ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР
План
Введение 3

1. 
   Материнская плата. 4
   
2. 
   Процессор. 5
   

2.1 Архитектуры процессоров.5

2.2 Параметры процессоров. 6

2.3Процесс производства. 7

2.4 Процессоры IA-64. 8

3. 
   Системная шина. 10
   
4. 
   Память 11
   

4.1. Оперативная память. 13

4.2.Синхронная динамическая память SDRAM. 15

5. 
   Порты. 17
   

1. 
   Параллельные порты (LPT). 17
   
2. 
   Последовательные порты (СОМ). 17
   
3. 
   Порт PS/2. 17
   
4. 
   Порт USB. 17
   

6.Видеокарта. 19

7.Звуковая карта. 22

Заключение.
ВВЕДЕНИЕ

Потребность в автоматизации обработки данных и вычислений возникла давно. В 1642г. Б. Паскаль изобрел устройство, механически выполняющее сложение чисел, а в 1763г. Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических операции. Начиная с 19-го века, арифмометры получили очень широкое применение. Существовала и специальная профессия счетчик-человек, работающий с арифмометром, быстро и точно соблюдающий определенную последовательность инструкций. Такую последовательность инструкций впоследствии стали называть программой. Но многие расчеты производились очень медленно, даже десятки счетчиков должны были работать по несколько недель. Причина проста, человек выбирающий действия весьма ограничен в скорости. В первой половине 19-го века математик Ч. Беббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство – аналитическую машину, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого она должна была уметь исполнять программы, вводимые с помощью перфокарт и иметь склад для запоминания данных и промежуточных результатов (в современной терминологии – память). В 1943 американец Г. Эйкен с помощью работ Беббиджа на основании техники 20-го века – электромеханических реле – смог построить на предприятии фирмы IBM такую машину под названием "МАРК-1". К тому времени потребность в автоматизации вычислений стала настолько велика, что над созданием машин подобных построенным Эйкеном одновременно работало несколько групп исследователей. Начиная с 1943г. Группа специалистов под руководством Джона Мочли в США начала конструировать машину уже на основе электронных ламп, а не реле. Их машина, названная ENIAC, работа в 1000 раз быстрее, чем МАРК-1, однако для задания ее программы приходилось в течение нескольких часов или даже дней подсоединять нужным образом провода. Компьютеры 40-х и 50-х годов были очень большими устройствами, – огромные залы были заставлены шкафами с электронным оборудованием. Все это стоило очень дорого, поэтому компьютеры были доступны только крупным фирмам. Первый шаг к уменьшению размеров компьютеров был сделан с изобретением в 1948г. транзисторов, которые смогли заменить в компьютерах лампы. И уже во второй половине 50-х годов появились машины на основе транзисторов. Это только несколько исторических фактов, которые привели к возникновению современных персональных компьютеров в том виде, в котором человечество использует их на сегодняшний день. Нашей задачей, является рассмотреть, из чего состоит современный компьютер, и в общих чертах понять для чего служит каждая из составляющих его частей и как она работает.
1. МАТЕРИНСКАЯ ПЛАТА

Внутри системного блока размещаются основные внут­ренние компоненты компьютера:

• 
  материнская плата;
  
• 
  платы адаптеров (звуковая, видео и сетевая карты);
  
• 
  процессор;
  
• 
  дисковые накопители;
  
• 
  блок питания;
  
• 
  соединительные шлейфы, шнуры и кабели;
  
• 
  вентилятор системы охлаждения внутренних элементов;
  
• 
  вентилятор и радиатор системы охлаждения процессора;
  
• 
  слоты системной шины.
  

Так как многие компоненты могут быть интегрированы на материнской плате, то не все они могут быть представлены как отдельные комплектующие элементы. Задняя панель, как правило, содержит панели плат расширений с разъемами, за­глушки разъемов, вентиляционное отверстие вентилятора бло­ка питания.

Материнская плата является своеобразным «фундамен­том» для всех комплектующих компьютера. Именно к ней подключаются все основные устройства: видеокарта, оперативная память, процессор, жесткие диски и т. д. Другими словами, это платформа, на которой строится вся остальная конфигурация компьютера. На материнских платах также встречаются интегриро­ванные устройства, т. е. встроенные. Материнские платы по­добного типа уже продолжительное время фигурируют на компьютерном рынке. Примером могут служить материнские платы со встроенными звуковой и видеокартой. Устройства интегрируются на материнскую плату с це­лью удешевления общей стоимости компьютера. Действи­тельно, стоимость чипа плюс затраты на инженерные разра­ботки по интеграции значительно меньше, чем стоимость разработки и изготовления отдельной полноценной платы расширения. Однако интегрированные решения имеют свои недостатки. Это, во-первых, невозможность модернизации в будущем. А во-вторых, такие решения имеют среднюю производительность.

Тип и характеристики различных элементов и уст­ройств материнской платы, как правило, определяются ти­пом и архитектурой процессора. Именно процессор или про­цессоры, их семейство, тип, архитектура и исполнение опре­деляют тот или иной вариант архитектурного исполнения материнской платы. Материнские платы изготавливают, де­лая главный упор на наилучшую совместимость именно с процессорами.

2. ПРОЦЕССОР

Что же такое процессор? Процессор — эго «мозг» ком­пьютера. Процессором называется устройство, способное об­рабатывать программный код и определяющее основные функ­ции компьютера по обработке информации. Конструктивно процессоры могут выполниться как в виде одной большой монокристальной интегральной микросхемы — чипа, так и в виде нескольких микросхем, блоков электрон­ных плат и устройств. Чаще всего процессор представлен в виде чипа, распо­ложенного на материнской плате. На самом чипе написана его марка, его тактовая частота (число возможных операций, которые он может выполнить в единицу времени) и изгото­витель. В настоящее время микропроцессоры и процессоры вме­щают в себе миллионы транзисторов и других элементов элек­тронной логики и представляют сложнейшие высокотехноло­гичные электронные устройства. Персональный компьютер содержит в своем составе довольно много различных про­цессоров. Они входят в состав систем ввода/вывода контрол­леров устройств. Каждое устройство, будь то видеокарта, си­стемная шина или еще что-либо, обслуживается своим соб­ственным процессором или процессорами. Однако архитекту­ру и конструктивное исполнение персонального компьютера определяет процессор или процессоры, контролирующие и обслуживающие системную шину и оперативную память, а так­же, что более важно, выполняющие объектный код программ. Такие процессоры принято называть центральными или глав­ными процессорами (Central Point Unit — CPU). На основе архитектуры центральных процессоров строится архитектура материнских плат и проектируется архитектура и конструк­ция компьютера.

