Косарев В.П., Еремин Л.В. Экономическая информатика: Учебник

Подождите немного. Документ загружается.

Структурная организация персональных компьютеров 71

ности процессора при работе с мультимедийными и коммуника-

ционными приложениями. Технология динамического исполне-

ния команд включает такие возможности, как предсказание ветв-

лений, переименование регистров, а также опережающее и вне-

очередное исполнение команд (это означает, что очередность

исполнения команд не нарушается, даже если последующая ко-

манда выполняется быстрее, чем предыдущая).

Следуя стратегии выпуска различных процессоров, способных

занять свободные маркетинговые ниши, в 1998 г. компания Intel

представила новую модификацию процессора Pentium II с такто-

вой частотой 266 МГц без кэш-памяти второго уровня под назва-

нием Celeron. Микропроцессор предназначен для недорогих ПК.

Отсутствие кэш-памяти второго уровня при мощном процессор-

ном ядре привело к существенному снижению производительнос-

ти процессора (при решении некоторых задач она оказалась ниже,

чем у процессора Pentium MMX с более низкой тактовой часто-

той).

связи с этим в последующих моделях процессора Celeron с

более высокой тактовой частотой (400 МГц) появилась кэш-па-

мять второго уровня емкостью 128 Кбайт, работающая на пол-

ной частоте процессора.

В феврале 1999 г. выпущен микропроцессор Pentium III. Его

нельзя назвать процессором принципиально нового поколения,

как это бьшо с Pentium и Pentium II, появление которых связано с

существенными изменениями в технологиях обработки данных,

кэшировании, взаимодействии с системной шиной. Архитектура

Pentium III является дополненной версией процессора Pentium И,

в которую введены 70 новых инструкций, называемых расшире-

ниями Streaming SIDM (потоковые расширения SIDM - Single

Instruction - Many Data), подразумевающими возможность полу-

чения процессором одной инструкции на обработку нескольких

массивов однотипных

данных.

Первые модели Pentium III выпус-

кались

тактовой частотой 450 Мгц, последующие - 500,600 Мгц.

Из семидесяти новых инструкций пятьдесят используется для

оптимизации операций с плавающей точкой (SIDM FP), двенад-

цать - являются дополнением к имеющимся в Pentium II мульти-

медийным инструкциям ММХ и восемь новых инструкций кэши-

рования (инструкций поточного запоминания). Кроме того, в

Pentium III имеется дополнительный блок для выполнения инст-

рукций SIDM с плавающей точкой.

Глава 2

Расширения Streaming SIDM предназначены для решения за-

дач обработки звука, видео и другой мультимедийной информа-

ции, требующей интенсивной работы процессора - фильтрации

графических изображений, геометрических 3D вычислений и вол-

нового анализа, которые тормозили работу даже быстрого

Pentium II. Однако чтобы воспользоваться преимуществами

Pentium III, необходимо разрабатывать новое программное обес-

печение.

При работе с приложениями типа Microsoft Office, электрон-

ной почтой, Web-браузером пользователь вряд ли почувствует

уве-

личение производительности, используя Pentium III, по сравне-

нию с Pentium II при равной тактовой частоте процессоров. Од-

ним из перспективных применений Pentium III считается

распознавание речи и перевод устных фраз в текстовую форму.

Программы распознавания речи показывают на Pentium III бо-

лее высокую точность распознавания и меньшее время обучения

особенностям произношения по сравнению с Pentium И.

Для профессиональных рабочих станций и серверов фирмой

Intel создан микропроцессор Хеоп (1999

г.).

Более производитель-

ный, чем Pentium III, Xeon имеет кэш-память второго уровня ем-

костью 2 Мбайта, работающую на частоте процессора. Более

объемная и более быстрая кэш-память микропроцессора Хеоп по

сравнению с Pentium III способствует повышению производитель-

ности выполнения задач, интенсивно использующих процессор,

например запросов в базах данных. Кристалл позволяет изготав-

ливать машины

четырехпроцессорной конфигурацией.

