Какие основные блоки и платы входят в состав персонального компьютера

Обновлено: 03.07.2024

Компьютер — это удивительно полезная универсальная технология, до такой степени, что теперь камеры, телефоны, термостаты и многое другое превратились в маленькие компьютеры. В этом разделе будут представлены основные части и темы работы компьютерного оборудования. «Оборудование» — это физические части компьютера, а «программное обеспечение» — код, работающий на компьютере.

Чипы и транзисторы

Транзистор — жизненно важный электронный блок.
—Транзисторы являются «твердотельными» — в них нет движущихся частей.
— Одно из самых важных изобретений в истории.
— «Переключатель», который мы можем включить. /выключено электрическим сигналом
Кремниевый чип – кусочек кремния размером с ноготь.
Микроскопические транзисторы выгравированы на кремниевых чипах
Чипы могут содержать миллиарды транзисторов.
Чипсы упакованы в пластик с металлическими ножками.
напр. Микросхемы ЦП, микросхемы памяти, флэш-чипы
Силикон (металлоид) и силикон (мягкое вещество на кухонной утвари)

Вот кремниевый чип в пластиковой упаковке. Я вытащил это из кучи электронных отходов в здании Stanford CS, так что, наверное, оно старое. Это небольшой чип с несколькими «контактами» электрического соединения. Позже мы увидим более крупный чип с сотнями контактов.

Внутри пластиковой упаковки находится кремниевый чип размером с ноготь с выгравированными на его поверхности транзисторами и другими компонентами. Крошечные провода соединяют чип с внешним миром. (лицензия CC, атрибуция на шареалке 3. пользователь википедии Zephyris)

В современных компьютерах используются крошечные электронные компоненты, которые можно выгравировать на поверхности кремниевого чипа. (См.: чип из Википедии) Обратите внимание, что кремний (микросхемы, солнечные панели) и силикон (мягкий резиновый материал) — это разные вещи!

Самым распространенным электронным компонентом является "транзистор", который работает как усилительный клапан для потока электронов. Транзистор является «твердотельным» устройством, то есть в нем нет движущихся частей. Это основной строительный блок, используемый для создания более сложных электронных компонентов. В частности, «бит» (ниже) можно построить с компоновкой из 5 транзисторов. Транзистор был изобретен в начале 1950-х годов, заменив вакуумную лампу. С тех пор транзисторы становились все меньше и меньше, что позволяло размещать все больше и больше их на кремниевом чипе.

Закон Мура

Транзисторы становятся в 2 раза меньше примерно каждые 2 года
– иногда указывается срок службы около 18 месяцев.
Может вместить в два раза больше транзисторов на чип
Из-за более совершенной технологии травления чипов
-Но современный завод по производству чипов стоит более 1 миллиарда долларов
Наблюдение против научного "закона"
2 эффекта:
а. чипы удваивают емкость каждые 2 года
-скорость не удваивается, емкость удваивается, что по-прежнему очень полезно
б. или при неизменной емкости чипы становятся меньше и дешевле каждые 2 года.
(б) вот почему компьютеры теперь используются в автомобилях, термостатах и поздравительных открытках.
Пример: емкость MP3-плеера 50 долларов США каждые 2 года: 2 ГБ, 4 ГБ, 8 ГБ, 16 ГБ.
Практическое правило: увеличение емкости в 8 раз каждые 6 лет.
В 8 раз за 6 лет емкость вашего телефона может увеличиться в 8 раз
Вероятно, закон Мура не будет действовать вечно

Закон Мура (Гордон Мур, соучредитель Intel) гласит, что плотность транзисторов на микросхеме удваивается примерно каждые 2 года (иногда указывается каждые 18 месяцев). Увеличение связано с улучшением технологии производства чипов. Это не научный закон, а просто общее предсказание, которое, кажется, продолжает работать. В более широком смысле он отражает идею о том, что на доллар компьютерные технологии (не только транзисторы) с течением времени становятся лучше в геометрической прогрессии. Это совершенно ясно, если вы посмотрите на стоимость или возможности компьютеров/камер и т. д., которые у вас есть. Закон Мура приводит к появлению более производительных компьютеров (сравните возможности iPhone 7 и оригинального iPhone), а также более дешевых компьютеров (менее производительные компьютеры появляются повсюду, например, в термостатах и автомобилях).

Компьютеры в жизни: системы управления

Система управления: реагирует на внешнее состояние
напр. автомобильный двигатель: изменяйте топливную смесь в зависимости от температуры
напр. сработала подушка безопасности при больших перегрузках от столкновения
Чипы — отличный и дешевый способ создания систем управления.
Докомпьютерные системы управления работали не так хорошо
Одна из причин, почему сегодня автомобили работают намного лучше

Система управления / Демонстрация фонарика Мура

У фонарика Maglite XL200 есть фишка
Пример системы управления
Закон Мура делает возможным такое применение чипа
Фонарик преобразует угловое положение в яркость.(1 клик)
Также есть угол для режима скорости моргания. (2 клика)

Компьютерное оборудование — ЦП, ОЗУ и постоянное хранилище

Теперь давайте поговорим о трех основных компонентах, из которых состоит компьютер: ЦП, ОЗУ и постоянном хранилище. Эти три компонента есть на всех компьютерах: ноутбуках, смартфонах и планшетах.

1. ЦП

ЦП – центральный процессор
Действует как мозг: следует инструкциям в коде.
"общее" — изображения, работа в сети, математика... все на ЦП
Выполняет вычисления, например. добавить два числа
по сравнению с ОЗУ и постоянное хранилище, в которых только хранятся данные
"гигагерц" = 1 миллиард операций в секунду
ЦП с частотой 2 ГГц выполняет 2 миллиарда операций в секунду.

ЦП — центральный процессор — неизбежно называют "мозгом" компьютера. ЦП выполняет активный «запуск» кода, манипулируя данными, в то время как другие компоненты играют более пассивную роль, например, хранят данные. Когда мы говорим, что компьютер может «складывать два числа миллиард раз в секунду»… это процессор. Когда вы нажимаете кнопку «Выполнить», ЦП в конечном итоге «запускает» ваш код. Позже мы дополним картину того, как ваш код Javascript выполняется процессором.

Кроме того: "ядра" процессора

Современные чипы ЦП имеют несколько ядер.
Каждое ядро является полунезависимым процессором.
Ключ: 4 ядра не в 4 раза быстрее, чем 1 ядро.
т.е. 4 машины не доставят вас туда быстрее, чем 1 машина
Убывающая отдача
Более 4 ядер часто бесполезны

Примеры ЦП

напр. Кнопка "Выполнить" — "распечатать информацию", посчитать.
напр. Отправить текстовое сообщение — отформатировать байты, отправить байты, проверить, что они были отправлены

Вариант CPU: GPU — графический процессор

Подобен процессору, но предназначен для обработки изображений.
Компьютерные игры активно используют GPU
Современные ЦП в большинстве случаев достаточно быстры, больше энергии уходит на ГП.

2. ОЗУ

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство
Действует как доска.
Временное рабочее хранилище, байты
ОЗУ хранит как код, так и данные (временно)
напр. открыть изображение в Photoshop
- данные изображения загружаются в байты оперативной памяти
напр. добавление 2 к числу в калькуляторе
- управление байтами в оперативной памяти
"постоянная"
-ОЗУ не является постоянной. Состояние исчезает при выключении питания
-e.g. Вы работаете над документом, затем отключается электричество, и вы теряете свою работу (вместо "Сохранить")

ОЗУ — оперативное запоминающее устройство или просто «память». Оперативная память — это оперативная память, которую компьютер использует для хранения кода и данных, которые активно используются. ОЗУ фактически является областью хранения байтов под управлением ЦП. Оперативная память относительно быстра и способна извлекать значение любого конкретного байта за несколько наносекунд (1 наносекунда составляет 1 миллиардную долю секунды). Другая важная особенность ОЗУ заключается в том, что оно сохраняет свое состояние только до тех пор, пока на него подается питание — ОЗУ не является «постоянным» хранилищем.