2.1. АРХИТЕКТУРЫ ПРОЦЕССОРОВ

Процессор, или более полно — микропроцессор, часто называемый ЦПУ (CPU — central processing unit), является центральным компонентом компьютера. Это разум, который прямо или косвенно управляет всем происходящим внутри компьютера. Когда фон Нейман впервые предложил хранить после­довательность инструкций, так называемые программы, в той же памяти, что и данные, это была поистине новаторская идея. Опубликована она в «First Draft of a Report on the EDVAC» в 1945г. Этот отчет описывал компьютер состоящим из четы­рех основных частей: центрального арифметического устрой­ства, центрального управляющего устройства, памяти и средств ввода/вывода. Сегодня почти все процессоры имеют фон-неймановскую архитектуру. Каждый микропроцессор имеет определенное число эле­ментов памяти, называемых регистрами, арифметико-логичес­кое устройство (АЛУ) и устройство управления. Регистры используются для временного хранения вы­полняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых дан­ных и другой внутренней информации микропроцессора.

В АЛУ производится арифметическая и логическая, об­работка данных. Устройство управления реализует временную диаграм­му и вырабатывает необходимые управляющие сигналы для внутренней работы микропроцессора и связи его с другой ап­паратурой через внешние шины микропроцессора. На данный момент существует несколько направлений в производстве микропроцессоров. Они различается принци­пами построения архитектуры процессора.

2.2. Параметры процессоров

Структуры различных типов процессоров могут существен­но различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее важными параметрами являются архитектура, адресное простран­ство памяти, разрядность шины данных, быстродействие. Архитектуру микропроцессора (МП) определяет разряд­ность слова и внутренней шины данных МП. Первые МП ос­новывались на 4-разрядной архитектуре. Первые ПЭВМ ис­пользовали МП с 8-разрядной архитектурой, а современные МП основаны на 32- и 64-разрядной архитектуре. Микропроцессоры с 4- и 8-разрядной архитектурой ис­пользовали последовательный принцип выполнения команд, при котором очередная операция начинается только после выполнения предыдущей. В некоторых МП с 16-разрядной архитектурой используются принципы параллельной работы, при которой одновременно с выполнением текущей команды производятся предварительная выборка и хранение последу­ющих команд. В МП с 32-разрядной архитектурой использу­ется конвейерный метод выполнения команд, при котором несколько внутренних устройств МП работают параллельно, производя одновременно обработку нескольких последова­тельных команд программы. Адресное пространство памяти определяется разряд­ностью адресных регистров и адресной шины МП. В 8-раз­рядных МП адресные регистры обычно составляются из двух 8-разрядных регистров, образуя 16-разрядную шину, адресующую 68 КБ памяти. В 16-разрядных МП, как пра­вило, используются 20-разрядные адресные регистры, ад­ресующие 1 МБ памяти. В 32-разрядных МП используются 24- и 32-разрядные адресные регистры, адресующие от 16 МБ до 4 ГБ памяти. Для выборки команд и обмена данными с памятью МП имеют шину данных, разрядность которой, как правило, сов­падает с разрядностью внутренней шины данных, определяе­мой архитектурой МП. Однако для упрощения связи с внеш­ней аппаратурой внешняя шина данных может иметь разряд­ность меньшую, чем внутренняя шина и регистры данных. Например, некоторые МП с 16-разрядной архитектурой име­ют 8-разрядную внешнюю шину данных. Они представляют собой специальные модификации обычных 16-разрядных МП и обладают практически той же вычислительной мощностью. Одним из важных параметров МП является тактовая частота его работы и работы системной шины, которая обыч­но задается внешними синхросигналами. Для современных про­цессоров стандартными являются частоты системной шины 66, 100, 133 МГц, а собственная частота достигает 3 ГГц. Вы­полнение простейших команд (например, сложение двух опе­рандов из регистров или пересылка операндов в регистрах МП) требует минимально двух периодов тактовых импуль­сов (для выборки команды и ее выполнения). Более сложные команды требуют для выполнения до 10—20 периодов такто­вых импульсов. Если операнды находятся не в регистрах, а в памяти, дополнительное время расходуется на выборки опе­рандов в регистры и запись результата в память. Скорость работы МП определяется не только тактовой частотой, но и набором его команд, их гибкостью, развитой системой прерываний. В соответствии с законом Мура (сформулированным в 1965г. Гордоном Муром, одним из создателей Intel), CPU удваивает свою мощность и возможности каждые 18 месяцев. Этот закон действует на протяжении уже почти сорока лет. Однако законы физики ограничивают разработчиков в непосредственном увеличении частоты, и хотя частоты растут каждый год, это не может дать того прироста произ­водительности, что мы используем сегодня. Вот почему ин­женеры постоянно ищут способ заставить процессор вы­полнять больше работы за каждый тик. Развитие состоит в расширении шины данных и регистров. Даже 4-битные про­цессоры способны складывать 32-битные числа, правда, вы­полнив массу инструкций; 32-битные процессоры решают эту задачу в одну инструкцию. Большинство сегодняшних процессоров имеют 32-разрядную архитектуру, на повестке уже 64-разрядные.

2.3. Процесс производства

Кремний или силикон — это основной материал для про­изводства чипов. Это полупроводник, который, будучи приса­жен добавками по специальной маске, становится транзисто­ром, основным строительным блоком цифровых схем. Процесс подразумевает вытравливание транзисторов, резисторов, пере­секающихся дорожек и т. д. на поверхности кремния.

