3.3. Мікропроцесори

Мікропроцесор (МП) – це спеціальна надвелика інтегральна схема, що встановлюється на материнській платі. До материнської плати мікро­про­цесор під’єднується за допомогою спеціальних рознімних з’єднань (Socket 7, Socket A, Slot 1, Socket 423, Socket 478 тощо). Сучасні мікро­процесори – це є одна мікросхема, яка виготовлена з напів­про­відникового кристалу кремнію з щільним пакуванням фізичних елементів, завдяки чо­му на крис­талі площею близько 1 см² можна розмістити велику кількість елемен­тів: транзисторів, конденсаторів тощо. Так схеми сучасних проце­сорів Pentium містять понад сотню мільйонів транзисторів. Остання мо­дель Itanium 2 містить 410 млн транзисторів. Але оскільки для елект­рон­них пристроїв властиво нагріватися під час роботи, то над кор­пусом МП розміщають невеликий вентилятор та радіатор, які забезпе­чують охолод­ження МП у процесі роботи.

Мікропроцесор – це пристрій, що виконує дві основні функції:

1.   Обчислення згідно з програмою, яка зберігається в ОП.

2.   Забезпечує загальне керування апаратурою комп’ютера та обчислю­вальними процесами. При цьому МП виконує:

·      читання та дешифрацію команд з ОП;

·      читання даних з ОП та даних з регістрів зовнішніх пристроїв;

·      обробку даних та запис їх в ОП.

Для того, щоб МП знав, що робити, він неперервно повинен отри­мувати потік команд. Ці команди складають програми. Завдяки програмі обчислення в ЕОМ відбуваються автоматично. В програмі складний обчислювальний процес розбивається на множину елементарних команд, які може виконувати МП. Число команд сучасного МП – 220. У кожної команди є свій код.

МП відрізняються двома характеристиками: тактовою частотою і типом (моделлю).

Тактова частота визначає швидкодію процесора. Кількість команд, які процесор може виконати за 1 секунду залежить від тактової частоти. Кожна команда, що виконується в ЕОМ, займає декілька тактів, тому час виконання команди вимірюється в тактах. Тривалість одного такту залежить від тактової частоти. Вимірюється тактова частота у мегагерцах (1 МГц відповідає 1 мільйону тактів за секунду). Чим більша тактова частота тим менша тривалість такту і тим швидше працює ПК. Наприклад, МП Intel 8086 працював на тактовій частоті 4,7 МГц, Pentium III на 230 – 400 МГц, сучасні МП перейшли рубіж 3 Гц (3000 МГц). Тактова частота генерується тактовим генератором.

Ще однією важливою характеристикою процесорів є їхня розрядність. Процесор оперує з двійковими числами, що подані як послідовність нулів та одиниць. Розрядність МП – це кількість розрядів у двійкових числах, які оброб­ляються процесором за один такт в паралель. Мікропроцесори перших ПК були 8-розрядними, а всі сучасні моделі МП вже 32-розрядні й 64-розрядні.

В IBM-сумісних ПК найчастіше застосовуються МП фірми Intel, а також сумісні з ними моделі МП інших фірм – AMD, Cyrix, IBM тощо. Наведемо список моделей МП фірми Intel за порядком зростання їх продуктивності:

Intel 8086 (1976 р.), Intel 8088 (1979 р.) – перші 16-розрядні процесори і мали тактову частоту 5…10МГц;

Intel 80286 – 16-розрядний процесорз тактовою частотою до 12 МГц;

Intel 80386 (1985 р.) – перший 32-розрядний процесор. Він містив 275000 транзисторів і мав тактову частоту до 33 МГц;

Intel 80486 (1989 р.) містив 1,2 млн транзисторів і мав 32 лінії адреси, 32 лінії даних і працював на частоті до 100 МГц.

 Новим етапом в виробництві МП став процесор Pentium (1993 р.). Згодом зявилися досить успішний процесор Pentium Pro (1995 р.) та Pentium II, в кінці лютого 1999 р. були анонсовані перші МП Pentium III. В кінці 1999 р. з’явилося 9 моделей МП цього типу: Pentium 500E, 550, 533, 600, 700, 733 тощо. Згодом з’явилися Intel Pentium 750, 800, 900, 1140. Цифри означають тактову частоту в МГц.

