Магистрально-модульный принцип построения компьютера

 Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для  выполнения одной единственной или  нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли  к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств.

 Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных  устройствах, как компьютеры, но и  в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры, и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели. Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом. Д. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году.

 Этапы цикла выполнения:

1. Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;
2. Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;
3. Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;
4. Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;
5. Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

 Во  время процесса процессор считывает  последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая  последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора.

 Скорость  перехода от одного этапа цикла к  другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой. В данное время существует несколько типов архитектуры процессоров.

 CISC-процессоры

 Complex Instruction Set Computer - вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC является семейство микропроцессоров Intel x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд).

 RISC-процессоры

 Reduced Instruction Set Computer - вычисления с сокращённым  набором команд. Архитектура процессоров,  построенная на основе сокращённого  набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBMResearch, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).

 Среди первых реализаций этой архитектуры  были процессоры MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC. В мобильных устройствах широко используются ARM-процессоры.

 MISC-процессоры

 Minimum Instruction Set Computer - вычисления с минимальным  набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC-процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Архитектура MISC строится настековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20-30 команд).

 Многоядерные  процессоры

 Содержат  несколько процессорных ядер в одном  корпусе (на одном или нескольких кристаллах). Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию мультипроцессорности.

 Двухъядерность  процессоров включает такие понятия, как наличие логических и физических ядер: например двухъядерный процессор Intel Core Duo состоит из одного физического  ядра, которое в свою очередь разделено  на два логических. Процессор Intel Core 2 Quad состоит из четырёх физических ядер, что существенно влияет на скорость его работы.

 Материнская плата

 Материнская плата (англ. motherboard, MB, также используется название англ. mainboard - главная плата; сленг. мама, мать, материнка) - это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (центральный процессор, контроллер ОЗУ и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода). Как правило, материнская плата содержит разъёмы (слоты) для подключения дополнительных контроллеров, для подключения которых обычно используются шины USB, PCI иPCI-Express.

 Основные  компоненты, установленные на материнской  плате:

 ЦПУ (центральное процессорное устройство) набор системной логики (англ. chipset) - набор микросхем, обеспечивающих подключение ЦПУ к ОЗУ и контроллерам периферийных устройств. Как правило, современные наборы системной логики строятся на базе двух СБИС: "северного" и "южного мостов".

 Северный  мост (англ. Northbridge), MCH (Memory controller hub), системный контроллер - обеспечивает подключение ЦПУ к узлам, использующим высокопроизводительные шины: ОЗУ, графический контроллер.

 Для подключения ЦПУ к системному контроллеру могут использоваться такие FSB-шины, как Hyper-Transport иSCI.Обычно к системному контроллеру подключается ОЗУ. В таком случае он содержит в себе контроллер памяти. Таким образом, от типа применённого системного контроллера обычно зависит максимальный объём ОЗУ, а также пропускная способность шины памяти персонального компьютера.

 Южный мост (англ. Southbridge),  ICH (I/O controller hub), периферийный контроллер -  содержит контроллеры периферийных устройств (жёсткого диска, Ethernet, аудио) контроллеры шин для подключения периферийных устройств (шины PCI, PCI-Express и USB), а также контроллеры шин к которым подключаются устройства, не требующие высокой пропускной способности (LPC - используется для подключения загрузочного ПЗУ; также шина LPC используется для подключения мультиконтроллера.

 ОЗУ (оперативное запоминающее устройство)- техническое устройство, реализующее  функции оперативной памяти.

 Загрузочное ПЗУ ( постоянное запоминающее устройство)- хранит ПО, которое исполняется сразу  после включения питания. Как  правило, загрузочное ПЗУ содержит BIOS, однако может содержать и ПО, работающие в рамках EFI. 

 Оперативная память

 Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) - в информатике - память, часть системы памяти ЭВМ, в которую процессор может обратиться за одну операцию (jump, move и т.п.). Предназначена для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций. Оперативная память передаёт процессору данные непосредственно, либо через кеш-память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.

 ОЗУ может изготавливаться как отдельный блок или входить в конструкцию однокристальной ЭВМ или микроконтроллера.

 На  сегодня наибольшее распространение  имеют два вида ОЗУ:

 SRAM (Static RAM).ОЗУ, собранное на триггерах, называется статической памятью с произвольным доступом или просто статической памятью. Достоинство этого вида памяти - скорость. Поскольку триггеры собраны на вентилях, а время задержки вентиля очень мало, то и переключение состояния триггера происходит очень быстро. Данный вид памяти не лишён недостатков. Во-первых, группа транзисторов, входящих в состав триггера, обходится дороже, даже если они вытравляются миллионами на одной кремниевой подложке. Кроме того, группа транзисторов занимает гораздо больше места, поскольку между транзисторами, которые образуют триггер, должны быть вытравлены линии связи.

 DRAM (Dynamic RAM).Более экономичный вид памяти. Для хранения разряда (бита или трита) используется схема, состоящая из одного конденсатора и одного транзистора (в некоторых вариациях конденсаторов два). Такой вид памяти решает, во-первых, проблему дороговизны (один конденсатор и один транзистор дешевле нескольких транзисторов) и во-вторых, компактности (там, где в SRAM размещается один триггер, то есть один бит, можно уместить восемь конденсаторов и транзисторов).