19. Связь компонентов компьютера. Шины и интерфейсы. Логичесие типы системных шин и их назначение. Шина электропитания, управляющая шина, адресная шина, шина данных. Внутренние и внешние интерфейсы

20. Критерии выбора и оценки персонального компьютера. Способы приобретения персонального компьютера. Режимы экономии. Модернизация персонального компьютера. Способы модернизации с точки зрения достигаемого эффекта.

О бщая производительность компьютера определяется производительностью его составных блоков. Краткий список в порядке убывания быстродействия: процессор, кэш память, оперативная память, винчестер, флоппи-дисководы. Суммарная производительность работы ПК в конкретный момент времени связана с быстродействием самого медленно работающего блока. Процессор постоянно должен ожидать окончания работы вспомогательного устройства. Существуют программные и аппаратные средства повышения быстродействия компьютера. Так, например, увеличение аппаратной кэш памяти ускоряет операции с оперативной памятью. Драйвер Smartdrv позволит ускорить операции с винчестером и дисководами за счет кэширования части оперативной памяти (применяется в операционной системе MS DOS) и т.д. Что такое модернизация компьютера? Одним из основных способов повышения производительности компьютера является проведение его модернизации, т.е. замены наиболее устаревших и медленных комплектующих на более современные и мощные. Существуют принципы проведения модернизации компьютеров с различными типами процессоров [8, 9]. Так, например, увеличение оперативной памяти с 8 до 16 Мбайт для Pentium - машин увеличивает их быстродействие на 30% [8, стр. 12]. Примечание. Модернизацию 486 компьютеров рекомендуется произвести покупкой нового ПК. Другие способы в 1999 г. малоэффективны. Что такое - POST процедура? POST процедура (Power On Self Test) - это процедура «самотестирования при включении питания компьютера». Происходит в течение первых 30 секунд после включения компьютера. В это время компьютер проверяет работоспособность процессора, винчестера, видеокарты, клавиатуры, оперативной памяти и т.д. Если все в порядке, то через некоторое время на экране появится сообщение о загрузке операционной системы. Если же что-то сломалось, то прозвучат несколько гудков либо на мониторе высветится код ошибки.

21. эффективность функционирования вычислительных машин, вычислительных систем и сетей телекоммуникаций. Основные пути повышения эффективности. Перспективы развития средств вычислительной техники и программного обеспечения.

22. Микропроцессор PC. Его структура и основные функции. Математический сопроцессор. Основные производители

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

• арифметико-логическое устройство;

• шины данных и шины адресов;

• регистры;

• счетчики команд;

• кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

• математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Физически процессор или микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Изначально интегральные схемы производились по планарной технологии, которая представляла собой трехступечатый процесс: окисление, фототравление и диффузия. Сейчас технология состоит из более чем 300 этапов, но общие принципы остались теми же. Главные этапы: выращивание диоксида кремния, создание рисунка и топологии проводящих областей, тестирование и корпусирование. Микропроцессор формируется на поверхностях тонких круговых пластин диаметром 200 или 300 мм. Прежде чем сделать подложку такой пластины кремний очищают, плавят и выращивают из него цилиндрические кристаллы, которые потом нарезаются на тонкие пластины. Такие пластины полируют до зеркально гладкого состояния. После этого применяется фотолитография - процесс, в ходе которого на кристалле формируется рисунок-схема соединений. Пластины, покрытые фотослоем, облучают ультрафиолетом через фотомаску с рисунком соединений, растворяя облученные участки. Далее в ходе травления эти участки очищают от диоксида кремния, а затем от фотослоя, эта операция повторяется несколько раз. Во время легирования образуются области с различной проводимостью. Вытравленные "окна заполняют металлическими межсоединениями. В самом современном 0,13-мкм техпроцессе Intel применила медные проводники. До этого в 0,18-мкм процессе использовался алюминий. Далее пластины разрезаются на процессоры, которых получается несколько сотен с пластины, и корпусируются.

В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.

В характеристиках компьютера процессор ставят на первое место, так как он в наибольшей степени определяет производительность компьютера. Поэтому при покупке вначале выбирают именно его, а потом подбирают остальные устройства: чипсет, оперативную память, системную плату и т.д.

Основные характеристики процессоров:

• тактовая частота; Микропроцессор выполняет определенные операции (запись, чтение, обработку данных) в точно отведенные единицы времени (такты), что необходимо для синхронизации процесса. Обработка информации тем быстрее, чем выше тактовая частота. Измеряется она в МГц (MHz, мегагерцах) и ГГц (GHz, гигагерцах). Различают частоту ядра процессора(внутреннюю) и частоту системной шины(внешнюю). Внешняя тактовая частота (частота шины процессора) формируется генератором импульсов на системной плате и определяет производительность ядра CPU. По шине процессора производится обмен данными между ЦП, памятью и другими устройствами. Внутренняя тактовая частота определяет в значительной мере скорость работы процессора. Она указывает, сколько элементарных операций(тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Данная частота указывается в прайс-листах фирм, продающих процессоры. Эта величина является произведением частоты системной шины, подаваемой от кварцевого резонатора на внутренний коэффициент умножения. Этот коэффициент определяется подачей напряжения на определенные контакты CPU. Например, 266*5=1330 Мгц.

