Глава 2. Технические и программные средства информатики

 

2.1. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ

2.1.1. Принципы работы ЭВМ

Определение

Электронная вычислительная машина (ЭВМ), или компьютер, - это совокупность технических и программных средств, предназначенных для автоматизации процессов приема, хранения, обработки и передачи информации.

Если говорить о терминологии, используемой в информатике, то, учитывая передовые позиции, которые занимают англоязычные страны в этой науке, большинство названий имеют английское происхождение. Так, вместо названия «ЭВМ» в литературе чаще можно встретить слово «компьютер» (от англ. computer - вычислитель). Поэтому в дальнейшем будем использовать эти слова как синонимы.

Основы функционирования ЭВМ (электронная вычислительная машина) были сформулированы Джоном фон Нейманом в 1945 г. в виде трех общих принципов: программного управления, однородности памяти и адресности. Для реализации этих принципов была предложена структура ЭВМ (рис. 2.1), которая использовалась в первых двух поколениях, но основные узлы сохранились и в современных ЭВМ.

Основными блоками ЭВМ являются: устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), устройства ввода и вывода. В современных компьютерах арифметикологическое устройство и устройство управления объединены в один блок, который называется процессором. На рис. 2.1 сплошной линией показано направление потоков информации, а пунктирной - команды от устройства управления.

Рис. 2.1. Структурная схема ЭВМ

Назначение основных блоков ЭВМ заключается в следующем. АЛУ предназначено для выполнения арифметических и логических операций, именно в этом блоке происходит решение задач. ЗУ хранит исходные данные, промежуточные и окончательные результаты решения задачи, а также программу решения задачи. ЗУ подразделяется на оперативное ЗУ, которое взаимодействует с АЛУ и должно обладать высоким быстродействием, и более медленно действующее внешнее ЗУ, где хранятся данные, временно не используемые в вычислительном процессе. Этим реализуется принцип однородности памяти, заключающийся в том, что данные и программы хранятся в памяти ЭВМ. УУ организует процесс решения задачи и синхронизирует работу всех устройств ЭВМ. Устройства ввода и вывода предназначены для ввода исходных данных и программ, а также для вывода результатов решения задач.

Решение задачи на ЭВМ в соответствии принципами фон Неймана происходит без вмешательства человека, что осуществляется программой, хранимой в памяти ЭВМ. Решение задач в ЭВМ выполняется по следующей схеме. В память машины с помощью устройства ввода заносятся программа и исходные данные.

 

Определение

Программа - набор команд, понятных компьютеру, выполнение которых позволяет решить конкретную задачу за конечное число шагов.

Программа и исходные данные хранятся в памяти по соответствующим адресам, что соответствует принципу адресности, т. е. все пространство памяти состоит из пронумерованных ячеек, и по команде содержимое любой ячейки может быть направлено в АЛУ. Каждая команда представляет собой двоичное число - машинный код (рис. 2.2), который содержит следующую информацию:

• код операции - двоичное число, обозначающее арифметическую или логическую операцию;

• A ₁ - адрес, под которым в ОЗУ хранится первое число, участвующее в операции;

• A ₂ - адрес, под которым в ОЗУ хранится второе число, участвующее в операции;

• A ₃ - адрес, куда заносится результат операции.

Рис. 2.2. Машинная команда

В УУ имеется специальный регистр, который называется счетчиком команд. В него заносится номер (адрес) ячейки памяти, из которой в УУ будет извлечена очередная команда. В УУ эта команда расшифровывается, и управляющие команды поступают в ОЗУ для считывания необходимых данных и направления их в АЛУ, а команды в АЛУ выполняют необходимые операции. После завершения операции по команде УУ результат заносится в ОЗУ по указанному адресу. После этого в счетчик команд добавляется единица, и УУ переходит к выполнению следующей, очередной команды. Таким образом, последовательно выполняются все команды программы, что приводит к решению задачи.