В первую очередь выращивается кремневая болванка. Она должна иметь бездефектную кристаллическую структуру, этот аспект налагает ограничение на ее размер. В прежние дни болванка ограничивалась диаметром в 2 дюйма, а сейчас — 8 дюймов. На следующей стадии болванка разрезается на слои, называемые пластинами (wafers). Они полируются до безупречной зеркаль­ной поверхности, На этой пластине и создается чип. Обычно из одной пластины делается много процессоров. Электрическая схема состоит из разных материалов. Например, диоксид кремния — это изолятор, из полисиликона изготавливаются проводящие дорожки. Когда появляется открытая пластина, она бомбардируется ионами для создания транзисторов — это и называется присадкой. Чтобы создать все требуемые детали, на всю поверхность пластины добавляются слои и лишние части вытравливаются вновь. Для этого новый слой покрывается фоторезистором, на который проектируется образ требуемых деталей. После экспозиции проявление удаляет части фоторезистора, выстав­ленные на свет, оставляя маску, через которую проходило вытравливание. Оставшийся фоторезистор удаляется раство­рителем. Этот процесс повторяется, по слою за раз, до полного создания всей схемы. Излишне говорить, что детали размером в миллионную долю метра может испортить мельчайшая пылин­ка. Такая пылинка может быть размером от микрона до ста — а это в 3—300 раз больше детали. Микропроцессоры произво­дятся в сверхчистой среде, где операторы одеты в специаль­ные защитные костюмы. В прежние времена производство полупроводников при­водило к удаче или неудаче с отношением успеха менее 50% работающих чипов. Сегодня выход готовой продукции на­много выше, но никто не ожидает 100%. Как только новый слой добавляется на пластину, каждый чип тестируется и от­мечается любое несоответствие. Индивидуальные чипы отде­ляются, плохие бракуются, а хорошие упаковываются в PGA-корпус (Pin Grid Arrays) — керамический прямоугольник с рядами штырьков на дне; именно такой корпус большинство людей принимают за процессор. Intel 4004 использовал 10-микронный процесс: наимень­шие детали составляли одну 10-миллионную метра. По сегод­няшним стандартам это чудовищно. Если предположить, что Pentium II изготовлен по такой технологии, он был бы раз­мером 14x20 см и был бы медленным — быстрые транзисто­ры малы. Большинство процессоров сегодня используют 0.13-микрониую технологию, а на подходе уже и 0.09-мик­ронный процесс.
2.4. Процессоры IA-64

В конце 2001г. Intel представила Itanium — первый про­цессор, построенный с использованием архитектуры нового поколения, совместно разработанной двумя компаниями. Хотя эта 64-разрядная архитектура основана на многолетних ис­следованиях Intel, HP, других компаний и университетов, она радикально отличается от всего, что было до сих пор представлено на рынке. Архитектура эта известна под названием Intel Architecture-64 (IA-64). Ia-64 не является 64-разрядным расширением 32-разрядной архитектуры х86 компании Intel. IA-64 представляет собой нечто абсолютно новое — пере­довую архитектуру, использующую длинные слова команд (long instruction words — LIW), предикаты команд (instruction predication), устранение ветвлений (branch elimination), предварительную загрузку данных (speculative loading) и другие ухищрения для того, чтобы «извлечь боль­ше параллелизма» из кода программ. Архитектура IA-64 воплощает концепцию EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing - вычисления с явным параллелизмом команд). Концепция EPIC разрабо­тана совместно фирмами Intel и Hewlett-Packard; по их за­явлениям, EPIC — концепция той же значимости, что CISC и RISC. В IA-64 используется новый 64-разрядный набор команд, разработанный также совместно фирмами Intel и HP. К тому же Itanium полностью совместим с архитекту­рой IA-32. Подобно тому, как процессоры IA-32 умели пе­реключаться между защищенным и реальным режимами, так и процессоры IA-64 посредством выбора режима выполня­ют либо инструкции 32-разрядного х86, л«5о свои 64-раз­рядные инструкции. В процессоре Itanium используется методика предпо­ложения. Она заключается в том, что инструкции и данные загружаются в процессор (используя процессор как кэш) до того, как они могут понадобиться, а в некоторых случа­ях даже если они и не должны понадобиться. Такая ранняя загрузка должна происходить во время простоя процессо­ра. Преимущество этой методики в том, что при совпадении загруженных данных с теми, которые потребовались для дальнейшей работы, исчезает время ожидания на их загруз­ку из памяти. Itanium содержит несколько специальных регистров, по­зволяющих проводить менеджмент работы процессора в ре­альном времени, практически не ухудшая производительнос­ти собственно вычислений. Itanium имеет три кэша. Два кэша, L1 и L2, находятся на кристалле процессора. Кэш третьего уровня, L3, расположен на картридже и имеет объем 4 МБ. Довольно большой процент площади кристалла (око­ло 10%) занят модулем работы с плавающей точкой (FPU). Для такой работы у процессора есть 128 82-битных реги­стров. Что дает переход на 64-битный процессор? Первое - это возможность обрабатывать 8-байтную информацию за такт процессора. Кроме процессора, это должна поддерживать сис­темная шина. Второе - возможность использования 64 бит для адре­сации памяти. 32-битный процессор может адресовать приблизительно 4.3 млрд. байт. А 64-битный - около 18.4 квинтильона байт.
3.СИСТЕМНАЯ ШИНА.

Системная шина — это «паутина», соединяющая между собой все устройства и отвечающая за передачу информации между ними. Расположена она на материнской плате и внешне не видна. Системная шина — это набор проводников (метал­лизированных дорожек на материнской плате), по которым передается информация в виде электрических сигналов. Чем выше тактовая частота системной шины, тем быст­рее будет осуществляться передача информации между уст­ройствами и, как следствие, увеличится общая производитель­ность компьютера, т. е. повысится скорость компьютера.

