Современное аппаратное обеспечение персонального компьютера. Его новые уникальные свойства и функциональность

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Алматинский Колледж Технологий и Флористики

Дипломная работа

Тема: "Современное аппаратное обеспечение персонального компьютера. Его новые уникальные свойства и функциональность"

Руководитель:

Мергенбаева А.Х.

Выполнил: студент гр. 19

Дружинин В.В.

Алматы 2014

Содержание

Введение

1. Материнская плата

2. Процессор

2.1 История создания микропроцессора

2.2 Структура микропроцессора

2.3 Классификация микропроцессоров

3. Система охлаждения

4. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM)

5. Жесткий диск

5.1 Устройство диска

5.2 Работа жесткого диска

5.3 Объем, скорость и время доступа

5.4 Интерфейсы жестких дисков

5.5 Как работают программы восстановления данных

5.6 Программное обеспечение PC-3000 for Windows (UDMA)

6. Видеоадаптер

6.1 Видеопамять

6.2 Разрешение

6.3 RAMDAC - принципы работы и параметры

7. Дисковод

8. Системный блок и блок питания

9. Охрана труда. Профилактика пожарной безопасности

9.1 Цели и задачи пожарно-профилактической работы

9.2 Инструктаж рабочих и служащих

9.3 Пожарно-технические комиссии и добровольные пожарные дружины

9.4 Права и обязанности административно-технического персонала в обеспечении пожарной безопасности предприятий

Введение

Персональные компьютеры все прочнее входят в нашу жизнь. Если каких-то 15 лет назад их можно было увидеть только в солидных организациях, то сегодня ПК старенький или ультрасовременный, слабенький или невероятно мощный стоит в каждом магазине и офисе, фитнесс-клубе и кафе, библиотеке и квартире. Сложно найти сферу человеческой деятельности, в которой не были бы задействованы компьютеры они используются для ведения бухгалтерского учета и создания сложных научных моделей, разработки дизайна и создания музыки, хранения и поиска информации в базах данных, игр и прослушивания музыки.

Персональный компьютер можно рассматривать с двух точек зрения аппаратного обеспечения (hardware) и программного обеспечения (software). Разумеется, эти сферы тесно взаимосвязаны без аппаратного обеспечения не будет работать ни одна программа, а без программного обеспечения аппаратное обеспечение будет представлять собой просто набор микросхем. Первый вопрос данной работы аппаратное обеспечение. При всем многообразии модификаций и вариантов персональных компьютеров в любой, даже самый экзотический комплект, неизменно входят одни и те же виды устройств. Именно эти базовые устройства, их назначение и виды, и будут рассмотрены в первой главе.

С увеличением числа компьютеров и расширением сферы их применения возникла потребность объединения отдельных ЭВМ в сети. Каждый пользователь - будь он программист или просто любитель поиграть - никогда не сможет иметь у себя все необходимые ресурсы. Одним требуются новые средства разработки и документация. Другим - быстро и удобно передать информацию. Третьим - новые программы, обновления. Все эти задачи решают различные компьютерные сети.

По территориальной классификации сети делятся на локальные (LocalAreaNetwork) относительно небольшие сети масштаба предприятия, офиса, дома; муниципальные (MetropolitanAreaNetwork) сети масштаба города; глобальные (WideAreaNetwork) сети, охватывающие значительное географическое пространство регион, страну, континент, планету. Во второй главе данной работы будут рассмотрены локальные сети их виды, топология, уровни взаимодействия и используемое оборудование. Также будет уделено внимание адресации в IP-сетях.

Целью данной работы является рассмотрение аппаратного обеспечения и локальных вычислительных сетей персональных компьютеров. Для достижения цели предстоит решить ряд задач: в первой части обозначить основные устройства, входящие в состав персонального компьютера; изучить их виды и назначение. Во второй части разобрать уровни сетевого взаимодействия, топологию (способ организации) сетей; представить используемое в сетях оборудование.

Анализируя литературу, отметим, что книг и статей (и электронных, и вышедших в журналах), посвященных как аппаратному обеспечению персонального компьютера, так и локальным вычислительным сетям, чрезвычайно много. Однако большая часть носит сугубо практический, а не аналитический характер и ориентирована на пользователей (или администраторов), которые должны решить конкретную жизненную задачу например, настроить сеть определенной конфигурации. Другая проблема подбора источников быстрое устаревание данных. Так, 5 лет назад беспроводные сети воспринимались как что-то невероятное, сегодня же они широко применяются; многоядерные процессоры тоже вошли в наш обиход совсем недавно.

1. Материнская плата

Разъем питания ATX_12V

Разъем питания ATX

К разъему ATX_12V подключается провод 4pin, от блока питания. Разъем ATX_12V предназначен для подачи питания на процессор.

К разъему ATX подключается провод от блока питания с конектором питания 24pin. Разъем ATX предназначен для подачи питания на материнскую плату. Разъем ATX на материнской плате может 20 или 24 контакта, в зависимости от модели материнской платы.

Разъем для подключения кулера CPU_FAN

Разъем для подключения кулера SYS_FAN1

Разъем для подключения кулера SYS_FAN2

Разъем для подключения кулера PWR_FAN

В разъем CPU_FAN подключается кулер для процессора, с помощью которого будет происходить охлаждения процессора.

В разъем SYS_FAN1, SYS_FAN2, PWR_FAN подключаются дополнительные вентиляторы для охлаждения корпуса.



Разъем флопи-дисковода FDD. К этому разъему подключается шлейф флопи-дисковода. На сегодняшний день на новых материнских платах не производится, так как разъем FDD не нужен.

К разъему IDE, SATA-II, SATA-III (SATA 6Gb/s), к этим разъемам подключаются жесткие диски и DVD приводы.

Разъем IDE на сегодняшний день на материнских платах не производятся.

