Курс лекций информатика
.pdfпараллелизм на уровне инструкций (Instruction Level Parallelism, ILP), что,
естественно, увеличивает общую производительность.
Одним из ведущих производителей процессоров является фирма Intel. Первым серийным процессором был Intel-8088 разработанный в 1978г. Процессор Pentium 4, представленный компанией Intel в конце 2000, предназначен для использования в высокопроизводительных настольных ПК и призван обеспечить максимальную производительность новейших технологий цифровой обработки видео, игр и в полной мере реализовать появляющиеся Web-технологии. В настоящее время процессоры Pentium 4 имеют тактовую частоту 1,3-3,4 ГГц. Процессор работает с 64-битной системной шиной на частоте 800 МГц (100 МГц х 8).Скорость обмена данными между контроллером памяти и процессором Pentium 4 достигает 3,2 Гбита/с, что обеспечивает малое время реакции системы. Для установки процессора используется разъем Socket-478.
Модельный ряд процессоров компании AMD так же достаточно широк. Процессор Athlon впервые представлен в июне 2000. Он оснащен высокопроизводительной кэш-памятью первого уровня объемом 128 Кбайт и размещенной на кристалле кэш-памятью второго уровня объемом 512 Кбайт, расширенной поддержкой технологии 3Dnow! и 24-мя новыми инструкциями, улучшающими возможности процессора в целочисленных вычислениях. AMD Athlon работает со 100 или 133-мегагерцевой системной шиной на удвоенной частоте. Модификации Athlon выпускаются с тактовыми частотами от 650 МГц до 3 ГГц и выше. Для установки процессора используется разъем на материнской плате Socket А (Socket-462).
4.5.Внутренняя память ПК
4.5.1.Архитектура машинной памяти
Память компьютера реализована в виде запоминающих устройств (ЗУ) - технических средств, осуществляющих запись, хранение и выдачу
92
информации. ЗУ являются технической реализацией подсистемы хранения данных.
Основными техническими характеристиками ЗУ являются емкость и быстродействие.
Емкость ЗУ определяет предельное количество информации, которое может разместиться в ЗУ, и выражается в битах, байтах, килобайтах, мегабайтах и гигабайтах в зависимости от вида ЗУ.
Быстродействие ЗУ оценивается временем доступа. Время доступа к ЗУ - характеристика, указывающая, сколько времени нужно потратить для того, чтобы получить доступ к участку памяти для считывания/записи данных.
К ЗУ предъявляются требования большей емкости и высокого быстродействия. Эти требования противоречивы, так как с увеличением емкости ЗУ их быстродействие уменьшается. В соответствии с принципами построения ЭВМ, разработанными Дж. фон Нейманом, память компьютера должна иметь иерархическую структуру. Первоначально выделяли оперативную память (ОП), реализуемую оперативным запоминающим устройствам (ОЗУ), и внешнюю, функции которой выполняют разнообразные внешние запоминающие устройства (ВЗУ). В современных компьютерах разница в быстродействии процессора, ОП и внешней памяти остается очень большой, поэтому обмен информацией между этими структурными единицами осуществляется через дополнительные уровни (Рис. 12). Каждый уровень удовлетворяет определенным требованиям емкости и быстродействия.
|
Иерархия машинной памяти |
|
|
Рг |
ПЗУ |
|
|
Процессор |
|
ВЗУ |
|
|
Буферные |
||
|
ВЗУ |
||
|
|
|
|
КЭШ |
ОЗУ |
ЗУ |
|
|
93 |
|
|
1-й уровень |
2-й уровень |
3-й уровень |
4-й уровень |
Рис. 12
К первому уровню относятся регистровая (Рг) и кэш - память (cache). Регистры предназначены для хранения малых объемов информации и являются промежуточным пунктом хранения данных, инструкций и результатов процессором. Регистровая память обладает самым высоким быстродействием и обычно входит в состав процессора.
Кэш-память (cache) - запоминающее устройство с малым временем доступа (во много раз меньшим, чем время доступа к оперативной памяти), используемое для временного хранения промежуточных результатов и содержимого часто используемых ячеек. Вообще кэшированием данных называется размещение данных в памяти с более быстрым доступом. В мире компьютерной памяти этот принцип применим потому, что более быстрая память обычно стоит существенно дороже более медленной, однако применение малого объема быстрой (но дорогой) кэш-памяти, в комплексе с большим объемом медленной (но дешевой) памяти позволяет создать приемлемое по цене и скорости решение.
Применение кэширования особенно эффективно, когда доступ к данным осуществляется преимущественно в последовательном порядке. Тогда после первого запроса на чтение данных, расположенных в медленной (кэшируемой) памяти, можно заранее выполнить чтение следующих блоков данных в кэш-память для того, чтобы при следующем запросе на чтение данных почти мгновенно выдать их из кэш-памяти. Такой прием называется упреждающим чтением.