В персональных компьютерах используются системные шины стандартов ISA, EISA, VESA, VLB и PCI. ISA, EISA, VESA и VLB, которые в настоящее время являются устаревшими и не выпускаются на современных материнских платах. Сегод­ня самой распространенной является шина PCI. Существуют и специализированные шины, например внут­ренние шины процессоров или шина для подключения видео­адаптеров — AGP. Все стандарты различаются как по числу и использова­нию сигналов, так и по протоколам их обслуживания. Шина входит в состав материнской платы, на которой располагаются ее проводники и разъемы (слоты) для подклю­чения плат адаптеров устройств (видеокарты, звуковые кар­ты, внутренние модемы, накопители информации, устройства ввода/вывода и т. д.) и расширений базовой конфигурации (дополнительные пустующие разъемы). Существуют 16- и 32-разрядные, высокопроизводитель­ные (VESA, VLB, AGP и PCI с тактовой частотой более 16 МГц) и низкопроизводительные (ISA и EISA с тактовой частотой 8 и 16 МГц) системные шины. Также шины, разработанные по современным стандартам (VESA, VLB и PCI), допускают под­ключение нескольких одинаковых устройств. А шина PCI обеспечивает самокон­фигурируемость периферийного оборудо­вания — поддержку стандарта Plug and Play, исключающего ручную конфигурацию аппаратных параметров периферийно­го оборудования при его изменении или наращивании. Опера­ционная система, поддерживающая этот стандарт, сама настра­ивает оборудование, подключенное по шине PCI, без вмеша­тельства пользователя.

Имеются как 64-разрядные расширения шины PCI, так и 32-разрядные, работающие на частоте 66 МГц.
4. ПАМЯТЬ
Всем компьютерам требуется память нескольких видов и на каждом шагу выполнения программ. Память нужна как для исходных данных, так и для хранения результатов, для взаи­модействия с периферией компьютера и даже для поддерживания образа, видимого на экране.

Вся память компьютера делится на внутреннюю и вне­шнюю. В компьютерных системах работа с памятью основыва­йся на очень простых концепциях. В принципе, все, что тре­буется от компьютерной памяти, — это сохранять один бит информации так, чтобы потом он мог быть извлечен оттуда. В настоящее время широкое распространение получили устройства динамической памяти, базирующиеся на способ­ности сохранять электрический заряд. Эти устройства назы­ваются конденсаторами. На первый взгляд конденсатор не удовлетворяет основ­ному требованию устройств памяти. Он не способен сохра­нять заряд в течение длительного промежутка времени, но он позволяет делать это в течение нескольких миллисекунд, чего вполне достаточно, чтобы использовать это в электронике. За это время специальные цепи компьютера обеспечивают подза­рядку конденсатора, то есть обновление информации. Из-за непрерывности этого процесса такая память называется дина­мической.

В современных персональных компьютерах динамичес­кая память реализуется на базе специальных цепей проводни­ков, заменивших обычные конденсаторы. Большое количе­ство таких цепей объединяется в корпусе одного динамичес­кого чипа. Однако, подобно памяти на конденсаторах, такая должна постоянно освежаться. В то время как динамическая память, получив заряд элек­тричества, удерживает его, так называемая статическая память, позволяет потоку электронов циркулировать по цепи. Прикладываемое напряжение может изменить направление дви­жения электронов. Причем существует только два направле­ния движения потока, что позволяет использовать данные цепи в качестве элементов памяти. Статическая память работает наподобие выключателя, который переключает направление электронного потока. Эволюция микросхем ОЗУ вплотную связана с эволю­цией персональных компьютеров. Для успеха настольных ком­пьютеров требовались миниатюрные чипы ОЗУ. По мере уве­личения емкости памяти цена скачкообразно возрастала, но потом постоянно уменьшалась по мере отработки технологии и роста объемов производства. Динамические микросхемы памяти маркируются специ­альным числом, говорящим об их скоростных возможностях. Указанное на корпусе число отражает время доступа в нано­секундах без последнего нуля. Время доступа не является, однако, единственной или наиболее важной характеристикой микросхем памяти. Более значимо такое понятие, как время цикла, которое говорит о том, как быстро можно произвести повторное обращение. В динамических микросхемах это время больше времени доступа, в статических чипах эти времена равны, что говорит о бо­лее скоростных режимах последних. Чтобы справиться с ограничением по скорости, были не пользованы специальные решения по организации памяти. Наиболее простое из них — это использование обычной архи­тектуры с необходимым числом циклов ожидания. Хорошая альтернатива предыдущему методу - исполь­зование кэш-памяти, что позволит избежать полного заполне­ния всей машины быстрой RAM-памятью. Обычно программа использует память какой-либо ограниченной области, храня нужную информацию в кэш-памяти, работа с которой позволяет процессору обходиться без циклов ожидания, не всякая кэш-память равнозначна. Большое значение имеет тот факт, как много информации может содержать кэш- ­память. Чем больше кэш-память, тем больше информации мо­жет быть в ней размещено, а, следовательно, тем больше веро­ятность, что нужный байт будет содержаться в этой быстрой памяти. Очевидно, что самый лучший вариант — это когда объем кэш-памяти соответствует объему всей оперативной памяти. В этом случае вся остальная память становится не­нужной. Противоположная ситуация — 1 байт кэш-памяти тоже не имеет практического значения, так как вероятность того, что нужная информация окажется в этом байте, стремит­ся к нулю. Практически, диапазон используемой кэш-памяти колеблется в пределах 16—64 КБ. На самом деле реализация кэш-систем не так проста, как это может показаться на первый взгляд. Микропроцессор дол­жен не только читать из памяти, но и писать в нее. Что случит­ся, если процессор занесет новую информацию в кэш-память, а перед использованием этой информации она будет изменена в основной памяти. Во избежание подобной ситуации иногда реализуется метод, названный записью через кэш-память. Оче­видно, что этот метод снижает быстродействие системы, по­скольку приходится писать не только в кэш-память. Хуже того, микропроцессору может понадобиться информация, которую он только что записал, и которая еще не была перезагружена в кэш-память. Целостность памяти — это одна из самых больших про­блем разработчиков кэш-памяти. Все вопросы по преодолению этих проблем были возло­жены на отдельную микросхему — кэш-контроллер. Еще одна разновидность архитектуры оперативной па­мяти компьютера — это ее разбивка на отдельные секции и работа с этими секциями как с малой кэш-памятью. Большая скорость доступа к ограниченным областям памяти является особенностью некоторых специфических микросхем, которые позволяют некоторому объему, но не всей памяти, быть счи­танному без цикла Ожидания. Этот подход требует специаль­ных RAM-микросхем, которые делят свои адреса по страни­цам. Такая технология получила название режима странично­го доступа. Эти специальные микросхемы обеспечивают очень быстрый доступ в одном из двух направлений их организа­ций. Если требуется чтение или запись информации, храня­щейся на определенной странице памяти, и предыдущая ко­манда по работе с памятью использовала информацию с той же страницы, цикла ожидания не требуется. Однако при переходе с одной страницы на другую циклы ожидания неизбежны. Следующая интересная технология, названная interleaved memory, очень похожа на ОЗУ страничного режима. Она су­щественно повышает скорость обращения к памяти, но не имеет ограничений по страничной разбивке. При использовании этой технологии вся оперативная память разбивается на два или большее число банков. Последовательность битов хранится в разных банках, поэтому микропроцессор обращается то к од­ному, то к другому банку при чтении этой последовательнос­ти. Во время обращения к одному банку другой реализует цикл обновления, и поэтому процессору не приходится ждать. И только если микропроцессору приходится читать несмеж­ные биты, статус ожидания неминуем, но вероятность его по явления уменьшается. Наиболее типовая реализация этой технологии представляется разбивкой оперативной памяти на два банка, а, следова­тельно, вероятность возникновения ожидания - 50%. Четырехбанковая организация уменьшает эту вероятность до 25%, так как данная технология не требует применения специ­альных микросхем памяти, она является наиболее удобной для повышения скорости системы. Кроме того, она может совме­щаться с ОЗУ страничного режима, еще больше увеличивая оперативность. Помимо оперативной памяти существует еще и постоян­ная память (ПЗУ). Ее главное отличие от ОЗУ — невозмож­ность в процессе работы изменить состояние ячеек ПЗУ. В свою очередь и эта память делится на постоянную и программируемую. Принципы ее функционирования понятны из названия.