Разъем F_PANEL, в этот разъем подключаются провода от корпуса, которые отвечают за перезагрузку компьютера, за выключения компьютера и включения компьютера.

Разъем USB, в разъем USB подключаются провода от корпуса от передней панели, для подключения флешки, а также дополнительных USB устройств.

Разъем BATTERY, в этот разъем устанавливается батарея, которая сохраняет настройки в BIOS, дату и время на вашем компьютере. Если после выключения компьютера и включения на вашем компьютере сбивается время и дата, то значит, ваша батарейка на вашей материнской плате разрядилась и вам пора ее заменить.

Разъем передней аудио панели F_AUDIO, в этот разъем подключаются провода от корпуса передней панели (микрофон наушники).

Разъем DDR, в этот разъем устанавливаются модули оперативной памяти DDR, DDR2, DDR3.

Но прежде чем устанавливать модули оперативной памяти нужно знать кокой модуль оперативной памяти поддерживает ваша материнская плата и процессор.

Разъем для установки процессора в гнездо, материнские платы производятся двумя фирмами INTEL и AMD и имеют разное гнездо Socket.

Материнская плата с чипсетом INTEL производится со следующим сокетом: Socket478, Socket LGA775, Socket LGA1156, Socket LGA1155, Socket LGA1366, Socket LGA2011.

Материнская плата с чипсетом AMD производится со следующим сокетом: Socket AM2, Socket AM2 plus, Socket AM3, Socket AM3 plus, Socket FM1.

Разъем USB и PS/2, в эти разъемы подключаются мышка и клавиатура.

Разъем VGA, DVI, HDMI, в эти разъемы подключаются монитор, телевизор, имеющий такой же разъем.

Порт USB 3.0

Разъем RJ-45 LAN и порт USB 2.0, в разъем RJ-45 LAN подключается сетевой кабель.

Разъем Line-out, Line-in, Mic-in, в эти разъемы подключаются колонки и микрофон.

И так подведем свами итоги по описанию материнской платы.

В материнских платах время от времени происходит процесс замены разъемов на более новые, а старые разъемы вообще перестают производить на материнских платах.

Материнские платы со слотами оперативной памяти производятся со следующими слотами DDR, DDR2, DDR3. Материнские платы со слотами DDR уже не производятся.

Материнские платы со слотами DDR2 пока еще производятся.

На сегодняшний день с новыми разъемами материнская плата производится слотами DDR3.

Материнская плата с разъемом для установки видеокарты производится с разъемами AGP, PCI Express x16,

PCI Express x16 2.0, PCI Express x16 3.0

Материнские платы с разъемом AGP уже не производятся.

Материнские платы с разъемом PCI Express x16 еще производится.

На сегодняшний день с новыми разъемами для установки видеокарты, материнская плата производится с разъемом PCI Express 3.0.

Материнская плата с разъемом для установки жесткого диска производятся со следующими разъемами IDE, SATAII, SATAIII (SATA 6Gb/s).

Материнские платы с разъемом IDE уже не производятся.

Материнские платы с разъемом SATAII еще производится.

На сегодняшний день с новыми разъемами для установки жесткого диска, материнская плата производится с разъемом SATAIII (SATA 6Gb/s).

Материнская плата с разъемами USB производится с разъемами USB 1.0, USB 2.0, USB 3.0

Материнская плата с разъемами USB 1.0 уже не производятся. Материнская плата с разъемами USB 2.0 еще производится.

На сегодняшний день материнская плата производится с новыми высокоскоростными портами и разъемами USB 3.0

2. Процессор

2.1 История создания микропроцессора

Вернемся к истории. Так случилось, что отдельные транзисторы и интегральные схемы были вытеснены с рынка новым устройством - микропроцессором. Это и было началом новой компьютерной эры, которая длится вот уже без малого четыре десятилетия. Отсчет нового летоисчисления компьютерной эры ведут с 1971 г., когда командой во главе с талантливым изобретателем, доктором Тэдом Хоффом был создан первый микропроцессор Intel 4004. Сегодня имя Хоффа стоит в ряду с именами величайших изобретателей всех времен и народов, но вряд ли мудрый доктор знал в то время, во что выльется созданный им "компьютер на одном кристалле". Изначально процессор 4004 предназначался для... микрокалькуляторов и был изготовлен по заказу одной японской фирмы. К счастью для всех нас, фирма эта обанкротилась, так и не дождавшись обещанного микропроцессора, - и в результате разработка перешла в собственность не ожидавшей такого счастья Intel. С этого момента и началась эпоха персональных компьютеров, "звездный час" которых настал в начале 80-х. Именно тогда фирмой 1ВМ был выпущен уже ставший легендарным компьютер 1ВМ PC на основе нового микропроцессора все той же фирмы Intel...

Поразительно - но за эти годы старому доброму процессору так и не нашлось достойного преемника! Хотя сегодняшние процессоры от Intel быстрее своего прародителя более чем в десять тысяч раз, а любой домашний компьютер обладает мощностью и "сообразительностью" во много раз большей, чем компьютер, управлявший полетом космического корабля "Аполлон" к Луне, процессор остается процессором. Факт, который автор не постеснялся привести строкой выше, уже давно стал штампом, обязательным в любой рекламе фирмы Intel. Хотя и не стал от этого менее правдивым и красноречивым.

2.2 Структура микропроцессора

компьютер процессор интерфейс нждм

Процессор - основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Собственно говоря, процессор в компьютере не один - их может быть целый десяток! Собственным процессором снабжена видеоплата, звуковая плата, множество внешних устройств (например, принтер). И часто по производительности эти микросхемы могут поспорить с главным, Центральным Процессором. Но в отличие от него, все они являются узкими специалистами - один отвечает за обработку звука, другой - за создание трехмерного изображения.