 

В программе могут быть предусмотрены переходы при выполнении некоторых логических условий, при разветвлении программы или неоднократное обращение к фрагментам программы при организации цикла. После завершения вычисления из УУ поступают команды на выдачу результатов вычислений в устройство вывода информации или на хранение в ОЗУ. На этом работа ЭВМ по решению задачи заканчивается.

Описанная структура и функционирование ЭВМ относятся к машинам первого и второго поколений. Естественно, что с развитием технологии производства ЭВМ и совершенствования программного обеспечения (ПО) структура претерпевала некоторые изменения. Прежде всего это коснулось взаимодействия электронной части ЭВМ, а именно - процессора и механических устройств ввода-вывода информации, медленная работа которых значительно снижала быстродействие процессора. Были разработаны специальные электронные схемы управления внешними устройствами - контроллеры. Контроллер имеет собственную программу работы с внешними устройствами, что освобождает центральный процессор от управления периферийными устройствами.

Кроме того, изменилась внутренняя структура ЭВМ. Одно из достижений фирмы IBM состоит в использовании магистрального принципа построения ЭВМ, или использовании общей шины (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Структура общей шины ЭВМ

Шина состоит из трех частей:

• шина данных, по которой передается необходимая информация;

• шина адреса для передачи адреса ячейки памяти или устройства, с которым будет происходить обмен информацией;

• шина управления, по которой передается команда выполняемой операции.

Так, при считывании числа из памяти на шине адреса указывается адрес ячейки памяти, по шине управления передается команда на считывание информации, и содержимое ячейки передается по шине данных.

 

Магистральная структура позволяет через контроллер подключить к компьютеру различные внешние устройства в зависимости от решаемой задачи и скомпоновать конфигурацию машины, необходимую пользователю. В машинах третьего и четвертого поколений появились устройства вывода информации на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) - дисплеи.

Дисплеи, не имея механических составляющих, позволяют достаточно оперативно отражать необходимую информацию на экране ЭЛТ. Для формирования видеокартинки используется видеопамять, объем которой зависит от характера информации и количества цветов изображения. Конструктивно видеопамять может представлять собой обычное ОЗУ или находиться в контроллере дисплея.

Таким образом, внутренняя структура и организация вычислительного процесса совершенствовались из поколения в поколение и существенно зависели от назначения ЭВМ.

По мере развития ЭВМ улучшались и их функциональные характеристики. Основными характеристиками ЭВМ являются следующие.

• Скорость выполнения операций, или быстродействие. Учитывая, что скорость выполнения операций зависит от формы представления числа (с плавающей или фиксированной точкой), быстродействие ЭВМ оценивается приблизительно. Поэтому для характеристики быстродействия используют тактовую частоту, так как выполнение каждой операции происходит за определенное число тактов. Так, микропроцессор с частотой 100 МГц выполняет 20 млн коротких операций в секунду (сложение и вычитание чисел с фиксированной запятой). Следовательно, чем выше тактовая частота, тем больше производительность ЭВМ. Часто в качестве характеристики быстродействия ЭВМ используют связанную с ней характеристику - производительность, которая определяет объем задач, решаемых ЭВМ в единицу времени.

• Разрядность машины и шин интерфейса. Разрядность определяется максимальным количеством разрядов, которые одновременно хранятся или передаются по шинам интерфейса. Длина разрядной сетки определяет производительность ЭВМ и точность вычислений. Чем больше разрядов, тем выше скорость обработки и выше точность вычислений. Современные компьютеры являются 32- или 64-разрядными. С помощью языков программирования возможно увеличить разрядность ЭВМ в несколько раз и тем самым достичь более высокой точности.

• Емкость запоминающих устройств. Емкость памяти позволяет определить объем информации (данных и программ), которые могут храниться в оперативной и внешней памяти. Емкость памяти определяет возможности использования различных программных пакетов и объемов обрабатываемой информации.

 

2.1.2. Классификация ЭВМ

За все время существования ЭВМ разработаны сотни и тысячи различных моделей. В настоящее время в мире эксплуатируются разнообразные вычислительные средства, предназначенные для решения различных задач. Предложено несколько классификаций ЭВМ: по типоразмерам, по специализации, по совместимости, по типу процессора. Однако, учитывая высокие темпы развития технических и программных средств информатики, эти классификации условны. Наиболее общей является классификация по назначению, согласно которой ЭВМ можно разделить на следующие типы.