4.1. ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ

Из микросхем памяти (RAM — Random Access Memory, память с произвольным доступом) используются два основ­ных типа: статическая (SRAM — Static RAM) и динамическая (DRAM - Dynamic RAM). В статической памяти элементы (ячейки) построены на различных вариантах триггеров — схем с двумя устойчивы­ми состояниями. После записи бита в такую ячейку, она может пребывать в этом состоянии сколько угодно долго, необходимо только наличие питания. При обращении к микросхеме статической памяти на нее подается полный адрес, который при помощи внутреннего дешифратора преобразуется в сигналы выборки конкретных ячеек. Ячейки стати­ческой памяти имеют малое время срабатывания (единицы- десятки наносекунд), однако микросхемы на их основе имеют низкую удельную плотность данных и высокое энергопотребление. Поэтому статическая память используется в основном в качестве буферной (кэш-память). В динамической памяти ячейки построены на основе об­ластей с накоплением зарядов, занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггеры, и практически не потребляющих энергии при хранении. При записи бита в такую ячейку в ней формируется электрический заряд, сохраняющийся в течение нескольких миллисекунд; для постоянного сохранения заря­да ячейки необходимо регенерировать — перезаписывать со­держимое для восстановления зарядов. Ячейки микросхем динамической памяти организованы в виде прямоугольной (обычно — квадратной) матрицы; при обращении к микросхе­ме на ее входы вначале подастся адрес строки матрицы, сопро­вождаемый сигналом RAS (Row Address Strobe — строб адреса строки), а через некоторое время — адрес столбца, сопрово­ждаемый сигналом CAS (Column Address Strobe — строб адре­са столбца). При каждом обращении к ячейке регенерируют все ячейки выбранной строки, поэтому для полной регенера­ции матрицы достаточно перебрать адреса строк. Ячейки ди­намической памяти имеют большее время срабатывания (де­сятки-сотни наносекунд), но большую удельную плотность (по­рядка десятков Мбит на корпус) и меньшее энергопотребле­ние. Динамическая память используется в качестве основной. Обычные виды SRAM и DRAM называют также асин­хронными, поскольку установка адреса, подача управляющих сигналов и чтение/запись данных могут выполняться в про­извольные моменты времени — необходимо только соблюде­ние временных соотношений между этими сигналами. В эти временные соотношения включены так называемые охранные интервалы, необходимые для стабилизации сигналов, не позво­ляющих достичь теоретически возможного быстродействия памяти. Существуют также синхронные виды памяти, получа­ющие внешний синхросигнал, к импульсам которого жестко привязаны моменты подачи адресов и обмена данными; поми­мо экономии времени на охранных интервалах, они позволя­ют более полно использовать внутреннюю конвейеризацию и блочный доступ.

FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM - динамическая память с быстрым страничным доступом). Память со странич­ным доступом позволяет ускорить блочные передачи, когда весь блок данных или его часть находится внутри одной стро­ки матрицы, называемой в этой системе страницей, и снизить накладные расходы на регенерацию памяти.

EDO (Extended Data Out — расширенное время удержа­ния данных на выходе) фактически представляют собой обыч­ные микросхемы FPM, на выходе которых установлены реги­стры-защёлки данных. При страничном обмене такие микро­схемы работают в режиме простого конвейера: удерживают на выходах данных содержимое последней выбранной ячейки, в то время как на их входы уже подается адрес следующей вы­бираемой ячейки. Это позволяет примерно на 15% по сравне­нию с FPM ускорить процесс считывания последовательных массивов данных. При случайной адресации такая память ни­чем не отличается от обычной.

BEDO (Burst EDO - EDO с блочным доступом) - па­мять на основе EDO, работающая не одиночными, а пакетны­ми циклами чтения/записи. Современные процессоры, благо­даря внутреннему и внешнему кэшированию команд и дан­ных, обмениваются с основной памятью преимущественно блоками слов максимальной ширины. В случае памяти BEDO отпадает необходимость постоянной подачи последователь­ных адресов на входы микросхем с соблюдением требуемых временных задержек — достаточно перейти к очередному сло­ву отдельным сигналом.

SDRAM (Synchronous DRAM - синхронная динамичес­кая память) — память с синхронным доступом, работающая быстрее обычной асинхронной (FPM/EDO/BEDO). Помимо синхронного метода доступа SDRAM использует внутреннее разделение массива памяти на два независимых банка, что поз­воляет совмещать выборку из одного банка с установкой ад­реса в другом банке. SDRAM также поддерживает блочный обмен. Основная выгода от использования SDRAM состоит в поддержке последовательного доступа в синхронном режиме, где не требуется дополнительных тактов ожидания. При слу­чайном доступе SDRAM работает практически с той же ско­ростью, что и FPM/EDO.

