Аппаратное обеспечение современных компьютеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

тема

Аппаратное обеспечение современных компьютеров

План

Вступление

1. Внутренние устройства ПК

1.1.Микропроцессор

1.2 Кэш память

1.3 Оперативная память

1.4 Контроллеры и адаптеры

1.5 Видеоадаптер

1.6 Жесткий диск

1.7 Внутренний динамик

1.8 Звуковая карта

1.9 Устройства лазерной записи

1.9.1 Устройство для чтения компакт-дисков (CD-ROM)

1.9.2 Устройство однократной записи CD-R

1.9.3 Устройство многократной записи CD-RW

1.9.4 Устройство многократной записи DVD-RW

1.10 Накопители на гибких дисках (дискетах, флоппи-дисках)

1.11 BIOS (Basic Input - Output System) система материнской платы

2 Внешние устройства ПК

2.1 Клавиатура

2.2 Мышь

2.3 Джойстик

2.4 Монитор

2.5 Принтер

2.6 Сканер

2.7. Плоттер

2.8 Дигитайзер

2.9. Модем

2.10 Источник бесперебойного питания (ИБП)

Заключение.

Список использованной литературы.

Вступление

Слово «компьютер» означает «вычислитель». Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно.

В настоящее время индустрия производства компьютеров и программного обеспечения является одной из наиболее важных сфер экономики развитых и развивающихся стран. Причины стремительного роста индустрии персональных компьютеров:

. невысокая стоимость;

. сравнительная выгодность для многих деловых применений;

. простота использования;

. возможность индивидуального взаимодействия с компьютеров без посредников и ограничений;

. высокие возможности по переработке, хранению и выдаче информации;

. высокая надежность, простота ремонта и эксплуатации;

. возможность расширения и адаптации к особенностям применения компьютеров;

. наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности, а также мощных систем для разработки нового программного обеспечения.

Мощность компьютеров постоянно увеличивается, а область их применения постоянно расширяется. Компьютеры могут объединяться в сети, что позволяет миллионам людей легко обмениваться информацией с компьютерами, находящимися в любой точке земного шара.

Так что же представляет собой это уникальное человеческое изобретение?

Первый признак, по которому разделяют компьютеры, - платформа. Можно выделить две основные платформы ПК:

Если снять корпус системного блока и посмотреть внутрь, то можно увидеть детали, соответствующее следующей схеме архитектуры ПК:

Данная схема является примером внутренней «начинки» компьютера, естественно, что при наличии или отсутствии тех или иных устройств схема изменится. Однако есть устройства, которые в любом случае установлены на современном персональном компьютере. О них-то и пойдёт дальнейший разговор.

1. Внутренние устройства ПК

1.1 Микропроцессор

Самым главным элементом в компьютере, его «мозгом» является микропроцессор - электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации. Скорость его работы во многом определяет быстродействие компьютера. А началось всё с появлением скромной по своим возможностям микросхемы Intel 4004 - первого микропроцессора, созданного в 1971г. командой во главе с талантливым изобретателем, доктором Тедом Хоффом.

Изначально эта микросхема предназначалась для микрокалькуляторов и была изготовлена по заказу японской фирмы. К счастью для всех нас, фирма эта обанкротилась. С этого момента и началась эпоха персональных компьютеров. Прошло несколько десятилетий. Ученые выявили закономерность, назвав её «законом Мура»: ЕЖЕГОДНО МОЩНОСТЬ МИКРОПРОЦЕССОРОВ УДВАИВАЕТСЯ!

На первый взгляд процессор это просто выращенный по специальной технологии кристалл кремния. Однако камешек этот содержит в себе множество отдельных элементов - транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать». Процессор состоит из нескольких важных деталей: собственно процессора - «вычислителя» и сопроцессора - специального блока для операций с «плавающей точкой» (или запятой).

Применяется сопроцессор для особо точных и сложных расчётов, а также для работы с рядом графических программ.

Американская компания AMD официально представила новые 64-разрядные процессоры для настольных компьютеров Athlon 64 FX-55 и Athlon 64 4000+. Чипы изготавливаются по нормам 130-нанометровой технологии и оснащаются 1 Мб кэш-памяти второго уровня. Как отмечается в пресс-релизе, кристаллы Athlon 64 FX-55 ориентированы на использование, прежде всего, в мощных мультимедийных системах, тогда как процессоры Athlon 64 4000+ позиционируются в качестве базы для создания решений бизнес-класса.

Процессор Athlon 64 FX-55 работает на тактовой частоте 2,6 ГГц, тактовая частота чипов Athlon 64 4000+ составляет 2,4 ГГц.

Чипы Athlon 64 FX-55 и Athlon 64 4000+ позволяют работать как со стандартными 32-разрядными приложениями, так и с 64-битными программами. Кристаллы поддерживают технологию Cool'n'Quiet, предназначенную для снижения уровня шума при работе компьютера, а также антивирусную защиту EVP (Enhanced Virus Protection) для работы которой потребуется операционная система Microsoft Windows XP Service Pack 2 или Windows XP Media Center Edition.

Стали известны очередные подробности о планах Intel. Так, прояснилась ситуация с выходом двухъядерных процессоров Smithfield, которые будут объединять в себе два 0,09 мкм ядра, каждое из которых будет иметь 1 Мб кэша второго уровня. Таким образом, общая кэш-память будет составлять 2 Мб. Процессоры будут иметь поддержку не только антивирусной технологии Intel EDB (Execute Disable Bit, бит защиты от выполнения), но 64-битные расширения EM64T. Модельный ряд процессоров Smithfield будет представлен тремя моделями:

x20 - частота 2,8 ГГц, 2 Мб кэша, шина 800МГц, LGA 775, поддержка XD и EM64T;

x30 - частота 3,0 ГГц, 2 Мб кэша, шина 800МГц, LGA 775, поддержка XD и EM64T и Enhanced SpeedStep;

x40 - частота 3,2 ГГц, 2 Мб кэша, шина 800МГц, LGA 775, поддержка XD и EM64T и Enhanced SpeedStep;

Примечательно, что только старшие модели будут иметь поддержку технологии Enhanced SpeedStep, позволяющие динамически менять частоту процессора в зависимости от выполняемой задачи.