Кэш-память применяется в современных ПК как устройство, существенно повышающее общую производительность: данные, содержащиеся в кэшпамяти, обслуживаются процессором за минимальное количество тактов. В современных процессорах характерно использование кэша первого уровня (Level 1 или L1-кэша), расположенного непосредственно на кристалле
94
процессора, и более медленного кэша второго уровня (Level 2 или L2кэша), расположенного в другой микросхеме или вообще на другой плате. При этом кэш первого уровня кэширует L2-кэш, а тот, в свою очередь, кэширует еще более медленную оперативную память.
Схема устройства кэш-памяти
Рис. 13
Таким образом, первый уровень памяти выполняет роль буфера между оперативной памятью и процессором, сглаживая разницу в быстродействии за счет временного хранения содержимого оперативной памяти.
Второй уровень в иерархии машинной памяти образует оперативная память. ОЗУ хранит информацию, непосредственно участвующую в работе процессора. Ко второму уровню относятся также постоянные запоминающие устройства. ПЗУ хранит неизменяемую информацию, которую можно только считывать, как правило, данные об аппаратных особенностях ПК и микропрограммы базовой системы ввода/вывода (Basic Input/Output System - BIOS). BIOS позволяет компьютеру при включении выполнить три основные операции:
-распознать, какие устройства установлены в ПК;
-получить указания, откуда и как считать загрузчик операционной системы;
-определить, как именно организовать взаимосвязь между центральным процессором и остальными устройствами (дисководами, монитором, памятью, клавиатурой и т.п.).
95
В последнее время в ПК устанавливают дополнительно CMOS - память, предназначенную для хранения данных о конфигурации компьютера (объеме ОЗУ, типе внешних запоминающих устройств и т.д.).
К третьему уровню относятся буферные ЗУ (БЗУ), использование которых повышает эффективность обмена между внешней и оперативной памятью, имеющими существенно разное быстродействие. Как правило, буферная память размещается в контроллерах ВЗУ и чем больше ее объем, тем быстрее происходит обмен.
Четвертый уровень машинной памяти образует внешняя память, которая представлена различными внешними запоминающими устройствами. На ВЗУ хранятся данные, не используемые в данный момент времени процессором, а также программы.
4.5.2. Оперативная память
Оперативная память, которая также именуется RAM-память (Random Access Memory), то есть память с произвольным доступом, используется центральным процессором для совместного хранения данных и исполняемого программного кода.
Оперативная память представляет собой совокупность электронных ячеек, каждая из которых может хранить конкретную 8-значную комбинацию из нулей и единиц - 1 байт (8 бит). Каждая такая ячейка имеет адрес (адрес байта) и содержимое (значение байта). Адрес нужен для обращения к содержимому ячейки при записи и считывании информации.
Кхарактеристикам оперативной памяти относятся:
емкость, измеряемой в Мбайтах, обычно это 64, 128, 256, 512 Мб и более;
время доступа (нс) или частота шины (МГц);
пропускная способность канала данных (Мбайт/сек).
По принципам действия RAM-память можно разделить на динамическую и статическую, различия между которыми заключаются в конструктивных особенностях ячеек для хранения данных.
96
Встатической памяти ячейки построены на различных вариантах триггеров — транзисторных схем с двумя устойчивыми состояниями. После записи данных в такую ячейку она может пребывать в одном из этих состояний и сохранять запись сколь угодно долго — необходимо только наличие питания. Отсюда и название памяти — статическая, то есть пребывающая в неизменном состоянии. Достоинством статической памяти является ее быстродействие, а недостатками на сегодняшний день — высокое энергопотребление и низкая удельная плотность данных.
Вдинамической памяти элементарная ячейка памяти представляет собой конденсатор. Такой конденсатор способен в течение некоторого, хотя и очень малого, промежутка времени сохранять электрический заряд, наличие которого можно ассоциировать с информационным битом. Упрощая, можно сказать, что при записи логической единицы в ячейку памяти конденсатор заряжается, при записи нуля — разряжается. При считывании данных каждый конденсатор разряжается (через схему считывания), и если заряд конденсатора был ненулевым, то на выходе схемы считывания устанавливается единичное значение. Кроме того, поскольку при считывании конденсатор разряжается, то его необходимо зарядить до прежнего значения. К тому же, если обращения к ячейке не происходит в течение длительного времени, то за счет токов утечки конденсатор разряжается (неизбежный физический процесс) и информация теряется. Вследствие этих причин память на основе массива конденсаторов требует постоянной периодической подзарядки конденсаторов - регенерации (Memory Refresh), основанной на периодическом циклическом обращении к ячейкам памяти, так как каждое такое обращение восстанавливает прежний заряд конденсатора. К достоинствам динамической памяти относятся высокая удельная плотность размещения данных и низкое энергопотребление, а к недостаткам — низкое быстродействие по сравнению со статической памятью.
Внешний вид модуля памяти
97
Рис. 14
В настоящее время динамическая память DRAM (Dynamic Random Access Memory) используется в качестве оперативной памяти компьютера,
а статическая память SRAM (Static Random Access Memory) — для создания высокоскоростной кэш-памяти процессора.
Оперативная память современных компьютеров изготавливается в виде модулей, устанавливаемых на материнскую плату. При этом чаще всего используются две модификации памяти SDRAM и DDR SDRAM.
