Промышленные шины и сетевые стандарты
Еще в недавнем прошлом большинство сетей были простыми, обычно они связывали одно устройство с другим или несколькими с помощью последовательного подключения. Скорость передачи данных была мала, что ограничивало количество передаваемой информации и не позволяло реализовать соединение в режиме реального времени. С наступлением эпохи стандартных протоколов связи на программном и на физическом уровне коммуникация стала существенно лучше. Сегодня доступно много различных стандартов, из которых пользователь может выбрать нужный с учетом своих предпочтений и требований.
Происходившее в течение последних 15 лет усовершенствование внешних каналов связи различных устройств, к примеру, интерфейса «человек-машина» для контроллеров или устройств ввода/вывода, позволило вывести промышленное производство на более высокий уровень. Колоссальный рост производительности сделал возможными использование сетей для управления в реальном времени, создание связи между контроллером и устройством ввода/вывода посредством внешней шины, которой сейчас отдается предпочтение перед внутренними.
Как только появились ПЛК, инженеры стали искать способы сбора данных из контроллеров, загрузки данных и программ в них без отключения или изменения конструкции на этапе создания на заводе. В зависимости от того, чего мы ожидаем от контроллера, специалисты по автоматизации разрабатывают разные способы связи с ним. Это очень активно используется для создания кратковременной коммутации, например для скачивания программ, но с развитием таких коммуникаций они становятся самостоятельными сложными архитектурами.
Назначение шины FSB
Как известно, сердцем любого персонального компьютера является центральный процессор. Но не только процессор определяет архитектуру ПК. Она также во многом зависит и от используемого на материнской плате набора вспомогательных микросхем (чипсета). Кроме того, процессор не может функционировать и без внутренних шин, представляющих собой набор сигнальных проводников на системной плате. В функции шин входит передача информации между различными устройствами компьютера и центральным процессором. Характеристики внутренних шин, в частности, их пропускная способность и частота во многом определяют и характеристики самого компьютера.
Пожалуй, наиболее важной из шин, от которой больше всего зависит производительность компьютера, является шина FSB. Аббревиатура FSB расшифровывается как Front Side Bus, что можно перевести как «передняя» шина. В основные функции шины входит передача данных между процессором и чипсетом. Точнее говоря, FSB располагается между процессором и микросхемой «северного моста» материнской платы, где находится контроллер оперативной памяти.
Связь же между северным мостом и другой важной микросхемой чипсета, называемой «южным мостом» и содержащей контроллеры устройств ввода-вывода, в современных компьютерах обычно осуществляется при помощи другой шины, которая носит наименование Direct Media Interface.
Как правило, процессор и шина имеют одну и ту же базовую частоту, которая называется опорной или реальной. В случае процессора его конечная частота определяется произведением опорной частоты на определенный множитель. Вообще говоря, реальная частота FSB обычно является основной частотой материнской платы, при помощи которой определяются рабочие частоты всех остальных устройств.
В большинстве старых компьютеров реальная частота системной шины определяла и частоту оперативной памяти, однако сейчас память часто может иметь и другую частоту – в том случае, если контроллер памяти располагается в самом процессоре. Кроме того, следует иметь в виду, что реальная частота шины не эквивалентна ее эффективной частоте, которая определяется количеством передаваемых бит информации в секунду.
В настоящее время данная шина считается устаревшей и постепенно заменяется более новыми – QuickPath и HyperTransport. Системная шина QuickPath является разработкой фирмы Intel, а HyperTransport – компании AMD.
Front Side Bus в традиционной архитектуре чипсета
AIDA64
Программа русифицирована, но она платная (невзначай напоминаю о пиратской бухте, йо-хо-хо). В отличие от предыдущей утилиты, это приложение может показать не только текущую частоту, но и допустимые пределы для повышения или понижения.
После запуска программы найдите системную плату в списке в левой части интерфейса. Если выделить эту деталь, в правой части экрана появится сводка с детальными характеристиками. Нужный нам параметр расположен в категории «Свойства шины FSB» в строке «Реальная частота».
Также советую почитать «Что такое графический процессор и какие у него возможности?» и «Существует ли способ увеличить производительность центрального процессора в компьютере?». О том, для чего стоит понижать производительность CPU и как это сделать, можно почитать тут.
Подписывайтесь на меня в социальных сетях, если хотите своевременно получать уведомления о публикации новых материалов. До скорой встречи!
С уважением, автор блога Андрей Андреев.
3 Средства информационных и коммуникационных технологий
Архитектура компьютера – это его устройство и принципы взаимодействия его основных элементов – логических узлов, среди которых основными являются
– внутренняя память (основная и оперативная),
– устройства ввода-вывода информации (периферийные).