• разрядность обрабатываемых данных; Различают внутреннюю и внешнюю разрядность данных. Внутренняя разрядность данных – это количество бит, которые одновременно может обрабатывать процессор внутри себя (Существуют 16, 32, 64 –разрядные процессоры). Внешняя разрядность данных - это количество бит, которыми может обмениваться процессор с другими элементами материнской платы (386SX: 32-битная внутренняя разрядность и 16-битная внешняя, 386DX: 32-битная разрядность внутренняя и внешняя и т.д.) На данный момент большинство микропроцессоров являются 32-разрядными, однако получают уже широкое распространение и 64-разрядные процессоры. Под архитектурой ядра подразумевается основные принципы команд и работы, на которые ориентировался разработчик при проектировке. Итак, все 32-разрядные CPU работают в 3 режимах: реальной адресации, защищенный и режим эмуляции V86 и умеют работать с 8-, 16- и 32-разрядными операндами. Нормой ядростроения стало использование суперскалярного выполнения, поддержка динамического выполнения и архитектура двойной независимой шины (DIB). По порядку: 1) начиная с CPU Pentium, в ядре были использованы два параллельных конвейера. Это позволило сократить время выполнения одной операции до одного такта. Так как два 32-разрядных конвейера обрабатывали команды одновременно, а шина была 64-разрядная, то команды выполнялись в два раза быстрее, чем при исполнении их по порядку. В Pentium II конвейеров шесть, в Athlon - 9. Но каждый условный конвейер имеет несколько ступеней. С ростом количества ступеней частота CPU растет, но операции обрабатываются дольше. В Pentium 4 ступеней стало уже 20; 2) Начиная с CPU шестого поколения (Pentium Pro) применяется динамическое выполнение, которое позволяет предсказывать переходы, выполнять потоковый анализ и спекулятивно (выборочно) выполнять команды, т.е. в более оптимальном, а не заданном порядке, что ускоряет процесс обработки. Здесь возникает большая зависимость от ПО, т.к. оно оптимизируется под какой-то определенный набор команд. Самыми продвинутыми сейчас являются Enhanced 3Dnow! и SSE2 в AthlonXP и Pentium4 соответственно. Каждая оптимизирована под свой тип команд, поэтому процессоры побеждают друг друга в разных тестах; 3) В архитектуре DIB, впервые реализованной в CPU 6-го поколения, предусмотрены две шины: шина кэша второго уровня и шина между CPU и RAM, т.е. системная шина. Чтобы реализовать DIB, необходимо переместить кэш L2 в один корпус с процессором.

• размер кеша(кеш-памяти) процессора; Для ускорения работы процессора используется собственная кеш-память. Кэш процессора - память SRAM быстрого доступа на триггерах и защелках, в которой временно хранится часто используемая информация. Эта память значительно повышает производительность вычислений. Кэш характеризуется объемом и частотой работы. Существует две разновидности кеша процессора: 1) располагавшийся ранее на материнской плате, а сейчас в корпусе процессора кеш первого уровня(L1) 2) встроенный в ядро процессора кеш второго уровня(L2). Сейчас все процессоры имеют интегрированный кэш L2 работающий на частоте процессора. Например, для процессора Pentium III Coppermine кеш-память первого уровня составляет 32 Кбайт, а второго уровня 256 Кбайт.

• Технологический процесс Технологический процесс включает в себя площадь размещения одного транзистора на микросхеме процессора и определяет размеры CPU и надежность работы. Например, процессор AMD Athlon Thunderbird включает в себя 37 млн. транзисторов, размещенных на пластине площадью 120 мм². Если разделить площадь на количество транзисторов, то получим 0,35 микрометров. Под Socket 7, а также под Socket 8 и Slot-1 CPU использовалась 0,35 и 0,25-мкм технология; ядра Coppermine, Tualatin, Spitfire, Thunderbird, Palomino и Willamette производились по 0,18-мкм технологии. Сейчас AMD и Intel перешли на 0,13-микронную технологию. Наименьший кристалл имеет AthlonXP Thoroughbred - 80 мм2.