РВ SRAM (Pipelined Burst SRAM - статическая память с блочным конвейерным доступом) - разновидность синхрон­ных SRAM с внутренней конвейеризацией, за счет чего при­мерно вдвое повышается скорость обмена блоками данных. В современных компьютерах оперативная память конст­руктивно изготавливается в виде независимых модулей раз­ной емкости, которые устанавливаются в соответствующие разъемы на материнской плате:

• 
  DIP (Dual In line Package — корпус с двумя рядами выводов) — классические микросхемы, применявшиеся в блоках основной памяти XT и ранних AT, а сейчас — в блоках кэш-памяти;
  
• 
  SIP (Single In line Package — корпус с одним рядом выводов) — микросхема с одним рядом выводов, устанавливаемая вертикально; SIPP (Single In line Pinned Package — модуль с одним рядом проволочных выводов) — модуль памяти, вставляемый в панель наподобие микросхем DIP/SIP; применялся в ранних AT;
  

• 
  SIMM (Single In line Memory Module — модуль памяти с одним рядом контактов) — модуль памяти, вставляемый в зажимающий разъем; применяется во всех современных платах, а также во многих адаптерах, принтерах и прочих устройствах. SIMM имеет контакты с двух сторон модуля, но все они соединены между собой, образуя как бы один ряд
  контактов; DIMM (Dual In line Memory Module — модуль памяти с двумя рядами контактов) — модуль памяти, похожий на SIMM, но с раздельными контактами (обычно 2x84), за счет чего увеличивается разрядность или число банков памяти в модуле. Применяется в последних платах для Pentium и во всех платах для Pentium II и старше.
  

На SIMM в настоящее время устанавливаются преиму­щественно микросхемы FPM/EDO/BEDO, а на DIMM EDO/BEDO/SDRAM.

4.2. СИНХРОННАЯ ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ -SDRAM

Стандартной для современных компьютеров является синхронная динамическая оперативная память — SDRAM.

SDRAM — это первая технология оперативной памяти со случайным доступом (DRAM), разработанная для синхро­низации работы памяти с тактами работы центрального про­цессора с внешней шиной данных. SDRAM разработана на основе стандартной DRAM и работает почти так же, как стан­дартная DRAM, no она имеет несколько отличительных ха­рактеристик, делающих ее более прогрессивной.

Синхронная работа SDRAM, в отличие от стандартной и асинхронной DRAM, имеет таймер ввода данных, таким обра­зом, системный таймер, пошагово контролирующий деятель­ность микропроцессора, может также управлять работой SDRAM. Это означает, что контроллер памяти знает точный цикл таймера, на котором запрошенные данные будут обрабо­таны. В результате это освобождает процессор от необходи­мости находиться в состоянии ожидания между моментами доступа к памяти. Поскольку оперативная память компьютера хранит в себе информацию, которая требуется процессору (CPU) для функ­ционирования, время прохождения данных между CPU и па­мятью является критичным. Более быстрый процессор может увеличить производительность системы только в том случае, если он не попадает в состояние цикла «поторопись и подож­ди», в то время как остальная часть системы борется за то, чтобы оставаться в этом состоянии. С тех пор как Intel пред ставила процессор х286, обычные микросхемы памяти боль­ше не в состоянии идти в ногу с чрезвычайно возросшей про­изводительностью процессоров. Стандартная, асинхронная DRAM работает без управ­ления ввода таймером, который не требовался для передачи данных вплоть до второго десятилетия развития микропро­цессоров. С этого момента в системах с более быстрыми про­цессорами, которые используют стандартную DRAM, необ­ходимо принудительно устанавливать состояния ожидания (временные задержки), чтобы избежать переполнения памя­ти. Состояние ожидания характеризуется так: микропроцес­сор приостанавливает исполнение всего, что он делает, пока другие компоненты не перейдут в режим приема команд. Попускают перешивку BIOS средствами самой платы при помо­щи специальной программы. Это позволяет исправлять за­водские ошибки в BIOS, изменять заводские умолчания, вно­сить другие изменения. Однако, кроме явных плюсов, в этой технологии есть и слабые стороны. Например, в настоящее время существует группа вирусов, которые, пользуясь возможностью изме­нять содержимое BIOS, стирают или портят его и таким об­разом делают компьютер неработоспособным — из-за не­правильного или отсутствующего BIOS компьютер отказы­вается загружаться. Исправить такую ситуацию можно толь­ко в сервисном центре, где в специальном устройстве — про­грамматоре — на микросхему Flash ROM будет записана исходная версия BIOS. Из таких вирусов наиболее извес­тен вирус «Чернобыль», из-за эпидемии которого 26 апреля 1999г. были уничтожены миллионы BIOS по всему миру. После этой эпидемии некоторые производители стали снаб­жать свои материнские платы двумя копиями BIOS. В случае повреждения основной копии загружается содержимое резервной микросхемы. Однако такие платы встречаются достаточно редко.

5. ПОРТЫ

Порты предназначены для соединения периферийных устройств с материнской платой. Существует несколько ви­дов портов.

5.1. Параллельные порты (LPT)

Чаще всего параллельные порты LPT используются для подключения к компьютеру печатающих устройств (прин­теров).

Параллельные порты получили свое название благодаря методу передачи данных, т.к. они имеют восемь разрядов шины данных и способны передавать информацию байтами синхронно по восьми проводникам. Сигналы данных могут дополнительно обеспечиваться собственными сигнальными линиями заземления — по одному на каждый канал данных. В таком случае числе; сигналов возра­стает до 25. Для соединения компьютера с устройством при помощи параллельного интерфейса используется 25-контакт­ный разъем Getronics.