Каждый логический узел компьютера выполняет свои функции.
Центральный процессор [1] — электронный блок либо интегральная схема, исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.
Рисунок 1 – Процессор
– обработка данных (выполнение над ними арифметических и логических операций);
– управление всеми остальными устройствами компьютера.
– Тактовая частота (в МГц, ГГц) и подразумевает под собой количество тактов (вычислений) в секунду.
– Частота шины – тактовая частота (в МГц), с которой происходит обмен данными между процессором и системной шиной материнской платы.
– Множитель – коэффициент умножения, на основании которого производится расчет конечной тактовой частоты процессора, методом умножения частоты шины на коэффициент (множитель).
– Разрядность (32/64 bit) — максимальное количество бит информации, которые процессор может обрабатывать и передавать одновременно.
– Кэш-память первого уровня, L1 — это блок высокоскоростной памяти, который расположен на ядре процессора, в него помещаются данные из оперативной памяти. Сохранение основных команд в кэше L1 повышает быстродействие процессора, так как обработка данных из кэша происходит быстрее, чем при непосредственном взаимодействии с ОЗУ.
– Кэш-память второго уровня, L2 — это блок высокоскоростной памяти, выполняющий те же функции, что и кэш L1, однако имеющий более низкую скорость и больший объем.
– Кэш-память третьего уровня обычно присутствует в серверных процессорах или специальных линейках для настольных ПК.
– Ядро – определяет большинство параметров центрального процессора: тип сокета, диапазон рабочих частот и частоту работы FSB. характеризуется следующими параметрами:
· Техпроцесс Масштаб технологии (мкм), которая определяет размеры полупроводниковых элементов, составляющих основу внутренних цепей процессора.
· Напряжение, которое необходимо процессору для работы и характеризует энергопотребление.
· Тепловыделение – мощность (Вт), которую должна отводить система охлаждения, чтобы обеспечить нормальную работу процессора.
· Тип сокета – то есть разъём для установки процессора на материнской плате.
Оперативная память [2] или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором.
Рисунок 2 – Оперативная память
Функции оперативной памяти:
– прием информации от других устройств;
– передача информации по запросу в другие устройства компьютера.
Характеристики оперативной памяти:
– тип DDR — 1, 2, 3, 4;
– тайминги – длительность импульсов и пауз обновления ячеек памяти;
– тактовая частота оперативной памяти — частота в МГц (количество импульсов в секунду), с которой работает оперативная память;
– тактовая частота шины — частота канала, по которому идёт обмен данными между оперативной памятью и процессором;
– пропускная способность — это сколько за секунду времени может быть «пропущено» данных через плату оперативной памяти;
Жёсткий диск, винчестер (накопитель на жёстких магнитных дисках, или НЖМД) [3] — запоминающее устройство произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи.
Винчестер является основным накопителем данных в большинстве компьютеров. Именно на жёсткий диск устанавливается операционная система или другое программное обеспечение.
Рисунок 3 – Жёсткий диск
Характеристики жёстких дисков:
– скорость вращения шпинделя;
– наработка на отказ;
– среднее время ожидания;
– энергопотребление и тепловыделение.
Видеокарта [4] — устройство, преобразующее графический образ, хранящийся как содержимое памяти компьютера (или самого адаптера), в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора.
Рисунок 4 – Видеокарта
– производитель видеопроцессора (GPU);
– частота GPU, МГц;
– количество занимаемых слотов на материнской плате;
– объем видеопамяти, ГБ;
– тактовая частота видеопамяти, МГц;
– шина обмена данными с памятью, бит;
– поддержка SLI и CrossFire;
– поддержка разных версий DirectX;
– необходимость дополнительного питания.
В основе архитектуры современных ЭВМ лежит магистрально-модульный принцип (рис. 26), который позволяет комплектовать нужную конфигурацию и производить необходимую модернизацию. Он опирается на шинный принцип обмена информацией между модулями
Рисунок 5 – Магистрально-модульный принцип построения компьютера
Системная шина или магистраль компьютера включает в себя три многоразрядные шины:
– шину данных – для передачи различных данных между устройствами компьютера ;
– шину адреса – для адресации пересылаемых данных, то есть для определения их местоположения в памяти или в устройствах ввода/вывода ;
– шину управления, которая включает в себя управляющие сигналы, которые служат для временного согласования работы различных устройств компьютера, для определения направления передачи данных, для определения форматов передаваемых данных и т. д .
Основой построения модульного устройства компьютера является материнская (или системная) плата [5] — печатная плата, которая содержит основную часть устройства (рис. 6).