Предположим, вы работаете на своем компьютере, и он внезапно теряет питание, и экран гаснет. Вы понимаете, что то, над чем вы работали, пропало. Оперативная память была очищена, осталось только то, что вы в последний раз сохранили на диск (ниже).

Примеры оперативной памяти

В вашем браузере открыто много вкладок
– данные для каждой вкладки находятся в оперативной памяти
Выполняется программа
- код программы находится в оперативной памяти
Программа манипулирует большим изображением
- данные изображения находятся в оперативной памяти
напр. у вас может закончиться оперативная память — вы не сможете открыть новую вкладку или программу, потому что вся оперативная память занята
Кроме того, теперь телефоны имеют от 2 до 4 ГБ ОЗУ . достаточно для большинства целей

3. Постоянное хранилище: жесткий диск, флэш-накопитель

Постоянное хранение байтов
"Постоянный" означает сохранение, даже если питание отключено.
напр. Жесткий диск — хранит байты в виде магнитного узора на вращающемся диске.
— также известный как «жесткий диск».
— Высокий звук вращения, который вы, возможно, слышали.
Жесткие диски долгое время были основной технологией постоянного хранения данных.
НО сейчас Flash становится все более популярным.

Видео о том, как работает жесткий диск (Webm — открытый стандартный видеоформат, работает в Firefox и Chrome). 4:30 в видео, чтобы увидеть чтение/запись битов.

Постоянное хранилище, новая технология: флэш-память

«Флэш-память» – это транзисторная технология постоянного хранения данных.
«твердотельное состояние» – отсутствие движущихся частей. -aka "SSD": твердотельный накопитель
Флэш-память лучше жесткого диска во всех отношениях, но стоит дешевле: быстрее, надежнее, потребляет меньше энергии.
Флэш дороже в пересчете на байт.
Форматы: USB-ключ, SD-карта в камере, флэш-память, встроенная в телефон, планшет или компьютер.
Раньше флэш-память была очень дорогой, поэтому в большинстве компьютеров использовались жесткие диски.
Flash дешевеет (закон Мура)
Однако в пересчете на байт жесткие диски по-прежнему значительно дешевле.
Не путать с проприетарным мультимедийным форматом Adobe Flash.
Предупреждение: флэш-память не сохраняется вечно. Он может не хранить биты за последние 10 или 20 лет. Никто точно не знает

Постоянное хранилище — долговременное хранилище байтов в виде файлов и папок. Постоянный означает, что байты сохраняются даже при отключении питания. Ноутбук может использовать вращающийся жесткий диск (также известный как «жесткий диск») для постоянного хранения файлов. Или он может использовать «флэш-накопитель», также известный как твердотельный диск (SSD), для хранения байтов на флэш-чипах. Жесткий диск считывает и записывает магнитные узоры на вращающемся металлическом диске для хранения байтов, в то время как флэш-память является «твердотельной»: никаких движущихся частей, только кремниевые чипы с крошечными группами электронов для хранения байтов. В любом случае хранилище является постоянным, т. е. сохраняет свое состояние даже при отключении питания.

Флэш-накопитель работает быстрее и потребляет меньше энергии, чем жесткий диск. Однако в пересчете на байт флэш-память значительно дороже, чем хранилище на жестком диске. Flash дешевеет, поэтому может занять нишу за счет жестких дисков. Флэш-память намного медленнее, чем оперативная память, поэтому она не является хорошей заменой оперативной памяти. Обратите внимание, что Adobe Flash — это несвязанное понятие; это проприетарный медиаформат.

Флэш-память — это то, что лежит в основе USB-накопителей, SD-карт для использования в камерах или встроенной памяти в планшете или телефоне.

Файловая система

Как организованы байты в постоянном хранилище?
напр. Байты на флешке?
"Файловая система" – организация байтов постоянного хранилища, файлов и папок.
"Файл" — имя, дескриптор блока байтов.
напр. "flowers.jpg" означает 48 КБ данных изображения.

Жесткий диск или флэш-накопитель обеспечивает постоянное хранение в виде плоской области байтов без особой структуры. Обычно жесткий диск или флэш-диск отформатированы с использованием «файловой системы», которая организует байты в знакомый шаблон файлов и каталогов, где каждый файл и каталог имеют несколько полезное имя, например «resume.txt». Когда вы подключаете диск к компьютеру, компьютер представляет файловую систему диска пользователю, позволяя ему открывать файлы, перемещать файлы и т. д.

По сути, каждый файл в файловой системе относится к блоку байтов, поэтому имя «flowers.jpg» относится к блоку 48 КБ байтов, которые являются данными этого изображения. Фактически файловая система дает пользователю имя (и, возможно, значок) для блока байтов данных и позволяет пользователю выполнять операции с этими данными, например перемещать их, копировать или открывать с помощью программы. Файловая система также отслеживает информацию о байтах: их количество, время последнего изменения.

Microsoft использует проприетарную файловую систему NTFS, а Mac OS X имеет собственный эквивалент HFS+ от Apple. Многие устройства (камеры, MP3-плееры) используют на своих флеш-картах очень старую файловую систему Microsoft FAT32. FAT32 — старая и примитивная файловая система, но она хороша там, где важна широкая поддержка.

Примеры постоянного хранилища

Это легко понять, так как вы использовали файлы и файловые системы.
напр. 100 отдельных видеофайлов по 1 ГБ. Требуется 100 ГБ дискового пространства.

Изображения оборудования

Ниже представлены изображения недорогих компьютеров Shuttle с процессором 1,8 ГГц, 512 МБ ОЗУ и жестким диском на 160 ГБ. Примерно в 2008 году он стоил около 200 долларов США. Он сломался и стал классным примером.

Материнская плата
Металлический пакет ЦП, удерживаемый рычагом
Медный радиатор

Чип процессора в металлическом корпусе
Радиатор удален.
Низ упаковки... много соединений (маленькие провода)

Если перевернуть ЦП, видны маленькие позолоченные накладки в нижней части ЦП. Каждая контактная площадка соединена очень тонким проводом с точкой на кремниевом чипе.

Вот изображение другого чипа, но без верхней упаковки. Вы видите кремниевый чип размером с мизинец в центре с выгравированными на нем крошечными деталями транзистора. На краю чипа видны очень тонкие провода, соединяющие части чипа с внешними контактными площадками (лицензия CC, атрибуция 3. пользователь википедии Zephyris)

Карта оперативной памяти
Подключается к материнской плате
Карта на 512 МБ (4 чипа)

Оперативная память состоит из нескольких микросхем, объединенных в небольшую плату, известную как DIMM, которая вставляется в материнскую плату (модуль памяти с двумя встроенными разъемами).Здесь мы видим модуль RAM DIMM, извлеченный из разъема материнской платы. Это модуль DIMM емкостью 512 МБ, состоящий из 4 микросхем. Несколькими годами ранее этот модуль DIMM мог потребовать 8 микросхем для хранения 512 МБ. Закон Мура в действии.

Жесткий диск объемом 160 ГБ (постоянное хранилище)
т.е. постоянный
Подключается к материнской плате стандартным кабелем SATA.