резуль-

тате скорость работы сервера может быть увеличена распределе-

нием задач по нескольким процессорам. Но для реализации этого

требуется соответствующая плата, а также рассчитанная на мно-

гопроцессорность операционная система и соответствующие при-

ложения.

Несмотря на бесспорное лидерство фирмы Intel на рынке мик-

ропроцессоров, в настоящее время ряд фирм - AMD (Advanced

Micro Devices), Cyrix, IBM, Texas Instruments, IDT и др. - произ-

водит аналогичные устройства, конкурирующие

изделиями Intel.

Больших успехов в последнее время добилась на этом поприще

фирма AMD.

В 1996 г. фирмой AMD выпущен более дешевый и более про-

изводительный аналог микропроцессора Pentium - AMD-K5, в

1997 г. - AMD-K6, спроектированный как альтернатива Pentium

Структурная организация персональных компьютеров 73

II,

затем AMD K6-2 с технологией 3D Now!, AMD К6-Ш. AMD-

К6 - первый микропроцессор из выпущенных не фирмой Intel,

поддерживающий инструкции ММХ, имеет увеличенную до 1

Мбайта кэш-память второго уровня (по сравнению с 512 Кбайт в

Pentium II), высокую производительность.

AMD K6-III кэш-па-

мять второго уровня объемом 256 Кбайт расположена на самом

кристалле и может обмениваться данными с процессором на его

рабочей частоте.

В 1999 г. фирмой AMD выпущен процессор Athlon, ранее из-

вестный под кодовым названием К7. Процессор Athlon может

одновременно обрабатывать до шести инструкций за один такт

(в то время как Pentium III - только три), имеет кэш-память пер-

вого уровня 128 Кбайт (что в четыре раза больше, чем у Pentium

III).

Кроме того, фирма AMD разработала более быструю, чем у

Pentium III, системную шину, которая позволяет процессору об-

мениваться данными с набором микросхем, установленным на

системной плате, на частоте 200 МГц (у Pentium III - системная

шина работает на частоте 100 МГц).

процессор Athlon добавлены

новые инструкции, которые,

как и расширения Intel Streaming SIDM в Pentium III, предназна-

чены для повышения скорости графических приложений, коди-

рования видео, работы с поточными данными в Web, ускорения

обработки речи и другими приложениями. Однако, так же, как и

фирме Intel, фирме AMD для эффективного использования новых

инструкций требуется, чтобы разработчики программного обес-

печения позаботились о создании новых программ.

Выпускаемые в настоящее время процессоры Pentium III и

Athlon работают на тактовых частотах 500, 550, 600 МГц, и обеи-

ми фирмами (Intel и AMD) планируется в ближайшее время вы-

пуск еще более быстрых процессоров. В то же время пока боль-

шинство пользователей работают

приложениями, не требующи-

ми тактовой частоты даже в 500 МГц. В частности, при работе с

офисными приложениями дальнейший рост тактовой частоты

процессора вряд ли приведет к заметному увеличению произво-

дительности компьютера.

Как правило, микропроцессоры конкурирующих с Intel фирм

обеспечивают полную совместимость с существующим программ-

ным обеспечением. Например, микропроцессоры AMD имеют

лицензию Microsoft на использование логотипа «Designed for

Глава 2

Windows 95», сохраняют совместимость с другими операционны-

ми системами (DOS, OS/2, Windows NT, UNIX) и всей базой при-

кладного программного обеспечения, разработанного для серии

х86.

Однако некоторые микросхемы Cyrix имели определенные

проблемы совместимости (например, при запуске некоторых игр).

