Системы, расположенные на материнской плате

Оперативная память (RAM — Random Access Memory) — это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные.

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

Динамическая память (DRAM) — наиболее распространенный тип памяти. Его недостатки связаны прежде всего с тем, что запись данных происходит сравнительно медленно. Другой важный недостаток заключается в том, что регенерация ячеек оперативной памяти вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.

Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы, где хранится состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие.

Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера, а статической — в качестве вспомогательной памяти (кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, выражаемый числом. В настоящее время в процессорах Intel Pentium и других принята 32-разрядная адресация, т.е. всего независимых адресов может быть 2³². В современных компьютерах возможна непосредственная адресация к полю памяти размером 2³² = 4 294 967 296 байт (4,3 Гбайт). Но предельный размер поля оперативной памяти, установленной в компьютере, определяется микропроцессорным комплектом (чипсетом) материнской платы.

Одна адресуемая ячейка содержит восемь двоичных ячеек, в которых можно сохранить 8 битов, т.е. 1 байт данных. Таким образом, адрес любой ячейки памяти можно выразить 4 байтами.

Объем оперативной памяти в типовом компьютере постоянно возрастает. Минимальным считается размер оперативной памяти 128 Мбайт, а обычным — 512 Мбайт.

2. Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Конструктивно модули памяти имеют два исполнения — однорядные (SIMM-модули) и двухрядные (DIMM-модули). Многие модели материнских плат имеют разъемы обоих типов, но комбинировать на одной плате модули разных типов нельзя.

Основными характеристиками модулей оперативной памяти служат объем памяти и время доступа. SIMM-модули поставляются объемами 4, 8, 16, 32 Мбайта, а DIMM-модули — 16, 32, 64, 128 Мбайт и более. Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти — чем оно меньше, тем лучше. Время доступа измеряется в миллиардных долях секунды (наносекундах, нс).

3. Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в них данные могут не только храниться, но и изменяться.

Регистрами называют внутренние ячейки процессора. Данные, попавшие в регистры, рассматриваются как команды, управляющие обработкой данных из других регистров. Среди регистров процессора есть такие, которые способны модифицировать исполнение команд.

4. С остальными устройствами компьютера, например с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три:

1) адресная шина. У процессоров Intel Pentium адресная шина 32-разрядная, т.е. состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-либо из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или нуль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров;

2) шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, т.е. состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов;

3) шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды, которые поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в 1 байт. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная, но есть и 64- и 128-разрядные шины.

5. В ходе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора. Одну часть данных он интерпретирует как данные, вторую часть данных — как адресные данные, а третью — как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует систему команд процессора.

Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и не взаимозаменяемы.

Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это означает, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовместимы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, тактовой принцип и размер кэш-памяти.

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное снижение рабочего напряжения. Снижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

Разрядность процессора показывает, сколько битов данных он может принять и обработать в своих регистрах за раз (за такт). Первые процессоры х8б были 16-разрядными. Начиная с процессора 80386 они имеют 32-разрядную архитектуру.

В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область — так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там не находит нужных данных, он обращается в оперативную память. Процессор, принимая блок данных из оперативной памяти, заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

6. В момент включения компьютера в его оперативной памяти нет ничего — ни данных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки ячеек более сотых долей секунды, но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения. Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ (всегда одинаково). Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам.

Этот исходный адрес не может указывать на оперативную память, в которой пока ничего нет. Он указывает на другой тип памяти — ПЗУ. Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» — их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.

Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS — Basic Input Output System).

7. Работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами, входящими в BIOS, но такими средствами нельзя обеспечить работу со всеми возможными устройствами.

Специально для этого на материнской плате есть микросхема «энергонезависимой памяти», называемая CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor— комплементарный металлооксидный полупроводник). От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.

В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы.

Дата добавления: 2013-12-12