Флэш-накопитель (другой тип постоянного хранилища)
т.е. постоянный
Содержит флэш-чип, твердотельный.
SD-карта, аналогичная идея

Здесь он разобран, показывая флэш-чип, который фактически хранит байты. Этот чип может хранить около 1 миллиарда бит... сколько это байтов? (A: 8 бит на байт, то есть около 125 МБ)

Вот "SD-карта", которая обеспечивает хранение в камере. Он очень похож на флешку, только другой формы.

Материнская плата для настольного персонального компьютера Acer с типичными компонентами и интерфейсами материнской платы. Эта модель была произведена Foxconn в 2007 году и соответствует компоновке ATX (известной как «форм-фактор»), обычно используемой для настольных компьютеров. Он предназначен для работы с процессором AMD Athlon 64

Материнская плата (иногда также называемая материнской платой, системной платой, планарной платой или платой логики, или, в просторечии, мобильным устройством) — это основная печатная плата (PCB), используемая в компьютерах и других расширяемых системах. Он поддерживает и обеспечивает связь между многими важными электронными компонентами системы, такими как центральный процессор (ЦП) и память, а также предоставляет разъемы для других периферийных устройств. В отличие от объединительной платы материнская плата содержит важные подсистемы, такие как процессор и другие компоненты.

Материнская плата конкретно относится к печатной плате с возможностью расширения, и, как следует из названия, эту плату часто называют «матерью» всех подключенных к ней компонентов, которые часто включают звуковые карты, видео карты, сетевые карты, жесткие диски или другие формы постоянного хранения; Карты ТВ-тюнера, карты с дополнительными разъемами USB или FireWire и множество других пользовательских компонентов (термин материнская плата применяется к устройствам с одной платой и без дополнительных расширений или возможностей, таких как платы управления в телевизорах). , стиральные машины и другие встраиваемые системы).

Intel D945GCPE Материнская плата microATX LGA775 для процессоров Intel Pentium 4, D, XE, Dual-Core, Core 2 (около 2007 г.)

История

До изобретения микропроцессора цифровой компьютер состоял из нескольких печатных плат в корпусе для карт с компонентами, соединенными объединительной панелью, набором соединенных между собой разъемов. В очень старых конструкциях провода представляли собой дискретные соединения между контактами разъема карты, но вскоре стандартной практикой стали печатные платы. Центральный процессор (ЦП), память и периферийные устройства размещались на отдельных печатных платах, которые вставлялись в заднюю панель.

В конце 1980-х и 1990-х годах перенос все большего числа периферийных функций на материнскую плату стал экономически выгодным. В конце 1980-х годов материнские платы персональных компьютеров стали включать в себя отдельные микросхемы (также называемые микросхемами Super I/O), способные поддерживать набор низкоскоростных периферийных устройств: клавиатуру, мышь, дисковод для гибких дисков, последовательные порты и параллельные порты. К концу 1990-х годов многие материнские платы персональных компьютеров поддерживали полный набор аудио-, видео-, накопительных и сетевых функций без каких-либо плат расширения; системы более высокого класса для 3D-игр и компьютерной графики обычно сохраняли только видеокарту в качестве отдельного компонента.

Самые популярные компьютеры, такие как Apple II и IBM PC, опубликовали схемы и другую документацию, которая позволяла быстро реконструировать и заменять материнские платы сторонних производителей. Обычно предназначенные для создания новых компьютеров, совместимых с образцами, многие материнские платы предлагали дополнительную производительность или другие функции и использовались для обновления оригинального оборудования производителя.

Дизайн

Материнская плата Octek Jaguar V 1993 года выпуска. На этой плате мало встроенной периферии, о чем свидетельствуют 6 слотов для карт ISA и отсутствие других встроенных разъемов для внешних интерфейсов

Материнская плата Samsung Galaxy SII; почти все функции устройства интегрированы в очень маленькую плату

Материнская плата обеспечивает электрические соединения, с помощью которых другие компоненты системы обмениваются данными. В отличие от объединительной платы, она также содержит центральный процессор и другие подсистемы и устройства.

Обычный настольный компьютер имеет микропроцессор, оперативную память и другие важные компоненты, подключенные к материнской плате. Другие компоненты, такие как внешнее хранилище, контроллеры для отображения видео и звука, а также периферийные устройства, могут быть подключены к материнской плате в виде съемных карт или с помощью кабелей. В современных компьютерах все чаще интегрируются некоторые из этих периферийных устройств в саму материнскую плату.

Важным компонентом материнской платы является набор микросхем, поддерживающий микропроцессор, который обеспечивает вспомогательные интерфейсы между ЦП и различными шинами и внешними компонентами. Этот чипсет в какой-то степени определяет функции и возможности материнской платы.

Современные материнские платы включают:

Сокеты (или слоты), в которые можно установить один или несколько микропроцессоров. В случае ЦП в корпусах с шариковой решеткой, таких как VIA C3, ЦП припаивается непосредственно к материнской плате.
Слоты, в которые должна быть установлена основная память системы (обычно в виде модулей DIMM, содержащих чипы DRAM)
Набор микросхем, формирующий интерфейс между передней шиной ЦП, основной памятью и шинами периферийных устройств.
Микросхемы энергонезависимой памяти (обычно Flash ROM в современных материнских платах), содержащие встроенное ПО или BIOS системы.
Генератор часов, который вырабатывает системный тактовый сигнал для синхронизации различных компонентов.
Слоты для карт расширения (интерфейс к системе через поддерживаемые чипсетом шины)
Разъемы питания, которые получают электропитание от блока питания компьютера и передают его на ЦП, набор микросхем, основную память и карты расширения. Начиная с 2007 года некоторым видеокартам (например, GeForce 8 и Radeon R600) требуется больше энергии, чем может обеспечить материнская плата, поэтому были введены специальные разъемы для их непосредственного подключения к блоку питания.
Разъемы для жестких дисков, обычно только SATA. Дисководы также подключаются к источнику питания.

Кроме того, почти все материнские платы имеют логику и разъемы для поддержки часто используемых устройств ввода, таких как разъемы PS/2 для мыши и клавиатуры. Ранние персональные компьютеры, такие как Apple II или IBM PC, включали только эту минимальную поддержку периферийных устройств на материнской плате. Иногда аппаратное обеспечение видеоинтерфейса также интегрировалось в материнскую плату; например, на Apple II и редко на IBM-совместимых компьютерах, таких как IBM PC Jr. Дополнительные периферийные устройства, такие как контроллеры дисков и последовательные порты, предоставлялись в качестве плат расширения.

Учитывая высокую расчетную тепловую мощность высокоскоростных компьютерных процессоров и компонентов, современные материнские платы почти всегда включают радиаторы и точки крепления вентиляторов для рассеивания избыточного тепла.

Форм-фактор

Материнские платы производятся различных размеров и форм, называемых форм-фактором компьютера, некоторые из которых зависят от конкретных производителей компьютеров. Однако материнские платы, используемые в IBM-совместимых системах, рассчитаны на различные размеры корпусов. По состоянию на 2007 год большинство материнских плат настольных компьютеров используют стандартный форм-фактор ATX — даже те, которые используются в компьютерах Macintosh и Sun, которые не были собраны из обычных компонентов. Материнская плата корпуса и форм-фактор блока питания должны совпадать, хотя некоторые материнские платы меньшего форм-фактора того же семейства подходят для корпусов большего размера. Например, корпус ATX обычно подходит для материнской платы microATX.

В портативных компьютерах обычно используются высокоинтегрированные, миниатюрные и специализированные материнские платы. Это одна из причин, по которой портативные компьютеры сложно модернизировать и дорого ремонтировать. Часто выход из строя одного компонента ноутбука требует замены всей материнской платы, которая обычно дороже материнской платы настольного компьютера из-за большого количества интегрированных компонентов.

