11 класс/Основные составные части ПК и их характеристики


Чипсеты и их параметры

Шины расширения

Параметры процессора и его производительность

ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ

ЖЕСТКИЕ ДИСКИ

ВИДЕОАДАПТЕРЫ


Чипсеты и их параметры

Необходимые для функционирования компьютера кон-троллеры, обеспечивающие взаимодействие процессо-ра с памятью, графической подсистемой, устройствами ввода-вывода, изготавливаются обычно в виде комплекта микросхем. В англоязычной литературе он называется специальным термином - chipset (чипсет). В русско-язычной литературе устоявшейся терминологии нет: используют либо довольно громоздкое словосочетание "набор микросхем системной логики", либо просто тер-мин "чипсет". Последнее представляется более удоб-ным и вполне приемлемым.

Функционально чипсет делится на две основные ча-сти. Первая - это системный контроллер, присоеди-няемый непосредственно к процессору и включающий в себя контроллеры устройств, наиболее требователь-ных к пропускной способности (контроллер памяти, графической шины AGP и других "быстрых" шин). Вто-рая - это совокупность контроллеров более медленных устройств ввода-вывода. Обычно эти части реали-зуются в отдельных микросхемах. Традиционно первую называют "северным мостом", а вторую - "южным мостом". Названия обусловлены видом типичной струк-турной схемы чипсета, когда системный контроллер изображается вверху, сразу под процессором (на севе-ре), а контроллер ввода-вывода - в нижней части схе-мы (на юге). Соединяются мосты между собой с помо-щью специальной выделенной шины с высокой пропу-скной способностью (ранее для этой цели использова-лась обычная 32-разрядная 33-МГц PCI с пропускной способностью 133 Мбайт/с).

Основное требование к чипсету с точки зрения про-изводительности - это обеспечение полного исполь-зования пропускной способности процессорной шины и других шин, по которым происходит передача инфор-мации. С одной стороны, чипсет не должен быть узким местом системы, а с другой - не должен предлагать больше, чем могут использовать процессор, память и другие компоненты. Другими словами, архитектура чип-сета должна быть сбалансированной. Основное требо-вание к чипсету с точки зрения функциональности - в него должны быть включены контроллеры для как можно большего количества устройств. Это способст-вует снижению стоимости и повышению надежности всей системы.

Основные параметры северного моста:

o тип процессора (процессорной шины);

o максимальное количество процессоров (в серверных чипсетах);

o тип, разрядность и максимальная тактовая частота шины памяти;

o версия порта AGP;

o тип и параметры шины для связи с южным мостом;

o тип и параметры шин для подключения дополнитель-ных мостов РСI-64 или РСI-Х (в серверных чипсетах).

Основные параметры южного моста:

o тип и параметры шины для связи с северным мостом;

o набор встроенных контроллеров - РСI, АТА, USВ AGP и др. Чипсеты постоянно эволюционируют в соответствии с развитием процессоров, памяти и других компонен-тов - растет частота процессорной шины, увеличива-ется частота и разрядность шины памяти, быстродей-ствие AGP и портов ввода-вывода. Кроме того, увели-чивается функциональность - появляются новые конт-роллеры, совершенствуются традиционные. Во все совре-менные чипсеты встроены следующие контроллеры: 32-разрядной 33-МГц шины РСI, жестких дисков АТА100 или АТА 133, последовательной шины USB 1.1, звука АС'97, сетевой (Ethernet, HomePNA). Актуальной в настоящее время представляется поддержка АGР 8Х и 115В 2.0. Следующим шагом должны стать последова-тельный интерфейс жестких дисков serial АТА и бес-проводной сетевой интерфейс IЕЕE 802.11Ь.