Также немного прояснилась ситуация с выходом процессоров Intel Pentium 6XX.

Каждое ядро двуядерных процессоров AMD Opteron и Intel Montecito, будет иметь свою собственную кэш-память. Это следует из заявления Камерона Макнэйри, исследователя корпорации Intel, и Мариуса Эверса, сотрудника AMD.

Использование нескольких ядер в одном процессоре позволяет повысить вычислительную мощность чипа при одновременном ограничении потребляемой им энергии. Ранее предполагалось, что кристаллы Intel Itanium нового поколения (кодовое название Montecito) получат 24 Мб общей кэш-памяти. Теоретически, наличие единого кэша увеличивает объем данных, к которым может обращаться процессорное ядро. Однако разделение кэшей существенно упрощает работу по проектированию кристаллов и, соответственно, сокращает время, необходимое для вывода конечных продуктов на рынок.

Вероятнее всего, каждое ядро Montecito будет оснащено 1 Мб кэша второго уровня и 12 Мб кэша третьего уровня. Впоследствии эти кэши могут быть объединены. Аналогично намерена поступить и компания AMD.

Следует заметить, что раздельные кэши для различных ядер использует и компания Sun в своих чипах UltraSparc IV.

1.2 Кэш память

В качестве элементной базы основной памяти в большинстве ЭВМ используются микросхемы динамических ОЗУ, на порядок уступающие по быстродействию центральному процессору. В результате, процессор вынужден простаивать несколько периодов тактовой частоты, пока информация из ИМС памяти установится на шине данных ЭВМ. Если же ОП выполнить на быстрых микросхемах статической памяти, стоимость ЭВМ возрастет весьма существенно.

Экономически приемлемое решение этой проблемы возможно при использовании двухуровневой памяти, когда между основной памятью и процессором размещается небольшая, но быстродействующая буферная память или кэш-память. Вместе с основной памятью она входит в иерархическую структуру и ее действие эквивалентно быстрому доступу к основной памяти. Использование кэш-памяти позволяет 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 всяких циклов ожидания. В больших универсальных ЭВМ, основная память которых имеет емкость порядка 1-32 Гбайт, обычно используется кэш-память емкость 1-12 Мбайт, т.е. емкость кэш-память составляет порядка 1/100-1/500 емкости основной памяти, а быстродействие в 5-10 раз выше быстродействия основной памяти. Выбор объема кэш-памяти - всегда компромисс между стоимостными показателями ( в сравнении с ОП ) и ее емкостью, которая должна быть достаточно большой, чтобы среднее время доступа в системе, состоящей из основной и кэш-памяти, определялось временем доступа к последней. Реальная эффективность использования кэш-памяти зависит от характера решаемых задач и невозможно определить заранее, какой объем ее будет действительно оптимальным.

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 объём кэш-памяти соответствует объёму всей оперативной памяти. В этом случае вся остальная память становится не нужной. Крайне 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.

В процессе работы такой системы в буферную память копируются те участки ОП, к которым производится обращение со стороны процессора. Выигрыш достигается за счет свойства локальности, ввиду большой вероятности обращения процессором к командам, лежащим в соседних ячейках памяти.

Кэш-память, состоящая из m слов, сохраняет копии не менее, чем m-слов из всех слов основной памяти. Если копия, к адресу которой был выполнен доступ ЦП, существует в кэш-памяти, то считывание завершается уже при доступе к кэш-памяти. Отметим, что использование кэш-памяти основывается на принципах пространственной и временной локальности. В случае пространственной локальности основная память разбивается на блоки с фиксированным числом слов и обмен данными между основной памятью и кэш-памятью выполняется блоками. При доступе к некоторому адресу центральный процессор должен сначала определить содержит ли кэш-память копию блока с указанным адресом, и если имеется, то определить, с какого адреса кэш-памяти начинается этот блок. Эту информацию ЦП получает с помощью механизма преобразования адресов.

В зависимости от способа размещения данных основной памяти в кэш-памяти существует три типа кэш-памяти:

- кэш с прямым отображением (размещением);

- полностью ассоциативный кэш;

- множественный ассоциативный кэш или частично-ассоциативный.

Кэш с прямым отображением (размещением) является самым простым типом буфера. Адрес памяти однозначно определяет строку кэша, в которую будет помещен блок информации. При этом предполагается, что оперативная память разбита на блоки и каждому такому блоку в буфере отводится всего одна строка. Это простой и недорогой в реализации способ отображения. Основной его недостаток - жесткое закрепление за определенными блоками ОП одной строки в кэше. Поэтому, если программа поочередно обращается к словам из двух различных блоков, отображаемых на одну и ту же строку кэш-памяти, постоянно будет происходить обновление данной строки и вероятность попадания будет низкой

Кэш с полностью ассоциативным отображением позволяет преодолеть недостаток прямого, разрешая загрузку любого блока ОП в любую строку кэш-памяти. Логика управления выделяет в адресе ОП два поля: поле тега и поле слова. Поле тега совпадает с адресом блока ОП. Для проверки наличия копии блока в кэш-памяти, логика управления кэша должна одновременно проверить теги всех строк на совпадение с полем тега адреса. Ассоциативное отображение обеспечивает гибкость при выборе строки для вновь записываемого блока. Принципиальный недостаток этого способа - в необходимости использования дорогой ассоциативной памяти.

Множественно-ассоциативный тип или частично-ассоциативный тип отображения - это один из возможных компромиссов, сочетающий достоинства прямого и ассоциативного способов. Кэш-память ( и тегов и данных) разбивается на некоторое количество модулей. Зависимость между модулем и блоками ОП такая же жесткая, как и при прямом отображении. А вот размещение блоков по строкам модуля произвольное и для поиска нужной строки в пределах модуля используется ассоциативный принцип. Этот способ отображения наиболее широко распространен в современных микропроцессорах.

Отображение секторов ОП в кэш-памяти.

