управления ведет конвейерную обработку данных при помощи блока
предварительной выборки (очереди команд). Этот блок выполняет
заполняющую функцию очереди команд длиной 32 байта, при этом, стоит
отметить, выборка байтов из памяти осуществляется в промежутках между
магистральными циклами команд22.
Микропроцессор значительно повышает свою производительность в
процессе буферизации команд, которые часто используются, и данных во
внутренней Кэш-памяти размером (в данном случае) 8 Кбайт. К внешней
памяти число обращений сокращается. Режимы работы внутренней Кэш
памяти помогают гибко отладить выполняемые рабочие программы. Блоки
формирования адресов операндов (диспетчер памяти) входят в состав из блока
сегментации и блока страничной адресации. Физический адрес ячейки памяти
осуществляется последовательно: сначала в пределах сегмента, а затем в
пределах страницы.
В микропроцессоре i486 осуществляются несколько режимов работы -
режим реальных адресов и многозадачный режим (защищенный режим). В
первом режиме (реальные адреса) идет расширенный набор команд над 32
разрядными операндами. В данном режиме микропроцессор i486 работает
совместно с микропроцессором i086. При работе микропроцессора i486 в
режиме реальных адресов осуществляется относительная адресация. Во втором
режиме (многозадачный, защищенный) работы микропроцессора i486
происходит виртуальная адресация, которая соединяет сегментацию памяти и
страничную адресацию.
Сегментация памяти служит как средство управления пространством
логических адресов. Сегментированная память - это набор блоков, которые
характеризуются определенными атрибутами. Например, расположение,
размер, тип (стек, программа, данные), класс защиты памяти. В
22 Гук, М. Интерфейсы устройства хранения. ATA, SCSI и др. Энциклопедия [Текст] / М. Гук.- СПб.: Питер,
2013. - С. 216-217.
25
микропроцессоре i486 каждой задаче доступно до 16384 сегментов размером до
4 Гбайт каждый23.
Итак, значит, любая задача может использовать до 64 Тбайт виртуальной
памяти. Более низкий уровень доступен для страничной адресации. Размер 4
Кбайта, на которые делится каждый сегмент страницы, размещается в любом
месте памяти. Сегментация является полезной для организации в памяти
локальных модулей. Это является инструментом прикладных программистов,
когда системный программист наиболее удобным для себя выберет в целях
эффективного использования физической памяти ПЭВМ страничное
распределение.
Внутренняя память микропроцессора состоит из функциональных
регистров, которые доступны любому программисту: регистры общего
назначения, указатель команд, регистр флагов и регистры сегментов. Восемь
32-разрядных регистров общего назначения применяются в целях хранения
данных и адресов. Они осуществляют работу с данными разрядностью 1, 8, 16,
32 и 64 бита и адресами размером 16 и 32 бита. Каждый такой регистр имеет
свое имя, например ЕАХ или ESP.32-разрядный указатель команд содержит
смещение при определении адреса следующей команды.32-разрядный регистр
флагов указывает признаки результата выполнения команды24.
Значение селекторов сегмента содержатся в регистре сегментов, которые
определяют текущий адрес сегмента памяти. Помимо вышеперечисленных,
регистры процессора обработки чисел с плавающей точкой, системные, а также
некоторые другие содержатся в регистровой памяти микропроцессора (МП).
Устройство управления микропроцессора обеспечивает многозадачность.
Многозадачность - это такой способ организации работы ПЭВМ, при
котором в памяти содержатся программы и данные для выполнения множества
задач. В составе микропроцессора i486 имеются аппаратно-программные
средства, которые позволяют эффективно организовать многозадачный режим,
23 Гук, М. Интерфейсы устройства хранения. ATA, SCSI и др. Энциклопедия [Текст] / М. Гук.- СПб.: Питер,
2013. - 246-247.
24 Гребенюк, Е.И. Технические средства информатизации: учебник для среднего профессионального
образования [Текст] / Е.И. Гребенюк, Н.А. Гребенюк. - М.: Академия, 2013. - С. 164-165.
26
а также систему прерываний и защиты памяти. Система прерываний получает
на обработку запросы на прерывание как от внешних устройств, так и от
внутренних блоков микропроцессора. Когда поступает запрос на прерывание от
внутреннего блока микропроцессора, это свидетельствует о возникновении
исключительной ситуации. Примером может служить переполнение разрядной
сетки. Внешнее прерывание зачастую связано с обслуживанием запросов от
периферийных устройств. Внешнее устройство посылает запрос прерывания
микропроцессору, когда требуется его своевременное обслуживание.
