Системы, расположенные на материнской плате

Оперативная память

Оперативная память (RAM — Random Access Memory) — это массив кристал- лических ячеек, способных хранить данные. Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).

Яинчаемйкиичедской памятиD( RAM) можно представить в виде микрокон- денсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее рас- пространенный и экономически доступный тип памяти. Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно. Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свой- ство рассеиваться в пространстве, причем весьма быстро. Если оперативную память постоянно не «подзаряжать», утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоян- ная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.

Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы — триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обе- спечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, со- ответственно, дороже.

Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оператив- ной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве

 

вспомогательной памяти (так называемой кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. В боль- шинстве современных процессоров предельный размер адреса обычно составляет 3зр2ярдаа, а это означает, что всего независимых адресов может быть 232.нОа д адресуемая ячейка содержит восемь двоичных ячеек, в которых можно сохранить 8 бит, то есть один байт данных.

Таким образом, в современных компьютерах возможна непосредственная адре- сация к полю памяти размером 232 байт = 4 Гбайт. Однако это отнюдь не означает, что именно столько оперативной памяти непременно должно быть в компьютере. Предельный размер поля оперативной памяти, установленной в компьютере, определяется микропроцессорным комплектом (чипсетом) материнской платы и обычно не может превосходить нескольких гигабайт. Минимальный объем памяти определяется требованиями операционной системы и для современных компьютеров составляет 1 Гбайт.

Представление о том, сколько оперативной памяти должно быть в типовом компьютере, непрерывно меняется. В середине 80-х годов поле памяти размером 1 Мбайт казалось огромным, в начале 90-х годов достаточным считался объем

4, Мбайт к середине 90-х годов он увеличился до 8 Мбайт, а затем и до 16 Мбайт.

Сегодня типичным считается размер оперативной памяти в 1 Гбайт, но тенденция к росту сохраняется.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, на- зываемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Если к разъемам есть удобный доступ, то операцию можно выполнять своими руками. Если удобного доступа нет, может потребоваться неполная разборка узлов системного блока, и в таких случаях операцию поручают специалистам.

В современных компьютерах обычно применяют три типа модулей оператив- ной памяти. Модули памяти SDRAM (DIMM-модули) сегодня уже считаются устаревшими и используются в компьютерах прошлых поколений. Наиболее рас- пространены модули типа DDR SDRAM (DDR DIMM), а также DDR2 и DDR3, обеспечивающие более быстрый доступ к памяти.

Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и скорость передачи данных. Сегодня наиболее распространены модули объемом 512 Мбайт — 2 Гбайт. Скорость передачи данных определяет максималь- нроупюупскную способность памяти (в мегабайтах в секунду или гигабайтах в секунду) в оптимальном режиме доступа. При этом учитывается время доступа к памяти, ширина шины и дополнительные возможности, такие как передача не- скольких сигналов за один такт работы. Одинаковые по объему модули могут иметь разные скоростные характеристики.

Иногда в качестве определяющей характеристики памяти используют время доступа. Оно измеряется в миллиардных долях секунды (наносекундах, нс). Для современных модулей памяти это значение может составлять 5 нс, а для особо

бамыястиро, й п используемой в основном в видеокартах, — снижаться до 2–3 нс.

 

Процессор

Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Сре- ди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.

Сталоьсными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых ши- нами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Адресная шина.У процессоров семейства Pentium адресная шина 32-разряд- ная, то есть состоит из 32 параллельных проводников. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается про- цессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Шина данных.По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В современных персональных компью- терах шина данных, как правило, 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд.Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памя- ти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная, хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

Система команд процессора.В процессе работы процессор обслуживает дан- ные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть данных — как адресные данные, а часть — как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить про- цессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Про- цессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и невзаимозаменяемы.

Процессоры с расширенной и сокращенной системой команд.Чем шире набор системных команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее формальная запись команды (в байтах), тем выше средняя продолжительность

 

исполнения одной команды, измеренная в тактах работы процессора. Так, напри- мер, система команд процессоров семейства Pentium в настоящее время насчиты- вает более тысячи различных команд. Такие процессоры называют процессорами с расширенной системой команд — CISC-процессорами (CISC — Complex Instruction Set Computing).

В противоположность CISC-процессорам в середине 80-х годов появились процессоры архитектуры RISC с сокращенной системой команд (RISC — Reduced Instruction Set Computing). При такой архитектуре количество команд в системе намного меньше и каждая из них выполняется намного быстрее. Таким образом, программы, состоящие из простейших команд, выполняются этими процессорами мынсторгоееб. Оборотная сторона сокращенного набора команд состоит в том, что сложные операции приходится эмулировать далеко не эффективной последо- вательностью простейших команд сокращенного набора.

Втартеезуль конкуренции между двумя подходами к архитектуре процессоров

сложилось следующее распределение их сфер применения:

CISC-процессоры используют в универсальных вычислительных системах;

RISC-процессоры используют в специализированных вычислительных си-

слтиемах и операций.

устройствах, ориентированных на выполнение единообразных

Персональные компьютеры платформы IBM PC ориентированы на использо- вание CISC-процессоров.

Совместимость процессоров.Если два процессора имеют одинаковую систе- му команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это означает, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несо- вместимы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость, рассматривают как семейства процессоров.аТк, например, все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству x86. Родоначальником этого семейства был 16-раз- рядный процессор Intel 8086, на базе которого собиралась первая модель компью- тера IBM PC. Впоследствии выпускались процессоры Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, несколько моделей Intel Pentium; несколько моделей Intel Pentium MMX, модели Intel Pentium Pro, Intel Pentium II, Intel Celeron, Intel Xeon, Intel Pentium III, Intel Pentium 4, Intel Core и другие. Все эти модели, и не только они, а также многие модели процессоров компании AMD и некоторых других производителей относятся к семейству x86 (или к семейству x86-64) и обладают совместимостью по принципу «сверху вниз».

Принцип совместимости «сверху вниз» — это пример неполной совместимости,

кажогддыайк новый процессор «понимает» все команды своих предшественни-

ков, но не наоборот. Это естественно, поскольку двадцать лет назад разработчики процессоров не могли предусмотреть систему команд, нужную для современных программ. Благодаря такой совместимости на современном компьютере можно выполнять любые программы, созданные в последние десятилетия для любого из предшествующих компьютеров, принадлежащего той же аппаратной платформе.

 

Основные параметры процессоров.Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффи- циент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому

раразкнамым м процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо

выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит посте- пенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров x86 имели рабочее напряжение 5 В. С переходом к процессорам Intel Pentium оно было пони- жено до 3,3 В, а в настоящее время оно составляет менее 2 В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь элек- трического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепло- выделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры x86 были 16-разрядными. Начиная с процессора 80386, они имеют 32-разрядную архи- тектуру. Подавляющее большинство современных процессоров являются 64-раз- рядными, но они полностью поддерживают архитектуру x86.

В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных чспасоалхн.еИние каждой команды занимает определенное количество тактов. В настенных часах такты колебаний задает маятник; в ручных механических часах

иардухажзеитнныйп маятник; в электронных часах для этого есть колебательный

контур, задающий такты строго определенной частоты. В персональном компьюте- ре тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в еди- ницу времени, тем выше его производительность. Первые процессоры x86 могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты некоторых про- цессоров уже превосходят 3 миллиарда тактов в секунду (3 ГГц).

Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в от- личие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня базовая частота материнской платы составляет 100–200 МГц. Для получения более высо- ких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты. Коэффици- ент внутреннего умножения в современных процессорах может достигать 10–20 и выше.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того что- бы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область — так называемую кэш-память. Это как бы «сверх- оперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор

 

заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш.рПоцент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повы- шенным объемом кэш-памяти.

Нередко кэш-память распределяют по нескольким уровням. Кэш первого уров- ня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков килобайт. Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле. Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с часто- той ядра процессора.

Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы мо- гут достигать нескольких мегабайт, но работает она на частоте материнской платы.