Рисунок 6 – Материнская плата
На системной (материнской) плате размещаются:
– генератор тактовых импульсов;
– контроллеры внешних устройств;
– звуковая и видеокарты;
Память
У памяти выходные значения зависят не только от входных, то есть она способна запоминать. Концептуально все схемы памяти похожи (рис. 2.1), память может «запоминать» благодаря тому, что она «замкнута», то есть верхний вентиль зависит от выходного значения нижнего, а нижний зависит от выходного значения верхнего.
Рисунок 2.1. SR защелка.
Прежде чем использовать защелку, ее необходимо инициализировать. Инициализировать значит перевести ее в такое состояние, когда Q != !Q, это необходимо для того, чтобы защелка могла корректно работать, то есть корректно менять свое состояние (Q) между 0 и 1. Для инициализации нам необходимо подать на S и R такие значения при которых защелка перейдет в непротиворечивое состояние (Q != !Q); когда защелка только начинает работать, то в Q и !Q могут быть любые неизвестные нам значения, поэтому значения S и R не должны зависеть от значений в Q и !Q. Другими словами, нам нужны такие значения S и R при которых мы получим в Q и !Q противоположные значения.
Рассматривать последовательность действий можно по-разному: мы можем предположить, что на S сигнал поступает быстрее, чем на R и тогда верхний вентиль повлияет на результат работы нижнего; или наоборот, сигнал до R дойдет быстрее, но это не важно, результаты будут одинаковы. В нашем примере я буду предполагать, что сигнал S приходит быстрее, а что же дальше? Какое второе значение будет у верхнего вентиля? Как было сказано выше, мы не должны делать предположений о значении Q (или !Q), поэтому мы должны рассматривать обе ситуации: Q=0 и Q=1. Теперь все, что нам остается, так это проверить все (табл. 1.6) комбинации S, R и Q.
Таблица 1.6. Таблица истинности SR защелки.
| S | R | Q | !Q | новое Q | новое Q != !Q | Q == новое Q |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Для SR защелки построенной на основе ИЛИ-НЕ (рис. 2.1) значения для S и R будут равны 0 и 0, соответственно, потому, что значения в столбцах «новое Q != !Q» и «Q == новое Q» должны быть истинны сразу для Q=0 и Q=1. Например, при S=0, R=1, в случае с Q=0 все в порядке, но при Q=1 у нас меняется состояние Q c 1 на 0, а этого быть не должно так как, тогда без нашего ведома защелка поменяет состояние. Точно также можно построить SR защелку (и другие) на основе И-НЕ, только инициализировать значения S и R придется 1 и 1, соответственно. Давайте рассмотрим, как происходит инициализация со значениями в Q=0 и Q=1.
Когда мы подаем на входы S, R сигналы 0, а в Q хранится значение 0, то в верхний вентиль ИЛИ НЕ поступают два нуля 0, на выходе у него будет 1 (табл. 1.0). Далее в нижний вентиль ИЛИ-НЕ поступают 0 и 1, на выходе будет 0; то есть у нас получилось не противоречивое состояние защелки (рис. 2.2a). В данном случае выходное значение защелки равно 0 (Q), то есть она хранит значение 0.
В ином варианте мы можем подать на входы S, R сигналы 0, а в Q хранится значение 1. В верхний вентиль ИЛИ-НЕ поступают 0 и 1, что на выходе дает 0. В нижний вентиль ИЛИ-НЕ поступают 0 и 0, на выходе будет 1; Снова мы попали в не противоречивое состояние защелки (рис. 2.2б). Выходное значение защелки равно 1.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.
3 Средства информационных и коммуникационных технологий
Архитектура компьютера – это его устройство и принципы взаимодействия его основных элементов – логических узлов, среди которых основными являются
– внутренняя память (основная и оперативная),
– устройства ввода-вывода информации (периферийные).
Каждый логический узел компьютера выполняет свои функции.
Центральный процессор [1] — электронный блок либо интегральная схема, исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.
Рисунок 1 – Процессор
– обработка данных (выполнение над ними арифметических и логических операций);
– управление всеми остальными устройствами компьютера.
– Тактовая частота (в МГц, ГГц) и подразумевает под собой количество тактов (вычислений) в секунду.
– Частота шины – тактовая частота (в МГц), с которой происходит обмен данными между процессором и системной шиной материнской платы.
– Множитель – коэффициент умножения, на основании которого производится расчет конечной тактовой частоты процессора, методом умножения частоты шины на коэффициент (множитель).
– Разрядность (32/64 bit) — максимальное количество бит информации, которые процессор может обрабатывать и передавать одновременно.