Основное и главное отличие центрального процессора - это его универсальность. При желании (и, разумеется, при наличии необходимой мощности и соответствующего программного обеспечения) центральный процессор может взять на себя любую работу, в то время как процессор видеоплаты при всем желании не сможет раскодировать, скажем, музыкальный файл...

Любой процессор - это выращенный по специальной технологии кристалл кремния (не зря на жаргоне процессор именуется "камнем"). Однако камешек этот содержит в себе множество отдельных элементов - транзисторов, соединенных металлическими мостиками-контактами. Именно они и наделяют компьютер способностью "думать". Точнее, вычислять, производя определенные математические операции с числами, в которые преобразуется любая поступающая в компьютер информация.

Безусловно, один транзистор никаких особых вычислений произвести не может. Единственное, на что способен этот электронный переключатель - это пропустить сигнал дальше или задержать его, в зависимости от подаваемого на его "затвор" напряжения. Наличие сигнала дает логическую единицу (да); его отсутствие - логический же ноль (нет).

Однако процессор - это не просто скопище транзисторов, а целая система множества важных устройств. В состав микропроцессора входят следующие устройства.

Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.

Устройство управления координирует взаимодействие различных частей компьютера. Выполняет следующие основные функции:

· формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;

· формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;

· получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов.

Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах.

Кэш-память. Буферная память - своеобразный накопитель для данных. В современных процессорах используется два типа кэш-памяти: первого уровня - небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, и второго уровня - чуть помедленнее, зато больше - от 128 килобайт до 2 Мб.

Процессор связан несколькими группами проводников называемых шинами. С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Адресная шина. Шина или часть шины, предназначенная для передачи адреса, а именно используется ЦП для выбора требуемой ячейки памяти или устройства ввода-вывода путем установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода-вывода, входящих в систему.

Шина команд. По ней передаются управляющие сигналы, предназначенные памяти и устройствам ввода-вывода. Эти сигналы указывают направление передачи данных (в процессор или из него).

Шина данных - информационная магистраль, благодаря которой процессор может обмениваться данными с другими устройствами компьютера.

Трудно поверить, что все эти устройства размешаются на кристалле площадью не более 4--6 квадратных сантиметров! Только под микроскопом мы можем разглядеть крохотные элементы, из которых состоит микропроцессор, соединяющие их металлические "дорожки" (для их изготовления сегодня используется алюминий, однако уже приходит медь).

Характеристики микропроцессоров.

К основным характеристикам микропроцессора можно отнести такие показатели как тактовую частоту, разрядность процессора, размер кэш-памяти, тип ядра, форм-фактор и т.д. Рассмотрим вышесказанное более подробно.

Тактовая частота. Самый важный показатель, определяющий скорость работы процессора. Тактовая частота, измеряемая в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц), обозначает лишь то количество циклов, которые совершает работающий процессор за единицу времени (секунду). Пик спроса сегодня приходится на процессоры с частотой от 3 до 4 ГГц. Кстати, согласно так называемому "закону Мура", названного в честь одного из изобретателей микропроцессора и нынешнего руководителя корпорации Intel, каждые полтора года частота микропроцессоров увеличивается не менее чем в два раза.

Разрядность процессора. Если тактовую частоту процессора можно уподобить скорости течения воды в реке, то разрядность процессора - ширине ее русла. Понятно, что процессор со вдвое большей разрядностью может "заглотнуть" вдвое больше данных в единицу времени - в том случае, конечно, если это позволяет сделать специально оптимизированное программное обеспечение. Сегодня подавляющее большинство "домашних" процессоров - 32-разрядные (32-битные). И это, к сожалению, явный анахронизм: большинство из входящих в состав компьютера устройств, в том числе и шина, обладают разрядностью 64 и 128 бит [6, с.42]!

Размер кэш-памяти. В эту встроенную память (не путать с памятью оперативной - та поставляется в виде отдельных модулей) процессор помещает все часто используемые данные, чтобы не "ходить" каждый раз "за семь верст киселя хлебать" - к более медленной оперативной памяти и жесткому диску. Кэш-память в процессоре имеется двух видов. Самая быстрая - кэш-память первого уровня (16--32 кб у процессоров Intel и до 128 кб - в последних моделях AMD).

Существует еще чуть менее быстрая, но зато более объемная кэш-память второго уровня - и именно ее объемом отличаются различные модификации процессоров. Так, в семействе Intel самый "богатый" кэш-памятью - мощный ExtremeEdition (2 Мб). У новых моделей Pentium 4 Prescott и у Athlon 64 размер кэша второго уровня составляет 1 Мб [6, с.42].

Тип ядра. Переход на новую технологию, как правило, влечет за собой и смену процессорного "ядра" - и частенько получается так, что на одном и том же прилавке мирно уживаются процессоры от одного производителя, с одинаковой актовой частотой, принадлежащие к одному поколению, но с разными ядрами. Например, среди процессоров Pentium 4 есть старые модели, произведенные по 0,13 микронной технологии (Northwood) и новая модификация Prescott(0,09 микрон). В настоящее время большинство процессоров производится по 0,09-микронной технологии - а это значит, что размер самых маленьких их элементов в 500 раз меньше толщины человеческого волоса!

Насколько же еще можно уменьшить размер транзисторов? Оптимисты (а в их числе не кто иной, как знаменитый Гордон Мур, автор "закона Мура" и один из изобретателей процессора) считают, что технологический предел лежит где-то в районе 0,03 микрона. Тот же Мур предсказывает, что достигнут этот предел будет не раньше 2010 г., - а это значит, что впереди у нас еще целая пятилетка.

