Разработка рекомендаций по комплектованию системного блока ПЭВМ

     Ключевыми подсистемами компьютера являются управляющее  устройство (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ). Вместе они составляют центральный процессор (ЦП) - "командный  пункт". В ЦП компьютер манипулирует данными, хранит след своих команд и  управляет остальными подсистемами. В большинстве микрокомпьютеров ЦП размещается на одиночном микроэлектронном чипе. У миникомпьютеров УУ зачастую находится на одном чипе, АЛУ - на другом, а команды, управляющие обоими этими устройствами, - на третьем. В  больших компьютерах ЦП рассредоточен по многим чипам. Во всех случаях ЦП занимает сравнительно мало места.

     Центральный процессор имеет дело непосредственно  с программой, хранимой в основной памяти. Программа представляет собой  просто перечень инструкций, указывающих  компьютеру, что делать. Большинство  компьютерных программ содержит два  вида информации: команды и данные. Команды интерпретируются УУ, которое управляет всем, что должно быть сделано, например сложением в АЛУ. Команды поступают в УУ в форме кода операции, называемого так потому, что он сообщает компьютеру, что делать дальше. Большая часть компьютерных задач решается путем манипуляции данными: перемещения слов из одного места памяти в другое, сложения, вычитания, сравнения и изменения слов. Компоненты типичного ЦП показаны на рисунке: «Схема стандартного ПК». Обычно АЛУ выполняет следующие функции: сложение, вычитание, логические операции, сравнение и манипулирование битами. С помощью проводников АЛУ связано с рядом регистров, представляющих собой наборы схем памяти, которые действуют как временные запоминающие устройства в процессе функционирования ЦП. Обычно в компьютере имеются два набора регистров:

• один для использования ЦП;
• другой - для удержания следов команд задействованной программы

       Среди регистров ЦП выделим прежде всего сумматор, который является устройством, непосредственно обслуживающим АЛУ. Самые последние результаты операций находятся, как правило, в сумматоре. Среди других регистров назовем счетчик команд (который хранит след адресов команд, подлежащих извлечению из памяти), указатель стека (который хранит след промежуточных результатов вычислений) и различные регистры общего назначения. УУ дешифрует команды, извлеченные из памяти, генерирует и выдает управляющие сигналы, необходимые для перемещения данных в компьютере, и сообщает АЛУ, что делать дальше.

     Другие  типы архитектуры.

       Хотя большинство  компьютеров имеет архитектуру  фон Неймана, используются и другие архитектуры. Есть два типа ЦП с архитектурой фон Неймана, обозначаемых CISC (для  компьютеров со сложным набором  команд) и RISC (для компьютеров с  упрощенным набором команд). Традиционный ЦП относится к типу CISC, позволяющему выполнять огромное разнообразие команд; RISC имеет меньше команд, но работает быстрее. RISC-процессор больше подходит для решения таких задач, где имеются многочисленные операции при относительно простых вычислениях, например приложения с интенсивным использованием графики; CISC-процессоры более предпочтительны в универсальных приложениях. Для процессоров обоих этих типов приближается ситуация, когда скорость вычислений ограничивается необходимостью выполнять все на одном процессоре.

     Рис.4.

     Блочная структура процессора Pentium имеет CISC- архитектуру, но при этом для повышения производительности в нем использованы многие структурные элементы RISC- процессоров (Они применялись и в процессоре предыдущего поколения 80486, но в меньшем количестве). В частности, для команд и данных предусмотрены раздельные кэши объемом по 8 Кбайт, интегрированные в микросхему.

     Некоторые суперкомпьютеры, такие, как многопроцессорная  машина, решают эту проблему путем  использования параллельных матриц неймановских процессоров. Многопроцессорные  машины используются там, где должны обрабатываться большие массивы  сходных данных, например при прогнозировании погоды и в графике высокого разрешения. Параллельная машина распределяет данные между процессорами и выполняет расчеты одновременно. Еще один вид машины с параллельными процессорами - кластерный, или нейрокомпьютер, - использует очень простые микропроцессоры. Каждый из них действует подобно нейрону, отвечая на сигналы от нескольких различных входов. В нейрокомпьютере имеется сильно взаимосвязанная сеть таких микропроцессоров. Нейрокомпьютеры могут обучаться: при поступлении новых данных они настраивают реакции индивидуальных микропроцессоров и/или изменяют пути взаимосвязей. Эти компьютеры не программируются с помощью алгоритмов, используемых в других цифровых компьютерах; связи, алгоритмы отклика и законы обучения задаются программистом.

     Внутренние  коммуникации. 

     Компьютер должен иметь центральный канал  коммуникаций, соединяющий все основные подсистемы. Во многих компьютерах  этот канал называется шиной. Многие мини- и микрокомпьютерные системы содержат соответствующую универсальную шину, которая может подключать к компьютеру различные специализированные функции. Компьютер с такой шиной можно модернизировать постепенно по мере увеличения требований или изменений технологии.

     Ввод  и вывод. 

