1. Функциональная и структурная организация ПК
1.1. Основные блоки ПК и их назначение
В настоящее время мировой парк компьютеров составляет более полумиллиарда штук, из них около 95% - это персональные компьютеры (компьютеров типа IBM PC более 80% всех ПК).
Персональные компьютеры (ПК) относятся к классу микрокомпьютеров, для удовлетворения требованиям общедоступности и универсальности применения должны обладать следующими качествами:
малая стоимость ПК, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;
автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;
гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптируемость к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;
дружественность операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;
высокая надежность работы (более 5000 часов наработки на отказ).
Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются персональные компьютеры фирмы IBM, первые модели которых появились в 1981 году, и их аналоги других фирм; существенно уступают по популярности ПК фирмы Apple (Macintosh), занимающие по распространенности 2-е место[12, c.94].
Самыми распространенными моделями компьютеров в настоящее время являются IBM PC с микропроцессорами Pentium 4 и Core 2.
Обобщенные характеристики современных персональных компьютеров IBM PC приведены в табл. 1.1 [6, c.73].
Таблица 1.1. Основные усредненные характеристики ПК IBM PC
| Параметр | Тип микропроцессора | ||||||
| 80486 DX | Pentium | Pentium Celeron | Pentium II | Pentium III | Pentium 4 | Core 2 Duo | |
| Тактовая частота,МГц | 50-100 | 75-200 | 330-800 | 220-500 | 500-900 | 1000-3600 | 1000-3000 |
| Разрядность, бит | 32 | 64 | 64 | 64 | 64 | 64 | 64 |
| Объем ОЗУ, Мбайт | 4,8,16 | 8,16,32 | 32,64,128 | 32,64,128 | 64,128,256 | 256,512, 1024 | 512,1024, 2048 |
| Объем кэш L2, Кбайт | 256 | 256,512 | 128,256 512,1024 | 256,512, 1024 | 256, 512, 1024 | 512,1024, 2048 | 2048,4096 |
| Емкость НМД,Гбайт | 0,8-2,0 | 1,0-6,4 | 4,3-20,0 | 6,4-20,0 | 10,0-50,0 | 100,0-250,0 | 100,0-1000,0 |
Персональные компьютеры можно классифицировать по ряду признаков.
По поколениям персональные компьютеры делятся следующим образом:
1-го поколения — используют 8-битовые микропроцессоры;
2-го поколения — используют 16-битовые микропроцессоры;
3-го поколения — используют 32-битовые микропроцессоры;
4-го поколения — используют 64-битовые микропроцессоры.
Классификация ПК по конструктивным особенностям показана на рис. 1.1.
| ПЕРСОНАЛЬНЫЕ ЭВМ |
| Стационарные (настольные) | Переносные |
| Портативные ПК | ПК - блокноты | Карманные ПК | Электронные секретари | Электронные записные книжки |
Рис. 1.1. Классификация ПК по конструктивным особенностям
Структурная схема персонального компьютера представлена на рис.1.(см. приложение А).
Наиболее важными компонентами любого компьютера, обусловливающими его основные характеристики, являются микропроцессоры, системные чипсеты и интерфейсы.
Микропроцессор (МП), или Central Processing Unit (CPU), - функционально- законченное программно управляемое устройство обработки информации выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.
Микропроцессор выполняет следующие функции:
вычисление адресов команд и операндов;
выборку и дешифрацию команд из основной памяти (ОП);
выборку данных из ОП, регистров МПП и регистров адаптеров внешних устройств (ВУ);
прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;
обработку данных и их запись в ОП, регистры МПП и регистры адаптеров ВУ;
выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК;переход к следующей команде.
Основными параметрами микропроцессоров являются:
разрядность;
рабочая тактовая частота;
виды и размер кэш-памяти;
состав инструкций;
конструктив;
энергопотребление;
рабочее напряжение и т. д. [8, c.173].
Разрядность шины данных МП определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции; разрядность шины адреса МП определяет его адресное пространство.
Адресное пространство - это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.
Рабочая тактовая частотаМП во многом определяет его внутреннее быстродействие, поскольку каждая команда выполняется за определенное количество тактов. Быстродействие (производительность) ПК зависит также и от тактовой частоты шины системной платы, с которой работает (может работать) МП
Кэш-память, устанавливаемая на плате МП, имеет два уровня:
L1 - память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы (ядра) МП и работающая всегда на полной частоте МП (впервые кэш L1 был введен в МП i486 и у МП i386SLC).
L2 - память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате МП и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной (впервые введен в МП Pentium Pro). Память L2 может работать на полной или половинной частоте МП. Эффективность этой кэш-памяти зависит и от пропускной способности микропроцессорной шины.
Состав инструкции - перечень, вид и тип команд, автоматически исполняемых МП. От типа команд зависит классификационная группа МП (CISC, RISC, VLIW). Перечень и вид команд определяют непосредственно те процедуры, которые могут выполняться над данными в МП, и те категории данных, над которыми могут быть применены эти процедуры. Дополнительные инструкции в небольших количествах вводились во многих МП (386,486, Pentium Pro и др.), но существенное изменение состава инструкций произошло в МП i386, Pentium ММХ, Pentium III, Pentium 4, Pentium D, Core Duo.
Конструктив - определяет те физические разъемные соединения, которые используются для установки МП, и которые определяют пригодность материнской платы для установки МП. Разъемы имеют разную конструкцию (Slot - щелевой разъем, Socket - разъем-гнездо), разное количество контактов, на которые подаются различные сигналы.
Рабочее(ие) напряжение(ия) также является фактором пригодности материнской платы для установки МП.
Все микропроцессоры можно разделить на группы:
CISC (Complex Instruction Set Command) с набором системы полных команд;
RISC (Reduced Instruction Set Command) с набором системы усеченных команд;
VLIW (Very Length Instruction Word) со сверхдлинным командным словом;
MISC (Minimum Instruction Set Command) с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием.
Системные платы и чипсеты
Системная (systemboard, SB), или объединительная, также часто называемая материнской (motherboard, MB), плата - это важнейшая часть компьютера, содержащая его основные электронные компоненты. С помощью системной платы (СП) осуществляется взаимодействие между большинством устройств машины [23, c.189].
Важным параметром системной платы является тактовая частота, на которой она работает, вернее, частота ее системной шины (FSB). Современные СП имеют рабочие частоты 266,400,533,800 и 1066 МГц. Этот параметр особенно сильно влияет на производительность ПК, выполняющего задания, не содержащие большого количества математических операций, а связанные с процедурами пересылки информации (например, большинство преобразований экономической информации).
Конструктивно СП настольного компьютера представляет собой печатную плату площадью 600-1000 см2, на которой размещается большое число различных микросхем, разъемов и других элементов. Существуют разновидности конструкции СП:
на плате жестко закреплены все необходимые для работы микросхемы - сейчас такие платы используются лишь в простейших домашних компьютерах, называемых одноплатными;
непосредственно на системной плате размещается лишь минимальное количество микросхем, а все остальные компоненты объединяются при помощи системной шины и конструктивно устанавливаются на дополнительных платах (платах расширения), устанавливаемых в специальные разъемы (слоты), имеющиеся на материнской плате; компьютеры, использующие такую технологию, относятся к вычислительным системам с шинной архитектурой.
Современные профессиональные персональные компьютеры имеют именно шинную архитектуру [4. с.25].
В качестве примера на рис. 1.2 показано размещение основных компонентов на мультимедийной СП ТС430НХ [6. с.155].
Рис. 1.2. Системная плата ТС430НХ
На рисунке показаны:
Интегральная схема звукового адаптера Yamaha OPL4-ML - звуковая карта с поддержкой табличного синтеза звука Wave Table.
Интегральная схема звукового адаптера Yamaha OPL3-SA - звуковая карта с поддержкой цифрового частотно-модулированного синтеза звука.
Вход CD-ROM audio.
Разъем для подключения внешнего звукового адаптера.
Разъем для подключения телефонной линии.
Интегральная схема стереоадаптера аудио.
Разъемы ввода-вывода на задней панели ПК.
Последовательный порт COM2.
Разъем типа Socket 7 для микропроцессора.
Микросхемы кэш-памяти 2-го уровня.
Разъем питания материнской платы (два раздельных напряжения питания, 2,8 и 3,3 В).
Регулятор напряжения.
Разъемы (слоты) для микросхем оперативной памяти.
Разъем для подключения вентилятора микропроцессора.
Разъем для подключения дисководов гибких дисков.
Набор системных микросхем - чипсет i430HX.
Разъемы передней панели.
Разъем первичного канала дискового интерфейса IDE.
Разъем вторичного канала дискового интерфейса IDE.
Аккумулятор для системы CMOS (в том числе и для внутреннего таймера).
Интегральная схема контроллера шин PCI/ISA/IDE.
Блок конфигурационных перемычек («джамперов»).
Пьезоэлектрический системный динамик.
Интегральная схема контроллера ввода-вывода (для универсальной шины USB), поддерживающего интерфейсы гибких дисков, последовательных и параллельного порта, часов реального времени (таймера), контроллера клавиатуры и т. д.
Видеопамять - память графики типа EDO.
Видеокарта - графический контроллер S3 VIRGE, поддерживающий растровую и трехмерную графику.
Разъемы шины расширения ISA.
Разъем для внешних адаптеров работы с видео.
Разъемы расширения локальной шины PCI [6. с.155].
В настоящее время десятки фирм выпускают большое число различных СП, отличающихся и конструктивно, и по типу поддерживаемых ими микропроцессоров, и по тактовой частоте их работы, и по величине рабочих напряжений и т. д.
От типа используемого на СП набора системных микросхем - чипсета зависят многие важные характеристики ПК. Чипсеты во многом определяют тактовую частоту шин СП, обеспечивают надлежащую работу микропроцессора, системной шины, интерфейсов взаимодействия с оперативной памятью и другими компонентами ПК. В частности, они содержат в себе контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти, микросхемы управления памятью и шиной - все те компоненты, которые в оригинальной IBM PC были собраны на отдельных микросхемах. Обычно в одну из микросхем набора входят также часы реального времени с CMOS-памятью и иногда - контроллер клавиатуры, однако эти блоки могут присутствовать и в виде отдельных микросхем. В последних разработках в состав наборов микросхем для интегрированных плат стали включаться и контроллеры внешних устройств [28, c.673].
Наиболее известные наборы микросхем для СП выпускает компания Intel. Известны такие ее чипсеты: 440ВХ, 440GX, 440ZX, чипсеты серий 700,800,900. Распространены также весьма удачные микросхемы фирмы VIA Technologies - VIA Apollo, фирм Acer Laboratories, Silicon Integrated System (SIS).
В 2005 году для МП Pentium 4 выпускались такие популярные чипсеты: i850, i845, i875, i865, SIS 645, VIA 266.
Основная память
Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
ПЗУ (ROM Read Only Memory) предназначено для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации; позволяет оперативно только считывать информацию, хранящуюся в нем (изменить информацию в ПЗУ нельзя);
ОЗУ (RAM Random Access Memory) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно - вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени [22, c.50].
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе в текущий интервал времени.
