Шина расширения (expansion bus, local bus) – шина, предназначенная для расширения возможностей компьютера путём подключения к ней контроллеров внешних устройств. Шины расширения могут взаимодействовать с системной шиной через схемы сопряжения ("мосты" или хабы).
Любая шина обычно включает шину данных, адресную шину и шину управления, в соответствии с типом передаваемой по ним информации. По способу организации передачи информации различают выделенные и мультиплексированные шины. По выделенным шинам передаётся информация только одного типа, например, только данные.Для уменьшения разрядности по одним и тем же проводникам может передаваться разная информация в различные моменты времени, например, адреса и данные (мультиплексирование).
3.2. Процессор, основная память, чипсет
Центральный процессор (ЦП) – центральное обрабатывающее устройство компьютера, которое исполняет программы и под их управлением реализует обработку данных. ЦП называют также CPU от англ. Central Processing Unit 6. Процессор, выполненный в микроэлектронном исполнении, т.е. в виде интегральной микросхемы, называется микропроцессором (МП). В настоящее время микропроцессоры реализуются в виде сверхбольших интегральных микросхем (СБИС). Например, кристаллы процессоров Intel Core i7 содержат 2,6 и более миллиардов транзисторов [4].
При выполнении на компьютере программ, связанных с моделированием, инженерными и математическими расчётами, его производительность сильно зависит от скорости выполнения операций над числами с плавающей точкой (операции умножения, деления, возведения в степень, вычисление логарифмических и тригонометрических функций). Для ускорения выполнения указанных операций и функций в состав ЦП, начиная с i486, интегрирован математический (арифметический) сопроцессор 7. По аналогии с CPU он обозначается как FPU (Floating-point Processing Unit) или NPU (Numerical Processing Unit). Сопроцессор выполняет указанные функции не чисто программным способом, а большей частью аппаратно, за счёт чего и достигается его высокая производительность (в десятки раз большая, чем у CPU без сопроцессора).
Оперативная память (ОП) – основное запоминающее устройство, обеспечивающее хранение и доступ к информации (данные и команды), непосредственно обрабатываемой процессором. Для того чтобы процессор мог выполнить некоторую программу, она должна быть предварительно загружена в ОП (хотя бы частично). Характерные особенности ОП:
• ОП строится на основе памяти адресного типа – содержит массив запоминающих элементов, каждый из которых имеет свой адрес (номер), используемый для получения доступа к элементу;
• ОП относится к устройствам памяти с произвольным доступом к отдельным запоминающим элементам (RAM – Random Access Memory), при котором доступ к любому элементу осуществляется за одно и то же время независимо от адреса элемента;
• ОП строится на основе элементов памяти динамического типа (DRAM – Dynamic RAM), которые требуют периодической регенерации хранящейся информации, что снижает её быстродействие, но обеспечивает приемлемую стоимость.
Кэш-память (от англ. cache – резервный запас, хранилище) – высокоскоростная память, логически расположенная между ЦП и ОП, исключающая во многих случаях необходимость обращения ЦП к более медленной оперативной памяти. То есть предполагается, что кэш-память с высокой вероятностью содержит данные и команды, необходимые процессору в текущий момент.
Весь обмен данными между процессором и оперативной памятью в целях его ускорения осуществляется через кэш-память. Характерные особенности кэш-памяти:
• для доступа к ячейкам кэш-памяти используется так называемый ассоциативный метод доступа – разновидность произвольного доступа, при котором поиск информации осуществляется не по адресу, а по ассоциативному признаку;
• высокое быстродействие кэш-памяти обусловлено тем, что она строится на элементах памяти статического типа SRAM (Static RAM), имеющих малое время доступа и не требующих регенерации;
• в связи с высокой стоимостью кэш-памяти её объём в современных процессорах в сотни и тысячи раз меньше объёма ОП.
Наличие кэш-памяти существенно повышает общую производительность компьютера. Современные процессоры содержат несколько уровней кэш-памяти.
System BIOS (от англ. Basic Input Output System – базовая система ввода-вывода) – это микросхема постоянного или перепрограммируемого запоминающего устройства (ПЗУ или ППЗУ) 8, расположенная на системной плате, в которой хранятся служебные программы для выполнения наиболее простых и универсальных операций ввода-вывода. Такими операциями являются, например, вывод символа на экран, запись сектора на диск, ввод символа с клавиатуры и др. BIOS содержит также следующие программы:
• тестовую программу для самотестирования компьютера, проверяющую работу памяти и других устройств компьютера при включении питания (программа POST – Power On Self Test);
• программы управления режимами энергосбережения;
• программы автоматического конфигурирования устройств системы (технология Plug and Play);
• программу SETUP, служащую для установки параметров конфигурации компьютера, в том числе вручную;
• программу начальной загрузки операционной системы.
В связи с этим BIOS иногда рассматривают как аппаратно-зависимую часть ОС.
Память конфигурации с автономным питанием (CMOS RAM или RTC CMOS RAM) – память, содержащая информацию о текущей конфигурации компьютера и сохраняющая свои данные даже при выключенном питании за счёт аккумулятора, расположенного на системной плате. Такая память обычно строится на транзисторах с применением КМОП-структур 9, которые характеризуются низким уровнем энергопотребления. В соответствии с англоязычным сокращением она обозначается как CMOS от Complementary Metal Oxide Semiconductor. В CMOS RAM хранится следующая информация:
• текущая дата и время (т.е. реализован календарь и системные часы реального времени – Real Time Clock (RTC));
• статусы (состояния) батареи и прочих устройств (дисковый контроллер, размер памяти, установленные адаптеры);
• перечень установленных в системе устройств (сопроцессор, накопители, видеокарта, клавиатура и др.).
Данные в этой памяти могут быть изменены программно с помощью утилиты Setup, входящей в состав BIOS. Срок службы батареи составляет 3–5 лет, и после замены батареи, возможно, придётся повторить настройку системы, включая ввод даты и времени 10.
Чипсет (Chip Set) – набор специализированных микросхем, обслуживающих отдельные подсистемы и функциональные блоки компьютера, например, процессорную подсистему, подсистему ввода вывода, подсистему памяти и т.д. Современные чипсеты состоят всего из нескольких (обычно одной или двух) СБИС. Как правило, в состав чипсета входят системный контроллер-концентратор и контроллер-концентратор ввода-вывода.
Системный контроллер-концентратор осуществляет связь с ядром ЦП, управляет оперативной памятью, осуществляет интерфейс с быстрыми шинами расширения, может содержать графический контроллер. В настоящее время компоненты этого контроллера-концентратора интегрированы в центральный процессор.
Контроллер-концентратор ввода-вывода содержит контроллер шины дисковых накопителей, сетевой и аудиоконтроллеры, осуществляет интерфейс с шинами расширения среднего быстродействия.
Эти контроллеры-концентраторы связаны посредством магистрали с высокой пропускной способностью (например, DMI – Direct Media Interface компании Intel [5]).