Сокеты процессора

Гнездо ЦП (центральный процессор) или слот — это электрический компонент, который крепится к печатной плате (PCB) и предназначен для размещения ЦП (также называемого микропроцессором). Это особый тип разъема для интегральной схемы, предназначенный для очень большого количества контактов. Сокет ЦП обеспечивает множество функций, включая физическую структуру для поддержки ЦП, поддержку радиатора, облегчение замены (а также снижение стоимости) и, что наиболее важно, формирование электрического интерфейса как с ЦП, так и с печатной платой.Разъемы ЦП на материнской плате чаще всего можно найти в большинстве настольных и серверных компьютеров (в ноутбуках обычно используются ЦП для поверхностного монтажа), особенно в тех, которые основаны на архитектуре Intel x86. Тип сокета ЦП и набор микросхем материнской платы должны поддерживать серию и скорость ЦП.

Встроенные периферийные устройства

< /p>

Блок-схема современной материнской платы, которая поддерживает множество встроенных периферийных функций, а также несколько слотов расширения

Поскольку стоимость и размер интегральных схем неуклонно снижаются, теперь на материнскую плату можно включить поддержку многих периферийных устройств. Комбинируя множество функций на одной печатной плате, можно уменьшить физический размер и общую стоимость системы; Таким образом, материнские платы с высокой степенью интеграции особенно популярны в компьютерах малого форм-фактора и бюджетных компьютерах.

Слоты для периферийных карт

Обычная материнская плата будет иметь разное количество разъемов в зависимости от ее стандарта и форм-фактора.

Стандартная современная материнская плата ATX обычно имеет два или три разъема PCI-Express 16x для видеокарты, один или два устаревших слота PCI для различных карт расширения и один или два разъема PCI-E 1x (который заменил PCI) . Стандартная материнская плата EATX будет иметь от двух до четырех разъемов PCI-E 16x для видеокарт и различное количество слотов PCI и PCI-E 1x. Иногда он также может иметь слот PCI-E 4x (зависит от марки и модели).

Некоторые материнские платы имеют два или более разъема PCI-E 16x, что позволяет использовать более двух мониторов без специального оборудования или использовать специальную графическую технологию, называемую SLI (для Nvidia) и Crossfire (для AMD). Они позволяют соединить от 2 до 4 видеокарт, чтобы обеспечить лучшую производительность в интенсивных графических вычислительных задачах, таких как игры, редактирование видео и т. д.

Температура и надежность

Материнская плата ноутбука Vaio серии E

Материнские платы, как правило, имеют воздушное охлаждение с радиаторами, часто устанавливаемыми на более крупные микросхемы, такие как северный мост, в современных материнских платах. Недостаточное или неправильное охлаждение может привести к повреждению внутренних компонентов компьютера или к его сбою. Пассивного охлаждения или одного вентилятора, установленного на блоке питания, было достаточно для многих процессоров настольных компьютеров до конца 1990-х годов; с тех пор большинству из них требуются вентиляторы ЦП, установленные на радиаторах, из-за роста тактовой частоты и энергопотребления. Большинство материнских плат имеют разъемы для дополнительных корпусных вентиляторов и встроенные датчики температуры для определения температуры материнской платы и ЦП, а также управляемые разъемы вентиляторов, которые BIOS или операционная система могут использовать для регулирования скорости вращения вентиляторов. В качестве альтернативы компьютеры могут использовать систему водяного охлаждения вместо множества вентиляторов.

Некоторые компьютеры малого форм-фактора и ПК для домашних кинотеатров, предназначенные для бесшумной и энергоэффективной работы, имеют конструкцию без вентиляторов. Обычно это требует использования процессора с низким энергопотреблением, а также тщательной компоновки материнской платы и других компонентов с учетом размещения радиатора.

Исследование, проведенное в 2003 году, показало, что некоторые ложные сбои компьютеров и общие проблемы с надежностью (от искажения изображения на экране до ошибок чтения/записи ввода-вывода) могут быть связаны не с программным обеспечением или периферийным оборудованием, а со старением конденсаторов на материнских платах ПК. В конечном итоге выяснилось, что это результат неправильного состава электролита, проблема, получившая название конденсаторной чумы.

В материнских платах используются электролитические конденсаторы для фильтрации питания постоянного тока, распределяемого по плате. Эти конденсаторы стареют со скоростью, зависящей от температуры, поскольку их электролиты на водной основе медленно испаряются. Это может привести к потере емкости и последующим неисправностям материнской платы из-за нестабильности напряжения. Хотя большинство конденсаторов рассчитаны на 2000 часов работы при температуре 105 ° C (221 ° F), их ожидаемый расчетный срок службы примерно удваивается на каждые 10 ° C (50 ° F) ниже этого значения. При температуре 45 °C (113 °F) можно ожидать, что срок службы составит 15 лет. Это кажется разумным для материнской платы компьютера. Однако многие производители поставляют некачественные конденсаторы, которые значительно сокращают срок службы. Неадекватное охлаждение корпуса и повышенные температуры легко усугубляют эту проблему. Найти и заменить вышедшие из строя конденсаторы на материнских платах персональных компьютеров можно, но это требует много времени.

Загрязнение воздуха и надежность

Высокое количество отказов материнских плат в Китае и Индии, по-видимому, связано с «сернистым загрязнением воздуха, вызванным углем, сжигаемым для производства электроэнергии.По словам исследователей Intel, загрязнение воздуха разъедает электронные схемы.

Загрузка с использованием базовой системы ввода-вывода

Материнские платы содержат некоторое количество энергонезависимой памяти для инициализации системы и загрузки некоторого программного обеспечения для запуска, обычно операционной системы, с какого-либо внешнего периферийного устройства. Микрокомпьютеры, такие как Apple II и IBM PC, использовали микросхемы ПЗУ, установленные в разъемы на материнской плате. При включении питания центральный процессор загружал в свой программный счетчик адрес загрузочного ПЗУ и начинал выполнение инструкций из ПЗУ. Эти инструкции инициализировали и тестировали системное оборудование, отображали системную информацию на экране, выполняли проверки оперативной памяти, а затем загружали исходную программу с внешнего или периферийного устройства. Если ничего не было доступно, то компьютер выполнял задачи из других хранилищ памяти или отображал сообщение об ошибке, в зависимости от модели и конструкции компьютера и версии ПЗУ. Например, как Apple II, так и исходный IBM PC имели в ПЗУ Microsoft Cassette BASIC и запускали ее, если с диска нельзя было загрузить никакую программу.

В большинстве современных материнских плат для загрузки операционной системы используется BIOS, хранящийся в микросхеме EEPROM, припаянной к материнской плате или установленной на ней. Программы загрузки неоперационной системы по-прежнему поддерживаются на современных машинах, происходящих от IBM PC, но в настоящее время предполагается, что программой загрузки будет сложная операционная система, такая как MS Windows NT или Linux. Когда на материнскую плату впервые подается питание, микропрограмма BIOS проверяет и настраивает память, схемы и периферийные устройства. Эта самопроверка при включении питания (POST) может включать проверку некоторых из следующих вещей:

Видеоадаптер
Карты, вставленные в разъемы, например обычные PCI.
Диск гибких дисков
Температура, напряжение и скорость вращения вентилятора для мониторинга оборудования.
CMOS, используемая для хранения конфигурации настройки BIOS
Клавиатура и мышь
Сетевой контроллер
Приводы оптических дисков: CD-ROM или DVD-ROM
Жесткий диск SCSI
Жесткий диск IDE, EIDE или SATA
Устройства безопасности, такие как сканер отпечатков пальцев или состояние переключателя с фиксацией для обнаружения вторжения.
USB-устройства, например запоминающее устройство.