Данный тип отображения применяется во всех современных ЭВМ и состоит в том, что вся ОП разбивается на секторы, состоящие из фиксированного числа последовательных блоков. Кэш-память также разбивается на секторы, содержащие такое же количество строк. Расположение блоков в секторе ОП и секторе кэша полностью совпадает. Отображение сектора на кэш-память осуществляется ассоциативно, те любой сектор из ОП может быть помещен в любой сектор кэша. Таким образом, в процессе работы АЛУ обращается в поисках очередной команды к ОП, в результате чего, в кэш загружается( в случае отсутствия там блока, содержащего эту команду), целый сектор информации из ОП, причем по принципу локальности, за счет этого достигается значительное увеличение быстродействия системы.

Смешанная и разделенная кэш-память.

Внутренняя кэш-память использовалась ранее как для инструкций(команд), так и для данных. Такая память называлась смешанной, а ее архитектура - Принстонской, в которой в единой кэш-памяти, в соответствии с классическими принципами фон Неймана, хранились и команды и данные.

Сравнительно недавно стало обычным разделять кэш-память на две - отдельно для инструкций и отдельно для данных.

Преимуществом смешанной кэш-памяти является то, что при заданном объеме, ей свойственна более высокая вероятность попаданий, по сравнению с разделенной, поскольку в ней автоматически устанавливается оптимальный баланс между инструкциями и данными. Если в выполняемом фрагменте программы обращения к памяти связаны, в основном, с выборкой инструкций, а доля обращений к данным относительно мала, кэш-память имеет тенденцию заполнения инструкциями и наоборот.

С другой стороны, при раздельной кэш-памяти, выборка инструкций и данных может производиться одновременно, при этом исключаются возможные конфликты. Последнее особенно существенно в системах, использующих конвейеризацию команд, где процессор извлекает команды с опережением и заполняет ими буфер или конвейер.

Так, например, в процессоре Intel® 486 DX2 применялась смешанная кэш-память,

В Intel® Pentium® и в AMD Athlon™ с их суперскалярной организацией - раздельная. Более того, в этих процессорах помимо кэш-памяти инструкций и кэш-памяти данных используется также и адресная кэш-память. Этот вид кэша используется в устройствах управления памятью, в том числе для преобразования виртуальных адресов в физические.

Благодаря использованию нанотехнологий, для снижения потребляемой мощности, увеличения быстродействия ЭВМ( что достигается сокращением времени обмена данными между процессором и кэш-памятью) существует возможность, а более того имеются реальные примеры того, что кэш-память реализуют в одном кристале с процессором. Такая внутренняя кэш-память реализуется по технологии статического ОЗУ и является наиболее быстродействующей. Объем ее обычно составляет 64-128 Кбайт, причем дальнейшее увеличение ее объема приводит обычно к снижению быстродействия из-за усложнения схем управления и дешифрации адреса.

Альтернативой, широко применяемой в настоящее время, является вторая (внешняя) кэш-память большего объема, расположенная между внутренней кэш-памятью и ОП. В этой двухуровневой системе кэш-памяти, внутренней памяти отводится роль первого уровня L1, а внешней - второго L2. емкость L2 обычно на порядок и более выше, чем L1, а быстродействие и стоимость ниже. Память второго уровня также строится обычно как статическое ОЗУ. Емкость ее может составлять от 256 Кбайт до 1 Мбайта и технически реализуется как в виде отдельной микросхемы, однако может размещаться и на одном кристалле с процессором.

Самые современные процессоры от крупнейших производителей оснащаются сегодня кэш-памятью емкостью у Intel Pentium 4 на ядре Northwood - 512 Кбайт кэш-памяти L2, а процессоры Prescott будут выпускаться по 0,09-микронной технологии и получат кэш-память второго уровня удвоенного объема, который составит 1 Мбайт. Intel продолжает широко рекламировать свой "экстремальный" игровой процессор Pentium 4 Extreme Edition на основе модифицированного серверного ядра Gallatin с тактовой частотой 3,40 ГГц и кэш-памятью третьего уровня объемом 2 Мбайта. Она дополняет стандартный нортвудовский кэш L2 512 Кбайт и тоже работает на частоте ядра процессора (правда, с большей раза в два латентностью). Таким образом, в сумме новый Pentium 4 Extreme Edition имеет кэш-память объемом 2,5 Мбайт.

Дополнительная кэш-память третьего уровня ведет начало от серверных процессоров Xeon MP на 0,13-микронном ядре Gallatin и не имеет ничего общего с грядущим 90-нанометровым Prescott, однако этот кристалл (ядро) все же немного переработали с целью поддержки системной шины 800 МГц, уменьшения энергопотребления и др. и упаковали в стандартный корпус от текущих Pentium 4. В свою очередь AMD Athlon 64 и AMD Opteron работающие на более высокой частоте 2200 МГц, производятся по 0,13-микронной технологии (SOI) и содержат 105,9 млн. транзисторов и отличаются от предшествующих Athlon XP новым ядром с 64-битными возможностями вычислений (наряду с улучшенными 32-битными на базе прежнего ядра Athlon XP), кэш-памятью второго уровня объемом 1 Мбайт (причем кэш у Атлонов инклюзивный, то есть полный объем с учетом 128 Кбайт L1 составляет 1152 Кбайт).

При доступе к памяти, ЦП сначала обращается к кэш-памяти первого уровня. При промахе производится обращение к кэш-памяти второго уровня. Если информация отсутствует и в L2, производится обращение к ОП, и соответствующий блок заносится сначала в L2, а затем и в L1. Благодаря такой процедуре, часто запрашиваемая информация может быть легко восстановлена из кэш-памяти второго уровня.

Потенциальная экономия за счет применения L2 зависит от вероятности попаданий как в L1, так и L2. Однако, опыт Intel и AMD показывает, что использование кэш-памяти второго уровня существенно улучшает производительность. Именно поэтому во всех проанонсированых производителями новейших версиях процессоров применяется двухуровневая и даже трехуровневая организация кэш-памяти.

В настоящее время процессор AMD Athlon является самым быстрым процессором в мире. Процессор имеет следующие особенности:

Микроархитектура: Особенность процессора AMD Atlon™ - это девятипоточная суперскалярная архитектура оптимизованная для высоких частот. AMD Athlon™ содержит девять исполняемых потоков: три для адресных операций, три для целочисленных вычислений, и три для выполнения команд x87 .