СуперЭВМ. Основу суперкомпьютеров составляют более тысячи параллельно работающих процессоров, что позволяет значительно увеличить скорость обработки информации. Суперкомпьютеры занимают большие площади и требуют специальных систем кондиционирования воздуха. Эти ЭВМ предназначены для решения глобальных задач, таких как: сбор и обработка метеорологической информации в масштабах всей Земли, управление системами противоракетной обороны, моделирование задач ядерной физики, расшифровка генома человека и т. п.

 

Большие универсальные ЭВМ (mainframe) представляют собой вычислительные системы, обеспечивающие совместную деятельность многих управленческих работников в рамках одной организации, одного проекта, одной сферы информационной деятельности при использовании одних и тех же информационно-вычислительных ресурсов. Машины этого типа постепенно сменяют серверные компьютеры.

Серверы предназначены для обслуживания локальных и глобальных компьютерных сетей. Серверы имеют один или несколько процессоров, накопители с большим объемом памяти и подключены к каналам связи. С помощью каналов связи к серверу подключаются терминалы или ПК, которые пользуются ресурсами сервера для хранения и обработки информации.

Промышленные ЭВМ встраиваются в промышленное оборудование для обработки информации и управления промышленным объектом. Такие компьютеры оснащены универсальными процессорами, но имеют специализированное программное обеспечение. Так, каждый военный или пассажирский самолет имеет бортовой компьютер для контроля и управления работой всех приборов и устройств самолета, а также для его управления в режиме автопилота.

Персональные ЭВМ представляют собой вычислительные системы, все ресурсы которых полностью направлены на обеспечение деятельности одного рабочего места пользователя.

Персональные компьютеры в свою очередь имеют множество разновидностей как по габаритам, так и по вычислительным возможностям. Каждый человек, желающий приобщиться к компьютерной обработке или получению необходимой информации, может подобрать ПК, отвечающий его запросам и финансовым возможностям. На рис. 2.4 приведена классификация ПК.

Рис. 2.4. Классификация ПК

Рис. 2.5. Стационарный компьютер

Стационарные ПК - настольные ЭВМ, состоящие из системного блока, клавиатуры для ввода информации, монитора, предназначенного для отображения информации, и мыши (рис. 2.5).

 

Моноблоки - это настольные компьютеры, отличительной особенностью которых является «встроенный» в монитор системный блок. В результате создается ложное впечатление, что системный блок отсутствует. Все комплектующие для моноблоков специально разработаны и переделаны под новый компьютерный стандарт, чтобы уместить их под тонким дисплеем. С виду моноблок выглядит как обычный монитор, но по бокам и на задней стенке у него находятся всевозможные разъемы, а у некоторых моделей и DVD-привод (рис. 2.6). В связи с тем, что все комплектующие встроены в дисплей устройства, нет необходимости в лишних проводах, тянущихся от монитора к системному блоку. Традиционная для большинства моделей комплектация беспроводной клавиатурой и мышью также вписывается в концепцию «минимум проводов».

Рис. 2.6. Внешний вид современного моноблока

Моноблоки оснащаются мобильными процессорами и системой охлаждения, свойственной ноутбукам, что обеспечивает их бесшумную работу. С точки зрения технической оснащенности все моноблоки можно разделить на три основные группы. Первая - бюджетная - предназначена для выполнения базовых задач, связанных с офисными приложениями, навигацией и общением в Интернете, а также воспроизведением музыки, видео и несложных компьютерных игр. Такие моноблоки, как правило, построены на базе мобильных процессоров, характерных для нетбуков. Мультимедийные модели имеют более мощные процессоры, сенсорный экран и дискретную видеокарту. Такие моноблоки могут стать домашним центром развлечений, оптимальным для воспроизведения музыки, видео и фотографий. Модели топ-класса предназначены для работы с ресурсоемкими графическими приложениями и для современных компьютерных игр, так как оснащены многоядерными процессорами, мощными видеокартами, сенсорными экранами.