На последних материнских платах BIOS может также исправлять микрокод центрального процессора, если BIOS обнаруживает, что установленный процессор является тем, для которого были опубликованы ошибки.

Основная печатная плата компьютера называется материнской платой. Другими названиями этого центрального компьютерного блока являются системная плата, основная плата или печатная плата (PWB). Материнская плата иногда сокращается до Mobo.

Многочисленные основные компоненты, необходимые для работы компьютера, прикреплены к материнской плате. К ним относятся процессор, память и слоты расширения. Материнская плата прямо или косвенно подключается к любой части ПК.

Тип материнской платы, установленной на ПК, оказывает большое влияние на скорость системы компьютера и возможности расширения.

Основные компоненты материнской платы и их функции

Материнская плата ASRock K7VT4A Pro с маркировкой.

Центральный процессор (ЦП)

Микропроцессор компьютера

ЦП, также известный как микропроцессор или процессор, представляет собой мозг компьютера. Он отвечает за получение, декодирование и выполнение программных инструкций, а также за выполнение математических и логических вычислений.

Чип процессора идентифицируется по типу процессора и производителю. Эта информация обычно наносится на сам чип. Например, Intel 386, Advanced Micro Devices (AMD) 386, Cyrix 486, Pentium MMX, Intel Core 2Duo или Core i7.

Если микросхема процессора не установлена на материнской плате, сокет процессора можно определить как сокет от 1 до сокета 8, LGA 775 и другие. Это может помочь вам определить процессор, который подходит к сокету. Например, rPGA 988A/Socket G1 подойдет к любому из следующих процессоров;

Intel Core i7 (серии 600, 700, 800, 900)
Intel Core i5 (серии 400, 500)
Intel Core i3 (серия 300)
Intel Pentium (серия P6000)
Intel Celeron (серия P4000)

Оперативная память (ОЗУ)

Память компьютера

Оперативная память, или ОЗУ, обычно относится к компьютерным микросхемам, которые временно хранят динамические данные для повышения производительности компьютера во время работы.

Другими словами, это рабочее место вашего компьютера, где загружаются активные программы и данные, так что в любой момент, когда они потребуются процессору, ему не нужно извлекать их с жесткого диска.

Оперативная память энергозависима, то есть теряет свое содержимое при отключении питания. Это отличается от энергонезависимой памяти, такой как жесткие диски и флэш-память, которым не требуется источник питания для хранения данных.

При правильном завершении работы компьютера все данные, находящиеся в оперативной памяти, возвращаются в постоянное хранилище на жестком диске или флэш-накопителе. При следующей загрузке ОЗУ начинает заполняться программами, автоматически загружаемыми при запуске, этот процесс называется загрузкой. Позже пользователь открывает другие файлы и программы, которые все еще загружены в память.

Топ-8 лучших бесплатных приложений для аудиокниг, которыми должен пользоваться каждый

8 лучших альтернатив Adobe Photoshop (бесплатных и платных)

8 лучших альтернатив LastPass, которые стоит попробовать

Базовая система ввода-вывода (BIOS)

БИОС

BIOS означает базовую систему ввода/вывода. BIOS — это память «только для чтения», состоящая из низкоуровневого программного обеспечения, которое управляет аппаратным обеспечением системы и действует как интерфейс между операционной системой и аппаратным обеспечением.

Большинство людей знают термин BIOS под другим названием — драйверы устройств или просто драйверы. BIOS, по сути, является связующим звеном между компьютерным оборудованием и программным обеспечением в системе.

Все материнские платы имеют небольшой блок постоянной памяти (ПЗУ), который отделен от основной системной памяти и используется для загрузки и запуска программного обеспечения. На ПК BIOS содержит весь код, необходимый для управления клавиатурой, экраном дисплея, дисководами, последовательной связью и рядом других функций.

Системная BIOS – это микросхема ПЗУ на материнской плате, которая используется во время процедуры запуска (процесса загрузки) для проверки системы и подготовки к запуску оборудования.

BIOS хранится на микросхеме ПЗУ, поскольку ПЗУ сохраняет информацию, даже если на компьютер не подается питание.

Дополнительная оперативная память на основе оксидов металлов и полупроводников (CMOS RAM)

Фото с батареей CMOS

Батарея CMOS

Материнские платы также содержат небольшой отдельный блок памяти, состоящий из чипов CMOS RAM, которые поддерживаются батареей (известной как батарея CMOS), даже когда питание ПК отключено. Это предотвращает изменение конфигурации при включении ПК.

Устройствам CMOS для работы требуется очень мало энергии.

RAM CMOS используется для хранения основной информации о конфигурации ПК, например:-

Типы гибких и жестких дисков
Информация о ЦП
Размер оперативной памяти
Дата и время
Информация о последовательном и параллельном портах
Информация о Plug and Play
Настройки энергосбережения

Другие важные данные, хранящиеся в памяти CMOS, — это время и дата, которые обновляются часами реального времени (RTC).

Кэш-память

Кэш-память уровня 2 на старой материнской плате

Кэш L2 на старой материнской плате.

Кэш-память компьютера

Кэш-память – это небольшой блок высокоскоростной памяти (ОЗУ), который повышает производительность ПК за счет предварительной загрузки информации из (относительно медленной) основной памяти и передачи ее процессору по запросу.

Большинство процессоров имеют внутреннюю кэш-память (встроенную в процессор), которая называется кеш-памятью уровня 1 или первичной кэш-памятью. Это может быть дополнено внешней кэш-памятью, установленной на материнской плате. Это уровень 2 или вторичный кеш.

В современных компьютерах кэш-память уровней 1 и 2 встроена в кристалл процессора. Если третий кеш реализован вне кристалла, он называется кешем уровня 3 (L3).

Шина расширения

Автобусы расширения

Шина расширения — это канал ввода/вывода от ЦП к периферийным устройствам, который обычно состоит из ряда слотов на материнской плате. Платы расширения (карты) подключаются к шине.

PCI — это наиболее распространенная шина расширения в ПК и других аппаратных платформах. По шинам передаются такие сигналы, как данные, адреса памяти, питание и управляющие сигналы от компонента к компоненту. Другие типы автобусов включают ISA и EISA.

Шины расширения расширяют возможности ПК, позволяя пользователям добавлять недостающие функции в свои компьютеры, вставляя карты адаптера в слоты расширения.

В этой вводной статье о компьютерных шинах рассказывается обо всех них, включая новые типы.

Компьютерные чипсеты

Набор микросхем – это группа небольших цепей, которые координируют поток данных к ключевым компонентам ПК и от них. Эти ключевые компоненты включают сам ЦП, основную память, дополнительный кэш и любые устройства, расположенные на шинах.

Набор микросхем также управляет потоком данных между жесткими дисками и другими устройствами, подключенными к каналам IDE.

Компьютер имеет два основных набора микросхем:

Северный мост (также называемый контроллером памяти) отвечает за управление передачей данных между процессором и оперативной памятью, поэтому физически он расположен рядом с процессором. Иногда его называют GMCH, что означает концентратор контроллера графики и памяти.

Южный мост (также называемый контроллером ввода-вывода или контроллером расширения) обеспечивает обмен данными между более медленными периферийными устройствами. Его также называют ICH (концентратор контроллера ввода-вывода). Термин "мост" обычно используется для обозначения компонента, соединяющего две шины.