     Цель  функции ввода в компьютере - преобразование поступающей извне информации (образов, звуков, нажатий клавиш, положений  указателя, напряжений термопар и т.д.) в двоичные числа. Функция вывода - обратный процесс - преобразует двоичные числа в визуальные изображения, печатные знаки, звуки, управляющие  напряжения и т.п. По существу, все, что  измеримо и может быть преобразовано  в электрический аналог двоичных чисел, может быть использовано компьютером. Все, что компьютер способен вычислить, может, в свою очередь, конвертироваться в форму, понимаемую человеком или  другими машинами. Один из часто  используемых вводов-выводов содержит два устройства: аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи.

• первый превращает напряжения, такие, как в аналоговом компьютере, в двоичные числа;
• другой - преобразует двоичные числа в напряжения.

      АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ  КОМПЬЮТЕРА.

     В дальнейшем подразумевается, что все  сказанное относится как к  большим, так и к персональным компьютерам. Различия будут оговариваться  специально. Электронные цифровые компьютеры состоят из схем двух основных типов: логических вентилей и схем памяти на триггерах. Конечно, компьютер содержит и другие типы схем, например приводы, буферы и генераторы. Но вентили и триггеры выполняют ключевые логические функции компьютера.

• Вентиль не имеет памяти и генерирует нужный выход только при наличии соответствующих входных сигналов.
• Триггеры являются ключевыми элементами схем памяти.

     Выходное  напряжение триггера изменяется с первоначального  значения на другое, когда поступает  определенный входной сигнал, и остается неизменным до тех пор, пока не поступит другой сигнал, переводящий триггер  в первоначальное состояние. Наиболее знакомым примером триггера может служить электрический выключатель света. Предположим, свет выключен. Тогда при нажатии кнопки выключатель замыкается, и свет загорается. Нажмите кнопку еще раз - выключатель размыкается, и свет гаснет. Это эквивалент триггера с одним входом. (Триггер с двумя входами может быть представлен сдвоенным переключателем.) Положение триггера «вкл.» задается сигналом «установить», положение «выкл.» - сигналом «сбросить». Вычислительная техника началась с разработки электронных компьютеров: первыми были машины на электронных лампах (первое поколение ЭВМ). Лампы работают быстрее и более надежны, чем реле. Ламповые компьютеры преобладали примерно с 1944 по 1958. Второе поколение компьютеров эволюционировало в течение нескольких лет после изобретения транзистора (1947). Транзисторы миниатюрнее, надежнее и расходуют значительно меньше энергии, чем электронные лампы. Первые транзисторные компьютеры работали не намного быстрее, чем ламповые, но имели другие преимущества. 

     Третье  поколение компьютеров началось с введения многотранзисторной формы - интегральной схемы. В интегральной схеме на кусочек подложки (как правило, кремния) помещается максимально возможное количество схемных элементов. Каждая интегральная схема начала 1960-х годов содержала четыре или пять логических вентилей. В начале 1970-х годов появились первые большие интегральные схемы (БИС). В 1980-х годах упор делался на сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) и сверхскоростные интегральные схемы. В 1990-х годах фирма "Интел" создала чип i860XP -высокопроизводительный микропроцессор, содержащий 2,5 млн. транзисторов; этот чип одновременно обрабатывает 64 бит со скоростью 100 млн. операций в секунду. Число компонентов на чипе в среднем удваивалось каждый год начиная с 1966, и до конца века этот темп сохранился. Интегральная схема имеет немало преимуществ перед дискретным транзистором: она работает быстрее, более надежна, потребляет меньше энергии и имеет значительно меньшие размеры. Упомянутый выше чип фирмы "Интел" представляет собой прямоугольник размером приблизительно 10х15 мм, а соединения на нем имеют ширину 0,8 мкм. Для прорисовки этих исключительно тонких линий применяется электронный луч. Малые размеры элементов позволяют также повысить быстродействие интегральных схем. Компьютеры на электронных лампах имели быстродействие 50 000 операций в секунду. Во втором и третьем поколениях машин схемы работали в наносекундном диапазоне. Машины четвертого поколения, называемые также суперкомпьютерами, выполняют десятки или сотни миллионов операций в секунду. В машине "Крей-2", например, проблема быстродействия решается приданием ей цилиндрической формы, что позволяет минимизировать длину проводников, соединяющих ее элементы. Следующим шагом в попытках увеличить быстродействие компьютеров становится создание оптических микроэлектронных схем. Оптические схемы, в которых данные передаются световыми импульсами, используют то преимущество, что световые волны в стеклянных волокнах распространяются с меньшими задержками и искажениями, чем электронные импульсы в проводах. Применение этих методов позволит малым компьютерам иметь быстродействие и возможности современных суперкомпьютеров.

     Центральный процессор. 

