Основные устройства ПК и их характеристики

Содержание:

Основные устройства ПК и их характеристики.

Классификация компьютеров Классификация по назначению – наиболее ранний метод. Он связан с тем, как компьютер применяется. Различают большие ЭВМ, мини-ЭВМ, микро-ЭВМ и персональные компьютеры. Класс больших ЭВМ представлен суперкомпьютерами – это самые мощные компьютеры. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей. Они отличаются высокой стоимостью оборудования и обслуживания, поэтому их работа организована по непрерывному циклу. На базе таких суперкомпьютеров создают вычислительные центры. Мини-ЭВМ отличаются меньшими размерами, производительностью и стоимостью. Они используются крупными предприятиями, научными учреждениями и т.д. Мини-ЭВМ применяют для управления производственными процессами, например, управление автоматизированными производственными линиями и промышленными роботами, сбор информации с инструментальных постов технического контроля и сигнализация о замене изношенных элементов и др. Для организации работы с миниЭВМ тоже требуется вычислительный центр, хоть и менее многочисленный. Микро-ЭВМ доступны многим организациям, и несмотря на меньшую производительность по сравнению с большими ЭВМ, используются и в вычислительных центрах, выполняя вспомогательные операции, например, предварительная подготовка данных. Для обслуживания такого компьютера достаточно небольшой вычислительной лаборатории. Персональные компьютеры предназначены для обслуживания одного рабочего места, имеют небольшие размеры и невысокую стоимость. Они используются для автоматизации учебного процесса, дистанционного обучения, поиска в сети научной, профессиональной и учебной информации, для организации надомной трудовой деятельности и досуга. Существуют различные классификации: по специализации, по совместимости, по типоразмерам. Остановимся на последней. Различают модели настольные и переносные. Настольные распространены особенно широко. Они отличаются простотой изменения конфигурации за счёт несложного подключения дополнительных компонентов. Переносные модели удобны для транспортировки, позволяют работать при отсутствии рабочего места. Их можно использовать в качестве средства связи. Переносной компьютер можно подключить к телефонной или беспроводной компьютерной сети и выйти в Интернет. Компьютер представляет собой совокупность аппаратного и программного обеспечения. Аппаратное обеспечение – это все внутренние и внешние устройства компьютера (интегральные микросхемы, дисководы, монитор, мышь и др.). Программное обеспечение – совокупность программ, необходимых для управления работой компьютера и выполнения с его помощью конкретных задач.

Классическая структура компьютера

Современные персональные компьютеры имеют достаточно сложную структуру, которая определяет взаимосвязь между аппаратными средствами. В процессе эволюции аппаратных и программных средств изменялась и структура персонального компьютера, однако без изменений остались пока основные принципы его структурной организации, сформулированные математиком, профессором Дж. фон Нейманом в 1946 г. В соответствии с этими принципами была реализована структура компьютера, которая в настоящее время носит название классической.

• АЛУ (арифметико-логическое устройство) – выполняет арифметические и логические операции над информацией, представленной в двоичном коде (обработка данных);

• УУ (устройство управления) – организует процесс выполнения программ;

• ЗУ (запоминающее устройство) – предназначено для размещения и хранения последовательности команд (программ) и данных;

• УВВ (устройства ввода-вывода) – обеспечивают ввод и вывод данных из компьютера для установления прямой и обратной связи между пользователем и компьютером; • внутренние связи предназначены для обмена информацией между устройствами компьютера, они реализуются с помощью линий связей (электрических проводников). Как это работает? С помощью какого-либо устройства ввода в ЗУ вводится программа. УУ считывает содержимое ячейки памяти ЗУ, где находится первая команда, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических и логических операций над данными с помощью АЛУ, чтение из памяти данных для выполнения этих операций, вывод данных на устройство вывода и т. д. Затем выполняется вторая команда, третья и т. д. УУ выполняет инструкции программы автоматически. 11

Структура современных ПК

Структура современных персональных компьютеров отличается от классической структуры компьютера следующим: 1) АЛУ и УУ объединены в единое устройство, называемое микропроцессором (МП), кроме того, в состав МП входит ряд других устройств, предназначенных для хранения, записи, считывания и обмена информацией; 2) применение специализированных устройств – контроллеров1 , которым передается часть функций МП, связанная с обменом информации и управлением работой устройств для ввода и вывода (внешних устройств) информации, такая децентрализация позволяет повысить эффективность работы компьютера в целом за счет сокращения времени простоя МП; 3) вместо отдельных линий связи между устройствами используется системная магистраль (шина)2 с соответствующими устройствами сопряжения. Наличие системной магистрали в персональном компьютере позволяет осуществить обмен информацией между устройствами компьютера, уменьшить число линий связи, подключить различные дополнительные устройства через соответствующие разъемные соединения и т. д. Данная структура была предложена фирмой IBM, поэтому персональные компьютеры, имеющие такую структуру, называются IBM – совместимые (IBM PC). Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ. Ядро ПК образуют процессор, основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления. Подключение всех внешних устройств: дисплея, клавиатуры, устройств внешней памяти и др. обеспечивается через соответствующие адаптеры - согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств, или контроллеры - специальные устройства 1 Контроллер – устройство, аппаратно согласовывающее работу системы и дополнительного устройства. Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой «вверенного ему» внешнего устройства по специальным программам обмена. 2 Шина — это линия для передачи сигналов, к которой могут параллельно подключаться несколько устройств компьютера. Шина состоит из трех частей: шина данных, по которой передается информация; шина адреса, определяющая, куда передаются данные; шина управления, регулирующая процесс обмена информацией. 12 управления периферийной аппаратурой. Контроллеры в ПК играют роль каналов вводавывода. Процессор, оперативная память, контролеры внешних устройств внутри компьютера соединяются все вместе. Они находятся на одной общей информационной шине ПК, по которой информация может передаваться от любого подключенного к ней устройства к любому другому устройству. Таким образом, изначально все устройства внутри ПК постоянно соединены друг с другом. Организацию согласованной работы шин и устройств выполняют микросхемы системной логики, называемые чипсетом (Chipset). Каждое устройство ПК всегда способно отличить информацию, предназначенную именно ему от остальных передаваемых по общей шине данных. Важно понимать, что все вышеперечисленные устройства (процессор, оперативная память, контроллеры внешних устройств ввода-вывода), подключенные к информационной шине, работают с одинаково высокой скоростью. Темп работы всех соединенных между собой устройств ПК задает генератор тактовых импульсов.