Синхронная динамическая память (или SDRAM) работает синхронно с тактами центрального процессора. При этом контроллер памяти имеет информацию о времени готовности данных, что позволяет освободить процессор от необходимости ждать момента доступа к памяти и повышает скорость работы с памятью. В отличие от других, маркировка SDRAM отражает не время доступа, а частоту, на которой этот модуль способен работать. Модули со временем доступа 15 и 10 нс (PC66)устойчиво работают на частотах не более 66-75 МГц. Для 100 МГц системной шины необходимы модули PC100 на 7-8 нс, а 133 МГц шина требует еще более быструю память PC133.
Следующим шагом в развитии SDRAM памяти стало создание ее модификации DDR SDRAM (Double Data Rate - удвоенная скорость передачи данных) или SDRAM II, в которой передача данных осуществляется по фронту и срезу тактовых импульсов одновременно, чем достигается удвоение скорости передачи при той же тактовой частоте. DDR-память, работающую на частоте 100 МГц, иногда обозначают как DDR200, подразумевая при этом, что «эффективная частота» памяти составляет 200 МГц (данные передаются два раза за такт). Хотя обозначение типа DDR200, DDR266 и DDR333 кажется вполне логичным,
98
официально принято другое обозначение этой памяти - в качестве цифры используют не «эффективную частоту», а пиковую пропускную способность, то есть память DDR200 обозначается как PC1600, а DDR266 -
как PC2100, а DDR333 - как PC2700 и т.д.
Память Direct Rambus DRAM, или DRDRAM, занимает особое положение среди всех распространенных типов синхронной динамической памяти. Тактовая частота работы памяти в стандарте DRDRAM составляет 400 МГц, причем обращение к памяти происходит по положительному и отрицательному фронту тактовых импульсов (как и в DDR-памяти), поэтому «эффективная частота» составляет 800 МГц. Этот вид памяти имеет общую пропускную способность до 3,2 Гбайт/с, но не получил пока широко распространения из-за высокой стоимости.
4.6.Устройства ввода
Ввод информации в компьютер обеспечивает подсистема ввода, которая реализована в виде устройств ввода информации. К таким устройствам относятся:
клавиатура;
манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол, трекпойнт);
сканер;
дигитайзер (цифровой планшет);
тактильная панель (тачпад);
тактильный экран;
речевой ввод.
Существуют и другие устройства ввода информации.
Клавиатура (Keyboard) является стандартным устройством ввода и предназначена для ввода программ и данных в ПЭВМ.
Внешний вид клавиатуры и группы клавиш
99
Рис. 15
Клавиатуры могут иметь 83, 101-107 и более клавиш, которые можно сгруппировать по выполняемым функциям. Выделяют следующие группы клавиш:
алфавитно-цифровые;
функциональные;
управления курсором;
дополнительные цифровые;
служебные. В зависимости от выполняемых программ клавиши могут изменять свое назначение. Для этого необходимо использовать программу управления клавиатурой (драйвер клавиатуры). Такой драйвер организует, например, ввод помимо латинского еще и символов национального алфавита.
На персональных компьютерах используется клавиатура с расположением клавиш QWERTY / ЙЦУКЕНГ (по первым буквам верхнего ряда алфавитных клавиш), но могут быть использованы и другие стандарты расположения клавиш.
Клавиатура подсоединяется к контроллеру (порту) клавиатурного ввода с помощью кабеля и специального разъема стандарта АТ или PS/2, однако в настоящее время разработана конструкция клавиатуры с передачей данных в компьютер без кабеля в инфракрасном диапазоне.
100
Каждой клавише соответствует определенный код (скэн-код), который передается в компьютер при нажатии клавиши. Этот код зависит от включенного режима и нажатия клавиши в комбинации с другими клавишами, как правило, Alt, Ctrl, Shift, которые изменяют значение скэнкода.
Мышь (Mouse) - приспособление для перемещения указателя (курсора) по экрану, указания нужных точек на экране дисплея и передачи экранных координат этой точки. Она перемещается вручную по плоской поверхности. Это особого рода манипулятор, позволяющий оптимизировать работу с большой категорией компьютерных программ, исключив непроизводительное частое нажатие некоторых клавиш (например, клавиш управления курсором).
Благодаря тщательно продуманной конструкции мышь стала незаменимым устройством при работе пользователей ПК с такими программами, как графические редакторы, системы автоматизированного проектирования, программы управления электронными таблицами, настольные издательские системы и др.
Для того чтобы ввести в компьютер информацию о перемещении манипулятора по плоскости (например, по поверхности рабочего стола), в конструкции мыши используется оптико-механический или оптический принципы.
Оптико-механическая мышь представляет наиболее распространенный тип этого устройства. Ее основным рабочим органом является металлический (для тяжести) шар, покрытый резиной, вращение которого передается на ролики. Ролики, в свою очередь, приводят во вращение диски со щелями, благодаря чему свет, проходящий через щели, периодически перекрывается. Вследствие этого на фотоприемник падают световые импульсы, вызывая периодическое возникновение электрического потенциала, эти сигналы передаются в ПК. Таким образом, создается подобие многократному нажатию, скажем, клавиши перемещения курсора.
101