Форм-фактор. Часто смена типа ядра и архитектуры процессора влечет за собой изменения в его внешности - форм-факторе, т. е. типе корпуса, в который упакован процессор. Например, новые процессоры Pentium 4 Prescott выпускаются в форм-факторе LGA775 (SocketT), а старые модели рассчитаны на разъем Socket 478. А это значит, что старую модификацию Pentium 4 вы уже не сможете установить на новую системную плату - и наоборот.

Частота шины. Шина - это своеобразная информационная магистраль, связывающая воедино все устройства, подключенные к системной плате - процессор, оперативную память, видеоплату... Понятно, что у этой "магистрали", как и у процессора, есть своя пропускная способность - ее-то и характеризует уже знакомая нам частота. Чем выше этот показатель - тем лучше.

К примеру, еще вначале 2004 г. большинство процессоров Intel работало на частоте шины 800 МГц, однако к летнему сезону корпорация поднатужилась и взяла фантастическую по прежним временам планку в 1066 МГц! При этом в продаже до сих пор имеются процессоры обоих типов, равно как и предназначенные для них системные платы.

Частота системной шины прямо связана и с частотой самого процессора через так называемый "коэффициент умножения". Процессорная частота - это и есть частота системной шины, умноженная процессором на некую заложенную в нем величину. Например, частота процессора 2,4 ГГц - это частота системной шины в 200 МГц, умноженная на коэффициент 12.

2.3 Классификация микропроцессоров

В современном мире трудно найти область техники, где не применялись бы микропроцессоры. Они применяются при вычислениях, они выполняют функции управления, они используются при обработке звука и изображения. В зависимости от области применения микропроцессора меняются требования к нему. Это накладывает отпечаток на внутреннюю структуру микропроцессора. По области применения определилось три направления развития микропроцессоров:

· микроконтроллеры

· универсальные микропроцессоры

· сигнальные микропроцессоры

По внутренней структуре существует два основных принципа построения микропроцессоров:

· Гарвардская архитектура

· Архитектура Фон-Неймана

По системе команд микропроцессоры отличаются огромным разнообразием, зависящим от фирмы-производителя. Тем не менее можно определить две крайние политики построения микропроцессоров:

· Аккумуляторные микропроцессоры

· Микропроцессоры с регистрами общего назначения

В микропроцессорах с регистрами общего назначения математические операции могут выполняться над любой ячейкой памяти. В зависимости от типа операции команда может быть одноадресной, двухадресной или трёхадресной.

Принципиальным отличием аккумуляторных процессоров является то, что математические операции могут производиться только над одной особой ячейкой памяти - аккумулятором. Для того, чтобы произвести операцию над произвольной ячейкой памяти её содержимое необходимо скопировать в аккумулятор, произвести требуемую операцию, а затем скопировать полученный результат в произвольную ячейку памяти.

В настоящее время в чистом виде не существует ни та ни другая система команд. Все выпускаемые в настоящее время процессоры обладают системой команд с признаками как аккумуляторных процессоров, так и микропроцессоров с регистрами общего назначения.

В каждом поколении имеются еще модификации, отличающиеся друг от друга назначением и ценой. Например, в славном семействе Pentium 4 числятся три "брата" - старший, Pentium 4 ExtremeEdition, работает на мощных серверах серьезных учреждений. Средний братец, собственно Pentium 4, трудится на производительных настольных компьютерах, ну а симпатяга-демократ CeleronD верно служит простому люду на домашних компьютерах.

"Народные" процессоры Celeron отличаются от "больших" Pentium 4 частотой системной шины (533 МГц против 800) и объемом кэш-памяти (256 кб против 1 Мб). Поэтому, хотя тактовая частота у различных модификаций может быть одинакова (например, 3,2 ГГц), реальная производительность Celeron будет значительно ниже - от нескольких десятков процентов до не- скольких раз(!). Особенно сильно падение производительности заметно при работе с мультимедийными приложениями и трехмерной графикой, а вот на большинстве офисных программ замена Pentium 4 на Celeron практически не сказывается.

Семейство. Когда на процессорном рынке подвизался лишь один крупный игрок - корпорация Intel, - вопрос о выборе платформы, как вы сами понимаете, не стоял. Однако такая райская жизнь для королевы процессор строения продолжалась недолго: уже через несколько лет на горизонте замаячили конкуренты. Первоначально компании-"сателлиты" (в первую очередь AMD и Cyrix) лишь подбирали крохи со стола "королевы", штампуя "клоны" ее не самых ходовых моделей. Но время шло, компании мужали, набирались опыта и нахальства... И к началу 90-х гг. конкурентная борьба между ними разгорелась не на жизнь, а на смерть. Некоторые компании пали смертью храбрых, так и не дождавшись от фортуны билета в счастливое завтра. Но один из конкурентов Intel - компания AMD, не просто выжила и укрепилась, но и начала активно перетягивать одеяло на себя. Если в 1999 г. доля AMD на процессорном рынке не превышала 20 %, то сегодня ее процессорами оснащено уже почти 40 % компьютеров!

Разумеется, что в жесткой конкурентной борьбе каждая компания стремилась снабдить собственные процессоры какими-то особенными "изюминками" - как следствие, процессоры обоих компаний постепенно становились несовместимыми. Нет, бесспорно, процессоры и Intel, и AMD соответствуют стандартам "IBM РС-совместимости", оба они поддерживают одни и те же программы... Но вот "железа" каждый из них требует разного. Как минимум, материнская плата, и иногда - и память "заточены" под конкретный тип процессора. И установить процессор от AMD на плату для Pentium 4 вам, увы, не удастся... Но можно сказать, что на рынке установилось своеобразное равновесие - и какую бы платформу вы ни выбрали, в явном проигрыше вы не останетесь.

Поколения процессоров отличаются друг от друга скоростью работы, архитектурой, исполнением и внешним видом... словом, буквально всем. Причем отличаются не только количественно, но и качественно. Так, при переходе от Pentium к Pentium II и затем - к Pentium III была значительно расширена система команд (инструкций) процессора.

