2.1.1. Магистрально-модульный принцип построения компьютера

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистрально-модульное устройство компьютера

Магистраль

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии. К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

Шина данных (ШД). По этой шине данные передаются между различными устройствами. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. За 25 лет, со времени создания первого персонального компьютера (1975 г.), разрядность шины данных увеличилась с 8 до 64 бит.

Шина адреса (ША). Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении – от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство) процессора, т. е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N = 2^I, где I — разрядность шины адреса.

В первых персональных компьютерах разрядность шины адреса составляла 16 бит, а количество адресуемых ячеек памяти — N = 2¹⁶ = 65 536.

В современных персональных компьютерах разрядность шины адреса составляет 36 битов, а максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно

N = 2³⁶ = 68 719 476 736.

Шина управления (ШУ). По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию — считывание или запись информации из памяти — нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т. д.

2.1.2. Процессор.

Процессор аппаратно реализуется на большой интегральной схеме (БИС). БИС на самом деле не является «большой» по размеру и представляет собой, наоборот, маленькую плоскую полупроводниковую пластину размером примерно 20х20 мм, заключенную в плоский корпус с рядами металлических штырьков (контактов). БИС является «большой» по количеству элементов.

Использование современных высоких технологий позволяет разместить на БИС процессора огромное количество (42 миллиона в процессоре Pentium 4) функциональных элементов (переключателей), размеры которых составляют всего около 0,13 микрон.

1 микрон = 10^-6 метра =10^-3 мм.

Важнейшей характеристикой, определяющей быстродействие процессора, является тактовая частота, то есть количество тактов в секунду. Такт — это промежуток времени между началами подачи двух последовательных импульсов специальной микросхемой — генератором тактовой частоты, синхронизирующим работу узлов компьютера. На выполнение процессором каждой базовой операции (например, сложения) отводится определенное количество тактов. Ясно, что чем больше тактовая частота, тем больше операций в секунду выполняет процессор.

Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц). 1 МГц = миллион тактов в секунду. За 20 с небольшим лет тактовая частота процессора увеличилась почти в 500 раз, от 5 МГц (процессор 8086, 1978 год) до 2,4 ГГц (процессор Pentium 4, 2002 год).

Другой характеристикой процессора, влияющей на его производительность, является разрядность процессора. Разрядность процессора определяется количеством двоичных разрядов, которые могут передаваться или обрабатываться процессором одновременно. Часто уточняют разрядность процессора и пишут 64/36, что означает, что процессор имеет 64-разрядную шину данных и 36-разрядную шину адреса.

Современный процессор Pentium 4 имеет разрядность 64/36, то есть одновременно процессор обрабатывает 64 бита, а адресное пространство составляет 68 719 476 736 байтов — 64 гигабайта.

Производительность процессора является его интегральной характеристикой, которая зависит от частоты процессора, его разрядности, а также особенностей архитектуры (наличие кэш-памяти и др.). Производительность процессора нельзя вычислить, она определяется в процессе тестирования, по скорости выполнения процессором определенных операций в какой-либо программной среде.

Модели ПК IBM PC, технические характеристики процессоров INTEL

Год выпуска	Модель процессора	Тактовая частота, (Мгц)	Разрядность ШД/ ША	Адресное пространство	Модель IBM PC
1978	8086	4 – 8	16/ 20	1 Мб	XT
1982	80286	8 – 20	16/ 24	16 Мб	AT
1985	80386	20 – 40	32/ 32	4 Гб	386
1989	80486	30 –100	32/ 32	4 Гб	486
1993	Pentium	60 – 150	64/ 32	4 Гб	Pentium
1995	Pentium Pro	100 – 200	64/ 32	4 Гб	Pentium Pro
1997	Pentium II	233 – 300	64/ 32	4 Гб	Pentium II
1999	Pentium III	450 – 500	64/ 32	4 Гб	Pentium III
2001 –…	Pentium 4	От 3000 (от 3 Ггц)	64/ 32	4 Гб	Pentium 4