     ЦП  типичного компьютера состоит из большого числа логических вентилей и триггеров. УУ использует много  вентилей, чтобы выбрать способ обработки, которая должна быть выполнена в  АЛУ, а также направить полученные результаты другим частям компьютера. Регистры, о которых мы рассказывали выше, представляют собой большей  частью матрицы из триггеров. Наметился  ряд тенденций в конструкции  и производстве ЦП. В больших компьютерах  и многих миникомпьютерах ЦП состоит  из набора чипов, каждый из которых  выполняет специальную функцию. В этих машинах каждый из основных блоков ЦП - АЛУ, УУ, микрокоманды для  УУ - может находиться на одном или нескольких чипах. (Микрокоманды, по существу, сообщают УУ, какие проводники и вентили нужно соединить, чтобы выполнить команду.) Эти ЦП слишком сложны, чтобы их можно было уместить на одном чипе. Такой подход также позволяет вносить изменения в схему компьютера путем замены одного или двух чипов, а не всего ЦП. В некоторых компьютерах выполняемая задача разделяется между несколькими ЦП. Этот метод известен как параллельная обработка. Некоторые ЦП работают непосредственно в терминах языка программирования, а не обычной архитектуры. Ожидается увеличение разнообразия конструкций и возможностей ЦП. Вероятен также отход от традиционной архитектуры по мере роста объема и скоростей обработки.

     Вероятно, самый большой скачок в конструировании  ЦП был сделан с появлением в 1971 микропроцессора 4044 фирмы "Интел". Этот 4-разрядный  микропроцессор представлял собой  сравнительно медленный чип с  ограниченным набором команд, но он и его наследники сделали возможным  создание карманных калькуляторов  и цифровых часов и привели  к разработке микрокомпьютера. В 1974 появились 8-разрядные микропроцессоры, обрабатывающие по 8 бит информации одновременно. Как упоминалось раньше, микропроцессор (или другой ЦП) принимает  информацию в виде «слов». Например, память компьютера по командам УУ подает в сумматор сразу 8 бит. Затем УУ добавляет, например, число 00101101 к битам в  сумматоре (снова сразу все). Теперь в сумматоре находится новый  набор из 8 бит. Далее УУ передает эти 8 бит в память, все сразу. На каждом из этих шагов 8 бит обрабатываются или перемещаются одновременно, но индивидуальные действия - их ввод, сложение, копирование результата - выполняются  последовательно. В принципе, чем  больший размер слова доступен для  обработки ЦП, тем больше информации он может «проглотить» сразу и  тем быстрее он выполняет свои задачи. Восьмиразрядные микропроцессоры  дали жизнь микрокомпьютерам, сложным  компьютерным терминалам и ряду «интеллектуальных» устройств; прогресс в вычислительной технике продолжается.

       В 1990-х годах имелись сотни  миллионов 8- и 16-разрядных микропроцессоров, а в большинстве новых персональных  компьютеров и рабочих станций  использовались 32-разрядные микропроцессоры,  выполняющие миллионы операций  в секунду. В 1999 фирмой "Интел"  выпущен высокопроизводительный  микропроцессор "Пентиум III" с  тактовой частотой 500 МГц, интегрированной  кэш-памятью до 2 Мб и повышенными  возможностями в таких сферах, как распознавание речи и трехмерная графика. Одним из логических следствий микроэлектронной технологии была разработка всего компьютера, включая память, на чипе. Конечно, для таких малых компьютеров память довольно ограниченна, но она достаточна для разработки таких устройств, как реле-регуляторы автоматического зажигания и топливных систем автомобилей и микроволновых печей, а также полноценных «карманных» компьютеров.

     Устройства  памяти. Основная память. 

     Главным устройством памяти для компьютеров  второго поколения и для многих больших компьютеров третьего поколения  был магнитный сердечник - крохотное колечко магнитного материала размером с бусинку. С помощью тонких проводов, прошивающих колечки в вертикальном и горизонтальном направлениях, из этих сердечников вяжется сетка внутри компьютера. Каждый сердечник хранит магнитный заряд. Направление магнитного потока определяет состояние 1 или 0.

     Запоминающее  устройство на сердечниках было изобретено в 1948 Э.Уонгом и широко использовалось в 1950-1960-х годах. Запоминающее устройство на сердечниках является энергонезависимой памятью, т.е. оно сохраняет свое содержимое даже тогда, когда электроэнергия отключается. Сердечники выполняли функции появившихся ранее ламповых триггеров и привели к появлению термина «оперативная память». Позже память на сердечниках была вытеснена микроэлектронными устройствами, однако она все еще используется в армейском оборудовании, на космических кораблях и для других специальных применений.

     Важным  дополнением к микропроцессору  является память на интегральных схемах. Существуют два основных класса этой памяти: оперативное запоминающее устройство с произвольной выборкой (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). ОЗУ работают быстро: микропроцессор может получать доступ к ним за 10-20 нс. Обычные коммерческие модули ОЗУ хранят до 256 Мб (1 Мб равен 1 048 576 байт). ОЗУ надежны и работают годами, выполняя миллиарды операций. ОЗУ помнят только то, что вы сообщили им в последний раз; все остальное стирается. ОЗУ потребляют довольно мало энергии, если сравнивать их с другими интегральными схемами примерно тех же размеров и плотности упаковки. Некоторые ОЗУ расходуют так мало энергии, что достаточно маленькой батарейки, чтобы активизировать или хотя бы поддерживать их память после отключения основного источника энергии. Эти ОЗУ часто используются в небольших портативных компьютерах и калькуляторах. При отключении энергии ОЗУ свою память теряет.