Устройство системного блока ПК

Внутри системного блока находятся устройства для обработки и хранения информации. В зависимости от конфигурации компьютера они могут быть различными, но большинство типичных системных блоков включает следующие устройства. 1. Блок питания. Вырабатывает стабилизированные напряжения для питания всех устройств, находящихся в системном блоке. От блока питания выходят многочисленные кабели, которые подключаются к системной плате, дисковым накопителям и другим устройствам. 2. Системная, или материнская, плата. Плата представляет собой важнейший конструктивный узел, на котором размещаются микросхемы устройств, и обеспечивается их необходимое электрическое соединение между собой. Системная плата имеет разъемы для электрического соединения с другими платами компьютера. Таким образом, она связывает компоненты системного блока и обеспечивает их взаимодействие. На системной плате устанавливаются: микропроцессор, набор микросхем системной логики, модули (устройства) постоянной и оперативной памяти, разъемы для установки и подключения микропроцессора, модулей памяти, внешних запоминающих устройств, источника питания и т. д., кроме того, на материнской плате имеется система шин, обеспечивающая обмен информацией между элементами системной платы. 3. Процессор. Является «сердцем» компьютера и служит для обработки информации по заданной программе. 4. Оперативная память. Используется для работы операционной системы, программ и для временного хранения текущих данных. Она выполнена в виде модулей, установленных на системную плату, и может хранить информацию только при включенном питании. 5. Видеоадаптер. Обычно выполняется в виде платы расширения и служит для формирования изображения, которое потом выводится на монитор. Современные видеоадаптеры содержат мощный видеопроцессор и большие объемы видеопамяти, что позволяет формировать трехмерное изображение с высоким разрешением. Для недорогих компьютеров выпускаются системные платы с интегрированным видеоадаптером, и его не нужно устанавливать дополнительно. 6. Жесткий диск. Основное устройство для хранения информации в компьютере. 13 7. Дисковод. Хотя дискеты уже морально устарели, но дисководы для их чтения еще присутствуют в некоторых компьютерах. 8. Привод для CD/DVD. CD/DVD широко используются для распространения информации, поэтому приводы есть почти в каждом компьютере. 9. Платы расширения. При необходимости в системный блок можно установить дополнительные устройства, выполненные в виде плат или карт расширения. Примерами таких устройств могут быть сетевые карты, ТВ-тюнеры и многие другие. Материнская плата Материнская плата это сложная многослойная печатная плата на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (центральный процессор, основная память (ОЗУ и ПЗУ), микропроцессорный комплект (чипсет), контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода) и слоты (разъёмы) для подключения дополнительных плат, с ней связаны жесткий диск и CD-ROM, к ней подключаются различные дополнительные устройства. Важнейшие устройства, находящиеся на материнской плате: процессор – основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций; оперативная память – набор микросхем, предназначенный для временного хранения данных при включённом компьютере; загрузочное ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – микросхема, предназначенная для длительного хранения информации даже когда компьютер выключен. Дополнительные платы подключаются к слотам материнской платы в виде дочерних плат и выполняют операции, связанные с обработкой звука (звуковая карта), управлением изображения на экране (видеокарта3 ), организацией связи компьютера в локальной компьютерной сети (сетевая карта). Все дополнительные устройства взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных – шину. Процессоры. Основные характеристики Процессор управляет работой компьютера и обрабатывает большую часть информации, выполняет математические и логические операции. Процессор имеет специальные ячейки, которые называются регистрами. Именно в регистры помещаются команды, которые выполняются процессором, а также данные, которыми оперируют команды. Работа процессора состоит в выборе из памяти в определенной последовательности команд и данных для их последующего выполнения. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему – тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных сантиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора . В состав микропроцессора входят АЛУ, устройство управления, внутренние 3 Видеокарта – это устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора. Обычно видеокарта является платой расширения и вставляется в специальный разъём для видеокарт на материнской плате, но бывает и интегрированной. Видеокарты имеют встроенный графический процессор (GP), который производит обработку информации, не нагружая центральный процессор компьютера. 14 регистры. УУ вырабатывает управляющие сигналы для выполнения команд, АЛУ – арифметические и логические операции над данными. В центральный процессор кроме регистров общего назначения (РОН) добавлена кэш-память. Промежуточные результаты при выполнении арифметических и логических операций над данными сохраняются в РОН. Кэш-память используется для ускорения выполнения операций за счет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Введение в компьютер кэш-памяти позволяет сэкономить время, которое без нее тратилось на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память и обратно.

Характеристики процессоров:

• Тактовая частота;

• Количество ядер;

• Объём кэш-памяти;