Производителями чипсетов являются SIS, VIA, ALI и OPTI.

Часы процессора

Часы ЦП синхронизируют работу всех частей ПК и обеспечивают основной сигнал синхронизации для ЦП. Используя кристалл кварца, часы ЦП вдыхают жизнь в микропроцессор, снабжая его постоянным потоком импульсов.

Например, ЦП с частотой 200 МГц получает от часов 200 миллионов импульсов в секунду. Процессор с частотой 2 ГГц получает два миллиарда импульсов в секунду. Точно так же в любом устройстве связи часы могут использоваться для синхронизации импульсов данных между отправителем и получателем.

«Часы реального времени», также называемые «системными часами», отслеживают время суток и делают эти данные доступными для программного обеспечения. «Часы с разделением времени» прерывают работу ЦП через равные промежутки времени и позволяют операционной системе делить свое время между активными пользователями и/или приложениями.

Переключатели и перемычки

DIP-переключатели (Dual In-line Package) – это небольшие электронные переключатели, расположенные на печатной плате, которые можно включать и выключать так же, как и обычные переключатели. Они очень маленькие, поэтому их обычно щелкают острым предметом, например кончиком отвертки, согнутой скрепкой или колпачком ручки. Будьте осторожны при очистке рядом с DIP-переключателями, так как некоторые растворители могут их повредить. DIP-переключатели устарели, и вы не найдете их в современных системах.
Перемычки — это небольшие выступающие штифты на материнской плате. Колпачок перемычки или перемычка используются для соединения или замыкания пары контактов перемычки. Когда мост подключается к любым двум контактам через закорачивающую перемычку, он замыкает цепь и достигается определенная конфигурация.
Перемычки – это металлические перемычки, замыкающие электрическую цепь. Как правило, перемычка состоит из пластиковой заглушки, которая надевается на пару выступающих штифтов. Перемычки иногда используются для настройки плат расширения. Поместив перемычку на другой набор контактов, вы можете изменить параметры платы.

ПРИМЕЧАНИЕ. Вы можете проверить контакты перемычки и колпачок перемычки на задней панели жесткого диска IDE и CD/DVD-ROM/устройства записи.

Дополнительные ресурсы

Если вам нужны дополнительные материалы о компьютерах, вы можете купить эту книгу CompTIA A+ Certification All-in-One Exam Guide. Это хорошая книга для тех, кто хочет узнать больше об аппаратном обеспечении компьютера. Я неоднократно пользовался этой книгой, и Майк Мейерс никогда не разочаровывал.

Части материнской платы

Эта статья является точной и достоверной, насколько известно автору. Контент предназначен только для информационных или развлекательных целей и не заменяет личного совета или профессиональной консультации по деловым, финансовым, юридическим или техническим вопросам.

Вопросы и ответы

Вопрос. Какова функция разъема PCI?

Ответ: PCI расшифровывается как Interconnect Peripheral Component Interconnect. Это компьютерный слот, который позволяет вам вставлять карты расширения в ваш компьютер. Это могут быть звуковые карты, RAID-карты, твердотельные накопители, графические карты, сопроцессоры и несколько других функциональных частей компьютера. Таким образом, вы можете расширить возможности ПК, добавив то, чего у вас нет.

Вопрос. Как определить, какие слоты оперативной памяти относятся к DDR 1, DDR 2, DDR 3 или DDR 4?

Ответ. Существует несколько способов определить тип слота оперативной памяти. Для начала можно проверить количество контактов. DDR имеет 184 контакта, а DDR2 и 3 — 240 контактов, а DDR4 — 288 контактов. Другой метод заключается в том, чтобы посмотреть на положение ключевой выемки. Выемка DDR почти по центру, но немного правее. Вырез DDR2 находится почти по центру, а DDR3 чуть левее.DDR4 имеет выемку немного правее, но очень близко к центру слота оперативной памяти.

Вопрос: почему не упоминается сетевая карта?

Ответ: Если внимательно посмотреть статью, то речь идет о различных компонентах, встречающихся на материнской плате. Когда дело доходит до сетевой карты, вы обнаружите, что большинство современных компьютеров поддерживают контроллер внутреннего сетевого интерфейса, встроенный непосредственно в материнскую плату, а не в виде внешнего компонента. Итак, в современных материнских платах сетевую карту как отдельное устройство вы не встретите. Он будет встроен в чипсет.

Вопрос: Какова функция IDE на системном оборудовании?

Ответ: Integrated Drive Electronics (IDE) — это стандартный интерфейс для подключения материнской платы к устройствам хранения данных, таким как жесткие диски и приводы CD-ROM/DVD. В большинстве старых материнских плат раньше было 2 канала IDE, по которым диски подключались ленточным кабелем. Каждый кабель несет 2 устройства. На материнской плате имеется встроенный контроллер дисковода для управления потоком информации от дисковода к материнской плате и наоборот.

Современные материнские платы используют технологию SATA. Подсоединение передовых последовательных технологий (serial ATA, SATA или S-ATA) — это интерфейс компьютерной шины, используемый для подключения адаптеров главной шины (контроллеров дисковых накопителей) к запоминающим устройствам, например оптическим и жестким дискам.

Вопрос. Каковы функции набора микросхем южного моста?

Ответ: Набор микросхем южного моста — это микросхема, которая управляет всеми функциями ввода-вывода (ввода-вывода) компьютера, такими как USB, аудио, последовательный порт, системный BIOS, шина ISA, контроллер прерываний и каналы IDE. .

Вопрос: что такое C.M.O.S?

Ответ: Посмотрев в словарь, вы получите это определение;

a) "технология изготовления интегральных схем малой мощности.

b) микросхема, построенная по технологии CMOS."

Это действительно так, внутри компьютера есть то, что мы называем чипами RAM, обычно называемыми CMOS RAM. CMOS — это аббревиатура от Complementary Metal Oxide Semiconductor. Это технология, используемая для изготовления интегральных схем, используемых в большинстве электронных и электрических областей. Эти микросхемы оперативной памяти теряют энергию и, следовательно, должны питаться от батареи, называемой батареей CMOS. Устройства CMOS требуют очень мало энергии для работы. Оперативная память CMOS используется для хранения основной информации о конфигурации ПК.

Вопрос: что такое BIOS?

Ответ: «BIOS» означает «базовая система ввода-вывода». Это программное обеспечение, хранящееся на небольшой микросхеме памяти на материнской плате. Это программное обеспечение инструктирует компьютер о том, как выполнять некоторые основные функции, такие как загрузка и управление с клавиатуры. BIOS также используется для идентификации и настройки аппаратного обеспечения компьютера, такого как жесткий диск, дисковод для гибких дисков, оптический дисковод, ЦП, память и т. д.

Вопрос: что такое оперативная память?

Ответ: ОЗУ или оперативное запоминающее устройство — это высокоскоростной тип компьютерной памяти, в котором временно хранится вся информация, необходимая вашему ПК в данный момент. Это то место, где ваш компьютер загружает все, что, по его мнению, ему нужно будет выяснить в ближайшее время, поэтому вы можете думать об этом как о рабочем месте вашего компьютера. Когда ему что-то нужно, он очень быстро извлекает это из памяти, доступ к которой осуществляется случайным образом. Обратите внимание, что ОЗУ — это временное хранилище; таким образом, когда питание отключается или когда вы выключаете компьютер, все данные, хранящиеся в оперативной памяти, теряются.

Вопрос. Что такое звуковые сигналы материнской платы?