Сводная таблица по объемам, принципам организации и тактовым частотам кэш-памяти у процессоров от Intel и AMD:

1.3 Оперативная память

SDRAM: Определение

Аббревиатура SDRAM расшифровывается как Synchronous Dynamic Random Access Memory -- синхронная динамическая память с произвольным доступом. Остановимся подробнее на каждом из этих определений. Под «синхронностью» обычно понимается строгая привязка управляющих сигналов и временных диаграмм функционирования памяти к частоте системной шины. Вообще говоря, в настоящее время изначальный смысл понятия синхронности становится несколько условным. Во-первых, частота шины памяти может отличаться от частоты системной шины (в качестве примера можно привести уже сравнительно давно существующий «асинхронный» режим работы памяти DDR SDRAM на платформах AMD K7 с чипсетами VIA KT333/400, в которых частоты системной шины процессора и шины памяти могут соотноситься как 133/166 или 166/200 МГц). Во-вторых, ныне существуют системы, в которых само понятие «системной шины» становится условным -- речь идет о платформах класса AMD Athlon 64 с интегрированным в процессор контроллером памяти. Частота «системной шины» (под которой в данном случае понимается не шина HyperTransport для обмена данными с периферией, а непосредственно «шина» тактового генератора) в этих платформах является лишь опорной частотой, которую процессор умножает на заданный коэффициент для получения собственной частоты. При этом контроллер памяти всегда функционирует на той же частоте, что и сам процессор, а частота шины памяти задается целым делителем, который может не совпадать с первоначальным коэффициентом умножения частоты «системной шины». Так, например, режиму DDR-333 на процессоре AMD Athlon 64 3200+ будут соответствовать множитель частоты «системной шины» 10 (частота процессора и контроллера памяти 2000 МГц) и делитель частоты памяти 12 (частота шины памяти 166.7 МГц). Таким образом, под «синхронной» операцией SDRAM в настоящее время следует понимать строгую привязку временных интервалов отправки команд и данных по соответствующим интерфейсам устройства памяти к частоте шины памяти (проще говоря, все операции в ОЗУ совершаются строго по фронту/срезу синхросигнала интерфейса памяти). Так, отправка команд и чтение/запись данных может осуществляться на каждом такте шины памяти (по положительному перепаду -- «фронту» синхросигнала; в случае памяти DDR/DDR2 передача данных происходит как по «фронту», так и по отрицательному перепаду -- «срезу» синхросигнала), но не по произвольным временным интервалам (как это осуществлялось в асинхронной DRAM).

Понятие «динамической» памяти, DRAM, относится ко всем типам оперативной памяти, начиная с самой древней, «обычной» асинхронной динамической памяти и заканчивая современной DDR2. Этот термин вводится в противоположность понятия «статической» памяти (SRAM) и означает, что содержимое каждой ячейки памяти периодически необходимо обновлять (ввиду особенности ее конструкции, продиктованной экономическими соображениями). В то же время, статическая память, характеризующаяся более сложной и более дорогой конструкцией ячейки и применяемая в качестве кэш-памяти в процессорах (а ранее -- и на материнских платах), свободна от циклов регенерации, т.к. в ее основе лежит не емкость (динамическая составляющая), а триггер (статическая составляющая).

Наконец, стоит также упомянуть о «памяти с произвольным доступом» -- Random Access Memory, RAM. Традиционно, это понятие противопоставляется устройствам «памяти только на чтение» -- Read-Only Memory, ROM. Тем не менее, противопоставление это не совсем верно, т.к. из него можно сделать вывод, что память типа ROM не является памятью с произвольным доступом. Это неверно, потому как доступ к устройствам ROM может осуществляться в произвольном, а не строго последовательном порядке. И на самом деле, наименование «RAM» изначально противопоставлялось ранним типам памяти, в которых операции чтения/записи могли осуществляться только в последовательном порядке. В связи с этим, более правильно назначение и принцип работы оперативной памяти отражает аббревиатура «RWM» (Read-Write Memory), которая, тем не менее, встречается намного реже. Заметим, что русскоязычным сокращениям RAM и ROM -- ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), соответственно, подобная путаница не присуща.

Микросхемы SDRAM: Физическая организация и принцип работы

Общий принцип организации и функционирования микросхем динамической памяти (DRAM) практически един для всех ее типов -- как первоначальной асинхронной, так и современной синхронной. Исключение составляют разве что экзотические варианты, тем не менее, существовавшие еще до появления SDRAM, вроде Direct Rambus DRAM (DRDRAM). Массив памяти DRAM можно рассматривать как матрицу (двумерный массив) элементов (строго говоря, это понятие относится к логическому уровню организации микросхемы памяти, рассмотренному в следующем разделе, но его необходимо ввести здесь для наглядности), каждый из которых содержит одну или несколько физических ячеек (в зависимости от конфигурации микросхемы), способных вмещать элементарную единицу информации -- один бит данных. Ячейки представляют собой сочетание транзистора (ключа) и конденсатора (запоминающего элемента). Доступ к элементам матрицы осуществляется с помощью декодеров адреса строки и адреса столбца, которые управляются сигналами RAS# (сигнал выбора строки -- Row Access Strobe) и CAS# (сигнал выбора столбца -- Column Access Strobe).

Из соображений минимизации размера упаковки микросхемы, адреса строк и столбцов передаются по одним и тем же адресным линиям микросхемы -- иными словами, говорят о мультиплексировании адресов строк и столбцов (упомянутые выше отличия в общих принципах функционирования микросхем DRDRAM от «обычных» синхронных/асинхронных DRAM проявляются, в частности, здесь -- в этом типе микросхем памяти адреса строк и столбцов передаются по разным физическим интерфейсам). Так, например, 22-разрядный полный адрес ячейки может разделяться на два 11-разрядных адреса (строки и столбца), которые последовательно (через определенный интервал времени, см. раздел «Тайминги памяти») подаются на адресные линии микросхемы памяти. Одновременно со второй частью адреса (адреса столбца) по единому командно-адресному интерфейсу микросхемы SDRAM подается соответствующая команда (чтения или записи данных). Внутри микросхемы памяти адреса строки и столбца временно сохраняются в буферах (защелках) адреса строки и адреса столбца, соответственно.