Если брать за точку отсчета изделия "королевы" процессорного рынка, корпорации 1п 1е 1, то за всю 27-летнюю историю процессоров этой фирмы сменилось восемь их поколений: 8088, 286, 386, 486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium 4.

В пределах одного поколения все ясно: чем больше тактовая частота, тем быстрее процессор. А как же быть, если на рынке имеются два процессора разных поколений, но с одинаковой тактовой частотой? Например, Pentium III и Pentium 4... Конечно, второй процессор поколения будет работать быстрее - на 10--15 %, в зависимости от задачи. Связано это с тем, что в новых процессорах часто бывают встроены новые системы команд-инструкций, оптимизирующих обработку некоторых видов информации.

3. Система охлаждения

Негативное влияние нагрева и меры по его устранению

Нагрев кристалла интегральной схемы (ИС) в процессе ее функционирования - факт совершенно очевидный и неизбежный. Протекание тока в проводнике (полупроводнике) обязательно сопровождается выделением в нем тепловой мощности, и поскольку сам проводник (полупроводник) имеет вполне конечную теплопроводность, его температура оказывается выше температуры окружающей среды. Корпус микросхемы и различные внутренние защитные/изолирующие слои, которые, как правило, обладают меньшей теплопроводностью, чем проводниковые или полупроводниковые материалы, еще более усугубляют ситуацию, затрудняя теплоотвод от кристалла ИС и существенно увеличивая его температуру.

В принципе, очень высокие (или наоборот, экстремально низкие) температуры были бы совсем не страшны, если бы не четкая зависимость правильного и надежного функционирования транзисторов ИС и структуры их соединений от температурных условий. В результате рабочий температурный диапазон для "среднестатистической" ИС получается довольно узким - как правило, от -40 до 125°C. Ограничение снизу является следствием различия коэффициентов теплового расширения кремниевой подложки, изолирующих/защитных слоев, слоев металлизации и т.п. (при низких температурах возникают внутренние механические напряжения - термомеханический стресс, что оказывает влияние на электрофизические свойства ИС и может привести даже к физическому разрушению кристалла). Ограничение сверху обусловлено ухудшением частотных и электрических свойств транзисторов (уменьшение тока, понижение порогового напряжения и т.п.), а также возможностью возникновения необратимых пробойных явлений в обратно смещенных p-n-переходах. Для современных процессоров (в частности, Athlon XP и Pentium 4), отличающихся гораздо более тонкой микроструктурой и более комплексными корпусами, чем "среднестатистическая" КМОП ИС, диапазон рабочих температур оказывается еще строже - обычно от 0 до 100°C. Что ж, если процессор может более или менее нормально функционировать при температуре 100°C, то к чему тогда все эти мониторинги и термоконтроли, ведь его температура редко дотягивает до 90-95°C даже с очень слабой системой охлаждения?! На самом деле, нормальная работоспособность при высоких температурах весьма иллюзорна, поскольку в глубинах процессора имеют место не только чисто электрические явления, но и огромное количество электрохимических процессов и реакций, которые являются по своей сути термоактивационными (их скорость исключительно сильно зависит от температуры). С течением времени они принципиально могут не только затруднить корректное функционирование процессора, но и даже привести к его полному отказу, хотя рабочие температуры при этом могут находиться во вполне безопасных пределах, если смотреть с чисто электрической точки зрения. Нельзя сказать, что поголовно все эти явления оказывают пагубное воздействие на жизнедеятельность процессора - наоборот, некоторые из них могут даже улучшить электрические и частотные свойства транзисторов. Но все-таки большая часть термоактивационных процессов им на пользу явно не идет.

Наиболее "влиятельны" по своему вредоносному воздействию две группы таких процессов. Первая - электрохимическое разрушение металлизации (электромиграция). Под воздействием электрического поля и повышенной температуры атомы металла срываются со своих насиженных мест и мигрируют в прилегающие области. С течением времени толщина проводника может значительно уменьшиться (с резким увеличением активного сопротивления на этом участке), так что даже при относительно малом токе в условиях локального перегрева вполне вероятен обрыв (выгорание) участка дорожки и последующий за ним выход из строя группы транзисторов, функционального узла и всей ИС в целом. Несмотря на то, что 0.18-ти микрометровая технология производства процессоров Pentium 4 и Athlon XP закладывает достаточно неплохой иммунитет к электромиграции и делает этот процесс практически равновесным, обеспечивая благоприятные условия для обратной диффузии, уже при температурах 75-85°C и выше равновесие нарушается со всеми вытекающими отсюда последствиями. Вторая группа явлений - деградация окисла. Технологически невозможно обеспечить идеальную чистоту пленки двуокиси кремния, используемой в качестве диэлектрика под затвором транзисторов. В ней всегда присутствуют примеси (обычно донорного типа), которые сосредотачиваются вблизи внутренней поверхности пленки (на границе раздела между диэлектриком и кремнием). Ионы примесей способствуют образованию побочных инверсных или обогащенных слоев (паразитных каналов) у поверхности полупроводника под диэлектриком, которые оказывают влияние на обратный ток p-n-переходов и величину пробивного напряжения. Под воздействием поля (в 0.18 мкм транзисторах напряженность поля достигает 106 В/см) и градиентов температуры происходит дрейф и диффузия ионов в диэлектрике, что приводит к изменению свойств самого диэлектрика и существенным изменениям электропроводности и протяженности паразитных каналов в полупроводнике (следовательно - к нарушению нормального функционирования транзистора за счет значительных флуктуаций тока), а в самом "запущенном" случае - к пробою диэлектрика или p-n-перехода стока даже при относительно низких температурах. Ситуация еще более усугубляется из-за немалого количества дополнительных ионов, которые мигрируют в окисел из других областей транзистора (высоколегированные исток и сток, омические контакты, поликремневый затвор), причем, опять же, это происходит под воздействием высокой температуры

4. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM)

ОЗУ - быстрая, полупроводниковая, энергозависимая память. ОЗУ имеет сравнительно небольшой объем - обычно от 64 до 512 Мбайт, тем не менее, центральный процессор имеет оперативный (быстрый) доступ к данным, записанным в ОЗУ (на извлечение данных из ОЗУ требуется не более нескольких наносекунд). В ОЗУ хранятся исполняемая в данный момент программа и данные, с которыми она непосредственно работает. Это значит, что когда мы запускаем какую-либо компьютерную программу, находящуюся на диске, она копируется в оперативную память, после чего процессор начинает выполнять команды, изложенные в этой программе. Часть ОЗУ, называемая "видеопамять", содержит данные, соответствующие текущему изображению на экране. ОЗУ - это память, используемая как для чтения, так и для записи информации. При отключении электропитания информация в ОЗУ исчезает, что объясняется энергозависимостью.

От количества установленной в компьютере оперативной памяти напрямую зависит возможность, с какими программами вы сможете на нем работать. При недостаточном количестве оперативной памяти многие программы вовсе не будут работать, либо станут работать очень медленно.

Часто для оперативной памяти используют обозначение RAM (RandomAccessMemory), то есть память с произвольным доступом.

Полупроводниковая оперативная память в настоящее время делится на статическое ОЗУ (SRAM) и динамическое ОЗУ (DRAM) (рис.1).



Рис.1 Классификация ОЗУ

Динамическая оперативная память (Dynamic RAM - DRAM) используется в большинстве систем оперативной памяти ПК. Основное преимущество этого типа памяти состоит в том, что ее ячейки упакованы очень плотно, т.е. в небольшую микросхему можно упаковать много битов, а значит, на их основе можно построить память большей емкости.

Ячейки памяти в микросхеме DRAM - это крошечные конденсаторы, которые удерживают заряды. Проблемы, связанные с памятью этого типа, вызваны тем, что она динамическая, т.е. должна постоянно регенерироваться, так как в противном случае электрические заряды в конденсаторах памяти будут "стекать", и данные будут потеряны.

Важнейшей характеристикой DRAM является быстродействие, а проще говоря, продолжительность цикла + время задержки + время доступа, где продолжительность цикла - время, затраченное на передачу данных, время задержки - начальная установка адреса строки и столбца, а время доступа - время поиска самой ячейки. Измеряется в наносекундах.

Существует тип памяти, совершенно отличный от других - статическая оперативная память (Static RAM - SRAM). Она названа так потому, что, в отличие от динамической оперативной памяти, для сохранения ее содержимого не требуется периодической регенерации. Но это не единственное ее преимущество. SRAM имеет более высокое быстродействие, чем динамическая оперативная память, и может работать на той же частоте, что и современные процессоры.

Микросхемы SRAM не используются для всей системной памяти потому, что по сравнению с динамической оперативной памятью быстродействие SRAM намного выше, но плотность ее намного ниже, а цена довольно высокая. Более низкая плотность означает, что микросхемы SRAM имеют большие габариты, хотя их информационная емкость намного меньше.

Несмотря на это, разработчики все-таки применяют память типа SRAM для повышения эффективности ПК. Но во избежание значительного увеличения стоимости устанавливается только небольшой объем высокоскоростной памяти SRAM, которая используется в качестве кэш-памяти.

В переводе слово "cache" (кэш) означает "тайный склад", "тайник". Тайна этого склада заключается в его "прозрачности" - адресуемой области памяти для программы он не добавляет. Кэш является дополнительным быстродействующим хранилищем копий блоков информации из основной памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика. Кэш не может хранить копию всей основной памяти, поскольку его объем во много раз меньше объема основной памяти. Он хранит лишь ограниченное количество блоков данных и каталог - список их текущего соответствия областям основной памяти. Кроме того, кэшироваться может и не вся оперативная память, доступная процессору: во-первых, из-за технических ограничений может быть ограничен максимальный объем кэшируемой памяти; во-вторых, некоторые области памяти могут быть объявлены некэшируемыми (настройкой регистров чипсета или процессора). Если установлено оперативной памяти больше, чем, возможно, кэшировать, обращение к некэшируемой области ОЗУ будет медленным. Таким образом, увеличение объема ОЗУ, теоретически всегда благотворно влияющее на производительность, может снизить скорость работы определенных компонентов, попавших в некэшируемую память.

Основная память состоит из регистров. Регистр - это устройство для временного запоминания информации в оцифрованной (двоичной) форме. Запоминающим элементом в регистре является триггер - устройство, которое может находиться в одном из двух состояний, одно из которых соответствует запоминанию двоичного нуля, другое - запоминанию двоичной единицы. Триггер представляет собой крошечный конденсатор-батарейку, которую можно заряжать множество раз. Если такой конденсатор заряжен - он как бы запомнил значение "1", если заряд отсутствует - значение "0". Регистр содержит несколько связанных друг с другом триггеров. Число триггеров в регистре называется разрядностью компьютера. Производительность компьютера напрямую связана с разрядностью, которая бывает равной 8, 16, 32, 64, 128.

5. Жесткий диск

Накопитель на жестком диске относится к наиболее совершенным и сложным устройствам современного персонального компьютера. Его диски способны вместить многие мегабайты информации, передаваемой с огромной скоростью. В то время, как почти все элементы компьютера работают бесшумно, жесткий диск ворчит и поскрипывает, что позволяет отнести его к тем немногим компьютерным устройствам, которые содержат как механические, так и электронные компоненты.