 

Переносные, или мобильные ПК представляют собой ЭВМ, меньшие по размеру, чем стационарные, имеющие автономное питание, системный блок, монитор и клавиатуру, размещенные в одном корпусе. Такие персональные компьютеры имеют вычислительные характеристики, сравнимые со стационарными ПК, но значительно меньший вес, что позволяет использовать их вне дома и офиса, во время поездок и на отдыхе. В настоящее время более 80% пользователей работают на мобильных ПК.

Ноутбук (от англ. notebook - блокнот) сравним по функциональным возможностям со стационарным ПК, использует те же операционные системы, имеет размеры небольшой книги (толщина 2-5 см), вес от 1,5 до 3,5 кг. Ноутбуки имеют компоненты с пониженным энергопотреблением и могут автономно работать от 6 до 12 ч. Для отображения информации используют жидкокристаллические дисплеи до 17 дюймов (рис. 2.7).

Нетбуки (netbook), или субноутбуки (subnotebook) имеют меньшие габариты, чем ноутбуки (размер экрана 6-12 дюймов). Отсутствие дисковода, а иногда замена жесткого диска на флеш-память снижают вес ПК и увеличивают время автономной работы.

Планшетные компьютеры имеют сенсорный экран, а некоторые и специальное перо, с помощью которого вводится печатный текст, рисунки, данные и т. д. Функциональные возможности соответствуют хорошим ноутбукам, вес - до 2 кг, размер дисплея - до 13,3 дюймов (рис. 2.8).

Ноутбуки-трансформеры - это отдельный класс устройств, в котором идеально сочетаются преимущества планшета и вычислительной машины с клавиатурой (ноутбука). Сенсорное управление является одной из сильных сторон таких устройств. Ими можно управлять с помощью пальцев (или стилуса) без использования мыши. Интерфейс у них ориентирован на использование возможностей сенсорного ввода.

 

Рис. 2.7. Ноутбук

Рис. 2.8. Планшетный компьютер

Такие ноутбуки являются симбиозом функциональности и производительности, со всеми удобствами применения. Большинство современных ноутбуков не имеет сенсорного дисплея, а для их использования нужна горизонтальная поверхность. Ноутбуки-трансформеры, обладая всеми преимуществами обычных ноутбуков, предоставляют пользователю более высокую гибкость и легко превращаются в планшеты, которые удерживаются на ладони (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Ноутбуки-трансформеры

Карманные компьютеры (palmtop - наладонные) - полноправные ПК, имеющие большие функциональные возможности, цветной дисплей, клавиатуру, большую автономность работы. Вес - 100-300 г, размер - порядка 150x80x15 мм (рис. 2.10).

Смартфоны (коммуникаторы) - сотовые телефоны с компьютерными возможностями и сетевыми функциями (рис. 2.11). Современные смартфоны можно сравнить с планшетными ПК. Последним они лишь уступают в размерах, а функционально и по технической мощности лучшие смартфоны уже конкурируют с планшетными ПК.

Рис. 2.10. Карманный персональный компьютер

Рис. 2.11. Смартфон

Рис. 2.12. Электронный секретарь

Электронные секретари (hand help - ручной помощник) предназначены для организации различных справочников, адресов, телефонов, списка текущих дел, распорядка дня и т. п. Имеют встроенные текстовые и графические редакторы, электронные таблицы. Вес - не более 0,5 кг (рис. 2.12).

Электронные записные книжки (organizer - органайзер) используют для записи и редактирования необходимых документов, хранения адресов и телефонов, распорядка дня и встреч. Имеется звуковой сигнал для напоминания о встрече. Вес - до 200 г (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Электронные записные книжки: а - клавиатурная; б - сенсорная

 

2.1.3. Структурная схема ПК

Определение

Структура ЭВМ - совокупность основных блоков, определяющих состав и принципы их взаимодействия в процессе обработки информации.