Важно заметить, что с динамической матрицей памяти связан особый буфер статической природы, именуемый «усилителем уровня» (SenseAmp), размер которого равен размеру одной строки, необходимый для осуществления операций чтения и регенерации данных, содержащихся в ячейках памяти. Поскольку последние физически представляют собой конденсаторы, разряжающиеся при совершении каждой операции чтения, усилитель уровня обязан восстановить данные, хранящиеся в ячейке, после завершения цикла доступа (более подробно участие усилителя уровня в цикле чтения данных из микросхемы памяти рассмотрено ниже).

Кроме того, поскольку конденсаторы со временем теряют свой заряд (независимо от операций чтения), для предотвращения потери данных необходимо периодически обновлять содержимое ячеек. В современных типах памяти, которые поддерживают режимы автоматической регенерации (в «пробужденном» состоянии) и саморегенерации (в «спящем» состоянии), обычно это является задачей внутреннего контроллера регенерации, расположенного непосредственно в микросхеме памяти.

Схема обращения к ячейке памяти в самом общем случае может быть представлена следующим образом:

1. На адресные линии микросхемы памяти подается адрес строки. Наряду с этим подается сигнал RAS#, который помещает адрес в буфер (защелку) адреса строки.

2. После стабилизации сигнала RAS#, декодер адреса строки выбирает нужную строку, и ее содержимое перемещается в усилитель уровня (при этом логическое состояние строки массива инвертируется).

3. На адресные линии микросхемы памяти подается адрес столбца вместе с подачей сигнала CAS#, помещающего адрес в буфер (защелку) адреса столбца.

4. Поскольку сигнал CAS# также служит сигналом вывода данных, по мере его стабилизации усилитель уровня отправляет выбранные (соответствующие адресу столбца) данные в буфер вывода.

5. Сигналы CAS# и RAS# последовательно дезактивируются, что позволяет возобновить цикл доступа (по прошествии промежутка времени, в течение которого данные из усилителя уровня возвращаются обратно в массив ячеек строки, восстанавливая его прежнее логическое состояние).

Так выглядела реальная схема доступа к ячейке DRAM в самом первоначальном ее варианте, реализованном еще до появления первых реально используемых микросхем/модулей асинхронной памяти типа FPM (Fast Page Mode) DRAM. Тем не менее, нетрудно заметить, что эта схема является достаточно неоптимальной. Действительно, если нам требуется считать содержимое не одной, а сразу нескольких подряд расположенных ячеек, отличающихся только адресом столбца, но не адресом строки, то нет необходимости каждый раз подавать сигнал RAS# с одним и тем же адресом строки (т.е. выполнять шаги 1-2). Вместо этого, достаточно удерживать сигнал RAS# активным на протяжении промежутка времени, соответствующего, например, четырем последовательным циклам чтения (шаги 3-4, с последующей дезактивацией CAS#), после чего дезактивировать сигнал RAS#. Именно такая схема применялась в асинхронной памяти типа FPM DRAM и более поздней EDO (Enhanced Data Output) DRAM. Последняя отличалась опережающей подачей адреса следующего столбца, что позволяло достичь меньших задержек при операциях чтения.

В современных микросхемах SDRAM схема обращения к ячейкам памяти выглядит аналогично. Далее, в связи с обсуждением задержек при доступе в память (таймингов памяти), мы рассмотрим ее более подробно.

Модули памяти: Микросхема SPD

Еще до появления первого типа синхронной динамической оперативной памяти SDR SDRAM стандартом JEDEC предусматривается, что на каждом модуле памяти должна присутствовать небольшая специализированная микросхема ПЗУ, именуемая микросхемой «последовательного обнаружения присутствия» (Serial Presence Detect, SPD). Эта микросхема содержит основную информацию о типе и конфигурации модуля, временных задержках (таймингах, см. следующий раздел), которых необходимо придерживаться при выполнении той или иной операции на уровне микросхем памяти, а также прочую информацию, включающую в себя код производителя модуля, его серийный номер, дату изготовления и т.п. Последняя ревизия стандарта SPD модулей памяти DDR2 также включает в себя данные о температурном режиме функционирования модулей, которая может использоваться, например, для поддержания оптимального температурного режима посредством управления синхронизацией (регулированием скважности импульсов синхросигнала) памяти (так называемый «троттлинг памяти», DRAM Throttle). Более подробную информацию о микросхеме SPD и о том, как выглядит ее содержимое можно получить в нашей статье «SPD -- схема последовательного детектирования», а также в серии наших исследований модулей оперативной памяти.

1.4 Контроллеры и адаптеры

Предложенный в конце 80-х годов интерфейс ATA (AT Attachment), известный также под названием IDE (Integrated Drive Electronics) очень быстро завоевал широкую популярность среди производителей и пользователей персональных компьютеров. Основными причинами быстрого и широкого распространения нового интерфейса послужили невысокая цена устройств, простота их установки и эксплуатации, а также высокий уровень совместимости устройств IDE. Спецификация АТА уступает по скорости обмена с дисками и ряду других параметров интерфейсу SCSI, однако для большинства пользователей производительность играет меньшую роль, по сравнению с совместимостью, простотой и стоимостью устройств.

АТА

Первоначальная версия стандарта IDE обеспечивала возможность подключения к компьютеру четырех винчестеров и позволяла обмениваться данными с диском на скорости до 10Мбайт/сек, однако реальная скорость ограничивалась прежде всего возможностями самого винчестера. Подключение четырех устройств, предусмотренное спецификацией IDE, в компьютерах семейства IBM PC AT, в спецификации ATA/IDE реализовано не было. Кроме того, совместное использование стандарта ATA и программного интерфейса Int 13 BIOS ограничивало размер дисковых устройств 528Мб. Природу этого ограничения, связанную с форматами чисел, используемых для адресации головок, секторов и цилиндров винчестера (CHS-адрес) в стандарте IDE и BIOS, можно понять из приведенной ниже таблицы и рисунка 3, иллюстрирующего взаимодействие операционной системы с диском IDE.

Как работает ATA(-2)?