ОЗУ - энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация хранящаяся в ней, теряется. Как уже говорилось ранее, при выполнении сложных задач, для которых не хватает емкости оперативной памяти для размещения сразу всей информации, необходимой для их решения, увеличение объема ОЗУ приводит и к увеличению производительности ПК. Происходит это потому, что непосредственно в процессе решения приходится дополнительно обращаться к ВЗУ, и на это тратится много времени (быстродействие ВЗУ в миллионы раз меньше быстродействия ОЗУ).
Основу ОЗУ составляют микросхемы динамической памяти DRAM. Это большие интегральные схемы, содержащие матрицы МОП - транзисторов, использующих для хранения информации либо собственные паразитные емкости между затвором и истоком, либо дополнительные конденсаторы. Наличие заряда в конденсаторе обычно означает «1», отсутствие заряда - «О».
Конструктивно элементы оперативной памяти выполняются в виде отдельных модулей памяти - небольших плат с напаянными на них одной или, чаще, несколькими микросхемами. Эти модули вставляются в разъемы - слоты на системной плате. На СП может быть несколько групп разъемов - банков для установки модулей памяти; в один банк можно ставить лишь блоки одинаковой емкости, например, только по 128 Мбайт или только по 256 Мбайт; блоки разной емкости можно устанавливать только в разных банках [2. с.99].
Модули памяти характеризуются конструктивом, емкостью, временем обращения и надежностью работы. Важным параметром модуля памяти является его надежность и устойчивость к возможным сбоям. Надежность работы современных модулей памяти весьма высокая - среднее время наработки на отказ составляет сотни тысяч часов, но тем не менее предпринимаются и дополнительные меры повышения надежности. Здесь лишь укажу, что одним из направлений, повышающих надежность функционирования подсистемы памяти, является использование специальных схем контроля и избыточного кодирования информации.
Модули памяти бывают с контролем четности (parity) и без контроля четности (non parity) хранимых битов данных. Контроль по четности позволяет лишь обнаружить ошибку и прервать исполнение выполняемой программы. Существуют и более дорогие модули памяти с автоматической коррекцией ошибок - ЕСС- память, использующие специальные корректирующие коды с исправлением ошибок.
Существуют следующие виды модулей оперативной памяти: DIP; SIP; SIPP; SIMM; DIMM; RIMM.
Различают следующие типы оперативной памяти: FPM DRAM; RAM EDO; BEDO DRAM; SDRAM; DDR SDRAM; DRDRAM.
Внешняя память
Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память представлена разнообразными видами запоминающих устройств, но наиболее распространенными из них, имеющимися практически на любом компьютере, являются показанные на структурной схеме (см. приложение А) накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.
Назначение этих накопителей - хранение больших объемов информации, запись и выдача информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД и НГМД конструктивно, объемами хранимой информации и временем ее поиска, записи и считывания. В качестве устройств внешней памяти широко используются также накопители на оптических дисках (CD - Compact Disk, DVD — Digital Versatile Disk), накопители на флэш-дисках и реже - запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (НКМЛ, стримеры) и накопители на магнитооптических дисках (НМОД) [16. с.744].
Источник питания
Источник питания - блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.
Таймер
Таймер - внутримашинные электронные часы реального времени, обеспечивающие, при необходимости, автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания - аккумулятору и при отключении машины от электросети продолжает работать.
Внешние устройства
Внешние устройства (ВУ) ПК - важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса, достаточно сказать, что стоимость ВУ составляет до 80-85% стоимости всего ПК[13].
ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами. К внешним устройствам относятся:
внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;
диалоговые средства пользователя;
устройства ввода информации;
устройства вывода информации;
средства связи и телекоммуникаций.
Диалоговые средства пользователя включают в свой состав:
видеомонитор (видеотерминал, дисплей) - устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации;
устройства речевого ввода-вывода - быстро развивающиеся средства мультимедиа. Это различные микрофонные акустические системы, «звуковые мыши» со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и кодировать; синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.
К устройствам ввода информации относятся:
клавиатура - устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;
графические планшеты (дигитайзеры) устройства для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;
сканеры (читающие, автоматы) - оборудование для автоматического считывания с бумажных и пленочных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;
устройства целеуказания (графические манипуляторы), предназначенные для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК (джойстик - рычаг, мышь, трекбол - шар в оправе, световое перо и т. д.):
сенсорные экраны - для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с экрана дисплея в ПК.
К устройствам вывода информации относятся:
принтеры — печатающие устройства для регистрации информации на бумажный или пленочный носитель;
графопостроители (плоттеры) - устройства для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель.
Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т. п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим компьютерам и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы и карты - сетевые адаптеры, «стыки», мультиплексоры передачи данных, модемы - модуляторы (демодуляторы)).
Мультимедиа (multimedia, «многосредовость») - это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и т. д. [14. с.276.] К средствам мультимедиа относятся устройства речевого ввода и устройства речевого вывода информации; микрофоны и видеокамеры, акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами; звуковые и видеоадаптеры, платы видеозахвата снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК; широко распространенные уже сейчас сканеры, позволяющие автоматически вводить в компьютер печатные тексты и рисунки; наконец, внешние запоминающие устройства большой емкости на оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.
Накопители на жестких магнитных дисках
Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД, жесткие диски, Hard Disk Drive - HDD) представляют собой устройства, предназначенные для длительного хранения информации. В качестве накопителей на жестких магнитных дисках широкое распространение в ПК получили накопители типа винчестер. Термин «винчестер» является жаргонным названием 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». В этих накопителях один или несколько жестких дисков, изготовленных из сплавов алюминия или из керамики и покрытых ферролаком, вместе с блоком магнитных головок считывания (записи) помещены в герметически закрытый корпус. Под дисками расположен двигатель, обеспечивающий вращение дисков, а слева и справа - поворотный позиционер с коромыслом, управляющим движением магнитных головок по спиральной дуге для их установки на нужный цилиндр. Емкость винчестеров благодаря чрезвычайно плотной записи, выполняемой магниторезистивными головками в таких герметических конструкциях, достигает нескольких десятков гигабайт; быстродействие их также весьма высокое: время доступа от 5 мс, трансфер до 6 Гбайт/с. Магниторезистивные технологии обеспечивают чрезвычайно высокую плотность записи, позволяющую размещать 2-3 Гбайт, данных на одну пластину (диск). Появление же головок с гигантским магниторезистивным эффектом (GMR-Giant Magnetic Resistance) увеличило плотность записи - возможная емкость одной пластины возросла до 6,4 Гбайт. При технологии перпендикулярной записи (магнитные домены формируются перпендикулярно к поверхности диска) эта емкость возросла до 300 и более гигабайт[25. с.329].
НЖМД весьма разнообразны. Диаметр дисков чаще всего 3,5 дюйма (89 мм). Наиболее распространенная высота корпуса дисковода: 25 мм - у настольных ПК, 41 мм, у машин-серверов, 12 мм - у портативных ПК, существуют и другие. Внешние дорожки диска длиннее внутренних. Поэтому в современных жестких дисках используется метод зонной записи. В этом случае все пространство диска делится на несколько зон, причем во внешних зонах размещается больше секторов данных, чем во внутренних. Это, в частности, позволило увеличить емкость жестких дисков примерно на 30%.
Есть два основных режима обмена данными между HDD и ОП:
Programmed Input/Output (PIO - программируемый ввод-вывод);
Direct Memory Access (DMA-прямой доступ к памяти).
РIO - это режим, при котором перемещение данных между периферийным устройством (жестким диском) и оперативной памятью происходит с участием центрального процессора. Существуют следующие режимы передачи: PIO0, PIO1, РIO2, РIOЗ, РIO4. Причем PIO0 самый «медленный», а РIO4 - самый «быстрый» (16,6 Мбайт/с). Режимы РIO в современных ПК используются редко, поскольку сильно загружают процессор.
DMA - это режим, в котором винчестер напрямую общается с оперативной памятью безучастия центрального процессора, перехватывая управление шиной. Режимы DMA при интерфейсах IDE поддерживают протоколы SW (SingleWord - однословный) и MW (MultiWord - «многословный»), обеспечивающие трансфер до 66 Мбайт/с (при протоколе MW3 DMA). При интерфейсах SCSI может быть достигнута более высокая скорость передачи. Так, (Ultra2 Wide - SCASI работает на тактовой частоте 40 МГц; имеет Widе (ширину шины) 16 битов) и обеспечивает пропускную способность 80 Мбайт/с, при этом позволяет подключать до 15 накопителей к одному контроллеру интерфейса. А технология FC-AL (Fibre Channel-Arbitrated Loop), использующая оптоволоконные каналы связи для жестких дисков SCSI, обеспечивает трансфер 200 Мбайт/с и возможность подключения до 256 устройств (используется, естественно, не в ПК, а в больших системах и в дисковых массивах - RAID).
Время доступа к информации на диске напрямую связано со скоростью вращения дисков. Стандартные скорости вращения для интерфейса IDE - 3600, 4500, 5400 и 7200 оборотов/мин; при интерфейсе SCSI используются скорости до 10 000 и даже до 15 000 оборотов/мин. При скорости 10 000 оборотов/мин среднее время доступа составляет 5,5 мс. Для повышения скорости обмена данными процессора с дисками НЖМД следует кешировать. Кэш-память для дисков имеет то же функциональное назначение, что и кэш для основной памяти, то есть служит быстродействующим буфером для кратковременного хранения информации, считываемой или записываемой на диск. Кэш-память может быть на флэш-памяти, встроенной в дисковод, а может создаваться программным путем (например, драйвером Microsoft Smartdrive) в оперативной памяти. Емкость кэш-памяти диска обычно составляет 2-4 Мбайт, реже - 8 Мбайт, а скорость обмена данными процессора с кэш-памятью достигает 100 Мбайт/с. Для того чтобы получить на магнитном носителе структуру диска, включающую в себя дорожки и секторы, над ним должна быть выполнена процедура, называемая физическим, или низкоуровневым, форматированием (physical или low-level formatting). В ходе выполнения этой процедуры контроллер записывает на носитель служебную информацию, которая определяет разметку цилиндров диска на секторы и нумерует их. Форматирование низкого уровня предусматривает и маркировку дефектных секторов для исключения обращения к ним в процессе эксплуатации диска[30].
Существует и технология SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology) - технология самотестирования и анализа, осуществляющая автоматическую проверку целостности данных, состояния поверхности дисков, перенос информации с критических участков на нормальные и другие операции без участия пользователя. Кроме того, при появлении и нарастании серьезных ошибок, SMART своевременно выдает сообщение о необходимости принятия мер по спасению данных.
В ПК имеется обычно один, реже несколько, накопителей на жестких магнитных дисках. Однако в MS-DOS программными средствами один физический диск может быть разделен на несколько «логических» дисков; тем самым имитируется несколько НМД на одном накопителе [5. с.413].
1.2. Анализ современных аппаратных средств ПК
Большинство современных ПК типа IBM PC используют МП типа CISC, выпускаемые многими фирмами: Intel, AMD, Cyrix, IBM и др. «Законодателем мод» здесь выступает Intel, но ей «на пятки» наступает AMD, в последние годы создавшая МП, по некоторым параметрам превосходящие «интеловские». Все же пока МП фирмы Intel имеют большее распространение[12. с.94].