Большое внимание фирмами-производителями микропроцес-

соров уделяется технологии изготовления кристаллов. Произво-

дительность микропроцессоров прямо зависит от размера крис-

талла, который, в свою очередь, определяется плотностью распо-

ложения транзисторов на нем. Чем меньше пути прохождения

электронов, тем производительнее микропроцессор. При умень-

шении размеров микропроцессоры потребляют меньше энергии,

быстрее работают и становятся дешевле.

Одним из основных путей уменьшения размеров кристаллов и

соответственно увеличения плотности расположения транзисто-

ров является снижение норм толщины проводников. В ранних

моделях микропроцессоров толщина алюминиевых проводников

составляла 1,5 мкм. В настоящее время большинство производи-

телей изготавливают микропроцессоры

толщиной проводников

0,25 мкм. Снижение проектных норм (меньше 0,25 мкм) может

привести к повышению влияния электрического сопротивления

алюминия и в результате - к снижению производительности мик-

ропроцессора.

Новым решением этой проблемы стало открытие фирмой IBM

метода использования меди вместо алюминия. Медь имеет мень-

шее электрическое сопротивление, чем алюминий, и позволяет

применять более тонкие проводники. Однако медь загрязняет

кремниевую подложку микропроцессора. IBM устранила этот

недостаток путем изолирования медных проводников от кремни-

евой подложки и последующей герметизации меди. В настоящее

время IBM планирует выпуск микропроцессоров

толщиной про-

водников 0,20 мкм и менее.

1965

г.

один из основателей компании Intel Гордон Мур сфор-

мулировал закон, согласно которому мощность процессора бу-

дет удваиваться каждые 24 месяца. Больше тридцати лет этот за-

кон подтверждается компьютерной индустрией. Однако можно,

не обращаясь к закону Мура, предположить, что в ближайшее

время появятся более быстрые и дешевые микропроцессоры. При

этом поставщики программного обеспечения и аппаратуры, за-

интересованные в создании и продвижении на рынок новых про-

Структурная организация персональных компьютеров 75

дуктов, будут способствовать все более высокому темпу развития

микропроцессорной техники.

подтверждение этого достаточно посмотреть на ближайшие

планы производства микропроцессоров, объявленные ведущими

фирмами-производителями. Так, фирмой Intel уже подготовлен к

выпуску микропроцессор Pentium III Coppermine, работающий на

частоте 733 МГц и имеющий встроенную кэш-память второго

уровня емкостью 256 Кбайт. Размещение кэша второго уровня

внутри кристалла процессора способствует повышению произво-

дительности при работе с офисными приложениями.

В 2000 г. фирма Intel выпустила Pentium III с тактовой часто-

той 800 МГц, недорогой процессор Timna, содержащий встроен-

ные графические и звуковые возможности, 64-разрядный процес-

сор Itanium. Ориентированный на 64-разрядные вычисления, про-

цессор Itanium может обрабатывать огромные массивы данных и

быть использован для серверов и рабочих станций. Однако, по

мнению аналитиков, широкого применения Itanium вряд ли мож-

но ожидать раньше 2003 г., поскольку для использования его пре-

имуществ необходимо новое программное обеспечение. На компь-

ютере с процессором Itanium можно будет выполнять и 32-разряд-

ные программы, но не быстрее, чем на обычных Pentium III.

2.1.4. ПАМЯТЬ

В ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРАХ

При имеющемся в последние годы значительном повышении

скорости процессоров быстродействие компьютерных систем мо-

жет увеличиваться не столь заметно. Это связано с тем, что мощ-

ность компьютера определяется его общей архитектурой и зави-

сит не только от тактовой частоты процессора. Важную роль в

повышении быстродействия систем играют скорость работы па-

мяти и пропускная способность шины.

Для офисных приложений особенно критичным часто оказы-

вается организация взаимодействия центрального процессора и

оперативной памяти. Большую роль в связи с этим играют па-

мять и наборы микросхем, установленные на системной плате.