Для понимания базовых концепций работы современных дисков ATA требуется сначала разобраться с основами технологии работы дисков. Когда операционная система читает данные с диска или записывает их, BIOS выдает команды и передает их винчестеру. Для операционных систем, отличающихся от DOS, ОС обычно заменяет функции BIOS своими встроенными функциями, но принцип работы от этого не меняется.

Способы передачи команд, их интерпретации, отклика на них и т. п. формируют основу Advanced ATA. Существуют 7 регистров (Task File), которые BIOS использует для чтения/записи при создании команд. Восьмой регистр используется для чтения и записи данных. Сигналами чтения/записи управляет BIOS, но их тактирование определяется контроллером и спецификациями ATA, задающими скорость отклика на те или иные сигналы. Существует 4 режима программируемого ввода/вывода (Programmed Input/Output - PIO) и 3 режима прямого доступа к памяти (Direct Memory Access - DMA). Скорость передачи (transfer rate) определяется быстротой работы регистров и частотой тактирования операций чтения/записи.

Что такое режимы PIO?

Режим программируемого ввода-вывода (PIO) определяет скорость обмена данными с винчестером. В самом медленном режиме (PIO mode 0) продолжительность цикла данных не превышает 600 нс. В каждом цикле осуществляется перенос 16 бит. Один сектор, содержит 256 слов (16 бит = 1 слово); 2048 секторов составляют 1 мегабайт. Простой расчет

1 цикл 1 сектор 1 Мегабайт 2000

* ---- * ------ * -------- = 3.3Mбайт/сек

600нс 256 слов 2048 сект. 600нс

показывает скорость обмена данными. Таким образом, максимальная скорость обмена в режиме 0 может составлять 3.3 мегабайта в секунду.

В таблице 5 приведен список параметров для остальных режимов:

Таблица 5

Режимы ATA-2 (3 и 4) используют аппаратное управление потоком данных (IORDY). Это означает, что диск может использовать линию IORDY для замедления контроллера при необходимости. Контроллеры, не поддерживающие IORDY, могут приводить к потере данных при использовании быстрых режимов PIO; в этом случае следует использовать менее скоростные режимы. При получении команды Identify Drive диск возвращает, наряду с другими параметрами, информацию о поддерживаемых режимах PIO и DMA [Эти параметры можно определить с помощью программы WDTBLCHK.EXE, которую вы можете найти на приложенной к книге дискете.] .

Что такое режимы DMA?

DMA (прямой доступ к памяти - Direct Memory Access) означает,что данные передаются непосредственно между диском и памятью без использования процессора, в отличие от PIO. В многозадачных системах, подобных OS/2 или Linux, режим DMA оставляет процессор свободным в процессе обмена с диском и позволяет использовать его для решения других задач. При работе в DOS/Windows процессор вынужден ждать окончания обмена с диском, поэтому использование режимов DMA в этом случае не столь эффективно.

Существует два различных типа прямого доступа к памяти: DMA и busmastering DMA. Стандартный DMA использует установленный на системной плате контроллер DMA для выполнения арбитража запросов задач, захвата шины и передачи данных. В случае busmastering DMA, перечисленные операции выполняются контроллером. Безусловно, это увеличивает стоимость контроллера.

К несчастью, в системах ISA используются старые и медленные контроллеры DMA, неэффективные при работе с современными дисками. Платы VLB не могут использовать режим DMA и должны быть busmastering DMA.

Использование обычного режима DMA возможно только с контроллерами EISA и PCI: для EISA тип 'B' будет обеспечивать скорость обмена 4MB/s, для PCI тип 'F' от 6 до 8MB/s. Сегодня качественная программная поддержка DMA достаточно редка, как и контроллеры, поддерживающие DMA.

Возможные режимы DMA перечислены в таблице 6.

Таблица 6.

Отметим, что некоторые контроллеры способны использовать эти режимы DMA как способ обмена с диском без реального прямого доступа к памяти. В таких случаях режимы DMA используются просто как дополнение к режимам PIO.

1.5 Видеоадаптер

Видеоадаптер включает в себя видеопамять, в которой хранится изображение, отображаемое на экране монитора, постоянное запоминающее устройство, в котором записаны наборы шрифтов, отображаемые видеоадаптером в текстовых и графических режимах, а также функции BIOS для работы с видеоадаптером. Кроме того, видеоадаптер содержит сложное управляющее устройство, обеспечивающее обмен данными с компьютером, формирование изображения и выполняющее некоторые другие действия.

Видеоадаптеры могут работать в различных текстовых и графических режимах, различающихся разрешением, количеством отображаемых цветов и некоторыми другими характеристиками.

Сам видеоадаптер не отображает данные. Для этого к видеоадаптеру необходимо подключить монитор. Изображение, создаваемое компьютером, формируется видеоадаптером и передается на монитор для предоставления ее конечному пользователю.

Видеоадаптер CGA можно использовать с композитными мониторами (обычными цветными или черно-белыми бытовыми телевизорами), а также со специальными цифровыми цветными мониторами.

Затем прогресс пошел по пути увеличения разрешающей способности и количества одновременно отображаемых цветов. Были созданы видеоадаптеры EGA и VGA. Видеоадаптер EGA уже мог отображать 16-цветную графическую информацию с разрешением 640х350 пикселов, а VGA - даже с разрешением 800х600 пикселов. Кроме того, в видеоадаптере VGA появился графический режим с разрешением 320х200 пикселов при возможности одновременного отображения 256 различных цветов.

С видеоадаптером EGA можно было использовать либо цветной монитор, либо улучшенный цветной монитор. К видеоадаптерам VGA нужно подключать специальные многочастотные аналоговые мониторы.

Однако с появлением операционной системы Windows требования к видеоподсистеме компьютера многократно возросли. Ни видеоадаптер EGA, ни видеоадаптер VGA не обеспечивают необходимой разрешающей способности и количества одновременно отображаемых цветов. Поэтому многие фирмы приступили к выпуску собственных расширенных версий видеоадаптера VGA. Они получили общее название SVGA (Super VGA). Видеоадаптеры SVGA не являются устоявшимся стандартом, наподобие EGA и VGA. Различные фирмы выпускают адаптеры SVGA, имеющие различные возможности. При этом они не всегда совместимы друг с другом.