Следует знать следующее:
у микропроцессоров 80386 (386), 80486 (486) есть модификации с буквами SX, DX, SL и т. д., отличающиеся от базовой модели разрядностью шины, тактовой частотой, надежностью, габаритами, потреблением энергии, амплитудой напряжения и другими параметрами;
микропроцессоры Pentium - Pentium 4 имеют много различных модификаций, некоторые из них будут названы ниже;
число элементов - это количество элементарных полупроводниковых переходов, размещенных в интегральной схеме МП. Технология обычно характеризуется размером элемента в микронах (микронная технология);
микропроцессоры 486DX и выше имеют встроенный математический сопроцессор, могут работать с умножением внутренней частоты. С увеличенной частотой работают только внутренние схемы МП, все внешние по отношению к МП схемы, в том числе расположенные на системной плате, работают с обычной частотой;
у МП 80286 и выше конвейерное выполнение команд. В МП 286 предусмотрены регистры для очереди команд общим размером 6 байт, в МП 486 - 16 байт и т. д. Конвейерное выполнение команд - это одновременное выполнение разных тактов последовательных команд в разных частях МП при непосредственной передаче результатов из одной части МП в другую. Конвейерное выполнение команд увеличивает эффективное быстродействие ПК в 2-5 раз;
у МП 80286 и выше есть возможность работы в вычислительной сети;
у МП 80286 и выше имеется возможность многозадачной работы (многопрограммность) и сопутствующая ей защита памяти;
современные микропроцессоры имеют два режима работы:
реальный (однозадачный, Real Address Mode), в котором возможно выполнение только одной программы и непосредственно адресоваться могут только (1024 = 64) Кбайт основной памяти компьютера, а остальная память (расширенная) доступна лишь при подключении специальных драйверов;
защищенный (многозадачный, Protected Virtual Address Mode), обеспечивающий выполнение одновременно нескольких программ, непосредственную адресацию и прямой доступ (без дополнительных драйверов) к расширенной основной памяти. Предоставляется доступ к памяти емкостью 16 Мбайт для МП 286; 4 Гбайт для процессоров 386, 486, Celeron; 128 Гбайт для МП Pentium Хеоп и 64 Гбайт для остальных процессоров Pentium, а при страничной организации памяти - к 16 Тбайт виртуальной памяти каждой задаче. В этом режиме осуществляется автоматическое распределение памяти между выполняемыми программами и соответствующая ее защита от обращений со стороны чужих программ. Защищенный режим поддерживается операционными системами Windows, OS/2, UNIX и т. д.
в МП 80386 и выше встроена поддержка системы виртуальных машин. Система виртуальных машин является дальнейшим развитием режима многозадачной работы, при котором каждая задача может выполняться под управлением своей операционной системы, то есть практически в одном МП моделируется как бы несколько компьютеров, работающих параллельно и имеющих разные операционные системы;
у МП 80486 и выше имеется поддержка кэш-памяти;
у МП 80486 и выше имеются RISC-элементы, позволяющие выполнять усеченные команды за 1 такт.
Рассмотрим основные особенности микропроцессоров Pentium 4.
По сравнению с Pentium в него добавлены новые потоковые инструкции, расширяющие набор SIMD-инструкций, ориентированных на форматы данных с плавающей запятой - SSE2. Модуль вычислений с плавающей запятой и потоковый модуль оптимизированы для работы с аудио и видеопотоками, а также с 3D-технологиями.
Имеется кэш 2-го уровня размером не менее 256 Кбайт; он работает на полной частоте МП, использует встроенную программу коррекции ошибок и обслуживается быстродействующей шиной с разрядностью 256 бит (32 байт), работающей на частоте МП. Это для Pentium 4 с частотой 1500 МГц, например, обеспечивает скорость обмена с кэшем 48 Гбайт/с [17. с.100].
Есть возможность работы с системной шиной с эквивалентной частотой 400 МГц (QuardPumped Bus пo 100 МГц), что обеспечивает скорость обмена 3,2 Гбайт/с.
Вновь улучшена система «динамического исполнения» (dynamic execution), что, в первую очередь, связано с наличием 20 - ступенной (у МП Pentium III конвейер имел 10 ступеней) суперконвейерной структуры (superpipelining), лучшего предсказания ветвлений программы при условных передачах управления (branch prediction) и параллельного «по предположению» (опережающего, спекулятивного) исполнения команд по нескольким предполагаемым путям ветвления (speculative execution). Поясню это. Динамическое исполнение позволяет процессору предсказывать порядок выполнения инструкций при помощи технологии множественного предсказания ветвлений, которая прогнозирует прохождение программы по нескольким ветвям. Это оказывается возможным, поскольку в процессе исполнения инструкции процессор просматривает программу на несколько шагов вперед. Технология анализа потока данных позволяет проанализировать программу и составить ожидаемую последовательность исполнения инструкций. И наконец, опережающее выполнение повышает скорость работы программы ввиду выполнения нескольких инструкций одновременно, по мере их поступления в ожидаемой последовательности - то есть по предположению (интеллектуально) Поскольку выполнение инструкций происходит на основе предсказания ветвлений, результаты сохраняются как «интеллектуальные» с последующим удалением тех, которые вызваны промахами в предсказании. Используется новая микроархитектура, базирующаяся на двух параллельных 32-битовых конвейерах и поддерживающая технологию поточной обработки Hyper Pipelined. Это позволило сделать эффективным длинный конвейер. Суть в том, что при длинном конвейере в задачах с частыми условными переходами его эффективность снижается. Два параллельных конвейера снижение эффективности уменьшают. Теперь реальна ситуация, когда в каждый момент времени одна инструкция загружается, другая декодируется, для третьей (или нескольких) формируется пакет данных, четвертая инструкция (или несколько) исполняется, для пятой записывается результат. И если при строго последовательном исполнении инструкций даже самые короткие операции исполнялись за 5 тактов, то при такой поточной обработке многие инструкции могут быть выполнены за такт[11. с.125].
Новая технология ускоренных вычислений (Rapid Execution Engine) использует два быстрых, работающих на удвоенной частоте процессора АЛУ, выполняющие короткие арифметические и логические операции за 0,5 такта, и третье, медленное АЛУ, исполняющее длинные операции (умножение, деление и т. д.).
Процессор имеет площадь кристалла 217 мм2, потребляет 52 Вт при частоте 1500 МГц, содержит 42 млн транзисторов. На базе Pentium 4 можно создать высокоэффективную ММХ-систему, но для этого необходимо наличие:
программного обеспечения, ориентированного на использование дополнительных команд этого процессора;
системной платы с чипсетами, поддерживающими данные микропроцессоры.
Особо следует сказать о поддерживаемой некоторыми МП Pentium 4 технологии Hyper Threading.
Технология Hyper Treading (tread - тред, поток), реализует многопоточное исполнение программ: на одном физическом процессоре можно одновременно исполнять два задания или два потока команд одной программы (операционная система «видит» два виртуальных процессора вместо одного). Иначе говоря, эта технология на базе одного МП формирует два виртуальных процессора, работающих параллельно и, в известной степени, независимо. Hyper Treading (HT) обеспечивает повышение производительности (до 30%) в многозадачных средах и при исполнении программ, которые допускают многопоточное исполнение.
Технология НТ была создана фирмой Intel изначально для серверных процессоров Хеоn с целью повышения производительности серверных систем: в них она дополняет традиционную многопроцессорность, обеспечивая дополнительные параллели в работе.
Архитектурно микропроцессоры, поддерживающие НТ, имеют дополнительно группу дублирующих регистров и логические схемы, назначающие ресурсы потокам и средства APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller), организующие прерывания для обработки потоков команд разными логическими процессорами. Кроме этого для поддержки Hyper Treading необходимы материнские платы с соответствующим BIOS, и с чипсетами Intel 845 РЕ и GE, Intel 865,875,915,925 и т. п., а также многозадачные операционные системы Windows XP, Linux (Windows 9х и ME не пригодны, Window 2000 может использоваться с дополнительной настройкой) [29. с.268].
В 2000-2006 годах компания Intel представила МП четырех видов: для портативных (Pentium M), и настольных (Pentium 4E, Pentium D, Celeron D) компьютеров.
Микропроцессоры Pentium 4E
Семейство процессоров 7-го поколения, выполненных по технологии 0,09 мкм МП Pentium 4E — ядро Prescott под процессорный разъем Socket LGA 7751: Pentium 4E 2,8; 3; 3,2; 3,4, и 3,6 ГГц. Все МП имеют 1024 Кбайт кэш-память 2-го уровня. Были выпущены две модели МП Pentium 4EE - Extreme Edition (их также обозначают Pentium 4XE — eXtreme Edition - 3,2 и 3,4 ГГц, имеющие кэш-память 2 уровня 2048 Кбайт.
Для всех микропроцессоров, выполненных по технологии 0,09 мкм, нужны системные чипсеты из семейств i900, iP или iX. Некоторые МП, выполненные по технологии 0,09 мкм, поддерживают FSB до 1066 МГгц.
У всех ПМ Pentium 4E конвейер команд расширен до 32 ступеней (у остальных МП Pentium – 20 стадий).
Pentium D
Двухъядерный микропроцессор Pentium D, известный под кодовым именем «Smith-field», выполненный по технологии 0,09 мкм. Pentium D является двухъядерным и отличается от одноядерных Pentium 4E незначительно - он также использует разъем LGA 775, но для его работы необходим системный чипсет i945 или с большим номером из i900, iP или iX.
Микропроцессоры типа VLIW
Это весьма перспективный тип МП. Микропроцессоры типа VLIW выпускают фирмы:
Transmeta - это микропроцессор Crusoe моделей ТМ3120, ТМ5400, ТМ5600;
Intel - модель Merced (торговая марка Itanium);
Hewlett-Packard — модель McKinley.
Следует заметить, что при более глубоком анализе технология EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing - вычисления с явной параллельностью инструкций), которой придерживаются фирмы Intel и HP, незначительно отличается от технологии VLIW, принятой за основу фирмой Transmeta. Но эти отличия несущественны, поэтому микропроцессоры VLIW и EPIC можно отнести к одной группе.
МП Merced - первый процессор, использующий полный набор 64-битовых инструкций (Intel Architecture-64, IA-64; именно эта технология называется EPIC).
К VLIW-типу можно отнести и МП Elbrus 2000 - E2k, разработанный российской компанией «Эльбрус».
Intel представила МП Itanium 2: в 2004 году Madison, в 2006 Montecito, а в 2007 двухъядерный Montvale,
Программисты доступа к внутренним VLIW-командам не имеют: все программы (даже операционная система) работают поверх специального низкоуровневого программного обеспечения (Code Morphing), которое ответственно за трансляцию команд CISC-микропроцессоров в команды VLIW. МП типа VLIW вместо сложной схемной логики, обеспечивающей в современных суперскалярных микропроцессорах параллельное исполнение команд, опираются на программное обеспечение. Упрощение аппаратуры позволило уменьшить габариты МП и потребление энергии (эти МП иногда называют «холодными»).
Некоторые актуальные системные платы
Широко распространенными СП являются платы компании ASUS. Познакомимся с некоторыми из них.
Системная плата ASUS P4T
Вот спецификация этой платы с небольшими сокращениями:
Процессор Intel Pentium 4 (однопроцессорная конфигурация) на разъеме Socket 423 с тактовой частотой 1,4-1,5 ГГц и выше.
Системная шина с возможностью передачи данных на частоте 400 МГц.
Чипсет i850.
Оперативная память:
4 слота RIMM;
поддержка двух каналов РС800/РС600 DRDRAM памяти общей емкостью до 2 Гбайт;
поддержка ЕСС (Error Checking and Correction) — режима автоматического обнаружения и исправления одиночных битов в хранимых числах.
Слоты интерфейсов расширения:
AGP Pro слот для 66 МГц AGP-интерфейса с поддержкой режима четырехкратного умножения (4 х);
5 слотов PCI.
Порты ввода-вывода:
1 порт для дисковода, 2 последовательных и 1 параллельный порт, порты для мыши и клавиатуры;
2 встроенных и 2 дополнительных порта USВ.
Интегрированный IDE-контроллер - 2 канала IDE, поддерживающие протоколы АТАЗЗ/66/100 (до четырех AT API-устройств).
BIOS - 4 Мбит Flash ROM , содержащая Award BIOS с поддержкой РnР и режима энергосбережения.
Форм-фактор Standard ATX 24,4 х 30,5 см (9,6 х 12,0 дюйма).
Значимость этих данных в плане пропускной способности каждой подсистемы отражена в табл. 1.2. [6. с.161]
Таблица1.2. Пропускная способность интерфейсов СП Р4Т
| Интерфейс | Тактовая частота, МГц | Количество блоков данных за такт | Разрядность, бит/байт | Пропускная способность, Мбайт/с |
| Системная шина | 100 | 4 | 64/8 | 3200 |
| AGP | 66 | 4 | 32/4 | 1066 |
| Двухканальная RDRAM | 400 | 2 | 32/4 | 3200 |
| Hub Interface | 66 | 4 | 8/1 | 266 |
| PCI | 33 | 1 | 32/4 | 133 |
Современные СП кроме основного набора системных микросхем имеют еще микросхемы, реализующие много функциональных и даже интеллектуальных технологий.
Системные платы Al: ASUS P4P800 и ASUS P4C800
В 2003 году фирма ASUS представила серию системных плат AI (Artificial Intelligence — «искусственный разум»), имеющих совместно с прилагаемым к ним программным обеспечением фирменных функций весьма удобный пользовательский интерфейс.
СП ASUS P4P800 и ASUS P4C800 реализуют, например, такие интеллектуальные технологии:
AI Net - диагностика состояния локальных компьютерных сетей (с помощью специальной прилагаемой утилиты Virtual Cable Nester) и поддержание высокой (1 Гбит/с) пропускной способности сети с помощью встроенного контроллера;
AI BIOS - обнаружение сбоев в программах BIOS: при обновлении программ и при атаках вирусов функция CrashFree BIOS обнаруживает сбои и выполняет ввод нового программного кода с системной дискеты;
AI Overclocking - подстройка частоты микропроцессора — автоматический разгон процессора (увеличение его частоты на 33%) в допустимых случаях с одновременной подстройкой напряжения питания модулей оперативной памяти и видеоадаптера; выполняется также регулировка скорости вращения процессорного вентилятора (кулера);
AI Audio - обнаружение подключения аудиоустройств и др.;
функции автоматической диагностики каналов связи локальных компьютерных сетей;
функции управления стереозвуком.
Системная плата ASUS P5WD2 Premium
ASUS P5WD2 Premium имеет формат ATX и поддерживает CPU Pentium c LGA 775. ОС Windows XP Media Centre Edition обеспечивает на этой плате выполнение всех функций аудио и видеомагнитофонов и даже дает возможность просмотра телепередачи с задержкой до 30 мин (можно прервать просмотр для разговора по телефону, например, а затем продолжить просмотр с задержкой, не потеряв сюжета). В системной плате ASUS P5WD2 Premium на чипсете i955x:
поддерживается TV и FM-радио;
имеются: чип WLAN для IEEE 802 11b/g (54 Мбит/с), TV-тюнер, поддерживающий стандарт цифрового вещания DBV-T, инфракрасный приемник для пульта дистанционного управления.
Системная плата ASUS X48 R.O.G.Rampage Formula
Первая плата с чипсетом iX48 поддерживает все Чипсеты с разъемами LGA 775, FSB l600 МГц, оперативную память DDR2 емкостью до 8 Гбайт.
Интерфейсы: 2 PCI Express X16,3 PCI Express X1, 2 PCI 2.2, 2 Fire Wire, 12 USB 2.0, SATA 2 и др.
При выборе СП следует учитывать:
микропроцессор, который может быть установлен на плате;
набор основных и вспомогательных микросхем (чипсет), обеспечивающих эффективную работу ПК;
тип и объем поддерживаемой оперативной памяти;
тип микросхемы ПЗУ и версию BIOS, в нем содержащуюся;
типоразмер системной платы (должен быть согласован с возможностями системного блока);
тактовую частоту, на которой работает системная шина платы;
интерфейсы, с которыми плата может работать, и количество слотов для них;
наличие или возможность установки кэш-памяти;
наличие разъемов для подсоединения микросхем (разъем для второго процессора, слоты для микросхем памяти и т. д.).
Чипсеты системных плат
Чипсеты Intel серии 900
В 2004-2006 годах появились чипсеты 900-й серии: i915, i925, i945, i955, i965, i975. Эти чипсеты поддерживают процессоры нового поколения - процессорный разъем Socket LGA 775, оперативную память DDR2 SDRAM, системный интерфейс PCI Express, встроенный графический ускоритель iGMA 900 и Х3000 (только для чипсетов i9*5 G/GV/GL), встроенную аудиосистему класса High Definition Audio, технологию дисковых RAID-массивов iMatrics Storage, технологию поддержки беспроводных WiFI-сетей для настольных ПК - i Wireless Connect.
Для чипсетов i915/925HE вместо i Hub Link разработана более скоростная шина DMI (Direct Media Interface), поддерживающая полудуплексный режим обмена данными со скоростью 2 Гбайт/с. При процессорной шине Quad Pumped Bus пропускная способность между процессором и северным мостом возросла до 8,5 Гбайт/с.
Семейство чипсетов Intel Xxx
На смену чипсетам серии i900 (они не поддерживают 45-нм процессоры Penryn) в 2006 году был объявлен чипсет Р35, который обеспечил процессоры Core 2 стабильной платформой с поддержкой памяти DDR3.
В 2007 году Intel официально представила чипсет Х38, ставший базовой моделью линейки чипсетов iXxx, чуть позже чипсет Х48.
Чипсет Intel X38
Наиболее важной характеристикой чипсета Х38 явлется поддержка всех 0,065 и 0,045-мкм процессоров (в том числе и Penryn).
Чипсет поддерживает два интерфейса PCI Express x 16 2.0, которые обеспечивают полную пропускную способность для конфигурации с одной или двумя видеокартами.
Основные функциональные характеристики северного моста х38МСН этого чипсета:
поддержка процессоров семейства Pentium и процессоров Core 2 Duo/Quad/ Penryn с частотой системной шины 800/1066/1333 МГц;
двухканальный контроллер памяти DDR2 или DDR3 с поддержкой до 4 модулей DIMM суммарным объемом до 8 Гбайт (без ЕСС) и технологиями Fast Memory Access и Flex Memory;
графический интерфейс PCI Express x 16;
Шина DMI (с пропускной способностью порядка 2 Гбайт/с) до нового южногомоста ICH9R.
Основные функциональные характеристики южного моста ICH9R:
до 6 портов PCI Express x1;
до 4 слотов PCI;
6 портов Serial ATA-II;
Matrix RAID — возможность организации RAID-массивов;
12устройств USB 2.0 на двух хост-контроллерах EHCI (Enhanced Host Controller Interface, Усовершенствованный интерфейс хост-контроллера);
GbE Phy — МАС-контроллер Gigabit Ethernet и специальный интерфейс для подключения PHY-контроллера (i82566 для реализации Gigabit Ethernet, i82562 для реализации Fast Ethernet).
Функциональная схема чипсета iX38 показана на рис. 1.3. [23. с.291]
Рис. 1.3. Функциональная схема чипсета iX38
Сравнительные характеристики некоторых популярных чипсетов представлены в табл. 1.(см. Приложение Б)
2. Перспективные технологии развития ПК
Эффективные технологии в МП Intel
Технология Intel Centrino для портативных компьютеров с компонентами:
МП Pentium M,
системный чипсет i855
средства беспроводного доступа по протоколам ШЕЕ 802.11 (Wi Fi) и IEEE 802.16 (WiMax).
Последующие версии технологии Centrino: Centrino Duo для МП Core; Somona поддерживает TV-тюнеры; Napa использует двухъядерный процессор Yonah, с общей для ядер кэш L2, чипсет Intel 945 Express Mobile, и беспроводной адаптер Intel PRO/ Wireless IEEE 802.11е [6. с.134].
Архитектура Intel Net Burst
Почти все изготовленные по технологии 0,09 мкм процессоры Pentium 4 имеют микро-архитектуру Intel Net Burst, поддерживающую ряд инновационных возможностей:
технологию НТ;
технологию гиперконвейерной обработки данных;
частоту системной шины 400,533,800,1066 МГц;
кэш-память первого уровня с отслеживанием выполнения команд;
расширенные функции выполнения команд;
расширенные функции выполнения операций с плавающей запятой и мультимедийных операций;
набор потоковых SIMD-расширений SSE2 или SSE3.
Технология гиперконвейерной обработки
Технология гиперконвейерной обработки повышает пропускную способность конвейера, обеспечивая увеличение производительности и тактовой частоты. Так, один из основных конвейеров МП - конвейер предсказания ветвлений/возвратов ветвления имеет глубину конвейерной обработки в 31 такт
Поддержка системной шины с частотой до 800 МГц
Поддерживается весьма производительная шина с частотой 800 МГц, обеспечивающая обмен данными между процессором и другими компонентами со скоростью 6,4 Гбайт/с. Это обеспечивается путем организации схемы передачи данных, позволяющей передавать четырехкратно увеличенный пакет по 200 МГц шине. В 2005 году введена поддержка 1066 МГц шины.
Кэш-память уровня L1 с отслеживанием выполнения команд
Поддерживается увеличенный до 16 Кбайт объем кэш-памяти данных(L1) и кэш-память команд (L1) с отслеживанием их выполнения, последняя хранит до 12000 микроопераций в порядке их выполнения. Это повышает производительность МП в частности, из-за быстрого доступа к командам ветвления и ускоренного возврата из ветвлений, которые были неверно спрогнозированы.
Расширенные функции выполнения команд
Имеется микроблок улучшенного динамического выполнения команд, имеющий в том числе и усовершенствованный алгоритм предсказания ветвлений.
Имеется микроблок с расширенными до 128 бит регистрами операций с плавающей запятой и дополнительный регистр для передачи данных, что увеличивает производительность МП при работе с плавающей запятой и выполнении мультимедийных приложений.
Потоковые SIMD-расширения SSE3
В SIMD-расширения SSE2 были добавлены 144 инструкции, а в SIMD-расширения SSE3 добавлены еще 13 инструкций, улучшающих синхронизацию мультимедиа потоков и повышающих производительность при работе с видео- и аудиоинформацией, в том числе с речью и графикой.
Технология RAlD
Большинство новых микропроцессоров поддерживают технологию Intel RAID (Redundant Array Intensive Disk - массив недорогих дисков с избыточностью). Достоинством этой технологии является простота организации RAID-массивов, поддержка функционирования нескольких параллельно работающих и дублирующих друг друга винчестеров: два диска содержат зеркальную копию информации друг друга - таким образом уменьшают вероятность потери данных и обеспечивают сохранность важной информации. Переключение между дисками выполняется очень быстро, незаметно для пользователя: все заботы по синхронизации и верификации данных система берет на себя.
Многоядерные микропроцессоры
По мнению многих специалистов, повышение быстродействия МП путем увеличения тактовой частоты их работы исчерпало себя. Уже МП Pentium 4E с тактовой частотой 3,8 ГГц потребляет мощность около 160 Вт (сила тока более 100 А) и это при площади кристалла 1,2 см2. Поэтому компания Intel отказалась от своих планов поднять в ближайшие годы тактовую частоту МП до 20 ГГц, а производительность МП решено увеличивать путем параллельного выполнения вычислений. Подобные идеи уже реализованы в высокопараллельных многопроцессорных системах и в серверных МП Хеоп (Intel) и Opteron (AMD). В МП для персональных компьютеров на середину 2005 года дело ограничивалось лишь созданием в одном физическом МП двух параллель работающих виртуальных процессоров (технология НТ, например). Но виртуальная многопроцессорность обеспечивает реальный рост производительности 10-30% да и то только для программ, допускающих распараллеливание вычислении и, что особенно важно - в которых команды параллельных потоков не используют одновременно одни и те же аппаратные ресурсы процессора, например, МПП, кэш-память L1, АЛУ и другие. А это бывает крайне редко.
Существенно больший эффект обеспечивают двухъядерные МП Хеоп и Opteron. Первыми двухъядерный процессор представила в августе 2004 года и выпустила в апреле 2005 года компания AMD (64-разрядный Opteron, предназначенный для высокопроизводительных серверов). Компания Intel немного запоздала с выпуском своего двухъя-дерного 64-разрядного МП Хеоп (сентябрь 2005 года). Двухъядерный микропроцессор Хеоn (кодовое название Paxville) с тактовой частотой 2,8 ГГц, имеет кэш-память L2 емкостью 2 Мбайт и работает с оперативной памятью DDR 2. Два ядра этого МП делят одну шину. Paxville позиционируется как серверный процессор, которому для работы требуется и новый чипсет — Intel E8500. Ядро Smithfield микропроцессора представляет собой микросхему, объединяющую на одном монокристалле два ядра Prescott, не имеющих общих схемных компонент (двухъядерные МП Athlon 64 Х2 компании AMD имеют общие для ядер компоненты: арбитр шины и контроллер памяти DDR).
Двухъядерные МП, по сравнению с параллельными виртуальными процессорами, обеспечивают существенно большую производительность, поскольку у них почти нет совместно используемых процессорных ресурсов (АЛУ, МПП, кэш-память L1 у каждого свои). Потребляемая мощность у них значительно меньше, чем у более высокочастотных одноядерных МП той же производительности. Учитывая названные достоинства, двухъядерные, а в последствии и многоядерные МП будут активно использоваться и в персональных компьютерах. В 2007 году более 70% новых настольных ПК имеют двухъядерные микропроцессоры. Для двухъядерных МП необходимы системные платы со специальными разъемами и чипсетами. В частности Intel представила чипсеты i945, 955, 965,975, iP35, iX38, iX48 и др., поддерживающие многоядерную конфигурацию и работающие с памятью DDR.
Особо следует сказать о представленных компаниями Sony, Toshiba и IBM в феврале 2005 года девятиядерных микропроцессорах Cell (cell -ячейка). Эти МП используют все новейшие достижения микроэлектроники: технология 0,09 мкм, «кремний на изоляторе» (SOI), «напряженный кремний» (strained Si), медные соединения (Си). Площадь объединившего девять ядер кристалла - 2,2 см2, число транзисторов - 234 млн, тактовая частота - 4 ГГц и очень низкое энергопотребление - 80 Вт. [10. с.124]
Среди включенных в кристалл девяти ядер выделено одно ядро - Power Processor Element (РРЕ), построенный на базе RISC МП PowerPC. PPE содержит еще два 64-разрядных ядра, поддерживающих выполнение двух потоков вычислений.
Восемь остальных ядер представляют собой векторные процессоры, каждый со своей локальной памятью. Они могут работать как независимо друг от друга, так и согласованно, распределяя между собой вычислительную работу.
Микропроцессоры Cell позиционируются как весьма универсальные процессоры для использования и в серверах, и в персональных настольных и портативных компьютерах, и даже в домашней технике (телевизорах, например). Один из руководителей компании IBM сказал, что архитектура Cell может определить развитие МП на период ближайших 10-20 лет.
Прервым представителем двухъядерных процессоров для персональных компьютеров в 2005 году стал Pentium D, известный под кодовым именем «Smithfield».
Микропроцессоры линейки Core
Компания Intel разработала новую процессорную микроархитектуру, объединяющую некоторые компоненты технологий Net Burst и Centrino.
В рамках этой микроархитектуры разрабатываются МП с кодовыми именами Мегоn (для мобильных ПК), Соnгое (для настольных ПК), Woodcrest и Tigerton (для серверов). В 2006 году компания Intel уже представила использующие эту микроархитектуру микропроцессоры 8-го поколения — линейку МП Core (Core Solo, Core Duo, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Core 2 Quad, Core Penryn).
В 2004 году компания Intel ввела маркировку МП типа Pentium. Единый трехзначный номер МП учитывает сразу несколько характеристик: базовую архитектуру, тактовую частоту МП и частоту системной шины, объем кэш-памяти и другие. Базовая архитектура отображается старшим разрядом, было предложено три серии:
ЗХХ - МП Celeron, Celeron M, Celeron M со сверхнизким энергопотреблением;
5ХХ - Pentium 4 для настольных и мобильных ПК, в том числе с технологией НТ;
7XX - Pentium с низким и сверхнизким энергопотреблением.
Для МП семейства Core компания Intel ввела 5-значную маркировку: однобуквенный префикс и 4-значный цифровой код. Буквенный префикс классифицирует МП по энергопотреблению: U - 14 Вт и менее; L - 15-24 Вт; Т - 25-49 Вт; Е - 50-74 Вт; X -75 Вт и более. Для четырехъядерных МП Core 2 Quad указывается буква Q. Старшая цифра индекса показывает принадлежность МП к определенной группе (процессоры на ядре Соnгое имеют серии 4000 и 6000, а на ядре Мегоn - серии 5000 и 7000.
Особенности микроархитектуры Core
Все МП этой линейки строятся по 65-нанометровой технологии (0,065 мкм), что при использовании ряда новых эффективных энергосберегающих технологий позволяет существенно снизить их энергопотребление. Напряжение питания 0,85-1,35 В.
Все МП используют разъем LGA 775. Некоторые характеристики МП линейки Core представлены в табл. 1.3.
Благодаря низкому энергопотреблению процессоры этой линейки позиционируются как для настольных, так и для мобильных компьютеров.
Одноядерные МП Core Solo имеют сверхнизкое энергопотребление и предназначены в основном для мобильных ПК. Они обеспечивают высокую производительность в мультимедийных приложениях, системах автоматизированного проектирования, компьютерных играх.
Двухъядерные процессоры Core 2 Duo имеют площадь ядра 1,44 см2 и содержат от 200 до 400 млн транзисторов. Они способны выполнять 4 инструкции за такт (технология Intel Wide Dynamic Execution) и совершать 128-битные SIMD операции из набора SSE3 без потери темпа работы (технология Intel Advanced Media Boost). [16. с.203]
МП Core 2 Duo позволяют передавать данные на частоте, в 4 раза превышающей частоту шины данных (технология quad-pumped), и адреса на частоте, превышающей в раза частоту адресной шины (технология double-clocked).
Таблица 1.3. Характеристики МП линейки Core
Модель МП | Количество ядер | Технология, мкм | Тактовая частота, ГГц | Частота системной шины (FSB), МГЦ | Энергопотребление, Вт | Размер кэш-памяти L2,Мбайт |
| Core Solo U1300 | 1 | 0,065 | 1,06 | 533 | 5,5 | 2 |
| Core Solo U1400 | 1 | 0,065 | 1,2 | 667 | 6 | 2 |
| Core Duo L2300 | 2 | 0,065 | 1,5 | 667 | 15 | 2 |
| Core Duo T2250 | 2 | 0,065 | 1,7 | 533 | 30 | 2 |
| Core Duo T2500 | 2 | 0,065 | 2,0 | 667 | 31 | 2 |
| Core Duo T2700 | 2 | 0,065 | 2,3 | 667 | 31 | 2 |
| Core2DuoE6300 | 2 | 0,065 | 1,3 | 1066 | 65 | 2 |
| Core2DuoE6600 | 2 | 0,065 | 2,1 | 1066 | 70 | 4 |
| Core 2 Extreme X6800 | 2 | 0,065 | 2,9 | 1066 | 80 | 4 |
| Core 2 Extreme X7800 | 2 | 0,065 | 2,6 | 800 | 80 | 4 |
| Core2DueT7700 | 2 | 0,065 | 2,4 | 800 | 35 | 4 |
| Core 2 Quad QX6700 | 4 | 0,065 | 2,66 | 1066 | 85 | 8 |
| Core 2 Extreme QuadQX6800 | 4 | 0,065 | 2,93 | 1066 | 90 | 8 |
| Core Penryn E8300 | 2 | 0,045 | 2,83 | 1333 | 65 | 6 |
| Core Penryn E8500 | 2 | 0,045 | 3,16 | 1333 | 65 | 6 |
| Core Penryn QX9300 | 4 | 0,045 | 2,5 | 1333 | 95 | 6 |
| Core Penryn QX9550 | 4 | 0,045 | 2,83 | 1333 | 95 | 12 |
Микропроцессоры имеют кэш L1 64 Кбайт (32 для данных, 32 для команд) в каждом ядре и общий на два ядра кэш L2, что существенно уменьшает задержки при работе обоих ядер с одним и тем же набором данных. Технология Intel Advanced Smart Cache позволяет при необходимости делить кэш L2 между ядрами в соответствии с их загрузкой.
Кроме технологий Intel Net Burst и Centrino нужно отметить также следующие технологии, поддерживаемые микропроцессорами линейки Core:
Intel Smart Memory Access - эффективный механизм предварительной выборкиданных, позволяющий ускорить работу МП;
Intel Virtualization Technology (VT) - технологию виртуализации. VT представляет собой набор аппаратных ресурсов процессора, которые совместно с соответствующим программным обеспечением поддерживают виртуализацию (организацию виртуальных машин). Виртуализация позволяет: снизить стоимость ИТ-ресурсов, повысить производительность системы, увеличить адаптивность ресурсов к меняющимся запросам;
Intel Execute Disable Bit - технологию защиты программ от некоторых вирусов;
Intel Enhanced Memory 64 Technology (EM64) - технологию, поддерживающую
с использованием 64-битных регистров МПП адресацию более 4 Гбайт оперативной памяти.
Микропроцессоры Penryn
В 2007 году компания Intel представила семейство микропроцессоров 9-го поколения Core, изготовленных по технологии 0,045 мкм. Эти процессоры, имеющие кодовое название Penryn, имеют высокую производительность и низкое энергопотребление. В состав семейства Penryn входят двух- и четырехъядерные микропроцессоры для настольных ПК и серверов [30]. Двухъядерные процессоры содержат более 820 млн транзисторов, имеют площадь 107 мм2. Для их маркировки в качестве 4-й цифры индекса используется 8 и 9 (серии 8000 и 9000).
У МП Penryn используются новые технологии:
Deep Power Down, снижающая энергопотребление путем уменьшения токов утечки транзисторов в моменты их простоя,
усовершенствованная Dynamic Acceleration Technology, повышающая производительность однопоточных приложений путем отключения простаивающих ядер и повышения тактовой частоты работающего ядра
усовершенствованная Intel Virtualization Technology, уменьшающая время переключения виртуальных машин.
МП семейства Penryn поддерживают расширенный набор команд intel Streaming SIMD Extension 4 (SSE4), а также кэш-память L2 большего объема: двухъядерные до 6 Мбайт, а четырехядерные до 12 Мбайт.
Перспективы развития оперативной памяти
FeRAM и MRAM
В конце 2002 года появилось сообщение о создании компаниями Toshiba и Infineon Technologies AG новой ферроэлектрической микросхемы энергонезависимой памяти FeRAM (Ferroelectric Random Access non-volatile Memory) емкостью 32 Мбит, по пропускной способности сравнимой с SDRAM. Микросхемы FeRAM потребляют меньше энергии, быстрее, чем флэш-память, выполняют операции чтения (записи), обладают большим сроком жизни, но они примерно в 20-50 раз дороже, чем DRAM, а также имеют более низкую плотность размещения электронных элементов. Компании IBM и Infineon Tehnologies разработали технологию магнитной оперативной памяти с произвольной выборкой (MRAM). MRAM также является энергонезависимой. IBM сообщила, что MRAM в будущем сможет заменить существующие разновидности DRAM. Компьютер с MRAM будет загружаться практически мгновенно[14. с.371].
Развитие технологии хранения информации наглядно свидетельствует о движении технического прогресса по спирали: на следующем витке спирали используются старые принципы реализованные на более прогрессивной технологии. Действительно, первые ОЗУ строились на базе электромагнитных линий задержки (динамические ОЗУ), затем на базе магнитных тороидальных сердечников и пленок (МОЗУ), далее снова на динамических элементах (CMOS-транзисторах, DIMM), и грядет MRAM (опять МОЗУ).
Память РСМ
Низкая стоимость и высокая емкость - основные параметры памяти для настольных компьютеров и серверов. Для мобильных устройств, работающих от батарей, важны также низкое энергопотребление и энергонезависимость памяти, сохранение данных после отключения энергии. В связи со значительным ростом рынка мобильных устройств эти требования к памяти становятся очень важными.
Существует несколько проектов универсальной памяти. Так, по мнению разработчиков IBM и Intel, быстрая энергонезависимая память с изменением фаз (Phase Change Memory, PCM) может стать универсальной. Транзистор в отдельной РСМ-ячейке использует энергию для нагревания или охлаждения материала, меняя его состояние между аморфным (с высоким сопротивлением) и кристаллическим (с низким сопротивлением) и приписывает ячейке 0 или 1. РСМ-память работает гораздо быстрее, чем флэш-память, но медленнее, чем SRAM. Чтобы конкурировать с DRAM, она должна поддерживать неограниченное количество циклов записи. Исследования памяти РСМ показывают, что ее возможности могут соответствовать ограничению флэш-памяти в 100 тыс. циклов записи1.
Память РМС
Память на базе программируемых металлизированных ячеек (Program Metal Cels РМС) компании Axon Technologies представляет собой энергонезависимую альтернативу DRAM, использующую меньше энергии и обеспечивающую большую емкость. Небольшое количество металла самоорганизуется в волокна по мере добавления электронов к ионам металла. Изменение сопротивления отражает состояние ячейки памяти. Твердый электролит наполняется ионами серебра в виде ионопроводящих кристаллов. При подаче малого напряжения электроны, перетекая от отрицательного полюса к положительному, превращают ионы в электропроводящую серебряную нанопроволоку. В результате сопротивление всего устройства уменьшается на несколько порядков. Битовое состояние (0 или 1) определяется путем измерения уровня сопротивления[18. с.302].
Молекулярная память
Технология изготовления молекулярной памяти разработана компанией ZettaCorе. Основа технологии — химический процесс создания ячеек памяти DRAM с молекулярным конденсатором. Ячейки функционируют за счет добавления или удаления электронов, что связано с изменением электрического напряжения, по которому определяется состояние ячейки (0 или 1). Молекулярная технология позволяет сформировать ячейки памяти, каждая из которых поддерживает четыре состояния и может хранить 2 бита. Она требует на 70% меньше энергии, чем обычная ячейка памяти DRAM, так как конденсатор может сохранять 100-кратный запас энергии и требует меньшей частоты обновления памяти, увеличивается емкость в два или четыре раза без увеличения себестоимости. Обещано, что технология будет запущена в массовое производство в 2008 году.
Нанопамять NRAM
Компания Nantero сообщила о создании нового экспериментального образца электронной памяти на базе углеродных нанотрубок в качестве механической памяти, работающей на принципах изменения положения углеродных волокон, замыкающих или размыкающих соединения между двумя электродами. На кремниевой пластине стандартного размера удалось разместить 10 млрд ячеек памяти NRAM, каждая из которых состоит из нескольких нанотрубок.
Эта память сочетает в себе лучшие качества запоминающих устройств — дешевизну (DRAM) и энергонезависимость (флэш-память), а также будет обладать высокой стойкостью к воздействию температуры и магнитных полей. Само запоминающее устройство состоит из двух кремниевых подложек, на которых особым образом размещены массивы нанотрубок. Напомним, что толщина углеродной нанотрубки составляет примерно 1/10 000 диаметра человеческого волоса, а толщина ее стенки сравнима с размерами атома.
Технология компании Nantero использует два таких свойства: эластичность (гибкость) нанотрубок и притягивание атомов углерода друг к другу под воздействием сил Ван-дер-Ваальса.
Нанотрубки закрепляются на кремниевой подложке, а под ними на расстоянии примерно 120 нм располагается углеродный субстрат. Малое расстояние между соседними подложками вместе с ничтожными размерами нанотрубок позволяют достичь скоростей записи (чтения) порядка наносекунды.
Электрический заряд небольшой величины, поступающий на подложку, притягивает к последней группу нанотрубок, расположенных над ней. Далее притянутые нано-трубки удерживаются в таком состоянии под действием сил Ван-дер-Ваальса, которые действуют независимо от наличия электропитания до появления следующего электрического заряда. Благодаря такому устройству свисающие нанотрубки могут играть роль битов памяти: «поднятое» состояние - «0», «опущенное (притянутое)» - «1». Так как в каждом отдельном переходе между указанными состояниями участвует несколько десятков нанотрубок, создается избыточность, предохраняющая систему от случайных потерь информации. В «замкнутом» и «разомкнутом» состояниях система из нанотрубок имеет различное электрическое сопротивление, за счет чего возможно считывание информации. Плотность записи информации в ячейки NRAM сравнима с плотностью записи информации в микросхемах оперативной памяти. В перспективе, плотность записи данных может достичь триллиона бит на квадратный сантиметр, что в 1000 раз больше, чем у современной оперативной памяти.
NRAM может оказаться решением, востребованным компьютерным рынком.
Перспективные технологии записи информации на HDD
Рассмотрим наиболее перспективные технологии записи информации.
Туннельная магниторезистивная запись
В 2005 году компания Samsung анонсировала две новые линейки жестких дисков Spin-Point, использующие технологию записи, основанную на туннельном магниторези-стивном эффекте (Tunneling Magneto Resistance - TMR). Применение TMR-головок позволяет существенно увеличить плотность записи информации - до 100 Гбайт на квадратный дюйм и больше.
Технология перпендикулярной записи
Maxtor Corporation представила технологию изготовления пластин жестких дисков с перпендикулярной записью информации (perpendicular medium recording - PMR).
В отличие от LRM (продольной) она позволяет записывать на одну пластину до 250 Гбайт. Компания Samsung представила винчестер на 3 пластинах емкостью 1 Тбайт с интерфейсом SATA и трансфером 3,0 Гбайт/с[12].
Использование нанометровых магнитных головок
В 2007 году компания Hitachi разработала технологию создания миниатюрных нанометровых 0,03 мкм (в 2000 раз тоньше человеческого волоса) магнитных головок, что позволит увеличить емкость винчестеров до 4 Тбайт.
Перспективные технологии хранения информации на CD и DVD
Наиболее перспективными технологиями, уже представленными в настоящее время являются технологии Blu-ray Disks (BD) и High Definition (HD) disks.
Blu-ray-диск - BD
Технология Blu-ray использует голубой лазер с длиной волны более короткой (405 нм), чем у традиционного красного лазера (780 нм), что позволяет более плотно записывать информацию.
Формат BD разработан ассоциацией BDA (Blu-ray Disk Association), в которую входят компании Sony, Samsung, Philips, Pioneer и др.
Компания Ricoh разработала технологию, позволяющую размещать на 8-слойном Blu-ray-Disc (BD) до 200 Гбайт (вмещает 18 часов High Definition видео).
Существующий двухслойный BD имеет емкость 50 Гбайт.
Компания Imation - член ассоциации производителей дисков по технологии Blu-ray и организации по разработке стандартов DVD (DVD Forum) в 2006 году запустила в производство диски форматов BD, BD-R (записываемые) и BD-Re-R (перезаписываемые) указанной емкости[6. с.244].
HDDVD
Диски с высокой плотностью (HD) записи используют также голубой лазер и являются конкурентами BD, поскольку позволяют хранить тоже весьма большие объемы данных: 15 Гбайт - однослойные и 30 Гбайт - двухслойные (в 2007 году представлены диски емкостью 25 и 50 Гбайт).
Формат HD-DVD разработали компании NEC и Toshiba; компания Imation в 2006 запустила в производство диски HD-DVD-R и HD-DVD-ReR названной выше емкости.
BD и HD-DVD имеют стандартный диаметр 120 мм и толщину 1,2 мм (HD-DVD чуть толще из-за более толстого защитного слоя, что обеспечивает их лучшую защиту от механических повреждений).
В табл. 1.4. показаны основные характеристики некоторых моделей оптических дисков.
Таблица 1.4. Основные характеристики некоторых моделей оптических дисков
| Характеристика | CD | DVD | Blu Ray | HD DVD |
| Число сторон | 1 | 1;2 | l;2 | 1; 2 |
| Число слоев | 1 | 1;2 | 1;2 | 1; 2 |
| Емкость одного слоя, Гбайт | 0,7 | 4,7 | 25 | 15; 25 |
| Толшина защитного слоя, мм | 1,2 | 0,6 | 0,15 | 0,6 |
| Расстояние между дорожками, мкм | 1,6 | 0,75 | 0,32 | 0,32; 0,4 |
| Ширина пита,мкм | 0,85 | 0,4 | 0,15 | 0,15; 0,2 |
| Длина волны лазера, нм | 780 | 650 | 405 | 405 |
Многослойный CD
В 2003 году Фирма Hitachi объявила о новой технологии изготовления многослойных CD, позволяющей на одном диске формата 7,2 дюйма разместить 1 Тбайт = 1024 Гбайт I информации. На диске можно создать до 100 слоев толщиной 0,3 мкм (толщина слоя у DVD — 25 мкм). Ослабление сигнала при работе с внутренними слоями незначительное. «Прозрачность» слоев обеспечивается использованием специальных материалов с изменяемой прозрачностью под действием внешнего электрического сигнала (некоторая аналогия с жидкими кристаллами).
Millipede-диск
В 2005 году компания IBM представила действующий прототип нового типа памяти, построенной на MEMS (микроскопических электромеханических системах), использующих предложенную в 2003 году технологию Millipede. По этой технологии информация записывается путем создания в пластике углублений, которые при необходимости стираются последующим «замазыванием». Все эти операции производятся с помощью массива микроскопических (диаметр — около 10 нм) иголок, благодаря чему устройство и было названо Millipede («многоножка»). Емкость прототипа примерно 125 Гбайт (соответствует 25 DVD) при размерах примерно с почтовую марку[11].
Флуоресцентные оптические диски (FMD)
В 2004 году компанией C3D анонсированы оптические «трехмерные» диски -флуоресцентные многослойные диски (Fluorescent Multilayer Disks — FMD). Первые представленные модели дисков FMD ROM стандартного формата 5 дюймов (12 см) при 10 слоях имели емкость 140 Гбайт. В ближайших планах компании предусмотрено существенно увеличить количество слоев и поднять емкость FMD дисков до 10 Тбайт и более (подобную емкость сейчас имеют RAID-массивы, занимающие площади в несколько квадратных метров). Обещаны лучшие время доступа и скорость чтения, чем у DVD.
Особенности организации флуоресцентных дисков
В CD отражающий алюминиевый слой уменьшает прозрачность диска, a FMD таких слоев не имеет и абсолютно прозрачен. FM D однороден и имеет только условные области форматирования, названные разработчиками слоями (в некотором смысле - - аналоги дорожек на магнитных дисках). В традиционных оптических дисках (CD, DVD) читающий лазерный луч отражается от слоя с записанной информацией. В флуоресцентных дисках материал условного слоя не отражает, а излучает записанную информацию: при освещении читающим лазерным лучом материал начинает излучать, изменяя спектр излучаемого сигнала в зависимости от записанного бита информации (своеобразная частотная модуляция, в отличие от амплитудной модуляции в традиционных CD). При записи информации на FMD лазерным лучом более мощным, чем читающим, специальная фотохромная субстанция условного слоя обратимо переходит из одного состояния в другое, изменяя свои физические свойства, в частности — спектр изучаемого сигнала. FMD являются энергонезависимыми и принципиально могут быть перезаписываемыми.
Это поистине революционная технология в ВЗУ.
Голографические оптические диски (HVD)
HVD Alliance (Fujitsu, CMC Magnetics, Nippon Paint) анонсировал формат Holographic I Versatile Disc (HVD) с потенциальной емкостью диска 1 Тбайт и очень высокой скоростью чтения блока данных.
Прочие технологии
Autostrategy — выбирает при записи оптимальную стратегию записи для диска, оценивая его качество.
PlexEraser — технология уничтожения данных (для безопасности).
SecureRecording — запись информации на диск с защитой паролем.
GigaRec — технология уплотненной записи (увеличивает емкость стандартного диска в 1,5-2 раза).
Q-Check — диагностика качества поверхности диска.
Следует отметить также формат Divx-диска, разработанный компанией Digital Video Express для предотвращения многократного использования (проката) дисков, - после извлечения диска из упаковки он может быть использован только в течение первых 48 часов, после этого запись на диске автоматически стирается.
3. Требования к конфигурации ПК со стороны прикладных программ
Весьма ресурсоемкими пользовательскими программами являются:
графический пакет AutoCAD, позволяющий создавать самые сложные конструкторские машиностроительные чертежи;
пакеты компьютерной графики Photoshop и 3D Мах.Последние версии AutoCAD и Photoshop CS поддерживают:
многочисленные скрипты, позволяющие создавать собственные элементы интерфейса (окна, кнопки, поля для ввода текстов, настраиваемые клавиатурные команды);
эффективные технологии работы со слоями;
создание и хранение многочисленных элементарных фрагментов графики и чертежей, на основе которых создаются и объемные изображения;
браузеры для поиска и просмотра изображений, их вращения, сортировки, отображения растровой и векторной графики;
технологии для работы с цифровыми фотографией и видео в Photoshop, включая непосредственную совместную работу с цифровыми камерами;
и многое другое.
И при всем этом требования к компьютерным ресурсам по современным меркам сравнительно невелики. Например, для пакета Photoshop CS достаточен микропроцессор Pentium III или 4, оперативная память 256 Мбайт, свободное пространство на жестком диске 300 Мбайт, видеокарта с глубиной цвета 16 бит и разрешением 1024x768.
Наиболее серьезные требования к конфигурации компьютера из всех массово продаваемых программ предъявляют компьютерные игры. Надо сказать, что из простого развлечения геймеров игровые программы превратились, вероятно, в основной двигатель прогресса компьютерной техники. Именно для нужд геймеров выпускаются самые мощные ПК и самые изощренные графические акселераторы.
Но тем не менее, многие современные компьютерные игры не требуют очень мощных компьютеров: согласно регулярным публикациям в журнале Computer Price, большинство ИГР довольствуется минимальной конфигурацией: микропроцессор Pentium III 500-800 МГц, 64-128 Мбайт ОЗУ, 16-32 Мбайт видеокарта; рекомендуемая конфигурация: Pentium III 1,0-1,51Гц, 256Мбайт ОЗУ, 64Мбайт видеопамяти (вместо Pentium может использоваться в обоих вариантах и Athlon XP/64).
При работе с видео, например для оцифровки VHS-видеофильма, также достаточен не очень мощный ПК - Pentium/Athlon 1,5 ГГц, 256 Мбайт ОЗУ, винчестер 10 Гбайт, видеокарта 64 Мбайт.
Все вышесказанное показывает, что нет необходимости покупать самый навороченный ПК (тем более с самыми новыми технологиями - они стоят непомерно дорого, а эффекта от них часто бывает чуть-чуть).
Конфигурацию ПК следует выбирать для предполагаемой предметной области его использования, иногда немного «на вырост». Прогнозирование развития компьютеров дело неблагодарное. Но существует один закон - закон Мура, который неукоснительно выполняется уже на протяжении 25 лет: через каждые 1,5года мощности основных узлов компьютеров удваиваются. Вот этим законом и нужно руководствоваться при выборе конфигурации ПК на перспективу.
Заключение
В заключении подведем итоги:
Будут увеличиваться производительность, быстродействие, тактовая частота системной платы и тактовая частота микропроцессора. К сожалению, обратной стороной этого роста, опять же, является сравнительно быстрое увеличение теплообразования процессоров. Учитывая же тот факт, что площадь кристалла процессора практически остается постоянной, рост теплообразования способствует увеличению плотности энергии. Невозможность неограниченного роста тактовой частоты с одной стороны и необходимость повышения производительности с другой потребовал новых идей в области процессорных архитектур. Решение было найдено в многоядерных структурах, позволяющих реализовать параллельные вычисления. Процессоры с несколькими ядрами обеспечили дальнейший рост производительности при снижении показателя энергии, затраченной на выполнение одной инструкции. В качестве примера можно привести линейку двухъядерных процессоров Intel Core 2 Duo (Conroe) и четырехъядерных моделей Intel Core 2 Quad (Kentsfield).
Оперативная память развивается в нескольких направлениях. Во-первых, будет увеличиваться емкость. Во-вторых, количество циклов записи. Так же нужно отметить, что на сегодняшний день уже существуют технологии которые позволяют создавать новые микросхемы памяти по всем параметрам превосходящие ныне существующие, но они в 20 - 50 раз дороже. Поскольку каждая компания выпускающая оперативную память использует свою технологию изготовления, то можно надеяться что оперативная память будет увеличивать свою емкость при этом оставаясь доступной по цене.
Внешние запоминающие устройства благодаря новым перспективным технологиям увеличивают свою емкость, скорость чтения и записи информации, а так же и срок эксплуатации.
Еще необходимо отметить, что, несмотря на существующие барьеры, на пути повышения производительности элементов и систем, ученые и инженеры успешно их преодолевают. Они предлагают различные пути решения встающих перед компьютерной отраслью проблем. Это и улучшение полупроводниковых техпроцессов, и совершенствование архитектуры высокочастотных микросхем, и внедрение перспективных технологий, а также разработка оптимальных дизайнов материнских плат и поиск путей модификации конструктивов системных блоков.
Устройство будущих компьютеров будет основано на применении главным образом передовых отраслей широкого спектра научных дисциплин (молекулярная электроника, молекулярная биология, робототехника), а также квантовой механики, органической химии и др. А для их производства компьютеров будут необходимы значительные экономические затраты, в несколько десятки раз превышающие затраты на производство современных “классических” полупроводниковых компьютеров.
Главным выводом можно считать тот факт, что разнообразие существующих на сегодняшний момент научных разработок в области микроэлектроники, а также обширности накопленных знаний в области других научных дисциплин позволяет надеяться на создание “суперкомпьютера”, который будет доступен по цене всем желающим и будет справляться со всеми поставленными перед ним задачами, а область применения ЭВМ станет чрезвычайно обширной:
по мере поступления рыночной информации автоматически управлять процессами производства продукции;
накапливать человеческие знания и обеспечивать получение необходимой информации в течение нескольких минут;
регулировать движение всех видов транспорта;
ставить диагнозы в медицине;
обрабатывать налоговые декларации;
создавать новые виды продукции;
вести домашнее хозяйство;
и главное это будущее ЭВМ сможет вести диалог с человеком.
В настоящий момент мы, конечно же, даже не можем себе представить, как достичь этих невероятных пределов. Но ученые по крупицам собирают некие физические сведения, которые не ясны простому человеку и если развитие ЭВМ будет идти теми же темпами, все описанное станет реальностью через каких-нибудь две сотни лет.
Глоссарий
| № П/П | Термин | Понятие |
| 1 | Адресное пространство | максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором |
| 2 | Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) | предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе в текущий интервал времени. |
| 3 | Основная память (ОП) | предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины |
| 4 | Конструктив | определяет те физические разъемные соединения, которые используются для установки МП, и которые определяют пригодность материнской платы для установки МП |
| 5 | Микропроцессор (МП) , или CPU | функционально - законченное программно управляемое устройство обработки информации выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем. |
| 6 | Мультимедиа | комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию |
| 7 | Рабочая тактовая частотаМП | определяет его внутреннее быстродействие, поскольку каждая команда выполняется за определенное количество тактов |
| 8 | Рабочее(ие) напряжение(ия) | является фактором пригодности материнской платы для установки МП |
| 9 | Разрядность шины адреса МП | определяет его адресное пространство |
| 10 | Разрядность шины данных МП | определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции |
| 11 | Системнаяплата | важнейшая часть компьютера, содержащая его основные электронные компоненты и осуществляющая взаимодействие между большинством устройств машины |
| 12 | Состав инструкции | перечень, вид и тип команд, автоматически исполняемых МП |
| 13 | Чипсет - набор системных микросхем | обеспечивают надлежащую работу микропроцессора, системной шины, интерфейсов взаимодействия с оперативной памятью и другими компонентами ПК, а так же во многом определяют тактовую частоту шин СП |
| 14 | AI BIOS | обнаружение сбоев в программах BIOS: при обновлении программ и при атаках вирусов функция CrashFree BIOS обнаруживает сбои и выполняет ввод нового программного кода с системной дискеты |
| 15 | AI Net | диагностика состояния локальных компьютерных сетей (с помощью специальной прилагаемой утилиты Virtual Cable Nester) и поддержание высокой (1 Гбит/с) пропускной способности сети с помощью встроенного контроллера |
| 16 | AI Overclocking | подстройка частоты микропроцессора - автоматический разгон процессора (увеличение его частоты на 33%) в допустимых случаях с одновременной подстройкой напряжения питания модулей оперативной памяти и видеоадаптера; выполняется также регулировка скорости вращения процессорного вентилятора (кулера) |
| 17 | DMA | режим, в котором винчестер напрямую общается с оперативной памятью безучастия центрального процессора, перехватывая управление шиной |
| 18 | РIO | режим, при котором перемещение данных между периферийным устройством (жестким диском) и оперативной памятью происходит с участием центрального процессора |
Список использованных источников
Апокин И. А. Майстров Л. Е. Развитие вычислительных машин. - М.: Наука, 1974.400 с.