Запоминающие устройства ПК, или память, предназначены

для хранения информации. Основные операции, выполняемые

запоминающими устройствами, - запись и считывание информа-

ции, которые в совокупности называются

обращением

к памяти.

Глава 2

Наиболее важные характеристики памяти -

ее

емкость (объем

хранимой информации) и время доступа.

Как правило, любое запоминающее устройство содержит мно-

жество одинаковых запоминающих элементов. Для оперативной

памяти в качестве таких элементов долгое время использовались

ферритовые сердечники (небольшие ферритовые кольца, через

которые проходит несколько обмоток), объединяемые в разряд-

ную матрицу памяти. В настоящее время в качестве запоминаю-

щих элементов оперативной памяти используются

большие

интег-

ральные микросхемы (БИС).

При обработке информации процессором может произойти

обращение к любой ячейке оперативной памяти, поэтому ее на-

зывают памятью с произвольным доступом, или RAM (Random

Access Memory). Обычно ПК оснащены оперативной памятью,

выполненной на микросхемах динамического типа. Ячейки дина-

мической памяти обычно собираются в матрицу. Время доступа к

динамической памяти примерно в

- 4 раза меньше такта работы

центрального процессора.

Существует память статического типа, в которой информация

хранится на статических триггерах. Для статической памяти не

нужны циклы регенерации и операции перезарядки. Время досту-

па к статической памяти существенно меньше, чем к динамичес-

кой памяти. Быстродействие используемой оперативной памяти

во многом определяет скорость работы процессора и влияет на

производительность всей системы. Однако для реализации одно-

го запоминающего элемента динамической памяти требуется

2 транзистора, для статической -4-6 транзисторов. Соответствен-

но стоимость статической памяти существенно выше стоимости

динамической памяти, а выполнение ОЗУ на элементах статичес-

кой памяти приводит к значительному удорожанию ПК.

Поэтому в современных ПК обычно используется оператив-

ная память динамического типа, а для повышения производитель-

ности системы используется

сверхоперативная,

или кэш-память,

выполненная на элементах статического типа.

этом случае блок

данных, обрабатываемых процессором, размещается в кэш-памя-

ти,

время обращения к которой соизмеримо с тактом работы про-

цессора. Обращение к оперативной памяти происходит только

тогда, когда нужные данные не содержатся в кэш-памяти. Таким

образом, использование кэш-памяти дает возможность согласо-

вать по скорости работу процессора и оперативной памяти на

элементах динамического типа.

Структурная организация персональных компьютеров 77

Конструктивно оперативная память может выполняться в виде

SIMM-корпусов (Single In line Memory Module) - с однорядным

расположением контактов, DIMM-корпусов (Dual In line Memory

Module), характеризующихся меньшим временем обращения,

RIMM-корпусов (R - от названия разработавшей их фирмы

Rambus), устанавливающихся в другие разъемы и использующих

шину памяти с более высокой пропускной способностью.

Существуют различные типы модулей памяти: SDRAM

(Synchronous Dynamic RAM) - самый распространенный на се-

годня тип динамического ОЗУ; VC SDRAM (Virtual Channel

SDRAM) - более производительный тип памяти, чем SDRAM);

RDRAM (Rambus DRAM) - новая разновидность памяти, разра-

ботанная фирмой Rambus и предназначенная для функциониро-

вания на более высоких частотах, чем SDRAM. RDRAM являет-

ся наиболее дорогой памятью.

Иногда используется принятая в фирме Intel спецификация РС-

100,

обозначающая микросхемы памяти SDRAM, поддерживаю-

щие системную шину с частотой 100 МГц и обеспечивающие ско-

рость передачи данных 0,8 Гбайт/с. РС-600, РС-700, РС-800 - мо-

дули новой памяти RDRAM, обеспечивающие скорость передачи

данных

1,2Гбайт/с,

1,4 Гбайт/с и 1,6 Гбайт/с соответственно. Для

разных системных плат предусмотрена возможность использова-

ния модулей памяти того или иного типа.

Интегральные микросхемы памяти - продукция высоких тех-

нологий. Они выпускаются небольшим количеством японских,

корейских, американских и европейских фирм.

В современных ПК имеется, как правило, постоянное запоми-

нающее

устройство (ПЗУ), или ROM (Read Only Memory). Важ-

нейшей функцией этой памяти является хранение BIOS (Basic Input

Output System - базовая система ввода-вывода). BIOS обеспечи-

вает инвариантность программных средств к архитектуре систем-

ной платы и содержит необходимый набор программ ввода-вы-

вода, обеспечивающих работу периферийных устройств.

Кроме программ ввода-вывода в ПЗУ содержатся программа

тестирования при включении компьютера POST (Power On

Self-

Test),

программа начального загрузчика, выполняющего функцию

загрузки операционной системы с диска.

Обычно BIOS хранится в микросхемах так называемого ма-

сочного ПЗУ: информация в них записывается один раз при из-

готовлении микросхем. Отсюда название ROM BIOS, т.е. исполь-

зование для BIOS памяти только для чтения. Однако в настоящее

Глава 2

время после снижения цен на перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ)

для хранения BIOS используются запоминающие элементы, ин-

формацию в которых можно стирать электрически или с помо-

щью ультрафиолетового излучения. В настоящее время наиболее

часто для этих целей применяют

флэш-память

(Flash Memory). Она

позволяет вносить исправления в BIOS, т.е. дает возможность, не

меняя микросхем, изменять или дополнять функции BIOS для вза-

имодействия с новыми устройствами, подключаемыми к ПК.

Кроме того, в ПК имеется память с независимым питанием

(от батарейки), называемая CMOS RAM (Complementary Metal-

Oxide-Semiconductor), объемом 256 байт. Эта память не отобра-

жается в адресном пространстве микропроцессора, а служит для

хранения данных о текущих параметрах (параметры жестких дис-

ков , оперативной памяти, микропроцессора, показания часов и

т.д.).

При необходимости содержимое CMOS RAM можно кор-

ректировать.

2.1.5. СИСТЕМНЫЕ ПЛАТЫ

Основная электронная часть ПК конструктивно располагает-

ся в системном блоке, который может быть нескольких размеров

типов,

например настольным (горизонтальное исполнение), типа

«башня» (вертикальное исполнение). Внутри системного блока

различные компоненты компьютера размещаются на системной

плате, называемой часто материнской.

Системная плата играет важную роль: от ее характеристик во

многом зависит работа ПК. Существует несколько типов систем-

ных плат, которые обычно ориентированы на конкретные мик-

ропроцессоры.

условиях быстрого обновления аппаратной час-

ти компьютеров выбор системной платы особенно важен, так как

он во многом определяет возможности будущей модернизации

компьютера. При выборе системной платы необходимо учиты-

вать следующие ее характеристики:

• возможные типы используемых микропроцессоров с учетом

их рабочих частот;

• число и тип разъемов системной шины;

• базовый размер платы;

• возможность наращивания оперативной и кэш-памяти;

• возможность обновления базовой системы ввода-вывода

(BIOS).

Структурная организация персональных компьютеров 79

На системной плате помещены одна или несколько интеграль-

ных микросхем, управляющих коммуникациями между процессо-

ром, памятью и устройствами ввода-вывода и называемых сис-

темным набором микросхем (chipset).

Среди имеющихся сейчас наборов микросхем наиболее часто

используются Intel 440LX, Intel 440BX; перспективными являют-

ся Intel

820,

Intel 810е и Apollo Pro

133

4х фирмы VIA Technologies.

Intel 810e предусмотрен для применения в недорогих компьюте-

рах и не поддерживает память RDRAM. Intel 820 поддерживает

память типа RDRAM, но может также работать и с памятью

SDRAM.