Появились видеоадаптеры SVGA, которые работают в режимах High Color и True Color. В режиме High Color видеоадаптер может одновременно отображать на экране 32768 или 65536 различных цветов. Режим True Color еще более многоцветный. В этом режиме видеоадаптер может одновременно отображать более чем 16,7 миллионов различных цветов. Качество изображения, достигаемое такими видеоадаптерами (при условии использования с ними соответствующих мониторов), почти не уступает качеству цветных слайдов.

Способность видеоадаптера отображать большое количество цветов с высоким разрешением тесно связана с объемом его видеопамяти. Чем больше объем видеопамяти адаптера, тем больше цветов он сможет отобразить и тем выше будет разрешающая способность.

Видеопамять адаптера CGA имела объем всего 16 Кбайт. На современных адаптерах устанавливают как минимум 256 Кбайт памяти. Такого объема видеопамяти достаточно для отображения 16 различных цветов при разрешении 800х600 пикселов. Режимы с большим разрешением или с большим количеством цветов недоступны.

Radeon HD4770 CrossFire - low-end

Применение связок из нескольких видеокарт или видеочипов для ускорения обработки трехмерной графики началось довольно давно, задолго до появления ныне известных нам CrossFire и SLI-технологий в современной реализации. Вначале такие конфигурации использовались лишь профессионалами, для узкого круга задач с применением специального ПО. Затем они постепенно перекочевали в hi-end нишу массового рынка благодаря компании 3dfx interactive и ее технологии SLI (впоследствии NVIDIA купила 3dfx со всем ее “приданым”), затем подключилась ATI со своими двухчиповыми решениями Fury MAXX. Но это было тогда. Нынешняя реализация технологии CrossFire и SLI существенно опередила своих предшественников. Цена, эффективность и отлаженность современных мультичиповых технологий достаточно хороши, чтобы ставить такие связки и в домашние компьютеры, для повседневного использования. Сегодня речь пойдет о технологии ATI CrossFireX и ее реализации на примере Radeon HD4770.

Видеокарта Inno3D iChill GeForce 9800 GT с кулером FreezerX

По сведениям от сотрудников сетевого ресурса Expreview, компания InnoVISION Multimedia Limited (Inno3D) подготовила к выпуску новую и очень оригинальную по исполнению версию графического адаптера NVIDIA GeForce 9800GT, которая войдёт в популярную среди заядлых геймеров продуктовую линейку iChill Series.

1.6 Жесткий диск

Перпендикулярная запись, гибридные накопители и прочие технологии

В сентябре этого года жесткому диску исполнилось пятьдесят лет. Внушительный возраст! За полвека винчестеры эволюционировали из монстров размером с двухстворчатый шкаф, весом более тонны и емкостью 5 Мб в сверхвысокотехнологичные устройства, которые могут уместиться в 0.8-дюймовом форм-факторе или хранить до 1 Тб информации.

Направление эволюции

С момента появления первых жестких дисков и до недавних пор совершенствование винчестеров в основном двигалось в одном направлении - в сторону увеличения плотности записи просто методом масштабирования. Естественно, во время этого процесса с жесткими дисками происходило множество других технологических изменений, но все они носили скорее вторичный характер. Вполне возможно, эволюция протекала бы в подобном ключе и до сегодняшнего дня, однако в дело вмешалась сама природа, поставив на пути дальнейшего роста плотности записи так называемый эффект супермагнетизма. компьютер диск жесткий лазерный

Чтобы вникнуть в суть этого явления, для начала следует вспомнить, не вдаваясь в тонкости, каким образом данные хранятся на винчестере. Итак, магнитный слой диска состоит из несчетного количества областей-доменов диаметром несколько нанометров, в каждом из которых магнитные моменты атомов имеют одинаковое направление. Все домены можно сгруппировать в частицы так, чтобы в каждой группе содержалось порядка сотни находящихся рядом областей. Такая частица имеет ярко выраженный суммарный магнитный момент, который можно произвольно изменить, подействовав внешним магнитным полем. Если все направления векторов намагниченности разделить на две группы (вдоль движения считывающей головки и против), то окажется, что каждая частица способна хранить один бит информации. Таким образом, чем больше магнитных частиц можно втиснуть на один квадратный дюйм поверхности, тем большей окажется плотность записи. До определенного момента можно заниматься подобным масштабированием, не сталкиваясь ни с какими проблемами, однако постепенно сила влияния соседних доменов друг на друга (особенно это касается граничных областей для частиц с противоположно-направленными векторами намагниченности) возрастает до таких значений, что некоторые из доменов начинают самопроизвольно менять направление магнитного момента. В худшем случае действие этого эффекта начинает лавинообразно распространяться на все большее количество соседних частиц, а что происходит после такой революции с записанной информацией, думаем, несложно представить. Печальнее всего то, что поврежденные данные уже не удастся никоим образом восстановить. С проблемой стабильности производители столкнулись пару лет назад, в результате чего оказались в беспросветном технологическом тупике.

Конечно, можно пойти несколько другим путем, оставить на время сами блины в покое и просто увеличивать их количество внутри одного накопителя. Впрочем, так продолжаться долго не может - ведь, во-первых, есть жесткое ограничение форм-фактора, не одобряющее увеличение корпуса по толщине. А во-вторых, большое количество блинов неминуемо влечет за собой повышенное тепловыделение, что уж точно ни к чему. Считается, что оптимальным количеством блинов является один или два, однако в погоне за рекордной емкостью в некоторые модели десктопных 3.5-дюймовых винчестеров умудряются втискивать до пяти пластин. В ноутбучные 2.5-дюймовые жесткие диски, правда, больше двух блинов не влезает, столько же удается разместить и внутри 1.8” винчестеров, используемых для всякой портативной электроники и бытовой техники. Самые компактные форм-факторы 1” и 0.8” предусматривают наличие всего одной пластины, ведь больше просто не получится впихнуть в корпус, толщина которого составляет всего 4-5 мм. Кстати, есть и другой вариант - разместить под одной оболочкой два и более независимых жестких диска, которые могли бы работать параллельно. Но такую систему будет совсем непросто собрать даже внутри 3.5-дюймового корпуса, да и сомнительно, что это будет экономически оправданным для домашних компьютеров.