Микропроцессор в ответ приостанавливает нормальное выполнение текущей
программы и переходит к обработке этого запроса, а потом возвращается к
прерванной программе. Микропроцессор i486 может обработать до 256
различных типов прерываний. Первые 32 типа отведены для целей
операционной системы и недоступны пользователю. Для защиты памяти от
несанкционированного доступа в многозадачном режиме используется система
привилегий, которая регулирующих доступ к тому или иному сегменту памяти
в зависимости от степени важности и уровня его защищенности. Защищенность
определяется уровнем привилегии, требуемым для доступа к
соответствующему сегменту, который задаётся номером от 0 до 3. Самая
защищенная область памяти, отведенная для ядра операционной системы,
имеет уровень 0. Когда программа обращается к сегментам памяти в
защищенном режиме, происходит проверка уровня привилегии, и если этот
уровень достаточен, происходит прерывание. Обмен данными между блоками
микропроцессора осуществляется через магистраль, включающую шину
управления, 32-разрядную шину адреса и 32-разрядную двунаправленную
шину данных.
Шина управления служит для передачи управляющих сигналов -
управления памятью, управления обменом данных, запросов на прерывание и
т.д.
Внутренняя память ПЭВМ состоит из оперативной памяти и постоянной
памяти.
27
Шина адреса служит для передачи адресов ячеек памяти и регистров для
обмена информацией с внешними устройствами.
Шина данных осуществляет передачу информации между
микропроцессором, памятью и периферийными устройствами. По ней
возможна пересылка 32, 16 и 8-разрядных данных. Шина двунаправленная, т.е.
она может осуществлять пересылку данных как в прямом, так и в обратном
направлении25.
Оперативная память (ОП) ПЭВМ. Она выполнена на БИС или СБИС и
является энергозависимой: при отключении питания информация, находящаяся
в ОП безвозвратно теряется. В оперативной памяти могут храниться
исполняемые машинные программы, исходные и промежуточные данные и
результаты. Емкость ОП в ПЭВМ измеряется в мегабайтах и гигабайтах. В
наиболее распространенных современных конфигурациях ПЭВМ емкость
оперативной памяти составляет несколько гигабайт.
1.2. Классификация персональных компьютеров
Все вычислительные системы в современном мире можно представить в
трех три больших группах: миникомпьютеры и микрокомпьютеры,
мейнфреймы, суперкомпьютеры. Сегодня любую вычислительную системы
отличают в первую очередь по функциональным возможностям.
Основные признаки миникомпьютера и микрокомпьютера - это шинная
организация системы, высокая стандартизация аппаратных и программных
средств, ориентация на широкий круг потребителей.
Микрокомпьютер, или персональный компьютер, начал появляться в
середине 70-х годов. Цены и размер этого компьютера были очень малы по
сравнению с распространенными большими вычислительными машинами в то
время. Предназначался он для работы одного пользователя, в то время когда
25 Коледов, Л.А. Технология и конструкция микросхем, микропроцессоров и микросборок [Текст] / Л.А.
Коледов. - М.: Лань, 2012. - С. 210-211.
28
большой компьютер осуществлял одновременную работу нескольких
пользователей26.
За двадцатилетнее развитие персональные компьютеры превратились в
мощные высокопроизводительные устройства по обработке самых различных
видов информации. Они смогли качественно расширить сферу применения
вычислительных машин. Современный персональный компьютер имеет
практически те же характеристики, что и миникомпьютеры 1980-х годов.
Мощность микрокомпьютера дает право использовать его в качестве сервера
для организации работы многих персональных компьютеров в сети.
Стационарное и портативное исполнение - вот перечень современных
видов персональных компьютеров. Стационарный микрокомпьютер в
большинстве случаев состоит из отдельного системного блока, в котором
размещены внутренние устройства и узлы. Также туда включаются отдельные
внешние устройства, без которых нельзя себе представить, как использовать
современный компьютер. В случае надобности к системному блоку
микрокомпьютера подсоединяются дополнительные внешние устройства.
Портативные персональные компьютеры известны, чаще всего, в
блокнотном исполнении. В ноутбуке все устройства и внешние и внутренние
расположены в одном корпусе. Так же как и к стационарному персональному
компьютеру, к ноутбуку могут быть подсоединены дополнительные внешние
устройства.
Выделяют совместимые и несовместимые микрокомпьютеры IBM PC. В
конце 1990-х годов IBM PC-совместимые микрокомпьютеры составляли более
90% мирового рынка компьютеров. Создавался IBM PC американской фирмой
Ай-Би-Эм в августе 1981 г. Он был создан по принципу открытой архитектуры,
который означает применение в конструкции готовых блоков и устройств, а
также стандартизацию способов их соединения27.