Параллельные интерфейсы имеют высокую скорость пе­редачи данных (до 150 К/с) и низкую помехоустойчивость, что позволяет использовать кабель длиной, но более 3 м.
5.2. Последовательные порты (СОМ)

Последовательные порты передают данные последова­тельно по одному биту. Для передачи и приема в них исполь­зуются два канала (один — для передачи и один — для приема) и несколько дополнительных сигнальных линий. Для соединения при помощи последовательных портов используются 9- и 25-контактные соединительные разъемы. По­следовательные коммуникационные порты имеют достаточно низкие скорости работы (50, 75, 100, 110, 200, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400, 57 000 и 115000 бит/с) и высо­кую помехоустойчивость, что позволяет использовать соеди­нительный кабель длиной до 75 м и более. Последовательные порты применяются как для соедине­ния компьютера с принтерами, модемами, мышами, ручными сканерами и т. п., так и для соединения двух компьютеров.

5.3. Порт PS/2

Во второй половине 1980-х годов компания IBM выпу­стила серию ПК под названием PS/2, у которых был специаль­ный маленький круглый разъем для мыши, который впослед­ствии и стали называть PS/2. В современных компьютерах обычно имеется два разъема PS/2 для подключения мыши и клавиатуры.

5.4. Порт USB

USB (Universal Serial Bus — универсальная последова­тельная магистраль) — интерфейс для подключения различ­ных внешних устройств. Спецификация периферийной шины USB разработана лидерами компьютерной и телекоммуника­ционной промышленности — Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom — для подключения ком­пьютерной периферии вне корпуса машины по стандарту plug'n'play, в результате чего отпадает необходимость в уста­новке дополнительных плат в слоты расширения и переконфигурировании системы. Персональные компьютеры, имеющие шину USB, позволяют подключать периферийные уст­ройства и осуществляют их автоматическое конфигурирова­ние, как только устройство физически будет присоединено к машине, и при этом нет необходимости пере загружать, или выключать компьютер, а также запускать программы установ­ки и конфигурирования. Шина USB позволяет одновременно подключать последовательно до 127 устройств, таких, как мониторы или клавиатуры, выполняющих роль дополнитель­но подключенных компонентов. USB определяет, добавлено устройство или отключено, благодаря своей продвинутой логике, обеспечиваемой основ­ной системой. Шина автоматически определяет, какой сис­темный ресурс, включая программный драйвер и пропускную способность, нужен каждому периферийному устройству, и делает этот ресурс доступным без вмешательства пользовате­ля. Владельцы компьютеров, оснащенных шиной USB, имеют возможность переключать совместимые периферийные уст­ройства так же просто, как они вкручивают новую лампочку в патрон.
ВИДЕОКАРТА

Видеокарта состоит из четырех основных устройств:

Памяти, контроллера, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП, DAC) и видео-ПЗУ.

Видеопамять нужна для хранения изображения. От ее объема зависит максимально возможное разрешение видео­карты. Полное разрешение видеокарты можно посчитать по формуле ГхВхЦ, где Г — количество точек по горизонтали, В — по вертикали, а Ц - количество возможных цветов каждой точки. Например, для разрешения 640x480x16 достаточ­но 256 КБ, для 800x600x256 - 512 КБ, для 1024x768x65536 — 2 МБ. Для хранения цветов от­водится некоторое целое число двоичных разря­дов, поэтому количество цветов всегда является степенью двойки: 4 разряда — 16 цветов, 8 разря­дов — 256 цветов, 16 разрядов — 65536 цветов (режим High Color - высококаче­ственное цветовоспроизведение), 24 разряда — 16 777 216 цветов (True Color — реалистичное цве­товоспроизведение). Видеоконтроллер отвечает за вывод изображения из видеопамяти, обновление ее содержимого, формирование сиг­налов для монитора (горизонтальной и вертикальной разверт­ки) и обработку запросов центрального процессора, который задает необходимый поток информации для вывода. Некото­рые видеоконтроллеры являются потоковыми — их работа основана на создании и смешивании воедино нескольких потоков графической информации. Обычно это основное изображение, на которое накладывается изображение аппа­ратного курсора мыши и отдельное изображение в окне опе­рационной системы. Видеоконтроллер с потоковой обработ­кой, а также с аппаратной поддержкой некоторых типовых функций называется акселератором, или ускорителем, и слу­жит для разгрузки ЦП от рутинных операций по формирова­нию изображения. ЦАП служит для преобразования потока данных, фор­мируемых видеоконтроллером, в уровни интенсивности цве­та, подаваемые па монитор. Мониторы используют аналого­вый видеосигнал, поэтому возможный диапазон цветности изображения определяется только параметрами ЦАП. Боль­шинство ЦАП имеют разрядность 8x3 — три канала основ­ных цветов (красный, синий, зеленый, RGB), по 256 уровней яркости на каждый цвет, что в сумме дает 16.7 млн. цветов. Обычно ЦАП совмещен на одном кристалле с видеоконт­роллером. Видео-ПЗУ — постоянное запоминающее устройство, в которое записаны видео BIOS, экранные шрифты, служебные таблицы и т. п. ПЗУ не используется видеоконтроллером на­прямую — к нему обращается только центральный процессор, и в результате выполнения им программ из ПЗУ происходят обращения к видеоконтроллеру и видеопамяти. ПЗУ необ­ходимо только для первоначального запуска адаптера и ра­боты в режиме MS DOS; операционные системы с графичес­ким интерфейсом, например Windows, не используют ПЗУ для управления адаптером. Видеокарта, видеоадаптер, видеоконтроллер, или адап­тер дисплея, является устройством, непосредственно форми­рующим изображение на мониторе. Как и любой другой кон­троллер устройства, видеокарта может быть выполнена как внешнее или внутреннее (интегрированное, встроенное) на материнскую плату оборудование. Тип видеоконтроллера и его возможности определяют в конечном виде аппаратно дос­тижимые и поддерживаемые режимы работы всей графичес­кой системы, скорость и качество формируемого на экране мониторов изображения. Видеокарта, выполненная как внешнее устройство, тре­бует подключения к материнской плате в определенный слот. Интегрированная на материнскую плату видеокарта не требует подключения вообще, но может быть отключена в случае необходимости подключения внешней. Все видеокарты содержат видеобуфер, физические адре­са которого находятся на плате адаптера, но входят в общее адресное пространство оперативной памяти компьютера. В нем хранится текстовая или графическая информация, выводимая на экран. Тип микросхем видеопамяти значительно влияет на производительность всей видеосистемы в целом. Так, обыч­ные чипы динамической памяти DRAM не позволяют делать одновременно операции чтения и записи в область видеопамя­ти, а микросхемы VRAM (Video Random Access Memory) поз­воляют, что значительно ускоряет работу устройства. Основ­ная функция видеокарты заключается в преобразовании циф­ровых данных видеобуфера в те сигналы, которые управляют монитором и формируют видимое пользователем изображе­ние на экране. Графические режимы допускают отрисовку на экране мо­нитора объектов произвольной формы и сложности. Общим принципом графических режимов является кодирование изо­бражения как набора элементарных точек — пикселов, опре­деляющих максимальное разрешение экрана. Выпускаются ви­деокарты с самыми различными графическими режимами (320x200,640x480, 800x600, 1024x768, 1280x1024, 1600x1200). В зависимости от числа бит на пиксел различают моно­хромные и цветные графические режимы с числом цветов 10 (4 бита на пиксел), 256 (8 бит на пиксел), 32 000 (12 бит на пиксел), 64 000 (16 бит на пиксел), 16 млн. (32 бита на пиксел) — режим True color. В зависимости от используемого графичес­кого режима и типа адаптера дисплея, цвета пикселов могут кодироваться разным количеством бит, что в конечном итоге определяет число одновременно отображаемых на экране цве­тов — цветовую палитру — и объем видеопамяти, необходи­мый для хранения картинки изображения.