Ответ. Звуковые коды — это звуковые сигналы, издаваемые компьютером для объявления результатов короткой последовательности диагностических тестов, которую компьютер выполняет при первом включении питания (называемой Power-On-Self-Test или POST). Когда вы включаете компьютер, он должен проверять основные устройства, такие как оперативная память, процессор, клавиатура и диски. Если какое-либо из устройств неисправно, вы услышите звуковой сигнал, указывающий, на каком устройстве возникла проблема.

Вопрос. Какой компонент компьютерной системы является самым важным?

Ответ. С технической точки зрения я бы сказал, что каждый компонент важен. Есть те, кто поспешит ответить, что дело в процессоре. Да, это правда, процессор играет важную роль в компьютере. А как же память, может ли компьютер работать без памяти? Это большое нет. Что с блоком питания? Опять же, может ли компьютер работать без блока питания? Это невозможно. Проще говоря, все компоненты компьютера очень важны, поскольку они существуют не просто так.

Наследие более ранних разработок, таких как разностная машина Бэббиджа и перфокартные системы мейнфреймов 1970-х годов, оказывают значительное влияние на современные компьютерные системы.В своей первой статье из этой исторической серии «История компьютеров и современные компьютеры для системных администраторов» я обсудил несколько предшественников современного компьютера и перечислил характеристики, определяющие то, что мы сегодня называем компьютером.

В этой статье я расскажу о центральном процессоре (ЦП), включая его компоненты и функциональные возможности. Многие темы относятся к первой статье, поэтому обязательно прочитайте ее, если вы еще этого не сделали.

Центральный процессор (ЦП)

ЦП современных компьютеров — это воплощение «мельницы» в разностной машине Бэббиджа. Термин центральный процессор возник еще в далекие компьютерные времена, когда в одном массивном корпусе содержалась схема, необходимая для интерпретации программных инструкций машинного уровня и выполнения операций с предоставленными данными. Центральный процессор также завершил всю обработку всех подключенных периферийных устройств. Периферийные устройства включали принтеры, устройства чтения карт и ранние устройства хранения, такие как барабаны и дисководы. Современные периферийные устройства сами обладают значительной вычислительной мощностью и разгружают некоторые задачи обработки с ЦП. Это освобождает ЦП от задач ввода-вывода, так что его мощность применяется к основной задаче под рукой.

Ранние компьютеры имели только один ЦП и могли выполнять только одну задачу за раз.

Сегодня мы сохраняем термин ЦП, но теперь он относится к процессорному пакету на типичной материнской плате. На рис. 1 показан стандартный пакет процессоров Intel.

Рис. 1. Процессор Intel Core i5 (Джуд МакКрени, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0).

Здесь действительно не на что смотреть, кроме самого пакета процессора. Пакет процессора представляет собой микросхему, содержащую процессор(ы), запечатанную внутри металлического контейнера и установленную на небольшой печатной плате (ПК). Пакет просто вставляется в гнездо ЦП на материнской плате и фиксируется с помощью фиксирующего рычага. Процессорный кулер крепится к корпусу процессора. Существует несколько различных физических разъемов с определенным количеством контактов, поэтому, если вы собираете свои собственные компьютеры, очень важно подобрать правильный корпус, подходящий для разъема материнской платы.

Как работает процессор

Давайте рассмотрим ЦП более подробно. На рис. 2 представлена концептуальная схема гипотетического ЦП, позволяющая упростить визуализацию компонентов. ОЗУ и системные часы заштрихованы, поскольку они не являются частью ЦП и показаны только для ясности. Кроме того, никакие связи между тактовым генератором ЦП и блоком управления и компонентами ЦП не используются. Достаточно сказать, что сигналы от тактового генератора и блока управления являются неотъемлемой частью любого другого компонента.

Рисунок 2. Упрощенная концептуальная схема типичного процессора.

Этот дизайн не выглядит особенно простым, но на самом деле все еще сложнее. Этой цифры достаточно для наших целей, но она не слишком сложная.

Арифметико-логическое устройство

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические функции, за которые отвечает компьютер. A и B регистры содержат входные данные, а накопитель получает результат операции. Регистр инструкций содержит инструкцию, которую должен выполнить АЛУ.

Например, при добавлении двух чисел одно число помещается в регистр A, а другое — в регистр B. АЛУ выполняет сложение и помещает результат в аккумулятор. Если операция логическая, сравниваемые данные помещаются в регистры ввода. Результат сравнения, 1 или 0, помещается в аккумулятор. Независимо от того, является ли это логической или арифметической операцией, содержимое накопителя затем помещается в ячейку кэша, зарезервированную программой для результата.

Существует еще один тип операций, выполняемых ALU. Результатом является адрес в памяти, который используется для вычисления нового местоположения в памяти, чтобы начать загрузку инструкций. Результат помещается в регистр указателя команд.

Регистр инструкций и указатель

Указатель инструкции указывает место в памяти, содержащее следующую инструкцию, которую должен выполнить ЦП. Когда ЦП завершает выполнение текущей инструкции, следующая инструкция загружается в регистр инструкций из ячейки памяти, на которую указывает указатель инструкции.

После загрузки инструкции в регистр инструкций указатель регистра инструкций увеличивается на один адрес инструкции. Увеличение позволяет ему быть готовым к перемещению следующей инструкции в регистр инструкций.

Кэш

ЦП никогда не обращается напрямую к ОЗУ. Современные процессоры имеют один или несколько уровней кеша. Способность ЦП выполнять вычисления намного быстрее, чем способность ОЗУ передавать данные ЦП. Причины этого выходят за рамки этой статьи, но я расскажу об этом подробнее в следующей статье.

Кэш-память быстрее системной ОЗУ и ближе к ЦП, поскольку находится на кристалле процессора. Кэш обеспечивает хранение данных и инструкции, чтобы ЦП не ждал, пока данные будут извлечены из ОЗУ. Когда центральному процессору нужны данные (а инструкции программы также считаются данными), кэш определяет, имеются ли уже данные, и предоставляет их центральному процессору.

Если запрошенных данных нет в кеше, они извлекаются из ОЗУ и с помощью алгоритмов прогнозирования перемещают больше данных из ОЗУ в кеш. Контроллер кэша анализирует запрошенные данные и пытается предсказать, какие дополнительные данные потребуются из оперативной памяти. Он загружает ожидаемые данные в кеш. Храня некоторые данные ближе к ЦП в кеше, который быстрее, чем ОЗУ, ЦП может оставаться занятым и не тратить циклы на ожидание данных.

Наш простой ЦП имеет три уровня кэша. Уровни 2 и 3 предназначены для прогнозирования того, какие данные и программные инструкции потребуются в следующий раз, для перемещения этих данных из ОЗУ и перемещения их как можно ближе к ЦП, чтобы они были готовы, когда это необходимо. Эти размеры кэша обычно варьируются от 1 МБ до 32 МБ в зависимости от скорости и предполагаемого использования процессора.

Кэш уровня 1 расположен ближе всего к центральному процессору. В нашем процессоре есть два типа кеша L1. L1i — это кэш инструкций, а L1d — кэш данных. Размер кэша уровня 1 обычно составляет от 64 КБ до 512 КБ.

Блок управления памятью

Блок управления памятью (MMU) управляет потоком данных между основной памятью (ОЗУ) и ЦП. Он также обеспечивает защиту памяти, необходимую в многозадачных средах, и преобразование адресов виртуальной памяти в физические адреса.

Часы процессора и блок управления

Все компоненты ЦП должны быть синхронизированы для бесперебойной совместной работы. блок управления выполняет эту функцию со скоростью, определяемой тактовой частотой, и отвечает за управление операциями других блоков с помощью сигналов синхронизации, которые распространяются на ЦП.< /p>

Оперативная память (ОЗУ)

Хотя ОЗУ или основное хранилище показаны на этой и следующей диаграммах, на самом деле они не являются частью ЦП. Его функция заключается в хранении программ и данных, чтобы они были готовы к использованию, когда они потребуются процессору.