• Процессорный разъем и тип корпуса. Тип разъема зачастую определяется характеристиками ядра. Сейчас абсолютное большинство CPU перешло на использование разъемов Socket. Slot-1 использовались под Pentium II, Slot-A - под ядра Athlon Classic, K75 и K76. Сейчас Intel ведет политику постоянной смены типов разъемов: Socket 370, Socket 423, Socket 478, Socket 775. Причем очень важной особенностью разъема Socket 370 является то, что он имеет несколько электрически несовместимых разновидностей - их принято различать по типам корпусов, вставляемых в них процессоров: PPGA, FCPGA и FCPGA2. Первый из них не поддерживает ядро Coppermine и Tualatin, второй - только Tualatin. Socket 775 поддерживает совершенно другой тип корпусов LGA775. Компания AMD придерживалась политики большей заботы о покупателе и использует только один разъем Socket A для всех ядер, начиная с Thunderbird и Spitfire. Для установки нового CPU необходимо лишь обновить версию BIOS для корректного опознания ID. Последним 32-разрядным и Socket A CPU стал Barton. Затем появился Socket 754. Рассмотрим основные типы корпусов процессоров: 1) DIP (Dual In-line Package) - корпус с двухрядным расположением штырьковых выводов. Разновидности:

  • PGA (Pin Grid Array) - керамический корпус с матрицей штырьковых выводов;

  • SPGA (Staggered PGA) - корпус с шахматным расположением выводов;

  • PPGA (Plastic PGA) - термоустойчивый пластмассовый корпус;

  • SPGA FCPGA (Flip-Chip PGA) - PGA с перевернутым кристаллом, термовыделение происходит через заднюю часть корпуса без использования защитной термопластины

2) FC-PGA2 - имеет пластину-термораспространитель, покрывающую кристалл 3) S.E.C.C. (Single Edge Connection Cartridge) - печатная плата с краевым разъемом для Slot X, на которой смонтированы CPU, кэш, радиатор и вентилятор в пластмассовом кожухе и др. 4) LGA (Land Grid Array) - отличается отсутствием традиционных "ножек", поэтому для крепления этого чипа необходим разъем со специальным прижимным устройством - рамкой.

• Рабочая температура - параметр, ставший сейчас достаточно важны в свете постоянно наращиваемых мощностей и определяющий стабильность работы. Для CPU AMD K6-2, Intel Celeron температура должна быть в пределах 15-30°, для Duron - 35-50°, для Athlon - 45-60°, PentiumIII - 35-55°, AthlonXP - 50-65°). Легкие отклонения допустимы. В случае значительных отклонений следует задуматься о том, что CPU неисправен. Опыт показывает, что CPU AMD начинают сбоить при температуре 75°.

• Напряжение питания ядра и цепей ввода-вывода. Рабочее напряжение играет одну из важнейших ролей в настройке и оптимизации системы: из-за некорректно выставленного напряжения CPU может не работать или выйти из строя. Напряжения питания цепей ввода-вывода сейчас установлено для всех CPU 3,3V. А вот с напряжением питания ядра Vcore (Vcc) гораздо больше проблем: у CPU Intel традиционно Vcc ниже, и значит, тепловыделение и потребляемая мощность ниже, т.е. повышается устойчивость в работе. Но с выпуском Athlon Thoroughbred оно (как и у P4 Northwood) стало 1.5(1.6)V. Например, ядро Coppermine может работать при напряжениях 1.5-1.65V, Tualatin - 1.475-1.5V, Spitfire - 1.4-1.6V, Thunderbird - 1.6-1.75 V, Palomino - 1.7-1.85V. Остальные ядра не имеют разброса по напряжениям. Зачастую повышение, реже понижение, напряжения необходимо для обеспечения устойчивой работы CPU, особенно при разгоне. Такие операции осуществляются путем изменения положения джамперов или настроек в BIOS с шагом 0.05V.

• Модель процессора представляет собой обозначение процессора (маркировка на микроплате) и включает в себя обычно фирму-изготовителя, название процессора (иногда добавляют название ядра процессора) и может иметь обозначения различных характеристик процессора. (Например, Intel Celeron или Intel Celeron 633, где 633 - тактовая частота процессора).

Некоторые микропроцессоры дополняются сопроцессорами, расширяющими возможности микропроцессоров и набор выполняемых команд.

Сопроцессор - компьютерное устройство для проведения математических операций с плавающей точкой. Позволяет выполнять математические операции (деление, умножение, вычисление рядов и т.д.) в несколько раз быстрее. Так, например, для компьютера с 386SX процессором после установки сопроцессора выполнение программы решения системы дифференциальных уравнений ускорилось в 8 раз. Процессоры по своей конструкции оптимизированы для работы с целыми числами. Поэтому ранее процессоры были вынуждены «эмулировать» сопроцессор, т.е. выполнять лишнюю работу и замедлять выполнение программы. Сопроцессоры разработаны специально для работы с действительными числами, поэтому они берут часть нагрузки с процессора, что существенно ускоряет работу. Начиная с процессоров 486DX, сопроцессор стал составной частью процессора и его не надо покупать и устанавливать отдельно.