• Разрядность. Если брать сугубо специфические характеристики процессоров, то тактовая частота является наиболее известным параметром. Достаточно продолжительное время разработчики делали ставки именно на повышение тактовой частоты, но со временем, "мода" поменялась и большинство разработок уходят на создание более совершенной архитектуры, увеличения кэш-памяти и развития многоядерности. 1. Тактовая частота процессора Тактовая частота — это количество тактов, необходимое для выполнения определенного перечня операций в секунду. Она характеризует производительность процессора. Чем она выше, тем лучше будет работать ПК. Частота современных центральных процессоров колеблется от 1 до 4 ГГц. Любая операция процессора (машинная команда) состоит из отдельных элементарных действий - тактов. В зависимости от сложности, команда может быть реализована за разное количество тактов. Существенное удлинение команды происходит, если обрабатываемые данные не находятся внутри процессора и их приходится считывать из памяти, Для организации последовательного выполнения требуемых тактов в компьютере имеется специальный генератор импульсов, каждый из которых инициирует очередной такт машинной команды. Чем чаще следуют импульсы от генератора, тем быстрее будет выполнена операция, состоящая из фиксированного числа тактов. Тактовая частота определяется количеством тактовых импульсов в секунду и измеряется в мегагерцах. Сравнение тактовых частот позволяет определить, какой из двух процессоров более быстродействующий, только в том случае, если оба процессора устроены примерно одинаково. Если в одном из процессоров команда выполняется за 2 такта, а в другом - за 3, то при совершенно одинаковой частоте первый будет работать в полтора раза быстрее! Долгое время повышение производительности традиционных одноядерных процессоров в основном происходило за счет последовательного увеличения тактовой частоты (около 80% производительности процессора определяла именно тактовая частота) с одновременным увеличением количества транзисторов на одном кристалле. Однако дальнейшее повышение тактовой частоты (при тактовой частоте более 3,8 ГГц чипы попросту перегреваются!) упирается в ряд фундаментальных физических барьеров (поскольку технологический процесс почти вплотную приблизился к размерам атома: 15 сегодня процессоры выпускаются по 45-нм технологии, а размеры атома кремния – приблизительно 0,543 нм): Было решено добиваться дальнейшего повышения производительности микропроцессоров другими средствами. Самым эффективным направлением была признана концепция многопоточности, зародившаяся в мире суперкомпьютеров, – это одновременная параллельная обработка нескольких потоков команд. Так в недрах компании Intel родилась Hyper-ThreadingTechnology (HTT) – технология сверхпоточной обработки данных, которая позволяет процессору выполнять в одноядерном процессоре параллельно до четырех программных потоков одновременно. Это значительно повышает эффективность выполнения ресурсоемких приложений (например, связанных с аудио- и видеоредактированием, 3Dмоделированием), а также работу ОС в многозадачном режиме. Процессор Pentium 4 имеет одно физическое ядро, которое разделено на два логических, поэтому операционная система определяет его, как два разных процессора (вместо одного). Эта технология фактически стала трамплином к созданию процессоров с двумя физическими ядрами на одном кристалле. В 2-ядерном чипе параллельно работают два ядра (два процессора!), которые при меньшей тактовой частоте обеспечивают большую производительность, поскольку параллельно (одновременно!) выполняются два независимых потока инструкций. Способность процессора выполнять одновременно несколько программных потоков называется параллелизмом на уровне потоков). 2. Количество ядер процессора Количество ядер последние несколько лет, является одной из наиболее важных характеристик. Уже давно прошла эра одноядерных процессоров, поэтому сейчас стоит выбирать многоядерные процессоры. Соответственно, количество ядер нужно подбирать, под конкретные задачи. К примеру, для простеньких задач в виде офисных приложений и сёрфинга в интернете, двухъядерного процессора хватит более чем полностью. А вот для таких задач как профессиональная работа с графикой, понадобится процессор с 4 или 8 ядрами – многое решает конкретная модель процессора и специфика задач.

Что такое ядро процессора?

В центре современного центрального микропроцессора (CPU ) находится ядро (core) – кристалл кремния площадью примерно один квадратный сантиметр, на котором посредством микроскопических логических элементов реализована принципиальная схема процессора. Ядро связано с остальной частью чипа (называемой «упаковка») по технологии «флип-чип» (перевернутое ядро, крепление методом перевернутого кристалла). Эта технология получила такое название потому, что обращенная наружу – видимая – часть ядра на самом деле является его «дном», – чтобы обеспечить прямой контакт с радиатором кулера для лучшей теплоотдачи. С обратной (невидимой) стороны находится – соединение кристалла и упаковки. Соединение ядра процессора с упаковкой выполнено с помощью столбиковых выводов. Ядро расположено на текстолитовой основе, по которой проходят контактные дорожки к «ножкам» (контактным площадкам), залито термическим интерфейсом и закрыто защитной металлической крышкой. Что такое многоядерный процессор Многоядерный процессор – это центральный микропроцессор, содержащий 2 и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе. 16 На сегодняшний день, известны 8-ми и 12-ти ядерные процессорные устройства. Принцип увеличения производительности процессора за счёт нескольких ядер, заключается в разбиении выполнения потоков (различных задач) на несколько ядер. Мониторинг работы каждого из ядер пользователь ПК может проводить, используя Диспетчер задач, закладку Быстродействие. В окне панели будет показана хронология загрузки каждого из ядер и процессы ЦП. Операционная система может виртуально создать для себя множество потоков и выполнять это все как бы одновременно, пусть даже физически процессор и одноядерный. Этот принцип реализует ту самую многозадачность Windows (к примеру, одновременное прослушивание музыки и набор текста). Возьмём для примера антивирусную программу. Один поток у нас будет сканирование компьютера, другой – обновление антивирусной базы (всё очень упрощено, дабы понять общую концепцию). Рассмотрим, что же будет в двух разных случаях: а) Процессор одноядерный. Так как два потока выполняются у нас одновременно, то нужно создать для пользователя (визуально) эту самую одновременность выполнения. Операционная система, делает хитро: происходит переключение между выполнением этих двух потоков (эти переключения мгновенны и время идет в миллисекундах). То есть, система немного «повыполняла» обновление, потом резко переключилась на сканирование, потом назад на обновление. Таким образом, для нас с вами создается впечатление одновременного выполнения этих двух задач. Но что же теряется? Конечно же, производительность. Поэтому давайте рассмотрим второй вариант. б) Процессор многоядерный. В данном случае этого переключения не будет. Система четко будет посылать каждый поток на отдельное ядро, что в результате позволит нам избавиться от губительного для производительности переключения с потока на поток (идеализируем ситуацию). Два потока выполняются одновременно, в этом и заключается принцип многоядерности и многопоточности. В конечном итоге, мы намного быстрее выполним сканирование и обновление на многоядерном процессоре, нежели на одноядерном. Но тут есть загвоздочка – не все программы поддерживают многоядерность. Не каждая программа может быть оптимизирована таким образом. И все происходит далеко не так идеально, насколько мы описали. Но с каждым днём разработчики создают всё больше и больше программ, у которых прекрасно оптимизирован код, под выполнение на многоядерных процессорах. Преимущества многоядерности проявляются при «увесистой» вычислительной многопоточной работе. И если вы не играете в игры с заоблачными требованиями и не занимаетесь специфическими видами работ требующих хорошей вычислительной мощи, то тратиться на дорогие многоядерные процессоры, просто нет смысла. Сейчас, почти во всех сегментах рынка уже не осталось одноядерных процессоров. Каким образом рассчитывается частота у процессоров, которые имеют два ядра и более? Суммарную частоту процессора нельзя понимать как: «количество ядер х указанную частоту». Приведем пример: «По дороге идёт пешеход, у него скорость 4 км/ч. Это аналогично одноядерному процессору на N ГГц. А вот если по дороге идут 4 пешехода со скоростью 4 км/ч, то это аналогично 4-ядерному процессору на N ГГц. В случае с пешеходами мы не считаем, что их скорость будет равна 4х4 =16 км/ч, мы просто говорим: "4 пешехода идут со скоростью 4 км/ч". По этой же причине мы не производим никаких математических действий и с частотами ядер процессора, а просто помним, что 4-ядерный процессор на N ГГц обладает четырьмя ядрами, каждое из которых работает на частоте N ГГц». То есть, по сути, частота процессора от количества ядер не изменяется, увеличивается лишь производительность процессора. Преимущества многоядерных процессоров