Как это работает

ЦП работают по циклу, который управляется блоком управления и синхронизируется с часами ЦП. Этот цикл называется циклом инструкций ЦП и состоит из ряда компонентов выборки/декодирования/выполнения. Инструкция, которая может содержать статические данные или указатели на переменные данные, извлекается и помещается в регистр инструкций. Команда декодируется, и любые данные помещаются в регистры данных A и B. Инструкция выполняется с использованием регистров A и B, а результат помещается в аккумулятор. Затем ЦП увеличивает значение указателя инструкции на длину предыдущего и начинает заново.

Базовый цикл инструкций ЦП выглядит следующим образом.

Рисунок 3. Базовый цикл инструкций ЦП.

Потребность в скорости

Хотя базовый ЦП работает хорошо, ЦП, работающие в этом простом цикле, можно использовать еще эффективнее. Существует несколько стратегий повышения производительности ЦП, и здесь мы рассмотрим две из них.

Ускорение цикла инструкций

Одной из проблем, с которой столкнулись первые разработчики ЦП, была трата времени на различные компоненты ЦП. Одной из первых стратегий повышения производительности ЦП было перекрытие частей цикла инструкций ЦП для более полного использования различных частей ЦП.

Например, когда текущая инструкция декодирована, следующая извлекается и помещается в регистр инструкций. Как только это произошло, указатель инструкции обновляется адресом памяти следующей инструкции. Использование перекрывающихся циклов команд показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Цикл инструкций ЦП с перекрытием.

Этот дизайн выглядит красиво и плавно, но такие факторы, как ожидание ввода-вывода, могут нарушить поток. Отсутствие правильных данных или инструкций в кэше требует, чтобы MMU находил правильные данные и перемещал их в ЦП, а это может занять некоторое время. Для выполнения некоторых инструкций также требуется больше циклов ЦП, чем для других, что мешает плавному перекрытию.

Тем не менее, это мощная стратегия повышения производительности ЦП.

Гиперпоточность

Еще одна стратегия повышения производительности ЦП — гиперпоточность. Гиперпоточность заставляет одно ядро процессора работать как два процессора, предоставляя два потока данных и инструкций. Добавление второго указателя инструкций и регистра инструкций к нашему гипотетическому ЦП, как показано на рис. 5, заставляет его функционировать как два ЦП, выполняя два отдельных потока инструкций в течение каждого командного цикла. Кроме того, когда один поток выполнения останавливается в ожидании данных (опять же, инструкции также являются данными), второй поток выполнения продолжает обработку. Каждое ядро, реализующее гиперпоточность, эквивалентно двум ЦП по способности обрабатывать инструкции.

Рис. 5. Концептуальная схема ЦП с технологией Hyper-Threading.

Помните, что это очень упрощенная схема и объяснение нашего гипотетического процессора. Реальность гораздо сложнее.

Дополнительная терминология

Я столкнулся с множеством различных терминов ЦП. Чтобы более точно определить терминологию, давайте рассмотрим сам ЦП с помощью команды lscpu.

Процессор Intel, показанный выше, представляет собой корпус, который подключается к одному разъему на материнской плате. Пакет процессора содержит шесть ядер. Каждое ядро поддерживает гиперпоточность, поэтому каждое из них может одновременно запускать два потока, что в сумме дает 12 ЦП.

Ядро. Ядро — это наименьшая единица физического оборудования, способная выполнять задачу обработки. Он содержит одно АЛУ и один или два набора вспомогательных регистров. Второй набор регистров и поддерживающих схем обеспечивает гиперпоточность. Одно или несколько ядер можно объединить в один физический пакет.
ЦП. Логический аппаратный блок, способный обрабатывать один поток выполнения. Современное использование термина центральный процессор относится к общему количеству потоков, которые процессорный пакет может выполнять одновременно. Одноядерный процессор, не поддерживающий гиперпоточность, эквивалентен одному процессору. В этом случае ЦП и ядро являются синонимами. Процессор Hyper-Threading с одним ядром является функциональным эквивалентом двух процессоров. Процессор с поддержкой технологии Hyper-Threading с восемью ядрами функционально эквивалентен 16 процессорам.
Пакет – физический компонент, содержащий одно или несколько ядер, как показано на рис. 1 выше.
Процессор. 1) Устройство, которое обрабатывает инструкции программы для обработки данных. 2) Часто используется как синоним пакета.
Сокет. Иногда используется как синоним пакета, но более точно относится к физическому сокету на материнской плате, в который вставляется корпус процессора.

Термины сокет, процессор и пакет часто используются взаимозаменяемо, что может вызвать некоторую путаницу. Как видно из приведенных выше результатов команды lscpu, Intel предоставляет нам собственную терминологию, и я считаю ее авторитетным источником. На самом деле мы все используем эти термины по-разному, но если мы понимаем друг друга в любой момент времени, это действительно важно.

Обратите внимание, что указанный выше процессор имеет два кэша уровня 1 по 512 КиБ каждый: один для инструкций (L1i) и один для данных (L1d). Кэш уровня 1 находится ближе всего к ЦП, и он ускоряет работу, разделяя инструкции и данные на этом этапе. Кэши уровня 2 и уровня 3 больше, но инструкции и данные сосуществуют в каждом из них.

Что все это значит?

Хороший вопрос. На заре мейнфреймов каждый компьютер имел только один ЦП и не мог одновременно запускать более одной программы. Мейнфрейм может выполнять расчет заработной платы, затем учет запасов, затем выставление счетов клиентам и т. д., но одновременно может выполняться только одно приложение. Каждая программа должна была завершиться, прежде чем системный оператор мог запустить следующую.

В некоторых ранних попытках одновременного запуска нескольких программ применялся простой подход, направленный на более эффективное использование одного процессора. Например, программа1 и программа2 были загружены, а программа1 выполнялась до тех пор, пока не была заблокирована в ожидании ввода-вывода. В этот момент программа2 работала до тех пор, пока не была заблокирована. Такой подход назывался многопроцессорной обработкой и позволял полностью использовать ценное компьютерное время.

Все ранние попытки многозадачности включали очень быстрое переключение контекста выполнения одного ЦП между потоками выполнения нескольких задач. Эта практика не является настоящей многозадачностью, как мы ее понимаем, потому что в действительности одновременно обрабатывается только один поток выполнения. Правильнее будет назвать это разделением времени.

Все современные компьютеры, от смарт-часов и планшетов до суперкомпьютеров, поддерживают настоящую многозадачность с несколькими процессорами. Наличие нескольких процессоров позволяет компьютерам выполнять множество задач одновременно. Каждый ЦП выполняет свои функции одновременно со всеми остальными ЦП. Восьмиъядерный процессор с технологией Hyper-Threading (т. е. 16 ЦП) может одновременно выполнять 16 задач.

Заключительные мысли

Мы рассмотрели концептуальный и упрощенный ЦП, чтобы немного узнать о структурах. В этой статье я лишь поверхностно коснулся функциональности процессора. Вы можете узнать больше, воспользовавшись встроенными ссылками на изученные нами темы.

Помните, что схемы и описания в этой статье носят чисто концептуальный характер и не представляют реальный ЦП.

В следующей части этой серии статей я рассмотрю оперативную память и дисковые накопители как разные типы хранилищ и поясню, почему каждый из них необходим современным компьютерам.

Читайте также: