Основной цикл работы компьютера

Важной составной частью фон-неймановской архитектуры является счетчик адреса команд. Этот специальный внутренний регистр процессора всегда указывает на ячейку памяти, в которой хранится следующая команда программы. При включении питания или при нажатии на кнопку сброса (начальной установки) в счетчик аппаратно заносится стартовый адрес находящейся в постоянном запоминающем устройстве программы инициализации всех устройств и начальной загрузки. Дальнейшее функционирование компьютера определяется программой. Вся деятельность компьютера – это непрерывное выполнение тех или иных программ, причем программы могут в свою очередь загружать новые программы и т.д.

Каждая программа состоит из отдельных машинных команд. Каждая машинная команда, в свою очередь, делится на ряд элементарных унифицированных составных частей, которые принято называть тактами. В зависимости от сложности команды она может быть реализована за разное число тактов. Например, пересылка информации из одного внутреннего регистра процессора в другой выполняется за несколько тактов, а для перемножения двух целых чисел их требуется на порядок больше.

При выполнении каждой команды компьютер проделывает определенные стандартные действия:

ü согласно содержимому счетчика адреса команд считывается очередная команда программы (ее код обычно заносится на хранение в специальный регистр УУ, который носит название регистра команд);

ü счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды (в простейшем случае для этой цели достаточно к текущему значению счетчика прибавить некоторую константу, определяющуюся длиной команды);

ü считанная в регистр команд операция расшифровывается, извлекаются необходимые данные и над ними выполняются требуемые действия.

Затем во всех случаях, за исключением команды останова или наступления прерывания, все описанные действия циклически повторяются.

Функциональные компоненты компьютера

 

Микропроцессор

В технической литературе используют два термина: процессор и микропроцессор. Различие указанных терминов заключается в уточнении технологии изготовления и габаритов процессора.Микропроцессор (МП) изготавливается по полупроводниковой технологии и размещается на одном кристалле, в одной микросхеме (иногда говорят – в одном чипе). Большая интегральная схема содержит сотни тысяч и миллионы активных элементов (транзисторов). Если 8-разрядный процессор Intel 8088, на котором работал первый IBM PC, содержал 3,5 тыс. транзисторов, то процессоры Pentium вмещают уже свыше 3 млн. транзисторов.

Микропроцессор (центральный микропроцессор, CPU) – программно управляемое устройство, предназначенное для обработки информации под управлением программы, находящейся в данный момент в оперативной памяти. Микросхема устанавливается на материнской плате и связана с материнской платой интерфейсом процессорного разъема (Socket).

Микропроцессор может обрабатывать данные любой природы: текст, числа, графику, звук и др. Это возможно потому, что данные перед использованием на компьютере преобразуются к простейшему виду, представляются в двоичном коде, «оцифровываются». Для описания работы цифровых устройств используется двоичная система счисления, Булева логика, законы алгебры логики.

Процессоры классифицируются по базовому типу, называющемуся семейством. С целью преемственности программного обеспечения последующие модели и модификации процессоров, как правило, содержат всю систему команд своих предшественников. Существует большое количество различных семейств процессоров, среди которых можно выделить семейство Intel и совместимых с ними AMD и Cyrix, на которых базируется значительная часть ПК. Фирмой Intel был создан процессор Pentium и его модификации Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Pentium IV. Процессоры фирмы Motorola, применяемые в компьютерах фирмы Apple, относятся к другому семейству.

 

Основными характеристиками процессора являются:

ü тактовая частота – количество тактов, производимых процессором за 1 секунду. Операции, производимые процессором, не являются непрерывными, они разделены на такты. Тактовая частота определяет скорость выполнения операций и непосредственно влияет на производительность процессора. Процессор Pentium и его модификации имеют тактовые частоты от 60 МГц до 3 ГГц (выполняют 3 миллиарда операций в секунду);

ü быстродействие – характеристика, связанная с тактовой частотой. Определяется количеством команд (операций), производимых в 1 секунду. Быстродействие зависит от тактовой частоты и от выполняющейся программы, от того, какие команды – сложения или, скажем, деления – в ней преобладают. Быстродействие определяется на специальных тестовых программах. Измеряется в бит/с.

ü разрядность – количество двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Чем больше количество одновременно обрабатываемых разрядов, тем выше вычислительная мощность компьютера. Указывая разрядность процессора 64, имеют в виду, что процессор имеет 64-разрядную шину данных, т.е. за один такт он обрабатывает 64 бита.

 

Шины

Комплекс, состоящий из пучка проводов и электронных схем, обеспечивающих правильную передачу информации внутри компьютера, называют магистралью, системной шиной или просто шиной. Шина характеризуется разрядностью и частотой.

Максимальное количество одновременно передаваемой информации называется разрядностью шины. Разрядность шины определяется разрядностью процессора и в настоящее время составляет 64 бита. Чем выше разрядность шины, тем больше информации она может предавать в единицу времени.

Поиск устройства или ячейки памяти осуществляет процессор. Каждое устройство или ячейка имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, сигналы по которой передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам. Разрядность адресной шины определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек памяти. Количество адресуемых ячеек памяти рассчитывается по формуле: N = 2 ⁱ, где i – разрядность адресной шины. Если разрядность адресной шины составляет 32 бита, то максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно 2³² = 4 294 967 296 ячеек.

Информация по шине передается в виде импульсов электрического тока. Шина работает не непрерывно, а циклами. Количество циклов срабатывания шины в единицу времени называется частотой шины.

Шина связывает между собой не только процессор и оперативную память, фактически все устройства компьютера – диски, клавиатура, дисплей и т.д. – так или иначе принимают и передают данные через шину. Для этого в шине предусмотрены стандартные разъемы, к которым подключаются те или иные устройства компьютера. Если шина одна, то пропускная способность ввода\вывода ограничена. Скорость шины лимитируется физическими факторами – длиной шины и количеством подсоединяемых устройств. Поэтому в современных крупных системах используется комплекс взаимосвязанных шин. Традиционно шины делятся на шины, обеспечивающие организацию связи процессора с памятью и шины ввода\вывода.

Шины ввода\вывода могут иметь большую протяженность, поддерживать подсоединение многих типов устройств и обычно следуют одному из шинных стандартов. Шины процессор-память сравнительно короткие, высокоскоростные и соответствуют организации системы памяти для обеспечения максимальной пропускной способности канала память – процессор.

Некоторые компьютеры имеют единственную шину для памяти и устройств ввода\вывода. Такая шина называется системной. Локальной шиной называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контроллер, а также некоторые вспомогательные схемы.

Первоначально применялась шина ISA (8- и 16-разрядная, частота – 8 МГц), созданная в начале 80-х годов и обладавшая невысокой пропускной способностью. Сейчас шина ISA иногда используется для подключения низкоскоростных устройств (клавиатуры, мыши и т.д.).

В настоящее время чаще используются:

ü шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus – шина взаимодействия периферийных устройств);

ü графическая шина AGP (Accelerated Craphic Port – ускоренный графический порт);

ü HyperTransport – высокоскоростная шина для соединения внутренних устройств компьютерной системы. Тактовая частота достигает 800 МГц. Пропускная способность составляет до 6,4 Гбайт/с;

ü USB предназначена для подключения до 256 внешних устройств (таких, как мышь, принтер, сканер, фотокамера, FM-тюнер и т.д.) к одному USB-каналу (по принципу общей шины). Пропускная способность до 480 Мбит/с (в версии USB 2.0).

В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины (частота процессора 1 ГГц, а частота шины – 100 МГц).

Память

 

Память – функциональная часть компьютера, предназначенная для записи, хранения и выдачи информации. В ПК имеется несколько видов памяти: ОЗУ, ПЗУ, РОН, Кэш, СМОS, ВЗУ. Существует еще видеопамять – электронная память, размещенная на видеокарте.