Структурная схема стационарного ПК представлена на рис. 2.14. Главной особенностью ПК типа IBM PC является использование системной шины (магистрали), к которой подсоединяются основные модули ПК. Шина представляет собой совокупность кабелей, используемых для передачи данных, адресов и управляющих сигналов. Количество проводов для передачи данных и адресов определяется разрядностью кодов адресов и данных, а в шине управления - числом управляющих сигналов. Все блоки ПК подключены к шине с помощью разъемов либо непосредственно, либо через контроллеры. При наличии свободных разъемов возможно подключение дополнительных устройств, например, модема для подключения к Интернету.

Рис. 2.14. Структурная схема персонального компьютера

Центральным устройством ПК является микропроцессор, который выполняет основные функции обработки информации и управления всеми блоками ПК. Микропроцессор состоит из:

• арифметико-логического устройства (АЛУ), где выполняются все арифметические и логические операции над числовой и символьной информацией;

• устройства управления (УУ), которое формирует адреса ячеек памяти для направления их содержимого в АЛУ, расшифровывает команды программы и управляет работой АЛУ, подает управляющие сигналы во все блоки машины;

• микропроцессорной памяти (МПП), или регистров, предназначенных для кратковременного хранения данных и адресов, используемых в работе АЛУ, применение регистров повышает быстродействие МП, так как скорость обмена информацией между регистром и АЛУ выше, чем между ОЗУ и АЛУ;

• схем управления шиной, которые реализуют сопряжение и связь МП с другими устройствами ПК.

 

Непосредственную связь с системной шиной имеет внутренняя память, которая делится на постоянную (ПЗУ) и оперативную (ОЗУ). ПЗУ используется для хранения неизменной информации, которая постоянно используется МП, в частности, базовой системой вводавывода (Basic Input/Output System, BIOS). Программы ПЗУ начинают работать при включении компьютера.

ОЗУ построено на СБИС (сверхбольшая интегральная схема) и является энергозависимым, т. е. при отключении питания информация в ОЗУ стирается. ОЗУ предназначено для хранения программ и данных, непосредственно участвующих в вычислительном процессе. ОЗУ обладает высокой скоростью записи и считывания информации по сравнению с внешней памятью. Объем ОЗУ измеряется в мегабайтах, иногда адресное пространство расширяется до гигабайтов.

Внешняя память ПК включает накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), на оптических дисках (НОД) и флеш-память.

Все устройства внешней памяти относятся к энергонезависимым, поэтому предназначены для длительного хранения информации, а также переноса ее с одного компьютера на другой.

Для управления работой внешних устройств используются контроллеры, или адаптеры (от англ. to adapt - приспосабливать). Контроллеры выполнены на отдельных печатных платах, содержат регистры состояния и регистры данных. Эти регистры называются портами ввода-вывода. Они предназначены для подключения внешних устройств. К внешним устройствам ПК относятся устройства вводавывода информации, а также средства связи и телекоммуникации.

Работа контроллеров осуществляется по программе, которая называется драйвером и входит в состав операционной системы ПК.

В состав ПК входит генератор тактовых импульсов, который определяет скорость обработки информации. Чем выше частота тактовых импульсов, тем больше количество операций в единицу времени (в секунду) выполняет ПК.

Базовая конфигурация стационарного ПК включает следующие устройства:

• системный блок (для размещения основных элементов компьютера);

• клавиатуру (для ввода символов в компьютер);

• монитор (для отображения текстовой и графической информации);

• мышь (для ввода символов в компьютер и управления курсором).

 

2.1.4. Состав персонального компьютера

Конструктивно стационарный ПК выполнен в виде системного блока (рис. 2.15), к которому через разъемы подключаются внешние устройства. В состав системного блока входят: материнская плата, блок питания, внешние накопители, контроллеры, разъемы или порты, корпус.

На передней панели системного блока расположены кнопки включения компьютера. Кнопка Power предназначена для выключения и включения компьютера. Кнопка Reset служит для перезапуска ПК, если в результате сбоя в работе программы или оборудования он не реагирует на команды, т. е. «компьютер завис».