• возможность распределять работу программ, например, основных задач приложений и фоновых задач операционной системы, по нескольким ядрам;

• увеличение скорости работы программ;

• процессы, требующие интенсивных вычислений, протекают намного быстрее;

• более эффективное использование требовательных к вычислительным ресурсам мультимедийных приложений (например, видеоредакторов); 17

• снижение энергопотребления;

• работа пользователя ПК становится более комфортной. Недостатки многоядерных процессоров

• возросшая себестоимость производства многоядерных процессоров (по сравнению с одноядерными) заставляет чипмейкеров увеличивать их стоимость;

• так как с оперативной памятью одновременно работают сразу два и более ядра, необходимо «научить» их работать без конфликтов;

• возросшее энергопотребление требует применения мощных схем питания;

• требуется более мощная система охлаждения;

• количество оптимизированного под многоядерность программного обеспечения ничтожно мало (большинство программ рассчитаны на работу в классическом одноядерном режиме, поэтому они просто не могут задействовать вычислительную мощь дополнительных ядер);

• операционные системы, поддерживающие многоядерные процессоры (например, Windows XP SP2 и выше) используют вычислительные ресурсы дополнительных ядер для собственных системных нужд. Следует признать, что в настоящее время многоядерные процессоры используются крайне неэффективно. Кроме того, на практике n-ядерные процессоры не производят вычисления в n раз быстрее одноядерных: хотя прирост быстродействия и оказывается значительным, но при этом он во многом зависит от типа приложения. У программ, которые не рассчитаны на работу с многоядерными процессорами, быстродействие увеличивается всего на 5%. А вот оптимизированные под многоядерные процессоры программы работают быстрее уже на 50%. Появление многоядерных процессоров стимулирует появление операционных систем и прикладного программного обеспечения, поддерживающего многоядерность. 3. Объём кэш-памяти Так как процессор работает на частоте большей, чем частота оперативной памяти, то ему приходится долго ждать, пока данные из памяти по его запросу будут доставлены в регистр. Кэш-память – это сверхбыстрая память используемая процессором, для временного хранения данных, которые наиболее часто используются. Кэш современных процессоров увеличивает их производительность. Кэш-память – это буферная память небольшой емкости с возможностью работы на тактовой частоте микропроцессора. Кэш-память построена на триггерах, которые, в свою очередь, состоят из транзисторов. Группа транзисторов занимает гораздо больше места, нежели те же самые конденсаторы, из которых состоит оперативная память. Это создаёт множество трудностей в производстве, а также ограничения в объёмах. Именно поэтому кэш память является очень дорогой памятью, при этом обладая ничтожными объёмами. Но из такой структуры, вытекает главное преимущество такой памяти – скорость. Время переключения триггера из одного состояния в другое происходит очень быстро. Это и позволяет кэш-памяти работать на таких же частотах, что и современные процессоры. Также, немаловажным фактором является размещение кэш-памяти. Размещена она, на самом кристалле процессора, что значительно уменьшает время доступа к ней. Ранее, кэш память некоторых уровней, размещалась за пределами кристалла процессора, на специальной микросхеме. Сейчас же, практически у всех процессоров, кэш-память размещена на кристалле процессора. 18 Различают кэш-память нескольких уровней. Современные процессоры, оснащены кэшем, который состоит, зачастую из 2-х или 3-х уровней: L1 (первый уровень), L2 (второй уровень), L3 (третий уровень). 1. Кэш первого уровня (L1) – наиболее быстрый уровень кэш-памяти, который работает напрямую с ядром процессора, благодаря этому плотному взаимодействию, данный уровень обладает наименьшим временем доступа и работает на частотах близких процессору. Является буфером между процессором и кэш-памятью второго уровня. Мы будем рассматривать объёмы на процессоре высокого уровня производительности IntelCore. Данный процессор оснащен 4х32 Кб кэш-памяти первого уровня 4 x 32 КБ = 128 Кб. (на каждое ядро по 32 КБ) 2. Кэш второго уровня (L2) – второй уровень более масштабный, нежели первый, но в результате, обладает меньшими «скоростными характеристиками». Соответственно, служит буфером между уровнем L1 и L3. Если обратиться снова к нашему примеру Core, то здесь объём кэш-памяти L2 составляет 4х256 Кб = 1Мб. 3. Кэш третьего уровня (L3) – третий уровень, опять же, более медленный, нежели два предыдущих. Но всё равно он гораздо быстрее, нежели оперативная память. Объём кэша L3 составляет 8 Мбайт. Если два предыдущих уровня разделяются на каждое ядро, то данный уровень является общим для всего процессора. Показатель довольно солидный, но не заоблачный. Так как, к примеру, у процессоров Extreme-серии, он равен 15Мб, а у некоторых новых процессоров Xeon, более 20. Как уже упоминалось выше, главное назначение кэш-памяти – это хранение данных, которые часто используются процессором. Кэш является буфером, в который загружаются данные, и, несмотря на его небольшой объём, (около 4-16 Мбайт) в современных процессорах, он дает значительный прирост производительности в любых приложениях. Эффективное применение вычислительной техники предполагает, что каждый вид вычислений требует использования компьютера с определенными характеристиками. Важнейшими из них служат быстродействие и производительность. Эти характеристики достаточно близки, но их не следует смешивать. Быстродействие характеризуется числом определенного типа команд, выполняемых за одну секунду. Производительность - это объем работ (например, число стандартных программ), выполняемый в единицу времени. Определение характеристик быстродействия и производительности представляет собой очень сложную инженерную и научную задачу, до настоящего времени не имеющую единых подходов и методов решения. Обычно вместо получения конкретных значений этих характеристик указывают результаты сравнения данных, полученных при испытаниях (тестированиях) различных образцов. Другой важнейшей характеристикой компьютера является емкость запоминающих устройств. 4. Разрядность процессора Еще один параметр, влияющий на производительность – это его разрядность. Разрядность процессора говорит о том, какое количество бит информации он примет и обработает через свои регистры за один такт. Первые процессоры х86 были 16 разрядными, начиная с процессора 80386 они имеют 32-разрядную архитектуру. Современные процессоры в основном 64 разрядные, но они поддерживают и архитектуру х86. 19 В 2002 году произошёл скачок в эволюционном развитии разрядности процессоров. Компания «AMD» выпустила на рынок процессоры с расширенной 64-битной архитектурой вместо стандартной 32-битной. Компания «Intel выпустила 64-битный процессор с обозначением – «EM64T». То есть основные внутренние регистры процессора увеличили свою разрядность в 2 раза – было 32 бита, стало 64. На сегодняшний день все выпускаемые процессоры имеют 64-битную разрядность, но на них также можно запускать 32-разрядные программные продукты. 32 и 64-разрядные процессоры имеют разную маркировку. У 32-р. маркировка «х86», где «86» означает поколение процессора. 64-разр. маркируются символами «х64, EM64T, AMD64». Чтобы вы имели возможность использовать 64-разр. процессор во всю силу вам необходимо установить на компьютер 64-битную ОС, которая обозначается теми же символами «х64». На компьютере, построенном на 32-разрядном x86 процессоре , с установленной 32- битной операционной системой – объем доступной оперативной памяти будет ограничен 4 Гб. Ну а в 64-битной операционной системе установленной на 64-разрядный процессор – объем поддерживаемой оперативной памяти специально логически ограничен до 16 Тб. В целом для обычного рядового пользователя, использование 64-битной операционной системы на ПК дает возможность использовать более 4 Гб оперативной памяти.