Современные видеокарты могут иметь до 64 МБ видео­памяти и более, что дает им возможность использовать графи­ческие видеорежимы с 16 млн. цветов (True color) и разреше­нием экрана до 1024x768 пикселов и выше. Скорость работы видеоадаптера — скорость отрисовки пикселов на экране — весьма разнообразна и зависит от его типа, видеорежима, используемой в адаптере видеопамяти и скорости работы и типа всей системы в целом.

Современные видеоадаптеры в своем составе имеют, как правило, контроллер и процессор — графический сопроцессор системы. Разрядность контроллера и шипы данных между контроллером и видеопамятью может составлять 32 и 64 бита, что в первую очередь влияет на производительность устрой­ства. Однако разрядность — признак, характеризующий четы­ре компонента видеосистемы — процессор, контроллер, мик­росхему памяти и соединяющую их шину данных. Теорети­чески, наивысшая производительность достигается при 64-раз-рядности всех четырех компонент. Однако использование та­ких видеорежимов сказывается на производительности всей системы и, следовательно, они забирают часть ресурсов ком­пьютера, если у него не хватает видеопамяти. Для того чтобы видеокарта не забирала под свою работу системные ресурсы, нужно, чтобы у видеокарты имелось в наличии не менее 8 МБ видеопамяти. К важнейшим характеристикам видеокарты относят тип, вид; поддерживаемые видеорежимы (допустимые разрешения экрана, максимально возможное количество цветов). Поддер­живаемые режимы энергетического сохранения и управления монитором. Поддержку аппаратных систем ускорения и аксе­лерации вывода в текстовых и графических режимах. Акселе­рации отрисовки двухмерных 2D и трехмерных 3D изображе­ний, заполнения фоном (текстурой) графических примитивов. Буферизации вывода растровых и других шрифтов. Разряд­ность контроллера и шины данных между контроллером и видеопамятью и др. Большинство указанных параметров за­висят от типа и вида устройства.


7. ЗВУКОВАЯ КАРТА

Звуковые адаптеры, или карты, — это устройства, позво­ляющие воспроизводить и записывать звук. Стандартные зву­ковые карты обычно бывают внутренние, вставляемые в разъем системной шины на материнской плате. К звуковым картам обычно можно подключить колонки, микрофон и игровой джойстик. Основные характеристики звуковых адаптеров — это качество звука (частотный диапазон воспроизведения и записи, стерео или монозвучание, наличие систем цифровой фильтрации), количество каналов воспроизведения и записи, разрядность шины данных, наличие синтезатора и число его голосов и др. Чем шире частотный диапазон звукового сигна­ла, тем чище и качественнее воспроизводимый и записывае­мый звук устройства. Наиболее распространены карты с диа­пазоном от 20 Гц до 25 КГц. Системы цифровой фильтрации позволяют достаточно существенно улучшить качество зву­чания и записи. Они могут быть одно- и многоканальными и иметь или не иметь программный интерфейс управления.

Обычные звуковые карты, применяемые в домашних и офисных компьютерах, имеют один канал воспроизведения и один канал записи звука. Более мощные и дорогие устройства имеют несколько (2, 4, 6, 10 и более) каналов и позволяют осуществлять независимое воспроизведение, запись и нало­жение нескольких звуковых источников, а также полное раз­дельное управление каналами. Разрядность внутренних и внешних шин данных имеют прямое отношение к производительности и возможностям устройства. Выпускаются 8,16 и 32-разрядные карты, обеспечивающие возможности от примитивного монофоническо­го до многоканального стереозвука и записи. Синтезатор представляет собой дополнительную систе­му создания звуковых эффектов. При помощи программиру­емых голосов синтезатора можно синтезировать звук благо­даря специальным цифровым командам, что значительно уменьшает объем информации, необходимый для воспроизве­дения звука. Многие звуковые карты содержат звуковой вход аналогового сигнала для подключения выходного звукового CD-ROM, для обеспечения возможности проигрывания му­зыкальных компакт-дисков. Также они могут иметь слоты для подключения игровых адаптеров, позволяющих подключать джойстики и другие игровые манипуляторы.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современный компьютер имеет возможности вообразить которые было немыслимо еще несколько лет назад. Сегодня это решение повседневных задач, обучение, игры. Он прочно вошел в жизнь человека и представляет собой одно из самых значительных достижений человеческой мысли. Влияние Персонального компьютера на развитие научно-технического прогресса трудно переоценить. Развитие современного мира немыслимо без участия высоких технологий, ни в одной сфере человеческой деятельности невозможно обойтись без компьютеров. Рассмотренное нами устройство компьютера актуально лишь на сегодняшний момент, с каждым днем