Основные принципы работы жесткого диска мало изменились со дня его создания. Устройство винчестера очень похоже на обыкновенный проигрыватель грампластинок. Только под корпусом может быть несколько пластин, насаженных на общую ось, и головки могут считывать информацию сразу с обеих сторон каждой пластины. Скорость вращения пластин (у некоторых моделей она доходит до 15000 оборотов в минуту) постоянна и является одной из основных характеристик. Головка перемещается вдоль пластины на некотором фиксированном расстоянии от поверхности. Чем меньше это расстояние, тем больше точность считывания информации, и тем больше может быть плотность записи информации. Взглянув на накопитель на жестком диске, вы увидите только прочный металлический корпус. Он защищает дисковод от частичек пыли, которые при попадании в узкий зазор между головкой и поверхностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех. Внутри корпуса находятся все механизмы и некоторые электронные узлы. Механизмы - это сами диски, на которых хранится информация, головки, которые записывают и считывают информацию с дисков, а также двигатели, приводящие все это в движение. Диск представляет собой круглую пластину с очень ровной поверхностью чаще из алюминия, реже - из керамики или стекла, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Во многих накопителях используется слой оксида железа (которым покрывается обычная магнитная лента), но новейшие модели жестких дисков работают со слоем кобальта толщиной порядка десяти микрон. Такое покрытие более прочно и, кроме того, позволяет значительно увеличить плотность записи. Технология его нанесения близка к той, которая используется при производстве интегральных микросхем.

Количество дисков может быть различным - от одного до пяти, количество рабочих поверхностей, соответственно, вдвое больше (по две на каждом диске). Последнее (как и материал, использованный для магнитного покрытия) определяет емкость жесткого диска. Иногда наружные поверхности крайних дисков (или одного из них) не используются, что позволяет уменьшить высоту накопителя, но при этом количество рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.

Принцип магнитной записи электрических сигналов на движущийся магнитный носитель основан на явлении остаточного намагничивания магнитных материалов. Запись и хранение информации на магнитном носителе производится путем преобразования электрических сигналов в соответствующие им изменения магнитного поля, воздействия его на магнитный носитель и сохранения следов этих воздействий в магнитном материале длительное время, благодаря явлению остаточного магнетизма. Воспроизведение электрических сигналов производится путем обратного преобразования.

Система магнитной записи состоит из носителя записи и взаимодействующих с ним магнитных головок (Рис.1.1).



Рис. 1.1 Принцип записи и считывания информации с магнитного носителя

При цифровой магнитной записи в магнитную головку поступает ток, при котором поле записи через определенные промежутки времени изменяет свое направление на противоположное. В результате под действием поля рассеяния магнитной головки происходят намагничивание или перемагничивание отдельных участков движущегося магнитного носителя.

При периодическом изменении направления поля записи в рабочем слое носителя возникает цепочка участков с противоположным направлением намагниченности, которые соприкасаются друг с другом одноименными полюсами. Рассмотренный вид записи, когда участки рабочего слоя носителя перемагничиваются вдоль его движения, называется продольной записью (Рис. 1.2).

Рис. 1.2 Принцип записи и считывания информации с магнитного носителя

Чередующиеся участки с различным направлением намагниченности, возникшие в магнитном покрытии, являются магнитными доменами (битовыми ячейками). Чем меньше размер ячейки, тем выше плотность записи информации. Однако с уменьшением размера ячейки возрастает взаимное влияние их размагничивающих полей (см. рисунок), направленных в сторону, противоположную намагниченности в ячейках, что при уменьшении битовой ячейки ниже критического значения приводит к самопроизвольному размагничиванию.

Для магнитной записи используются носители в виде магнитных пластин (дисков). Пластины изготавливаются процессом напыления множественных металлических пленок и защитного слоя покрытия на очень плоскую, бездефектную стеклянную или алюминиевую подложку. Информация размещается в виде концентрических окружностей, называемых дорожками (рис.3). В современных НЖМД плотность дорожек достигает значений 4,3*104 дорожек на один сантиметр радиуса пластины.

Рис. 1.3 Размещение дорожек на поверхности диска

5.1 Устройство диска

Типовой винчестер состоит из гермоблока и платы электроники. В гермоблоке размещены все механические части, на плате - вся управляющая электроника, за исключением предусилителя, размещенного внутри гермоблока в непосредственной близости от головок.

Под дисками расположен двигатель - плоский, как во floppy-дисководах, или встроенный в шпиндель дискового пакета. При вращении дисков создается сильный поток воздуха, который циркулирует по периметру гермоблока и постоянно очищается фильтром, установленным на одной из его сторон.

Ближе к разъемам, с левой или правой стороны от шпинделя, находится поворотный позиционер, несколько напоминающий по виду башенный кран: с одной стороны оси, находятся обращенные к дискам тонкие, длинные и легкие несущие магнитных головок, а с другой - короткий и более массивный хвостовик с обмоткой электромагнитного привода. При поворотах коромысла позиционера головки совершают движение по дуге между центром и периферией дисков. Угол между осями позиционера и шпинделя подобран вместе с расстоянием от оси позиционера до головок так, чтобы ось головки при поворотах как можно меньше отклонялась от касательной дорожки.

В более ранних моделях коромысло было закреплено на оси шагового двигателя, и расстояние между дорожками определялось величиной шага. В современных моделях используется так называемый линейный двигатель, который не имеет какой-либо дискретности, а установка на дорожку производится по сигналам, записанным на дисках, что дает значительное увеличение точности привода и плотности записи на дисках.

Обмотку позиционера окружает статор, представляющий собой постоянный магнит. При подаче в обмотку тока определенной величины и полярности коромысло начинает поворачиваться в соответствующую сторону с соответствующим ускорением; динамически изменяя ток в обмотке, можно устанавливать позиционер в любое положение. Такая система привода получила название Voice Coil (звуковая катушка) - по аналогии с диффузором громкоговорителя.