Память компьютера

Хранение информации – это процесс передачи информации во времени. В компьютерной технике для хранения информации используются запоминающие устройства. Запоминающие устройства позволяют записывать на них информацию и считывать ее по мере необходимости. Выделяют два важных вида компьютерной памяти: основная (оперативная и постоянная) – внутренняя и долговременная – внешняя. Долговременная память – энергонезависима и предназначена для длительного хранения программ и данных при отключенном питании в промежутках между сеансами работы с компьютером. Постоянная память (ПЗУ) – это энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые не потребуют изменения. ПЗУ постоянно хранит информацию, которая записывается туда при изготовлении компьютера. Из ПЗУ можно только читать. Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, программы тестирования устройств. Важнейшая микросхема ПЗУ - модуль BIOS (Basic Input/Output System - базовая система ввода-вывода) - совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память. Оперативная память энергозависима и предназначена для временного хранения выполняемой в данной момент программы и ее данных. Оперативная память является энергозависимой, это означает, что данные в ней теряются при отключении питания компьютера. Оперативная память обладает намного более высоким быстродействием, чем долговременная, но зато стоимость хранения единицы информации в ней существенно выше, и поэтому объем устанавливаемой на компьютере оперативной памяти бывает в десятки и сотни раз меньше, чем долговременной. 20 Емкость любого вида памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которое может одновременно находиться в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти. При записи и чтении информации необходимо указывать адрес, по которому требуется разместить или взять информацию. Обычно адрес представляет собой число или группу чисел, позволяющих определить, в каком месте устройства расположено начало нужного информационного блока. Так, например, если запоминающее устройство имеет линейную структуру, то есть представляет из себя последовательность ячеек памяти, адресом ячейки будет ее номер. Основными характеристиками запоминающих устройств являются их емкость и быстродействие, то есть скорость чтения и записи по нужному адресу. Оперативная память Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) является, пожалуй, одним из самых первых устройств вычислительной машины. Она присутствовала уже в первом поколении ЭВМ по архитектуре, созданных в сороковых — в начале пятидесятых годов двадцатого века. За эти пятьдесят лет сменилось не одно поколение элементной базы, на которых была построена память. Оперативная память, однако, превосходит другие виды памяти по значимости, так как это первое место, куда направляются данные, когда запускается программа. Эта память отличается большой скоростью доступа к ней. С программными инструкциями и данными, которые находятся в оперативной памяти можно работать гораздо быстрее, в отличие от данных, которые хранятся в постоянных и долгосрочных носителях информации. Поэтому файлы, которые нужны для запуска программы и данные, которые используются в процессе работы программы, находятся в оперативной памяти во время их использования. Оперативная память автоматически очищается при отключении компьютера от электропитания. Когда вы запускаете программу или открываете документ, ваш компьютер сохраняет некоторые требуемые данные в оперативной памяти для быстрого и легкого доступа. Только после прохождения через оперативную память любые данные сохраняются на других запоминающих устройствах. Когда вы включаете компьютер – в оперативную память компьютера загружаются необходимые для работы файлы операционной системы, наряду с множеством остальных файлов различных утилит и программ, установленных вами на компьютер. Для быстродействия вашего компьютера второстепенные файлы загружаются в то, «что осталось» после загрузки необходимых файлов. Помимо того, что операционным системам требуется определенное количество свободной оперативной памяти, ОЗУ нужно и другим приложениям, запускаемым вами на компьютере. Например, объемная графика, видео в прямом эфире и другие подобного рода приложения требуют большего количества оперативной памяти для того, чтобы они работали без зависаний, которые связанны с тем, что компьютер не успевает обработать поток информации, которая поступает в ОЗУ. Компьютеры имеют возможность непрерывно обрабатывать информацию в течение долгого периода времени, пока эта информация будет доступна в оперативной 21 памяти. Если ее становится недостаточно для хранения информации, компьютер ищет место на альтернативном запоминающем устройстве, например, на жестком диске, преобразует часть места в оперативную память и продолжает работать. Однако, чем чаще так происходит, тем медленнее начинает работать компьютер. Следовательно, большая оперативная память означает более быструю обработку данных. Оперативная память передаёт процессору команды и данные непосредственно, либо через кэш-память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес. Оперативная память выполняется в виде микросхем. Все современные стационарные компьютеры позволяют менять объём оперативной памяти по необходимости. Большая часть ноутбуков так же даёт такую возможность. Практически все пользователи ПК стремятся увеличить объем оперативной памяти. Это естественно, поскольку, чем больше объем оперативной памяти, тем быстрее работают все запущенные в данный момент процессы. Самые распространенные объемы оперативной памяти сейчас на компьютерах: 1, 2, 4 ГБ. Этот объем может состоять как из одной платы оперативной памяти, так и из нескольких, установленных в разные слоты. Какой же оптимальный объём оперативной памяти? Это зависит, по крайней мере, частично от того, какая операционная система установлена на компьютере и от того, какие программы вы запускаете на своем компьютере. Для начала нужно определиться, какая операционная система будет стоять на вашем компьютере – 32-bit или 64-bit. Если это 32-bit, то больше 3 Гб ОЗУ устанавливать не имеет смысла, т.