Шины расширения

Шина расширения РСI. Эта параллельная разде-ляемая (shared) шина является основной шиной рас-ширения компьютеров и предназначена как для под-ключения с помощью специальных гнезд (слотов) внут-ренних плат расширения, так и для организации межчиповых соединений. РСI была введена более 10 лет назад сначала как межчиповое соединение, обеспечи-вающее связь контроллеров устройств ввода-вывода с процессором, а затем уже превратилась в шину расши-рения, призванную заменить и заменившую в конце концов господствовавшую в ПК до этого шину расши-рения 18А. Первоначально это была 32-разрядная 33-МГц шина с максимальной пропускной способностью 133 Мбайт/с, потом появилась 64-разрядная версия - РС1-64 с частотами 33 и 66 МГц. Наиболее скоростной ее вариант (64 разряда, 66 МГц) имеет сравнительно высокую максимальную пропускную способность - 533 Мбайт/с, однако по современным меркам этого мо-жет оказаться недостаточно, да и количество гнезд рас-ширения ограничено одним - максимум двумя. Осо-бенности спецификации препятствуют ее дальнейшему развитию, так как временное окно, в течение которо-го при обращении к устройству происходит декодиро-вание и подготовка ответа, составляет незначительную часть периода тактового сигнала, и уже при 66 МГц его длительность равна всего 7 не, что ужесточает тре-бования к устройствам и ограничивает количество сло-тов расширения до одного или двух.

Графическая шина расширения АGР. Ограниче-ния 32-разрядной 33-МГц РСI применительно к графи-ческой подсистеме компьютера, требующей высокой пропускной способности, удалось преодолеть путем введения специальной параллельной шины АGР, создан-ной на базе РСI. АGР - это 32-разрядная шина точ-ка-точка (не разделяемая) с физической тактовой ча-стотой 66 МГц. Наращивание пропускной способности шины АGР осуществлялось за счет увеличения коли-чества порций информации, передаваемых за такт. Со-ответствующие этапы и скорости - IX, 2Х, 4Х, 8Х и 266 Мбайт/с, 533 Мбайт/с, 1066 Мбайт/с, 2132 Мбайт/с. Последний этап - 8Х (спецификация АОР 3.0) - при-меняется недавно, со II-III кварталов 2002 г. Уже из-вестно, что дальнейшего развития АGР не будет. Вме-сто нее, а также вместо РСI фирма Intel планирует ис-пользовать новую шину - РСI Express.

Параметры процессора и его производительность

Главная характеристика процессора - его производи-тельность. Определяется она параметрами процессорно-го ядра, подсистемы памяти, процессорной шины. Быст-родействие процессорного ядра определяется разрядностью, тактовой частотой и количеством операций, вы-полняемых за один такт. У подсистемы памяти, относя-щейся непосредственно к процессору и выполняющей роль кэша для внешней памяти, - эффективностью кэ-ширования. У шины - пропускной способностью.

Разрядность. Чем больше разрядность процессора, тем более длинное слово (большая порция данных) обра-батывается за один такт. Это преимущество может быть использовано в программном обеспечении для повыше-ния производительности. Большая длина слова дает и другое, не менее важное преимущество - большее ад-ресное пространство для памяти. Так, 8-разрядный про-цессор имеет объем прямо адресуемой памяти 256 байт (28), 16-разрядный - 64 Кбайт (216), 32-разрядный - 4 Гбайт (232), 64-разрядный - 1,6><109 Гбайт (264).

Как уже отмечалось, архитектура х86 прошла 2 эта-па - 16- и 32-разрядный. Что касается возможного 3-го этапа, то на аппаратном уровне переход от 32- к 64-разрядной архитектуре не требует никаких особых издержек. Количество транзисторов (а значит, и пло-щадь кристалла и стоимость) увеличивается всего на несколько процентов, так как в современных процессо-рах основная часть транзисторов используется не для построения логики ядра, а для реализации встроенной кэш-памяти большого объема. То есть никакого труд-нопреодолимого барьера между 32- и 64-разрядными процессорами на аппаратном уровне нет. Однако барьер все-таки существует - на программном уровне. Для то-го чтобы воспользоваться преимуществами 64-разрядной архитектуры, необходимо соответствующее программ-ное обеспечение.