26 Цилькер, Б.Я. Организация ЭВМ и систем: учебник для вузов [Текст] / Б.Я. Цилькер, С.А. Орлов. - СПб.:
Питер, 2011. - С. 451-452.
27 Столлингс, В.А. Структурная организация и архитектура компьютерных систем [Текст] / В.А. Столлингс. -
М.: Вильямс, 2011. - С. 249-250.
29
Принцип открытой архитектуры поспособствовал широкому
распространению IBM PC-совместимых микрокомпьютеров. Их сборкой
смогло занялся множество фирм, которые в условиях свободной конкуренции
снизили в несколько раз цену на микрокомпьютеры. Это также способствовало
активному внедрению в производство новейших технических достижений.
Пользователи получили возможность самостоятельно устанавливать
дополнительные устройства сотен производителей, а также производить замену
устаревших устройств на более модернизированные.
Макинтош - это компьютер IBM, который является PC-несовместимым
микрокомпьютером. Он завоевал широкое распространение в те годы. Но даже
несмотря на то, что эти компьютеры были очень дорогими, они представляли
серьезную конкуренцию IBM PC-совместимым микрокомпьютерам, ведь они
могли обеспечить пользователя наглядным графическим интерфейсом. Они
также отличались своей простотой в эксплуатации и имели несколько больше
возможностей. Начиная с 1990-х годов, разница между возможностями
Макинтоша и IBM PC становится незаметной. IBM PC стали оснащаться
графическими интерфейсами, включенными в операционную систему, и
прикладными программами, которые были рассчитаны на них28.
Со второй половины 1990-х годов, когда очень бурно развивались
глобальных компьютерные сети, появился новый тип персонального
компьютера — сетевой компьютер. Он предназначался для работы только в
компьютерной сети. Сетевой компьютер не требовал собственной дисковой
памяти и дисководов. Он стал черпать из сети операционные системы,
информацию и даже программы. Ожидается, что со временем сетевой
компьютер будет значительно дешевле настольного персонального
компьютера, и даже постепенно заменит его на предприятиях, которые
работают со специальными приложениями, а также в образовательных
учреждениях.
28 Рудометов, В.В. Материнские платы и чипсеты [Текст] / В.В. Рудометов, Е.В. Рудометов. - СПб.: Питер, 2013.
- С. 101-102.
30
Отдельно выступают микрокомпьютеры - карманные компьютеры. Это
совсем небольшие устройства, которые весят всего 500 граммов и умещаются в
одной руке. Большинство палмтопов не являлись IBM PC-совместимыми
микрокомпьютерами. Только в конце 1990-х годов начали появляться
карманные компьютеры с операционными системами, которые позволяют
производить обмен информацией с другими типами компьютеров и
подсоединять палмтопы к компьютерным сетям в глобальных масштабах. В
карманном компьютере отсутствует жесткий диск и дисковод29. Большинство
из них оснащены миниатюрной клавиатурой, но бывает, что модель вообще не
включает в себя клавиатуру. Тогда работа их контролируется нажатием или
рисованием специальным пером на экране. Наиболее распространены
карманные компьютеры фирм Эпл, Хьюлетт-Паккард, Сони, Псион.
Рабочую станцию преобразовали из младших моделей миникомпьютеров
как переходной между микрокомпьютером и миникомпьютером. Визуально
они совершенно были неотличимы от стационарных микрокомпьютеров и
спустя некоторое время эти различия стали совсем незаметны. Начиная с 1980
х годов, начали подсоединять терминалы к рабочим станциям — это такие
отдельные рабочие места с клавиатурой и монитором. Терминалы давали
возможность управлять рабочей станцией нескольким людям.
Немного времени спустя на рабочей станции работать по одному
пользователю, хотя большая мощность отличала их от персональных
микрокомпьютеров. В данный момент офисный персональный
микрокомпьютер стали называть рабочие станции, причем они используются
для интенсивных вычислений. Также сюда входит работа с
профессиональными научными и инженерными прикладными программами и
разработка программного обеспечения. Есть и специализированные
графические рабочие станции для работы с трехмерной графикой.
29 Рудометов, В.В. PC. Настойка, оптимизация и разгон [Текст] / В.В. Рудометов, Е.В. Рудометов. - СПб.: БХВ -
Петербург, 2012. - С. 274-275.
