а наиболее эффективно — 32-разрядных процессоров 386 и старше.

В общем случае в подсистему памяти обязательно входит оперативная память и энергонезависимая память, хранящая по крайней мере программу первона­чальной загрузки компьютера. Дисковая память как таковая может и отсутст­вовать. Однако часто в понятие «диск» или «дисковое устройство» (Disk Device, Disk Drive) вкладывают значение «устройство внешней памяти прямого досту­па». Так, например, виртуальный диск в ОЗУ и электронный диск на флэш-памяти отнюдь не имеют круглых, а тем более вращающихся деталей. Внешняя память с прямым доступом в том или ином виде — будь то действительно дис­ковые накопители, флэш-диск или сетевой диск, отображающий часть диска физически значительно удаленного компьютера-сервера, — является обязатель­ным атрибутом персонального компьютера. Без внешней памяти компьютер вырождается в узкоспециализированное устройство с ограниченным набором функций (например, эмуляции терминала или интерпретатора языка Basic), «за­шитых» в его постоянную память. Ленточная память является необязательной и используется обычно для хранения архивов.

Периферийные устройства связывают компьютер с внешним миром, и без них он был бы «вещью в себе». Список устройств, делающих компьютер «вещью для нас», практически неограничен. Сюда входят устройства ввода — клавиа­тура, манипуляторы «мышь», «трекбол», джойстики, сканеры, устройства оцифровки звука и видеоизображений; устройства вывода — алфавитно-цифровые и графические мониторы, принтеры, плоттеры, акустические системы и прочие устройства в великом множестве их разновидностей; коммуникационные устрой­ства — модемы, адаптеры локальных и глобальных сетей. Сюда же часто относят дисковые и ленточные устройства хранения информации, но по выполняемым функциям, по-моему, их все-таки лучше включать в подсистему памяти. Кроме того, к компьютеру можно подключать датчики и исполнительные устройства технологического оборудования, различные приборы — в общем все, что в конечном итоге может вырабатывать электрические сигналы и (или) ими управ­ляться. Периферийные устройства подключаются к компьютеру через внешние интерфейсы или с помощью специализированных адаптеров или контроллеров, встраиваемых в системную плату или размещаемых на платах (картах) расширения. Адаптер является средством сопряжения какого-либо устройства с какой-либо шиной компьютера. Контроллер служит тем же целям сопряжения, но при этом подразумевается его некоторая активность — способность к самос­тоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его про­граммы. Сложный контроллер может иметь в своем составе и собственный процессор. На эти тонкости терминологии не всегда обращают внимание, и понятия «адаптер» и «контроллер» считают почти синонимами. Все внешние интерфейсы компьютера, естественно, тоже имеют свои адаптеры или конт­роллеры. Для взаимодействия с программой (с помощью процессора или со­процессоров) адаптеры и контроллеры периферийных устройств обычно имеют регистры ввода и вывода, которые могут располагаться либо в адресном прост­ранстве памяти, либо в специальном пространстве портов ввода/вывода. Кроме того, используются механизмы аппаратных прерываний для сигнализации про­грамме о событиях, происходящих в периферийных устройствах. Для обмена информацией с периферийными устройствами применяется и механизм прямо­го доступа к памяти DMA (Direct Memory Access). Контроллер DMA можно считать простейшим сопроцессором ввода/вывода, разгружающим центральный процессор от рутинных операций обмена.

Таково в общих чертах устройство компьютера (естественно, подразумева­ется и наличие корпуса с блоком питания). Однако этот набор «железок» не имеет практической ценности без программного обеспечения, которое в компь­ютере имеет многоуровневую организацию. Часть программного обеспечения хранится в постоянной (энергонезависимой) памяти и обеспечивает тестиро­вание и запуск при включении, загрузку операционной системы и связь опера­ционной системы с аппаратными средствами компьютера. Эта часть называется базовой системой ввода/вывода BIOS (Basic Input-Output System). Следую­щий уровень — операционная система, основным назначением которой являет­ся загрузка прикладных программ и предоставление им некоторых сервисов. И наконец, верхний уровень — прикладное программное обеспечение, ради ис­полнения которого и городился весь этот огород. Именно возможность загрузки любой прикладной программы в совокупности с неограниченным ассортимен­том периферийных устройств и позволяет считать персональный компьютер универсальным инструментом с неограниченными возможностями.