Тактовая частота. Увеличение тактовой частоты - это главный способ повышения производительности процессоров. В основном рост достигается за счет усо-вершенствования техпроцесса (чем меньше размер тран-зистора, тем на более высокой частоте он способен ра-ботать). Но процессор включает в себя миллионы тран-зисторов, образующих сложные электронные схемы, увеличивающие задержки прохождения сигнала. Мак-симальное значение тактовой частоты в этом случае ли-митируется уже схемными задержками. Минимизация схемных задержек осуществляется с помощью конвей-ерной архитектуры. Разбивая процесс обработки инст-рукций на небольшие стадии, можно упростить соот-ветствующие схемы и уменьшить задержки. В конвей-ере происходит одновременное выполнение нескольких инструкций, находящихся на разных стадиях (с отста-ванием на шаг друг от друга). При этом, чем длиннее конвейер (чем больше у него стадий), тем меньшая ра-бота делается за один такт и тем быстрее ее можно сделать. То есть для достижения максимально высоких тактовых частот надо увеличивать длину конвейера. Полностью загруженный конвейер выдает результат вы-полнения очередной инструкции на каждый такт. Од-нако загрузка конвейера не всегда находится на макси-мальном уровне. Конвейер вынужден простаивать, ес-ли некоторые данные для обработки еще не готовы или если неправильно угадан условный переход. Простои тем больше, чем больше длина конвейера (он должен очищаться и вновь заполняться инструкциями), так что при очень большой длине конвейера производитель-ность начинает падать. Оптимальным считается конвей-ер длиной 12-13 стадий, так как при более длинном очень трудно скомпенсировать издержки из-за остано-вов. Тем не менее фирма Intel в процессоре Pentium 4 смогла использовать гораздо более длинный конвейер, который позволил ей добиться рекордных тактовых частот до 3 ГГц и более при 0,13-мкм техпроцессе (толь-ко критический участок конвейера, определяющий как выигрыш в тактовых частотах, так и проигрыш из-за перезагрузки, составляет 20 стадий - именно эта ве-личина и приводится обычно в качестве значения дли-ны конвейера, когда речь идет о Pentium 4). Распла-той за сверхвысокие тактовые частоты стало снижение среднего числа выполняемых за такт операций из-за простоев конвейера. Так что конечный результат зави-сит от класса задач: на некоторых достигнута рекорд-ная производительность, на других результат гораздо скромнее.

Количество операций за такт. Производитель-ность процессора равна тактовой частоте, умноженной на количество выполняемых за такт операций (IРС - Instruction Per Cycle). Упомянутая выше конвейериза-ция представляет собой по сути распараллеливание вы-полнения инструкций по времени (с наложением). Тео-ретически, с помощью нее число выполняемых за такт операций доводится до единицы (на практике среднее значение IPC остается меньше единицы из-за неизбеж-ных остановов конвейера). Дальнейшее увеличение 1РС возможно за счет пространственного распараллелива-ния, то есть увеличения количества исполнительных блоков (суперскалярная архитектура). К примеру, силь-ной стороной процессоров АМD ATLON является нали-чие трех блоков для обработки чисел с плавающей точ-кой (у Pentium 4 - только два блока).

Кэширование. Динамическая оперативная память по своему быстродействию очень сильно отстает от про-цессоров, почти на порядок (тактовые частоты процес-соров - 2 ГГц, памяти - 200 МГц). Применение такой памяти без катастрофических последствий для произ-водительности системы возможно только при иерархи-ческом построении подсистемы памяти с использова-нием дополнительной быстродействующей памяти в ка-честве кэша. Для эффективного кэширования быстро-действие кэша должно находиться на уровне процессо-ра, а частота попаданий должна приближаться к 100%. Так, для процессора, работающего на частоте 2 ГГц (цикл 0,5 не), обращение к основной памяти (типичное время задержки 100 не) соответствует потере на про-стой почти 200 процессорных тактов. При эффективно-сти кэширования 99% средние потери будут около двух тактов на каждое обращение к памяти. С учетом того, что операции с памятью составляют примерно 15-20% от всех операций, получается, что даже при столь вы-соком уровне попаданий процессор "простаивает" в ожидании данных от памяти 30-40% времени.

Эффективность кэширования (частота попаданий) возрастает с ростом объема кэша; однако, чем больше объем кэша, тем больше проблем с получением необ-ходимого уровня его быстродействия - можно полу-чить быстродействующий кэш малого объема либо бо-лее медленный большого объема. Поэтому и для по-строения кэша применяется иерархическая структура, состоящая из кэша первого уровня (1Л) с максималь-ным быстродействием и относительно небольшим объ-емом (8-128 Кбайт), кэша второго уровня (Ь2) с мень-шим быстродействием, но большим объемом (обычно 256 или 512 Кбайт, иногда до нескольких мегабайт) и иногда кэша третьего уровня LЗ (512 Кбайт и выше). Увеличение объема кэшей L2 и LЗ является одним из основных способов повышения производительности про-цессоров (в формуле производительности вклад кэша учитывается в IРС).