На передней панели имеется дисковод с выдвижным лотком, предназначенный для работы с компактными дисками (CD-ROM и DVDROM). В нижней части обычно расположены два универсальных разъема USB, квадратное гнездо порта FireWire и гнездо для подключения наушников и микрофона. На задней панели имеются другие разъемы для подключения внешних устройств.

Рис. 2.15. Системный блок

Материнская плата

Материнская плата (motherboard) является основной составной частью каждого ПК. Это самостоятельный элемент, который управляет внутренними связями и взаимодействует через прерывания с другими внешними устройствами. В этом отношении материнская плата является элементом внутри ПК, влияющим на общую производительность компьютера. Супербыстрый винчестер или высокопроизводительная графическая карта нисколько не смогут увеличить его производительность, если тормозится поток данных к материнской плате и от нее. Материнскую плату также называют главной (mainboard), или системной платой.

Рис. 2.16. Материнская плата

 

На материнской плате размещены (рис. 2.16):

• разъем для подключения микропроцессора;

• набор системных микросхем (чипсет);

• микросхема ПЗУ, содержащая программы ввода-вывода (BIOS);

• микросхема CMOS-памяти;

• разъемы для подключения модулей оперативной памяти (DIMM);

• наборы микросхем и разъемы для системных, локальных и периферических интерфейсов и т. д.

Кроме того, на материнской плате имеется система шин, обеспечивающая обмен информации между микросхемами и разъемами для подключения внешних устройств.

Размеры материнской платы нормированы. Также стандартизованы и отверстия внутри платы, которые соединяют ее с дном корпуса. Поэтому говорят не о размерах, а о типоразмерах материнских плат.

Чипсет (chipset) - это набор микросхем, установленных на материнской плате для обеспечения работы процессора по обмену данными с периферийными устройствами. В настоящее время именно чипсет определяет как производительность, так и саму архитектуру материнской платы.

Микросхема ПЗУ является энергонезависимой памятью, которая хранит программу BIOS (Basic Input/Output System - базовая система ввода-вывода). Программа BIOS начинает работать при включении компьютера и осуществляет тестирование основных устройств. Если устройства обнаружены и работают, то программа устанавливает связь системной платы с устройствами, подключает жесткий диск и осуществляет процесс загрузки операционной системы.

Важным элементом на системной плате является CMOS-память (complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor - комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник), которая питается от аккумулятора и сохраняет информацию при отключении компьютера от сети. Память хранит информацию о параметрах устройств, входящих в ПК, а также некоторые настройки системы, текущую дату и время, пароль на вход в компьютер. Эта информация может изменяться по мере необходимости. Программа BIOS берет необходимую информацию об изменяемых параметрах ПК из этой памяти.

 

Процессор

Стержень материнской платы - процессор, или главный процессор (central processing unit, CPU), который регулирует, управляет и контролирует рабочий процесс. Микропроцессор (МП) - это полупроводниковое устройство, состоящее из одной или нескольких программно-управляемых СБИС, включающее все средства, необходимые для обработки информации и управления, и рассчитанное на совместную работу с устройствами памяти и ввода-вывода информации (рис. 2.17).

Для выполнения арифметических операций с плавающей точкой имеется специальный арифметический процессор, называемый сопроцессором. В отличие от процессора он не управляется системой, а ждет команду процессора на выполнение арифметических вычислений и формирование результатов. Согласно заявлениям фирмы Intel по сравнению с процессором арифметический сопроцессор может уменьшить время выполнения арифметических операций, таких как умножение и возведение в степень, на 80% и более. Скорость выполнения сложения и вычитания, как правило, остается без изменения.

Сопроцессор является только обиходным названием для этого чипа. Полностью он называется математическим сопроцессором, или Numeric Processing Unit (NPU), или Floating Point Processing Unit (FPPU).

Наличие сопроцессора на материнской плате не является обязательным, поэтому на его месте может оказаться пустой разъем для дальнейшей установки сопроцессора. В первую очередь область применения сопроцессоров - научно-технические приложения, связанные с выполнением большого количества арифметических операций. Однако это не является ограничением использования. Обычно NPPU ускоряет работу любой программы - даже программы обработки текстов, так как работа с текстовыми блоками и модулями требует сложных вычислений.