На хвостовике обычно расположена так называемая магнитная защелка - маленький постоянный магнит, который при крайнем внутреннем положении головок (landingzone - посадочная зона) притягивается к поверхности статора и фиксирует коромысло в этом положении. Это так называемое парковочное положение головок, которые при этом лежат на поверхности диска, соприкасаясь с нею. В ряде дорогих моделей (обычно SCSI) для фиксации позиционера предусмотрен специальный электромагнит, якорь которого в свободном положении блокирует движение коромысла. В посадочной зоне дисков информация не записывается.

В оставшемся свободном пространстве размещен предусилитель сигнала, снятого с головок, и их коммутатор. Позиционер соединен с платой предусилителя гибким ленточным кабелем, однако в отдельных винчестерах (в частности - некоторые модели MaxtorAV) питание обмотки подведено отдельными одножильными проводами, которые имеют тенденцию ломаться при активной работе. Гермоблок заполнен обычным обеспыленным воздухом под атмосферным давлением. В крышках гермоблоков некоторых винчестеров специально делаются небольшие окна, заклеенные тонкой пленкой, которые служат для выравнивания давления внутри и снаружи. В ряде моделей окно закрывается воздухопроницаемым фильтром. У одних моделей винчестеров оси шпинделя и позиционера закреплены только в одном месте - на корпусе винчестера, у других они дополнительно крепятся винтами к крышке гермоблока. Вторые модели более чувствительны к микродеформации при креплении - достаточно сильной затяжки крепежных винтов, чтобы возник недопустимый перекос осей. В ряде случаев такой перекос может стать труднообратимым или необратимым совсем. Плата электроники - съемная, подключается к гермоблоку через один - два разъема различной конструкции. На плате расположены основной процессор винчестера, ПЗУ с программой, рабочее ОЗУ, которое обычно используется и в качестве дискового буфера, цифровой сигнальный процессор (DSP) для подготовки записываемых и обработки считанных сигналов, и интерфейсная логика. На одних винчестерах программа процессора полностью хранится в ПЗУ, на других определенная ее часть записана в служебной области диска. На диске также могут быть записаны параметры накопителя (модель, серийный номер и т.п.). Некоторые винчестеры хранят эту информацию в электрически репрограммируемом ПЗУ (EEPROM).

Многие винчестеры имеют на плате электроники специальный технологический интерфейс с разъемом, через который при помощи стендового оборудования можно выполнять различные сервисные операции с накопителем - тестирование, форматирование, переназначение дефектных участков и т.п. У современных накопителей марки Conner технологический интерфейс выполнен в стандарте последовательного интерфейса, что позволяет подключать его через адаптер к алфавитно-цифровому терминалу или COM-порту компьютера. В ПЗУ записана так называемая тест-мониторная система (ТМОС), которая воспринимает команды, подаваемые с терминала, выполняет их и выводит результаты обратно на терминал. Ранние модели винчестеров, как и гибкие диски, изготовлялись с чистыми магнитными поверхностями; первоначальная разметка (форматирование) производилась потребителем по его усмотрению, и могла быть выполнена любое количество раз. Для современных моделей разметка производится в процессе изготовления; при этом на диски записывается сервоинформация - специальные метки, необходимые для стабилизации скорости вращения, поиска секторов и слежения за положением головок на поверхностях. Не так давно для записи сервоинформации использовалась отдельная поверхность (dedicated - выделенная), по которой настраивались головки всех остальных поверхностей. Такая система требовала высокой жесткости крепления головок, чтобы между ними не возникало расхождений после начальной разметки. Ныне сервоинформация записывается в промежутках между секторами (embedded - встроенная), что позволяет увеличить полезную емкость пакета и снять ограничение на жесткость подвижной системы. В некоторых современных моделях применяется комбинированная система слежения - встроенная сервоинформация в сочетании с выделенной поверхностью; при этом грубая настройка выполняется по выделенной поверхности, а точная - по встроенным меткам.

Поскольку сервоинформация представляет собой опорную разметку диска, контроллер винчестера не в состоянии самостоятельно восстановить ее в случае порчи. При программном форматировании такого винчестера возможна только перезапись заголовков и контрольных сумм секторов данных.

При начальной разметке и тестировании современного винчестера на заводе почти всегда обнаруживаются дефектные сектора, которые заносятся в специальную таблицу переназначения. При обычной работе контроллер винчестера подменяет эти сектора резервными, которые специально оставляются для этой цели на каждой дорожке, группе дорожек или выделенной зоне диска. Благодаря этому новый винчестер создает видимость полного отсутствия дефектов поверхности, хотя на самом деле они есть почти всегда.

При включении питания процессор винчестера выполняет тестирование электроники, после чего выдает команду включения шпиндельного двигателя. При достижении некоторой критической скорости вращения плотность увлекаемого поверхностями дисков воздуха становится достаточной для преодоления силы прижима головок к поверхности и поднятия их на высоту от долей до единиц микрон над поверхностями дисков - головки "всплывают". С этого момента и до снижения скорости ниже критической головки "висят" на воздушной подушке и совершенно не касаются поверхностей дисков.

После достижения дисками скорости вращения, близкой к номинальной (у IDE винчестеров обычно - 3600, 4500, 5400 или 7200 об/мин) головки выводятся из зоны парковки и начинается поиск сервометок для точной стабилизации скорости вращения. Затем выполняется считывание информации из служебной зоны - в частности, таблицы переназначения дефектных участков.

В завершение инициализации выполняется тестирование позиционера путем перебора заданной последовательности дорожек - если оно проходит успешно, процессор выставляет на интерфейс признак готовности и переходит в режим работы по интерфейсу.