У процессоров pentium4 объемы кэша данных со-ставляет 8 Кбайт, имеется также специальный кэш для декодированных инструкций, вмещающий около 12 ты-сяч инструкций. Объем L2-кэша данных составляет 256 или 512 Кбайт. У процессоров ATLON объем кэша для данных L1 и инструкций составляет по 64 Кбайт, объ-ем кэша L2 - 256 Кбайт (планируется увеличить до 512 Кбайт).

ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ

SDRAM. Синхронная память SDRAM в стандартном исполнении (168-контактный модуль DIMM, напряже-ние питания 3,3 вольта) имеет 64-разрядный интер-фейс. Память SDRAM начала свой путь с частоты 66 МГц (память РС66), затем частоты были повышены до 100 МГц (РС100) и 133 МГц (РС133). Уровень задержек у мо-дулей хорошего качества очень небольшой - 2-2-2. Хо-тя имеются возможности дальнейшего масштабирова-ния SDRAM по частоте, то есть наращивания пропу-скной способности за счет роста тактовой частоты, с появлением DDR SDRAM, предложившей удвоенную пропускную способность, они стали неактуальны. В на-стоящее время SDRAM в силу своей дешевизны про-должает сохранять привлекательность для решений на-чального уровня.

DDR SDRAM. Память с удвоенной пропускной способностью - DDR SDRAM - это прямое развитие архитектуры SDRAM. Конструктив - 184-контактный модуль DIMM, напряже-ние питания снижено до 2,5 вольта. Интерфейс 64-раз-рядный. Удвоение пропускной способности по сравне-нию с SDRAM достигается за счет передачи данных по обоим фронтам тактового сигнала. Память обозначается либо по тактовой частоте, либо по пропускной способности: DDR200 (РС1600), DDR266 (РС2100), DDRЗЗЗ (РС2700).

RDRAM. Память типа RDRAM разработана фирмой RAMBUS. В отличие от других типов синхронной памя-ти, она с самого начала рассчитывалась на оба способа масштабирования - по тактовой частоте и по ширине шины, причем упор сделан именно на 2-й способ. Ши-рина шины памяти уменьшена до 16 разрядов, но пре-дусмотрено создание 2- и 4-канальных конфигураций (32- и 64-разрядных). Их использование из-за малого количества контактов не приводит к заметному удоро-жанию конструкции.

Начав с частоты 800 МГц (РС800, 1,6 Гбайт/с на ка-нал), память RDRAM достигла уже частоты 1066 МГц

ЖЕСТКИЕ ДИСКИ

Накопитель на жестких дисках состоит из четырех главных элементов, каждый из которых вносит свой вклад в его общие характеристики: носителя (пакета дисковых пластин, вращающихся на одной оси), головок чтения-записи, позиционера (устройства "наводящего" головки на нужную дорожку), и контролера, обеспечивающего согласованное управление всеми элементами жесткого диска и передачу данных между ним и компьютером.

Основные параметры жесткого диска

1. Емкость (на данный момент 10-300GB)

2. Количество оборотов, производимое шпинделем (приводом пластин) в минуту (сколько витков в минуту делает каждая пластина). На данный момент это 5400-15000 об./мин.

3. Интерфейс. На данный момент существует 4 вида интерфейсов: ATA66 (скорость передачи данных 6,6MB/сек); ATA 100 (10 MB/сек), ATA 133(13.3 MB/сек); SCSI (20-115 Mb/сек)

4. Объем встроенной памяти кеша (0,5MB-8MB)

5. Шумность

ВИДЕОАДАПТЕРЫ

Основные параметры

1. Используемый чип (характеристики тактовая частота, частота шины)

2. Количество и тип памяти (DDR, SDRAM)

3. Интерфейс (AGP 4x,6x,8x)

4. Поддержка DIRECTX (8.0,9.0)

5. Разрешение и частота обновления экрана

6. Наличие доп. функций (TV out, цифровой выход)

НАКОПИТЕЛИ НА ОПТИЧЕСКИХ ДИСКАХ CD-ROM, СD-R,CD-RW.

Основные параметры

1. Скорость чтения

2. Шумность

3. Скорость записи (Для СD-R, СD-RW)

4. Скорость перезаписи (для СD-RW)