к. системы этого типа не способны видеть объём памяти более 3 Гб целиком, а максимальный размер поддерживаемой памяти составляет 4 Гб. Следует учитывать, что Windows XP может использовать только 4 GB оперативной памяти. 64- разрядные операционные системы могут поддерживать до 128 Gb, в зависимости от версии. Каждая ячейка оперативной памяти имеет адрес и в 32-х битной операционной системе он записывается как двоичный код длиной в 32 символа. Получаем – (2 32 =4 294 967 296 байт = 4 ГБ). Иначе говоря, в 32- битной операционной системе, ячейки памяти расположенные за границей в 4Gb не получат адреса и не будут использованы. Однако, Windows 7 Professional, Windows 7 Enterprise, Windows 7 Ultimate могут поддерживать до 192 Gb оперативной памяти, а операционные системы для серверов WindowsServer 2008 до 2 Tb. Такое расширение стало возможно за счет использования виртуального адресного пространства. В любом случае, при выборе объёма устанавливаемой памяти стоит опираться в первую очередь на назначение компьютера. Для задач офисного типа – просмотра страниц Интернета, набора текста, создания таблиц и презентаций – будет достаточно 1024 Мб оперативной памяти. Если требуется работа с графическими пакетами или видео-файлами на уровне обычного пользователя, понадобится до 2 Гб оперативной памяти. Для профессиональной работы с полновесной 3D графикой и или видео, а так же для запуска нескольких «весомых» задач одновременно нужно более 2 Гб. Только для Windows 7 необходимо минимум 1024 Мб оперативной памяти. Долговременная память Долговременная память позволяет сохранять данные при отключенном питании в промежутках между сеансами работы с компьютером. В частности, здесь хранится программное обеспечение компьютера. Долговременная память может быть представлена различными устройствами: 1. Жёсткий диск (HDD); 2. Дисководы компакт-дисков CD; 3. Универсальный цифровой дисковод DVD; 4. диски Blu-ray 5. Flash-память 22 Для работы с оптическими дисками требуются специальные устройства – дисководы, снабженные головками считывания и записи данных. Для подсоединения модуля флэш-памяти компьютер должен иметь специальный разъем. Внутренняя долговременная память Накопитель на жестком магнитном диске (HDD — harddiskdrive) иногда называют винчестером. Это прозвище возникло из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973 год), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром «30/30» известного охотничьего ружья «Винчестер». Накопитель информации на жестких дисках состоит из герметичного блока и платы электроники. Герметичный блок заполнен обеспыленным воздухом под атмосферным давлением и в нем размещены все механические части. Информация в жестком диске записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины покрытые слоем ферромагнитного материала. В некоторых дисках используется одна пластина, в других — несколько на одной оси. Пластины закреплены на шпинделе двигателя. Считывающая магнитная головка находится на одной из сторон вращающегося магнитного диска и осуществляет чтение и запись данных с поверхности магнитных дисков, вращающихся со скоростью до 15 000 оборотов в минуту. Головки закреплены на специальных держателях и перемещаются системой позиционирования между центром и краем диска. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет 5- 10 нанометров, а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков, головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков. Точное позиционирование магнитных головок осуществляется по записанной на диске информации. Считывая ее, система позиционирования определяет силу тока, которую нужно пропустить через катушку электромагнитного привода для удержания магнитной головки над требуемой дорожкой. Характеризуется жёсткий диск ёмкостью и временем доступа. Емкость является главным параметром жесткого диска и определяется рядом факторов - поверхностной плотностью записи, размером и количеством дисковых пластин. Она измеряется обычно в гигабайтах: от 20 Гб (на старых компьютерах) до нескольких Террабайт (1Тб = 1024 Гб). Скорость операций зависит от частоты вращения (5400-10000 об/мин). Ёмкость кэшпамяти жёсткого диска составляет от 4 до 8 Мб. Современные жесткие диски обязательно имеют оперативную память, которую называют кэшем или буфером. Это память, предназначенная для хранения данных, обращение к которым происходит наиболее часто. Данные при этом считываются не с дисковой пластины, а из буфера, что обеспечивает более высокую скорость передачи данных. В настоящее время стандартом считается буфер объемом 2-8 Мб, некоторые модели имеют 16-64 Мб. КЭШи всегда применяются для ускорения доступа к какому-нибудь устройству. При записи на диск данные сначала пишутся в кэш, а уж потом переносятся на диск. Это называется кэширование записи. То же самое и с чтением: когда процессор просит считать какие-нибудь данные с диска, то диск читает в кэш и те данные, что следуют за необходимыми процессору. Это называется упреждающим чтением. Так как в процессе 23 работы программы данные обычно читаются последовательно, то такое чтение оказывается очень эффективным. Емкость жёсткого диска характеризует объем программного обеспечения и отдельных программных продуктов, которые могут устанавливаться. Например, для установки операционной среды Windows 7 в зависимости от версии требуется объем памяти жесткого диска 160Гб-1Тб и оперативной памяти 1-3Гб. Внешний жесткий диск очень удобная вещь, особенно, если у Вас ноутбук. Работает по принципу: "Просто включил и работает." Внешний винчестер, как правило, дороже внутреннего, но удобнее, в том числе, для резервного копирования ценной информации.