 

Рис. 2.17. Процессор фирмы Intel

Основными характеристиками процессора являются:

• система команд;

• разрядность;

• рабочая тактовая частота;

• количество элементов;

• размер кэш-памяти и др.

Система команд - вид и тип команд, автоматически выполняемых МП. Если компьютеры имеют процессоры с одинаковой системой команд, то все программы на них выполняются одинаково. Все МП по системам команд можно разделить на четыре группы.

• CISC (Complex Instruction Set Computer) - процессор с полной системой команд. Такие МП имеют большой набор микрокоманд (до 400), и на выполнение таких команд требуется несколько машинных тактов, что снижает быстродействие МП.

• RISC (Reduced Instruction Set Computer) - процессор с сокращенным набором команд. Эти МП имеют порядка 100 команд, которые выполняются за один машинный такт. МП RISC программно не совместимы с CISC-процессорами. В настоящее время МП RISC получили широкое распространение.

• MISC (Minimum Instruction Set Computer) - процессор с минимальным набором команд, в котором за счет увеличения разрядности повышено быстродействие.

• VLIW (Very Long Instruction Words) - процессор с системой команд сверхбольшой разрядности. Сверхдлинная команда позволяет в течение одного такта выполнить группу обычных команд. Такая технология применяется в мультимедийных процессорах.

Разрядность определяется числом двоичных разрядов, одновременно обрабатываемых при выполнении одной команды. Последние модели МП имеют 64-разрядную шину данных.

Рабочая тактовая частота определяет скорость выполнения операций (производительность) МП в секунду. Чем выше тактовая частота, тем короче интервал времени и больше команд выполняет МП в единицу времени. Тактовую частоту задает генератор тактовых импульсов, который находится на материнской плате. МП, используемые в настоящее время в ПК, имеют тактовую частоту несколько гигагерц.

 

Число элементов показывает количество активных элементов (транзисторов), которые умещаются на микросхемах. В первых МП количество транзисторов составляло порядка 30 тыс., в настоящее время этот показатель приближается к 1 млрд.

Кэш-память имеет два уровня: кэш-память первого уровня (L1), которая находится внутри основной микросхемы с объемом памяти до десятков килобайт, и кэш-память второго уровня (L2) с объемом от сотен до тысяч килобайт. Кэш-память второго уровня представляет собой микросхему и размещается отдельно на материнской плате.

Первый микропроцессор МП 4004 был изготовлен фирмой Intel (Integrated Electronics, США) в 1971 году. В дальнейшем компанией Intel было выпущено несколько поколений МП, причем каждое последующее значительно превосходило предыдущее по схемотехническим и технологическим характеристикам.

Президент фирмы Intel Гордон Мур сформулировал закон (закон Мура), согласно которому каждые полтора года частота МП будет удваиваться вместе с числом транзисторов на кристалле. Как видно из табл. 2.1, этот принцип выполнялся до 2005 г., однако в настоящее время толщина «подложки» транзисторов достигла 1 нм, и дальнейшее уменьшение транзисторов физически достигло предела. Поэтому были разработаны МП, в которых увеличение производительности достигнуто за счет параллельного выполнения вычислений. В 2005 г. фирмой Intel и почти одновременно компанией AMD (Advanced Micro Devices) были выпущены первые двухъядерные МП, состоящие из двух процессоров (у каждого свои АЛУ, МПП, кэш-память). Сейчас двухъядерные и четырехъядерные процессоры используются в ПК, однако в ближайшее время на смену им придут восьмиядерные. То есть закон Мура продолжает работать, практически каждый год количество ядер удваивается.