Производительность ПК во многом определяется быстродействием процессора, а также объемом оперативной памяти и скоростью доступа к ней.

Оперативная память (RAM – random access memory, ОЗУ) – устройство, предназначенное для хранения обрабатываемой информации (данных) и программ, управляющих процессом обработки информации. Конструктивно представляет собой набор микросхем, размещенных на одной небольшой плате (модуль, планка). Модуль (модули) оперативной памяти вставляется в соответствующий разъем материнской платы, позволяя таким образом связываться с другими устройствами ПК (рис. 2.4, 2.5).

 

Рис. 2.4. Модули оперативной памяти

 

 

Рис. 2.5. Инсталляция модуля ОП в слот

Можно считать, что оперативная память представляет собой последовательность пронумерованных байтов. Каждый байт имеет свой номер, который по аналогии с номерами домов на улице принято называть адресом. Содержимое любого байта памяти может обрабатываться независимым от остальных байтов образом. Указав адрес байта, можно получить код, который в нем записан, или занести, записать в этот байт какой-либо другой код.

С точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).

Микросхемы динамической памяти используются в качестве основной оперативной памяти компьютера. Ячейки динамической памяти можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Конденсаторы необходимо подзаряжать каждые несколько миллисекунд.

В статической памяти элементы построены на триггерах – схемах с двумя устойчивыми состояниями. Для одного триггера требуется 4-6 транзисторов. После записи элемент памяти хранит информацию сколь угодно долго. Имеет высокое быстродействие и низкую удельную плотность. Микросхемы статической памяти используются в качестве кэш-памяти. Разработаны разные модификации статической и динамической памяти.

Память характеризуется двумя параметрами:

ü время доступа;

ü длительность цикла.

Время доступа – промежуток времени между формированием запроса на чтение информации и моментом поступления запрошенной информации из памяти. Длительность цикла – минимальное допустимое время между двумя последовательными обращениями к памяти. На время написания учебника типовой компьютер имеет 512 Мб или 1024 Мб оперативной памяти.

Оперативная память энергозависима – при выключении электропитания информация, помещенная в оперативную память, исчезает безвозвратно (если она не была сохранена на какой-либо носитель информации).

Для ускорения доступа к оперативной памяти используется кэш-память (cache – запас, тайник). Это сверхбыстрая оперативная память, предназначенная для временного хранения текущих данных и помещенная между оперативной памятью и процессором. Специальные программно-аппаратные средства обеспечивают опережающее копирование данных из оперативной памяти в кэш и обратное копирование данных по окончании их обработки. Обработка данных в кэш-памяти производится быстрее, что приводит к увеличению производительности ПК. Непосредственного доступа из программы в кэш-память нет.

CMOS-память (изготовленная по технологии CMOS – complementary metal – oxide semiconductor) предназначена для длительного хранения данных о конфигурации и настройке компьютера (дата, время, пароль), в том числе, когда питание компьютера выключено. Для этого используют специальные электронные схемы со средним быстродействием, но очень малым энергопотреблением, питаемые от специального аккумулятора, установленного на материнской плате. Это полупостоянная память.

Данные CMOS-памяти записываются и считываются под управлением команд, содержащихся в другом виде памяти – ПЗУ. Она называется ROM(read only memory) – постоянная память, т.е. память, хранящая информацию при отключенном питании теоретически сколь угодно долго. Это такая память, в которую данные занесены при ее изготовлении. Постоянная память содержит наборы групп команд для непосредственного управления различнымиустройствами ПК, а также их тестирования при включении. Эти программы называются BIOS (Basic Input-Output System – базовая система ввода-вывода). В BIOS содержится также программа настройки конфигурации компьютера – SETUP. Она позволяет установитьнекоторые характеристики устройств ПК. BIOS непосредственно ориентирована на конкретную аппаратную реализацию компьютера и может быть различной даже в однотипных компьютерах.