– Кэш-память первого уровня, L1 — это блок высокоскоростной памяти, который расположен на ядре процессора, в него помещаются данные из оперативной памяти. Сохранение основных команд в кэше L1 повышает быстродействие процессора, так как обработка данных из кэша происходит быстрее, чем при непосредственном взаимодействии с ОЗУ.
– Кэш-память второго уровня, L2 — это блок высокоскоростной памяти, выполняющий те же функции, что и кэш L1, однако имеющий более низкую скорость и больший объем.
– Кэш-память третьего уровня обычно присутствует в серверных процессорах или специальных линейках для настольных ПК.
– Ядро – определяет большинство параметров центрального процессора: тип сокета, диапазон рабочих частот и частоту работы FSB. характеризуется следующими параметрами:
· Техпроцесс Масштаб технологии (мкм), которая определяет размеры полупроводниковых элементов, составляющих основу внутренних цепей процессора.
· Напряжение, которое необходимо процессору для работы и характеризует энергопотребление.
· Тепловыделение – мощность (Вт), которую должна отводить система охлаждения, чтобы обеспечить нормальную работу процессора.
· Тип сокета – то есть разъём для установки процессора на материнской плате.
Оперативная память [2] или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором.
Рисунок 2 – Оперативная память
Функции оперативной памяти:
– прием информации от других устройств;
– передача информации по запросу в другие устройства компьютера.
Характеристики оперативной памяти:
– тип DDR — 1, 2, 3, 4;
– тайминги – длительность импульсов и пауз обновления ячеек памяти;
– тактовая частота оперативной памяти — частота в МГц (количество импульсов в секунду), с которой работает оперативная память;
– тактовая частота шины — частота канала, по которому идёт обмен данными между оперативной памятью и процессором;
– пропускная способность — это сколько за секунду времени может быть «пропущено» данных через плату оперативной памяти;
Жёсткий диск, винчестер (накопитель на жёстких магнитных дисках, или НЖМД) [3] — запоминающее устройство произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи.
Винчестер является основным накопителем данных в большинстве компьютеров. Именно на жёсткий диск устанавливается операционная система или другое программное обеспечение.
Рисунок 3 – Жёсткий диск
Характеристики жёстких дисков:
– скорость вращения шпинделя;
– наработка на отказ;
– среднее время ожидания;
– энергопотребление и тепловыделение.
Видеокарта [4] — устройство, преобразующее графический образ, хранящийся как содержимое памяти компьютера (или самого адаптера), в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора.
Рисунок 4 – Видеокарта
– производитель видеопроцессора (GPU);
– частота GPU, МГц;
– количество занимаемых слотов на материнской плате;
– объем видеопамяти, ГБ;
– тактовая частота видеопамяти, МГц;
– шина обмена данными с памятью, бит;
– поддержка SLI и CrossFire;
– поддержка разных версий DirectX;
– необходимость дополнительного питания.
В основе архитектуры современных ЭВМ лежит магистрально-модульный принцип (рис. 26), который позволяет комплектовать нужную конфигурацию и производить необходимую модернизацию. Он опирается на шинный принцип обмена информацией между модулями
Рисунок 5 – Магистрально-модульный принцип построения компьютера
Системная шина или магистраль компьютера включает в себя три многоразрядные шины:
– шину данных – для передачи различных данных между устройствами компьютера ;
– шину адреса – для адресации пересылаемых данных, то есть для определения их местоположения в памяти или в устройствах ввода/вывода ;
– шину управления, которая включает в себя управляющие сигналы, которые служат для временного согласования работы различных устройств компьютера, для определения направления передачи данных, для определения форматов передаваемых данных и т. д .
Основой построения модульного устройства компьютера является материнская (или системная) плата [5] — печатная плата, которая содержит основную часть устройства (рис. 6).
Рисунок 6 – Материнская плата
На системной (материнской) плате размещаются:
– генератор тактовых импульсов;
– контроллеры внешних устройств;
– звуковая и видеокарты;
Основные узлы компьютера
Комплекс нескольких логических схем и элементов памяти, создающих выходные сигналы, является узлом ПК. Абсолютно все компьютерные программы или игры имеют требования к основным характеристикам для корректной работы. Все узлы компьютера должны быть максимально совместимы друг с другом. В противном случае работать в программах будет некомфортно.
К перечню подобных узлов системного блока обычно относят:
- Процессор – основополагающий элемент всего функционала компьютера;
- Системная плата, ее еще называют «материнской»;
- Блок питания – необходим для энергоснабжения ПК;
- Жесткий диск – хранилище информации на ПК или ноутбуке;
- Оптический привод – устройство для чтения с внешних носителей, который редко встречается на новейших системах;
- Разъемы для подключаемых устройств.