Самым крупным производителем системных плат является

фирма Intel. Большинство технологических и технических нов-

шеств для системных плат было введено именно этой фирмой.

Однако изделия Intel относятся, как правило, к дорогим. На мас-

совом рынке ведущие позиции в производстве системных плат

занимают тайваньские фирмы.

2.1.6. ШИНЫ, ИНТЕРФЕЙСЫ

Непосредственно на системной плате находится системная

шина ПК. Функционально системная шина предназначена для

передачи информации между процессором и остальными компо-

нентами ПК. По шине происходит не только обмен информаци-

ей,

но и передача адресов, служебных сигналов.

IBM PC-совместимых компьютерах вначале использовалась

16-разрядная шина ISA (Industry Standart Architecture), разрабо-

танная еще в 1984 г. , работающая с тактовой частотой 8 МГц.

После появления новых микропроцессоров и высокоскоростных

периферийных устройств шина стала "узким" местом. В 1987 г.

был предложен новый стандарт - шина MCA (Micro Chanal

Architecture) с более высокой тактовой частотой (до 10 МГц), с

реализацией функций арбитража, позволяющих избегать конф-

ликтные ситуации при совместной работе нескольких устройств. В

шине МСА увеличена пропускная способность до 20 - 40 Мбайт/с,

достигнута большая компактность. Разрядность шины МСА - 16

и 32. Основной недостаток - потеря аппаратной совместимости с

шиной ISA. Из-за нее, а также из-за патентных ограничений эта

опередившая свое время архитектура так и не стала настоящим

стандартом.

Глава 2

В 1989 г. консорциумом независимых фирм была разработана

шина EISA (Extended ISA - расширенная), фактически ставшая

надстройкой ISA. Она работает с тактовой частотой 8-10 Мгц.

Однако из-за своей дороговизны, сложности использования и не-

возможности получения пропускной способности выше, чем

33 Мбайт/с, она также

не

смогла вытеснить остальные

шины.

EISA

применялась в основном в высокопроизводительных серверах и

профессиональных рабочих станциях, предъявляющих высокие

требования к быстродействию.

Для увеличения производительности системы с 1991 г. стали

использовать так называемые

локальные

шины,

связывающие про-

цессор непосредственно с контроллерами периферийных уст-

ройств и увеличивающие тем самым общее быстродействие ПК.

Среди локальных шин наибольшей известностью пользуются

шина VL-bus (VESA Local bus), разработанная ассоциацией VESA

(Video Electronics Standards

Assosiation),

PCI (Peripheral Component

Interconnect), разработанная фирмой Intel. Шина VL-bus была

ориентирована на ПК с микропроцессорами семейства i486, но

может также работать и с процессорами Pentium.

Процессорно-независимая шина PCI работает с тактовой час-

тотой 33 МГц и обладает высокой скоростью передачи данных

(больше 100 Мбайт/с). Для шины PCI выпущены многие адапте-

ры периферийных устройств - видеоплаты, контроллеры дисков,

сетевые адаптеры и др.

Специально для работы с графическими и видеоданными раз-

работана шина AGP (Accelerated Graphics Port), более быстрая,

чем PCI. Шина AGP напрямую соединяет графический адаптер с

оперативной памятью ПК, что особенно важно при работе с ви-

део-,

двух- и трехмерными приложениями. Использование шины

AGP позволяет разгрузить шину PCI от потока видеоданных, что

облегчает обмен данными

другими периферийными устройства-

ми.

Шина AGP функционирует на частоте 66 МГц.

Фирмы - разработчики системных плат предусматривают воз-

можность комбинации системных и локальных шин. Например,

системная плата может иметь один разъем AGP, четыре - PCI и

три - ISA, один из которых совмещен с PCI.

Периферийные устройства подключаются к системной шине с

помощью контроллеров или адаптеров, представляющих собой

специальные платы, различные для разных типов периферийных