Типы жестких дисков.

• Жесткие диски для настольных компьютеров традиционно изготовляются размером 3.5', имеют скорость вращения 5400 или 7200 об/мин.

• Жесткие диски для серверов имеют более высокую скорость вращения (до 15000 об/м). Т.к. эти диски применяются в системах, требующих повышенной надежности хранения информации, они имеют более высокое качество изготовления и время безотказного функционирования превышающее 1000000 часов. До недавнего времени жесткие диски для серверов имели ширину 3.5'. Сегодня стали появляться 2.5-дюймовые модели.

• Портативные внешние жесткие диски позволяют практически полностью решить проблемы, связанные с транспортировкой и хранением объемных файлов. Такой мобильный носитель состоит из 2.5' или 3.5'-жесткого диска и контроллера для подключения к требуемому порту. Контролеры, в свою очередь, могут подключаться к компьютеру через интерфейс USB.

• Стационарные внешние жесткие диски могут состоять из одного или нескольких накопителей, они могут иметь достаточно большие вес и размеры, для их работы может потребоваться отдельное питание, но при этом они позволяют хранить большой объем информации

. • Жесткие диски для ноутбуков имеют размер 2.5' и 1.8', скорость вращения 4200 или 5400 об/мин. Следует отметить, что из-за конструктивных особенностей, тепловыделение и уровень шума жестких дисков такого типа существенно ниже, чем у винчестеров, используемых для настольных компьютеров и серверов. Внешняя долговременная память Емкость внешней памяти зависит от типа носителя. Так, практически исчезли из обращения дискеты как накопители и средства переноса и хранения данных. На смену им пришла флэш-память, емкость которой может быть от нескольких Гбайт до Тб. Пока сохраняют свое значение и традиционные накопители на оптических дисках. Оптические носители (диски). Поверхность оптического диска имеет участки с различной отражающей способностью. Луч лазера дисковода падает на поверхность диска, отражается и преобразуется в цифровой компьютерный код (отражает – 1, не отражает – 0). Информация на диске записывается в виде спиральной дорожки из питов (pit — углубление), выдавленных в поликарбонатной основе. Каждый пит имеет примерно 100 нм в глубину и 500 нм в ширину. Длина пита варьируется от 850 нм до 3,5 мкм. Промежутки между питами называются лендом ( land - пространство, основа). Шаг дорожек в спирали составляет 1,6 мкм. Питы рассеивают или поглощают падающий на них свет, а подложка — отражает. Типы оптических дисков Оптические диски CD, DVD, HD DVD, BD имеют одинаковые размеры. Диаметр полноформатного диска составляет 120мм и 80 мм у мини версии (миньон). Диски RW – это перезаписываемый тип дисков (DVD-RW, СD-RW), то есть записав один раз 24 информацию вы сможете стереть её и записать новую, но количество операций стираний/записи – жёстко ограничено. CD (Compact Disc) — компакт-диски имеют емкость 700 Мбайт. Если говорить и ширине дорожки, то у CD-диска она составляет 1,6 мкм, при минимальной длине пита в 0,833 мкм. Диски бывают с возможностью однократной записи и перезаписываемые (CD-R – Compact Disc Recordable и CD-RW – Compact Disc Rewritable) или только для чтения CD-ROM – Read Only Memory). DVD (Digital Video Disc) — диски имеют емкость 4,7 Гбайт. Ширина дорожки равна 0,74 мкм, при длине пита – 0,40 мкм. По этим цифрам видно значительное уплотнение записываемой информации по сравнению с CD. Диски стандарта DVD, в различных своих интерпретациях могут быть двухсторонними (емкость 9,4 Гбайт) или двухслойными (емкость 8,5 Гбайт). BD (Blu-ray) — диски поддерживают плотность записи около 25 Гбайт на один слой. Особенность названия связана с тем, что для чтения/записи данных дисков используется специальный сине-фиолетовый лазер с длинной волны 405 нм, что почти в два раза меньше, чем у стандартов CD (780нм) и (DVD 650 нм). За счёт таких уменьшений, появилась возможность сузить дорожку вдвое по сравнению с обычными DVD, при этом, соответственно, увеличилась плотность записи данных на носитель. У Blu-ray ширина дорожки составляет 0,32 мкм. На данный момент доступны диски BD-R (одноразовая запись), BD-RE (многоразовая запись), BD-RE DL (многоразовая запись) вместимостью до 46,6 ГиБ (50 ГБ) ( blue ray — синий луч и disc — диск; написание blu вместо blue — намеренное) — формат, используемый для записи с повышенной плотностью и хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости. Blu-ray (букв. «синий луч») получил своё название от использования для записи и чтения коротковолнового (405 нм) «синего» лазера. Буква «e» была намеренно исключена из слова «blue», чтобы получить возможность зарегистрировать товарный знак, так как выражение «blue ray» является часто используемым и не может быть зарегистрировано как товарный знак. С момента появления формата в 2006 году и до начала 2008 года у Blu-ray существовал серьёзный конкурент — альтернативный формат HD DVD. В течение двух лет многие крупнейшие киностудии, которые изначально поддерживали HD DVD, постепенно перешли на Blu-ray и прекратили разработки в области HD DVD. HD DVD — технология записи оптических дисков, разработанная компаниями Toshiba, NEC и Sanyo. HD DVD использует сине-фиолетовый лазер с длиной волны 405 нм. Противостояние двух форматов HD DVD и Blu-ray, неофициально названное «Война форматов», разрешилось в пользу последнего. Однако записываемые и перезаписываемые диски данного формата ещё можно встретить в продаже.