Богумирский Б. Эффективная работа на IBM PC. - СПб.: Питер, 1995.688 с.
Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. Учебник. 2-е изд. - СПб.: Питер, 2004.703 с.
Бройдо В.Л., Ильина О. П. Архитектура ЭВМ и систем. Учебник. - СПб.: Питер, 2006.718 с.
Бройдо В. Л., Ильина О. П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. 3-е изд. - СПб.: Питер, 2008.766 с.
Бройдо В.Л., Ильина О. П. Архитектура ЭВМ и систем. Учебник для вузов.2-е изд. - СПб.: Питер,2009.720 с.
Громов Г. Р. Очерки информационной технологии. - М: ИнфоАрт, 1993.336 с,
Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. СПБ.: Питер, 2000.816 с.
Дроздов Е, А., Пятибратов А. П. Основы построения и функционирования вычислительных систем. - М.; Энергия, 1973.368 с.
Журнал Игромания №3(138) 2009 стр.124. авт. ст. Иван Нечесов.
Журнал Игромания №4(139) 2009 стр.125. авт. ст. Иван Нечесов.
Журнал Железо №4(62) 2009 стр.94. авт. ст. Сергей SJ Плотников.
Журнал Железо №6(52) 2008 стр.48. авт. ст. Андрей костров.
Информационные системы и технологии в экономике и управлении. 2-е издание. Под ред. Проф. Трофимова В. В. (Трофимов В. В., Ильина О. П., Кияев В. И., Трофимова Е. В., Приходченко А. П.) - М.: Высшее образование, 2007.480 с.
Каган Б. М. Электронные вычислительные машины и системы. - М.: Энергоатом-издат, 1991.592 с.
Леонтьев В. П. Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2009. - М.: ОЛМА Медиа Групп, 2008. - 928 с.
Макарова Н. В., Бройдо В. Л., Ильина О. П. и др. Информатика / Под ред. Н. В. Макаровой. - М.: Финансы и статистика, 2003.768 с.
Новиков Ю., Черепанов А. Персональные компьютеры. - СПб.: Питер, 2001. 464 с.
Нортон П. Программно-аппаратная организация IBM PC. - М.: Радио и связь,1992.336 с.
Петров В. Н. Информационные системы. - СПб.: Питер, 2002.688 с.
Пятибратов А. П., Гудыно Л. П., Кириченко А. А. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации / Под. ред. А. П. Пятибратова. - М.: Финансы и статистика, 2001.512 с.
Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные
машины, сети и телекоммуникационные системы: Учебно-практическое пособие / Московский государственный университет экономики, статистики и информатики. – М.: МЭСИ, 2001. – 270 с.
Рудометов Е. А. Материнские платы и чипсеты. 4-е изд. Анатомия ПК. - СПб.: Питер, 2007. 368с.
Симонович С. В., Евсеев Г. А., Мурановский В. И. Информатика. Базовый курс / Под ред. С. В. Симоновича.. — СПб.: Питер, 1999.640 с.
Степанов Ф. Н. Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей. СПб.: Питер, 2007. 509 с.
Таненбаум Э. Архитектура компьютера. — СПб.: Питер, 2002.704 с.
Трофимов В. В. Ильина О. П., Трофимова Е. В. и др. Информационные системы и технологии в экономике и управлении / Под ред. Трофимова В. В. - М.: Высшее образование, 2006.480 с.
Хамахер К., Вранешич З., Заки С. Организация ЭВМ. — СПб.: Питер, 2003.848 с. Хелд Г. Технологии передачи данных. — СПб.: Питер, 2003.720 с.
Цилькер Б. Я., Орлов С. А. Организация ЭВМ и систем. — СПб.: Питер, 2004. 668 с.
http://www.x-medicine.com/ru/pr02.htm
Приложение А
Рис. 1. Структурная схема ПК
Приложение Б
Таблица1. Сравнительные характеристики некоторых популярных чипсетов
| Чипсет | Частота шины, МГц | Поддержка SDRAM | Максимальный объем оперативной памяти, Мбайт | Пиковый обмен с памятью, Мбайт/с |
| Intel 820 | 100,133 | PC133 | 1024 | 1600 |
| Intel 850 | 400 | DRDRAM 300 и 400 МГц | 2048 | 3200 |
| Intel 845D | 266 | PC266, DDR SDRAM | 2048 | 2100 |
| Intel 865 | 266,533,800 | DDR SDRAM 266/333/400 | 4096 | 4000 |
| Intel 875 | 533,800 | PC266, DDR SDRAM 266/333/400 | 4096 | 4000 |
| Intel 915 | 533,800 | DDR SDRAM, DDR2 533/400 | 4096 | 8000 |
| Intel 925 | 800 | DDR2 SDRAM 400/533 | 4096 | 8000 |
| Intel 945 | 533,800,1066 | DDR2 SDRAM 533/667 | 4096 | 8000 |
| Intel 955 | 800,1066 | DDR2 SDRAM 533/667 | 8192 | 8000 |
| Intel 965 | 800,1066 | DDR2 SDRAM 533/667 | 8192 | 8000 |
| Intel 975 | 800,1066 | DDR2 SDRAM 533, 667, 800 | 8192 | 12800 |
| Intel X38 | 1066,1333 | DDR2, DDR3 SDRAM | 8192 | 12800 |
| VIA 266A | 266 | PC266, DDR SDRAM | 4096 | 2100 |
1 Ретроспектива использования разъемов. Изначально для МП Pentium использовались системные платы с разъемом Socket 5,7 или 8 (небольшие разъемы прямоугольной формы, имеющие по периметру контакты, к которым подключаются выводы МП). С приходом Pentium II Socket уступил свое место щелевому разъему Slot 1, который имел контакты с фиксирующими защелками, позволяющими вставлять МП вертикально, что обеспечивает его лучшую вентиляцию и позволяет уменьшить размеры СП. Но уже для моделей Pentium III с частотой 500 МГц и выше, имеющих хорошую систему теплозащиты, стали вновь применяться 370-контактные разъемы - - Socket 370 с горизонтальной компоновкой. Для установки МП Pentium 4 используются разъемы Socket 478, а для МП Pentium 4E (ядро Prescott) - разъемы LGA 775 - с 775 контактами.
1 Компания Ovonyx разработала технологию памяти под названием Ovonics, которая допускает 10 трлн циклов записи; такая память может применяться в качестве как DRAM, так и флэш-памяти.
62
Введение
Электронные вычислительные машины и информационно-вычислительные сети являются в современном обществе самыми востребованными ресурсами. Войдя в человеческую жизнь, компьютеры сейчас стали неотъемлемой частью нашей цивилизации. И, хотя первая ЭВМ с автоматическим программным управлением была создана чуть более полувека назад, к настоящему моменту уже насчитывается пять поколений вычислительных машин. Столь бурного развития, вероятно, не претерпевала ни одна технология.
Действительно, если признанная как первая большая ЭВМ «Эниак» (1946 год) занимала площадь около 90 м2 и весила более 30 тонн, то современный микропроцессор, способный вместить все электронное оборудование такой машины, имеет площадь всего 1,5 см2, обеспечивая при этом такую вычислительную мощность, которая превышает суммарную вычислительную мощность всех ЭВМ, имевшихся в мире в середине 60-х годов. Первая ЭВМ содержала около 18 тысяч электронных ламп, а сейчас в тысячи раз большее количество электронных компонентов 0,045-мкм технологии позволяют разместить в поперечном срезе человеческого волоса.
Темпы развития ЭВМ опровергли все самые смелые прогнозы, Например, президент и основатель одной из ведущих компьютерных фирм Digital Equipment Corporation Кен Олсон (Ken Olson) в 1977 году в одном из интервью сказал, что нет причин, по которым кому-нибудь захотелось бы иметь дома компьютер, а уже на рынке появился самый массовый в настоящее время персональный компьютер: сначала (1976 г.) персональный компьютер (ПК) фирмы Apple, а в 1981 году и IBM PC. Самый, наверное, известный в компьютерном мире человек, основатель и бессменный руководитель фирмы Microsoft Билл Гейтс (Bill Gates) утверждал в 1983 году, что ни одной компьютерной программе никогда не понадобится более 640 Кбайт оперативной памяти, а сейчас его фирма выпускает программные продукты, требующие не менее 128 Мбайт.
Согласно эмпирическому закону, сформулированному Гордоном Муром в 1965 году, в течении тридцати лет развития компьютеров плотность транзисторов на микросхеме ежегодно удваиваться. Но со временем практика микроэлектронного устройства внесла в него небольшую поправку: сегодня считается, что удвоение числа транзисторов происходит каждые 18 месяцев.
И все труднее с каждым годом следовать “закону Мура”, поэтому его близкий конец предсказывался уже неоднократно. Однако человеческий гений и изобретательность находят все новые оригинальные выходы из технологических и производственных сложностей, встающих на пути безудержной компьютерной гонки. И все же прогресс вычислительной техники не может продолжаться вечно, рано или поздно мы наткнемся на предел, обусловленный как законами природы, так и экономическими законами.
И сегодня специалисты в разных областях науки и техники ищут альтернативные пути дальнейшего развития ПК.
На сегодняшний день вряд ли можно сказать, как именно он будет устроен самый “последний” компьютер.
Нам необходимо:
Проанализировать ведущие из существующих на сегодняшний день аппаратные средства компьютеров. Также для составления детальных представлений о задачах, проблемах и методах их решений в данной теории тесно связано с возможными вариантами прогресса компьютерной техники. На базе данной теории необходим краткий экскурс в историю развития вычислительной техники.
Второй нашей задачей является выяснить основные направления развития ПК на основе рассмотренного материала.
Войдя в жизнь человеческого общества, компьютеры взяли на себя огромный круг задач – начиная от простейших алгебраических вычислений и кончая организацией процессов биржевой деятельности, международных телеконференций, моделированием сложных физических, химических, технологических процессов, мультимедийными и виртуальными развлечениями, наконец. Поэтому актуальность данной темы очевидна, ведь именно благодаря ЭВМ человечество вышло в космос, открыв себе дорогу к освоению огромных космических пространств, сотен планет и миров. Во многом благодаря компьютерной технике стало возможным появление и развитие таких современных наукоемких отраслей как молекулярная биология, генная инженерия, квантовая физика и др., стала возможным обширная интеграция накопленных научных знаний.
5