 

Таблица 2.1. Характеристики некоторых микропроцессоров фирмы Intel

Модель МП Intel	Разрядность данных/ адреса, бит		Тактовая частота, МГц	Число элементов	Кэш L1 и L2, Кбайт	Год выпуска
4004	4	4	0,108	2300	-	1971
8080	8	8	2,0	10 000	-	1974
8086	16	16	4,77 и 8	70 000	-	1979
8088	8,16	16	4,77 и 8	70 000	-	1978
80186	16	20	8 и 10	140 000	-	1981
80286	16	24	8-20	180 000	-	1982

Окончание табл. 2.1

Модель МП Intel	Разрядность данных/ адреса, бит		Тактовая частота, МГц	Число элементов	Кэш L1 и L2, Кбайт	Год выпуска
80386	32	32	16-50	275 000	8	1985
486	32	32	25-100	1,2 х 10^6	8	1989
Pentium	64	32	60-233	3,3 х 10^6	16	1993
Pentium Pro	64	32	150-200	5,5 х 10^6	16 и 256	1995
Pentium MMX	64	36	166-300	5 х 10^6	32	1997
Pentium II (Katmai)	64	36	233-600	7,5 х 10^6	32 и 512	1997
Celeron (Mendocino)	64	32	300-800	19 х 10^6	32 и 128	1998
Pentium III (Coppermine)	64	36	500-1000	28 х 10^6	32 и 256	1999
Pentium III Xeon	64	36	500-1000	30 х 10^6	32 и 256	1999
Pentium 4 (Willamette)	64	36	1000-3500	42 х 10^6	16 и 256	2000
Pentium 4 Notrhwood	64	36	1600-3400	55 х 10^6	16 и 512	2001
Pentium 4E (Prescott)	64	36	2800-3600	125 х 10^6	32 и 1024	2003
Pentium 4XE (Gallatine)	64	36	3200-3600	178 х 10^6	32 и 2048	2004
Pentium D 2 ядра	64	64	2800-3200	275 х 10^6	32 и 2048	2005
Intel Core 2 Quad, 4 ядра	64	64	2330-3200	582 х 10^6	32 и 2048	2007
Intel Core i7-5960X, 8 ядер	64	64	3000-3500	2600 х 10^6	2048 и 5120	2014

Оперативная память

Элементы памяти составляют основу внутреннего функционирования любой вычислительной системы, так как с их помощью данные хранятся и могут быть вновь прочитаны при дальнейшей обработке.

Чтобы процессор мог выполнять программы, они должны быть загружены в оперативную память (в область памяти, доступную для программ пользователя). Процессор имеет непосредственный доступ к данным, находящимся в оперативной памяти RAM (Random Access Memory - память с произвольным доступом), с другой же, «периферийной», или внешней, памятью (жестким диском) процессор работает через буфер, являющийся разновидностью оперативной памяти, недоступной пользователю. Только после того, как программное обеспечение будет считано в RAM с внешнего носителя данных, возможна дальнейшая работа системы в целом. Оперативная память представляет собой самую быструю запоминающую среду компьютера. Принципиально имеет значение то, что информация может быть как записана в нее, так и считана.

Оперативная память имеет свои достоинства и недостатки.

• Благодаря малому времени доступа к памяти скорость обработки данных существенно возрастает. Если бы информация считывалась только с внешних носителей, то пользователь проводил бы в ожидании завершения выполнения той или иной операции много времени.

• Недостаток оперативной памяти заключается в том, что она является временной памятью. При отключении питания оперативная память полностью «очищается», и все данные, не записанные на внешний носитель, будут навсегда потеряны.

ОЗУ состоит из множества запоминающих ячеек, каждая из которых имеет свой адрес. Данные в ячейках хранятся в двоичном коде (состоящем из 0 и 1) в виде числа определенной длины. Оперативная память может формироваться из микросхем статического (Static Random Access Memory, SRAM) и динамического (Dynamic Random Access Memory, DRAM) типа.

 

Статическая память построена на схемах с двумя устойчивыми состояниями, что соответствует записи 0 или 1. После записи информации в такую ячейку она может оставаться в этом состоянии до выключения питания. Ячейки SRAM имеют высокое быстродействие (единицы наносекунд), но для хранения одного бита требуется 6 транзисторов и высокое энергопотребление.