31
Миникомпьютер занимает место между большими вычислительными
машинами и микрокомпьютерами. Чаще всего архитектура RISC и UNIX
применяются в миникомпьютерах. Они исполняют роль сервера, к которому
подключаются микрокомпьютеры и множество терминалов. На больших
предприятиях, в государственных и научных заведениях, в учебных
учреждениях и центрах для решения задач (компьютерных) используют
миникомпьютеры. Причем с этими задачами не могут справиться
микрокомпьютеры. Они также применяются для централизованного хранения и
переработки больших объемов информации. Основными производителями
миникомпьютеров являются фирмы Ай-Ти-энд-Ти, Интел, Хьюлетт-Паккард,
DigitalEquipment30.
Мейнфреймами называют универсальные, общего назначения большие
компьютеры. На рынке компьютеров они удерживали лидирующие позиции до
1980-х года. Вообще в самом начале эти компьютеры служили для работы с
огромными объемами информации. Фирма Ай-Би-Эм является наиболее
крупным производителем мейнфреймов. Эти компьютера зарекомендовали
себя как надежные, быстродейственные, с огромной пропускной способностью
устройств ввода и вывода информации. Как раз к ним могут подсоединиться
множество микрокомпьютеров пользователей и терминалов. Мейнфреймы
применяются крупными корпорациями, правительственными учреждениями,
банками.
С развитием микрокомпьютеров и миникомпьютерных систем значение
мейнфреймов уменьшилось. Однако компания Ай-Би-Эм начала производить
компьютеры, основанные на новой концептуальной архитектуре ESA/390. Она
дает возможность пользоваться мейнфреймами в роли центра неоднородного
вычислительного комплекса. Просто гигантские объемы вычислений нужны
для решения задач в аэродинамике, метеорологии, физике высоких энергий,
геофизике.
30 Рекламные ссылки на компьютеры и комплектующие. 15.09.2016 [Электронный ресурс] // Официальный сайт
http://www.n-comp.ru/
32
Тип микропроцессора
Параметр
80486
DX
Pentiu
m
Pentiu
m
Celeron
Pentium
II
Pentium
III
Pentium
IV
Core 2 Duo
Тактовая 50- 75-200 330- 220-500 500-900 1000- 1000-3000
частота, Г ц
100 800 3600
Разрядность, 32 64 64 64 64 64 64
Суперкомпьютеры применяются и в сфере финансов при работе над
большими объемами сделок на биржах. Конечно, они очень дорого стоят,
именно поэтому решение о приобретении подобных машин зачастую
принимают на государственном уровне.
Классификацию персональных компьютеров представим в приложении В.
Самыми распространенными моделями компьютеров в настоящее время
является IBMPC с микропроцессами Pentium 4 и Core 2.
Обобщенные характеристики современных персональных компьютеров
IBMPC приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Характеристика персональных компьютеров IBM
33
бит
Объем ЗУ,
Мбайт
4,8,16 8,16,32 32,64,1
28
32,64,12
8
64,128,2
56
256,512,
1024
512,1024,2
048
Объем кэш
L2, Кбайт
256 256,512 128,
256,512
1024
256,512,
1024
256,512,
1024
512,1024
2048
2048,
4096
Емкость
НМД, Гбайт
0,8
2,0
1-6,4 4,3-20 6,4-20 10-50 100-250 100-1000
1.3. Рынок персональных компьютеров России
В мае 2015 года IDC обнародовала данные, согласно которым мировой
рынок полупроводников в 2014 году уменьшился в объеме на 2,2% до $295
млрд31. Слабость отрасли обусловлена драматическим спадом продаж на
связанном с нею напрямую рынке персональных компьютеров, которые
наблюдается несколько кварталов и особенно усилился во второй половине
2012 года.
Выход Windows 10 подстегнул покупательную активность, но не столь
значительно, как надеялись вендоры. Кроме того, азиатские бренды
продолжили политику снижения цен на продукцию и производства
конкурентных и бюджетных моделей устройств, что не способствовало росту
объема рынка. Тем не менее, в 2015 году рынок полупроводников показал на
3,5% большую выручку, чем годом ранее.
Среди 25 крупнейших компания только 7 показали позитивную
динамику, среди них
Qualcomm, Broadcom, NXP, Nvidia, MediaTek, Apple и
SharpElectronics. AllWinner, производителей процессоров для планшетов,
показал наибольший прирост выручки и в 2014 и 2015 году.
31
Аналитические обзоры компьютеров и комплектующих, новости и цены компьютерного рынка. 15.09.2016
[Электронный ресурс] // Официальный сайт http://www.ferra.ru
34