Flash-память.

Flash-память позволяет сравнительно быстро записывать и считывать данные и хранит записанное после выключения питания. Именно эта способность к “долговременной памяти” и позволяет использовать flash-микросхемы в качестве альтернативы дискам, то есть устройствам хранения данных, которые могут годами, если не столетиями, сохранять информацию без какого-либо изменения и без всяких потерь. В 1984 г. компания Toshiba объявила о создании нового типа запоминающих устройств, а годом позже начала производство микросхем емкостью 256 Кbit. Правда, событие это, в силу малой востребованности в то время подобной памяти, не всколыхнуло мировую общественность. Второе рождение flash-микросхем произошло уже под брэндом Intel в 1988 г., когда мировой гигант радиоэлектронной промышленности разработал собственный вариант flash-памяти. Однако в течение почти целого десятилетия новинка оставалась вещью, широко известной лишь в узких кругах инженеров-компьютерщиков. И только появление малогабаритных цифровых устройств, требовавших для своей работы значительных объемов памяти, стало началом роста популярности flash-устройств. Начиная с 1997 г. flash-накопители стали использоваться в цифровых фотоаппаратах, потом область использования твердотельной памяти с возможностью хранения и многократной перезаписи данных стал охватывать MP3- плейеры, наладонные компьютеры, цифровые видеокамеры и др. Флэш- память подключается к компьютеру через USB-порт. Эти устройства миниатюрны, имеют большую ёмкость. Флэш-драйвы объединяют в одном корпусе микросхемы флэш-памяти (памяти на электронных микросхемах), контроллер и разъём USB. Максимальный объем флэшки на данный момент составляет 256 Гб. В 2013 году состоялась премьера Kingston HyperX Predator USB 3.0, флеш-карты, чей объем памяти достигает 1 Тб! Скорость чтения составляет невероятные 240 Мб/сек, а скорость записи — 160 Мб/сек, то есть даже быстрее, чем среднестатистический винчестер. Жаль, что прибрести их смогут позволить себе немногие из-за астрономической цены. Конечно не всем нужны такие флэшки. Наиболее востребованы сейчас флэшки с объемом памяти 16 и 32Гб. Слово flash может обозначать короткий кадр фильма, вспышку, мелькание или отжиг стекла. Согласно основной версии, термин flash появился в лабораториях компании Toshiba как характеристика скорости стирания и записи микросхемы флэшпамяти “in a flash”, то есть в мгновение ока. С другой стороны, причиной появления термина может быть слово, используемое для обозначения процесса “прожигания” памяти ПЗУ, который достался новинке в наследство от предшественников. В английском языке “засвечивание” или “прожигание” микросхемы постоянного запоминающего устройства обозначается словом flashing. По третьей версии слово flash отражает особенность процесса записи данных в микросхемах этого типа. Дело в том, что, в отличие от прежнего ПЗУ, запись и стирание данных во flash-памяти производится блоками-кадрами, а термин flash как раз и имеет в качестве одного из значений – короткий кадр фильма. Карта flash-памяти представляет собой большую интегральную схему (БИС), помещенную в миниатюрный плоский корпус. Для считывания информации с карт памяти используются специальные адаптеры.

Преимущества flash-памяти:

• Для хранения данных не требуется дополнительной энергии, то есть flash-память является энергонезависимым устройством.

• Энергия, правда, требуется для записи данных. Зато по сравнению с компактдисками или дискетами затраты энергии при работе с flash-устройством минимальны. Поэтому flash-память является очень экономной с точки зрения энергозатрат. Как подтверждение – при записи данных на flash-микросхему требуется в 10-20 раз меньше энергии, чем при аналогичных действиях с компакт-диском.

• Flash-микросхема позволяет многократно (но, увы, не бесконечно…) перезаписывать данные.

• Накопитель на основе flash-микросхемы не содержит в себе никаких движущихся механических узлов и устройств, поскольку это твердотельная память. А раз так, то flash-устройства отличаются устойчивостью к механическим воздействиям: нет механики – нечему и ломаться. К примеру, flash-накопитель способен выдержать удары в 10-20 раз более сильные, чем те, что просто “убили” бы компьютерный винчестер.

• Компактность – еще одно преимущество накопителей на flash-памяти, которое и предопределило использование flash-устройств в разнообразных малогабаритных гаджетах.

• Наконец, информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (порядка 10, а по некоторым данным, и до 100 лет). То есть flashмикросхема является устройством для долговременного хранения данных.

Недостатки flash-памяти:

• Главный потребительский недостаток – flash-память стоит дорого.

• Flash-память работает существенно медленнее, чем оперативная память на основе микросхем SRAM и DRAM. И даже по сравнению с жестким диском flash-накопитель является аутсайдером.

• Наконец, еще один серьезнейший недостаток, который уже упоминался выше – flash-память имеет ограничение по количеству циклов перезаписи. Предел колеблется от 10 000 до 1 000 000 циклов для разных типов микросхем. И хотя миллион операций записи/стирания – это совсем немало, однако наличие физического предела использования микросхемы памяти можно считать серьезным недостатком flash-устройств.

Характеристики ПК

Быстродействие характеризуется числом определенного типа команд, выполняемых за одну секунду. Производительность - это объем работ (например, число стандартных программ), выполняемый в единицу времени. Другой важнейшей характеристикой компьютера является емкость запоминающих устройств. Емкость памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которое может одновременно находиться в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.