Технология перпендикулярной записи

Как и многие другие гениальные идеи, основы технологии перпендикулярной записи были разработаны много лет назад, задолго до того, как ими заинтересовались как коммерческим продуктом. Первые эксперименты проводились вообще более ста лет назад, и только в 1976 году исследования были возобновлены и перпендикулярную запись стали рассматривать как возможного преемника продольной. Основное различие в технологиях состоит в том, что при перпендикулярной записи магнитные частицы выстроены под прямым углом к поверхности диска. Чтобы нагляднее представить себе эту картину, каждую частицу можно условно считать магнитиком в форме костяшки домино. Их можно укладывать друг за другом двумя способами - либо плашмя, либо поставив на ребро. Соответственно, первый вариант символизирует продольную запись, а второй - перпендикулярную. А заодно сразу становится понятно, почему вторым способом обеспечивается большая плотность. Конечно, для внедрения новой технологии потребовалось не только полностью переделать конструкцию магнитной головки, но и подобрать совершенно новый многослойный материал для изготовления пластин.

Будущее перпендикулярной записи

На сегодняшний день технология перпендикулярной записи пока лишь набирает обороты. Существенных затруднений на пути дальнейшего повышения плотности записи данных в ближайшие годы не предвидится, и производители крайне довольны таким ходом событий. Крупнейшие компании планируют в скором времени полностью перейти на перпендикулярную запись, отправив устаревшую «продольную» технологию на свалку истории. Рекорд плотности для нового типа записи составляет уже 245 Гбит на квадратный дюйм, правда, его смогли достигнуть лишь в Seagate, причем только в лабораторных условиях, хотя, по большому счету, нет никаких видимых препятствий для создания коммерческих продуктов. Конечно, сегодняшние жесткие диски с перпендикулярной записью оснащаются блинами с меньшей плотностью записи. В частности, первый серийный «перпендикулярный» винчестер Seagate Momentus 5400.3, выполненный в форм-факторе 2.5”, может похвастаться плотностью записи «всего-то» 130 Гбит на квадратный дюйм, однако при этом емкость накопителя составляет целых 160 Гбайт, а остальные характеристики ничем не уступают лучшим представителям винчестеров с продольной записью. Ожидается, что к 2010 году плотность для перпендикулярной записи достигнет 500 Гбит на квадратный дюйм, и это, вероятно, станет пределом для существующей технологии, после которого вновь появится риск возникновения супермагнитного эффекта.

Несмотря на то, что перпендикулярная запись обладает отличными перспективами, и, возможно, даже прогноз на 500-гигабитный предел окажется слишком пессимистичным, и этот показатель удастся приблизить к 1 Тбит на квадратный дюйм, инженеры все равно не собираются спокойно дожидаться столкновения с очередным супермагнитным пределом, активно работая над созданием новых технологий и совершенствованием существующих.

Скорее всего, следующим шагом на пути эволюции жестких дисков станет введение технологии HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording), которая представляет собой улучшенный способ перпендикулярной записи. Отличие заключается в том, что перед записью требуемый участок будет нагреваться до температуры порядка ста градусов при помощи лазера (в течение одной пикосекунды). Такой простой на первый взгляд прием позволит заметно повысить стабильность магнитных частиц, а следовательно и увеличить плотность записи (как минимум до 1 Тбит на квадратный дюйм). Однако для реализации подобного механизма на практике придется разобраться с целым перечнем сопутствующих проблем. В первую очередь потребуется полностью переделать конструкцию головки (вероятно, даже установить две отдельные головки), а также подобрать принципиально новый сплав для блинов. Кроме того, современные шустрые винчестеры и без лазерного подогрева начинают испытывать ощутимые проблемы с тепловыделением, так что без введения специального механизма охлаждения вряд ли удастся обойтись. В любом случае, появления HAMR не стоит ожидать раньше 2010 года, а к тому времени технология явно успеет претерпеть немало изменений.

Перспективные технологии

Что будет с жесткими дисками лет через десять-пятнадцать, пока сложно прогнозировать, тем более если еще учитывать грядущую конкуренцию с флэш-накопителями… Впрочем, к этому вопросу мы еще вернемся, а пока рассмотрим пару технологий, которые в будущем могут лечь в основу идеального жесткого диска.

В принципе, современные технологии производства жестких дисков крайне нерационально используют возможности магнитных материалов, так как для хранения одного бита информации задействуется до сотни ячеек, каждая из которых лишь вносит свой вклад в суммарный магнитный момент. Все было бы совершенно иначе, если бы с каждой ячейки можно было считывать свой бит информации, это позволило бы сразу увеличить плотность записи в десятки раз. Однако для этого необходимо, чтобы магнитный материал имел строго организованную «ячеистую» структуру. Увы, используемые сегодня материалы этим свойством обделены. По большому счету, подобный материал можно просто-напросто создать методом литографии, только вот толку от него никакого не будет. Проблема в том, что новую технологию производства жестких дисков целесообразно разрабатывать, если плотность записи обещает быть, допустим, 1 Тбит на квадратный дюйм или выше, а чтобы добиться похожих результатов с помощью литографии, потребуется по приблизительным подсчетам 12 нм техпроцесс. К сожалению, ничего близкого даже на горизонте не видно, и когда технология производства сможет подобраться к данному значению, одному Богу известно. Впрочем, не все потеряно, так как вместо того, чтобы создавать требуемый материал искусственно, можно попытаться подобрать сплав, который просто по своей природе обладал бы так называемой самоорганизующейся структурой. Такие материалы выделены в отельную группу SOMA (Self-Ordered Magnetic Array), которая, естественно, представляет колоссальный интерес для компаний, производящих жесткие диски. В частности, в Seagate могут гордиться тем, что нашли один из похожих материалов (сплав железа и платины после особой обработки), диаметр ячейки у него составляет всего 2.4 нм. Теоретически максимальная плотность записи с использованием этого материала может оказаться порядка 50 Тбит на квадратный дюйм! Правда, пока все это только теоретически.