Сучасні мікропроцесори

В листопаді 2000 р. фірма Intel представила процесор Pentium IV, який на сьогодні є основним серед IBM-сумісних комп’ютерів. Архі­тектура його стала відрізнятися від архітектури попередників, завдяки чому змогли сильно наростити частоту процесора. Перші МП Pentium IV мали частоту 1,4 – 1,5 ГГц і містили 42 млн транзисторів на площі 217 мм² (в два рази більше ніж Pentium III). 14 листопада 2002 р. Intel анонсувала МП Pentium IV 3,06 ГГц. Такої високої тактової частоти вдалося добитися завдяки організації обчислень в декілька потоків. Тепер виготовляють тільки мікропроцесори сім’ї Pentium IV. Тактові частоти останніх Pentium  знаходяться в межах 4 ГГц. У процесорах сім’ї Pentium використовується 64-розрядна шина даних.

Відгалуженням від процесорів сім’ї Pentium стали процесори сім’ї Xeon, призначені для багатопроцесорних серверів та процесори Celeron – більш спрощений та здешевлений варіант процесорів Pentium. В 2001 р. з’явився процесор фірми Intel – Itanium. Остання модель Ita­nium 2 містить 410 млн транзисторів і має розрядність шини даних 128 байт.

Революційною подією на ринку МП став момент появи (cередина 2006 р.) на ринку про­дуктів Intel Core 2 (восьме покоління мікро­про­цесорів). Core 2 – це ефективна система взає­модії декількох процесорних ядер, але для їх ефективної роботи необ­хідно, щоб програмні продукти були адаптовані для багато­про­цесорних систем.

Паралельно з фірмою Intel фірма AMD в 1999 р. випустила МП Athlon (K7). Це були моделі AMD Athlon 500, 550, 600, згодом 650, 700, 750, 800. Крім К7 на ринку з’явилася МП Athlon MP та Athlon XP (32-розрядні МП), що склали конкуренцію Pentium IV. В останній час фірма AMD вирішила маркувати свої процесори не реальною тактовою частотою, а так званим PR-рейтингом. PR-рейтинг нових Athlon XP, MP починається з відмітки 1500+, що відповідає частоті 1,33 ГГц і закінчується на рівні 2800+.

В жовтні 2002 р. AMD випустила 2 нових МП: Athlon XP 2700+ та Athlon XP 2800+, який в багатьох тестах є кращим ніж Pentium IV 2,8ГГц, хоча є дешевшим в 1,5 рази.

В 2003 р. на ринок поступили МП фірми AMD 8-го покоління під назвою Athlon 64 FX (Hammer). Одноядерний Athlon 64 представлений моделями 2800+, …, 3400+.

Компанія AMD в 2005 р. анонсувала випуск двоядерних процесорів Athlon 64 Х2 для настільних систем та лінійку серверних двоядерних процесорів Opteron. PR-рейтинг Athlon 64 Х2 знаходиться в діапазоні від 3800+ до 6000+ (2008 р.).

Як бачимо, вибрати лідера серед перерахованих МП зовсім не просто.

3.4. Контролери, адаптери

Контролер (або адаптер, що у перекладі з англійської мови означає допоміжний пристрій) – це спеціальна електронна схема, яка керує ро­бо­тою периферійного пристрою (дисководом, вінчестером, моніто­ром тощо) і забезпечує зв’язок цього пристрою з мате­ринською пла­тою. Обмін інформацією між ОП, мікро­процесором та зовнішнім прис­т­роєм відбувається не прямо, а через спеціальну схему – контролер.

Відмітимо, що на всіх сучасних материнських платах уже присутні контролери клавіатури, миші, накопичувачів, вінчестерів (з інтерфейсом IDE). До плат, що розширяють можливості ПК відносяться плата модема, відеокарта, звукова карта, мережна карта та ін.

Якість зображення на екрані монітора залежить від двох складових – це від самого монітора та від графічного адаптера.

Відеоадаптери (графічний прискорювач)

Відеоадаптер – це зазвичай окрема плата, яка вставляється до відповідного слоту на материнській платі та формує відеосигнал для створення зображень на екрані монітора. Команди, що формують зображення надходять від мікропроцесора до відеоадап­тера, де згідно з ними конструюється зображення.

Сучасні відеокарти – це найскладніша складова ПК (комп’ютер в комп’ютері). На самій відеокарті є спеціалізований графічний процесор (GPU), який формує зображення, що виводиться на екран і своя опера­тивна пам'ять.

Екран дисплея – це прямокутна матриця окремих точок (пікселів), які визначають зображення. Число пікселів по горизонталі та по вертикалі екра­на визначає роздрібну здатність дисплея, наприклад, 640´480, 1280´1024. Перше число показує кількість пікселів в рядку, друге – кількість рядків.

Кожному пікселю зображення ставиться у відповідність фіксоване чис­ло бітів (атрибут пікселя) в пам’яті відеоадаптера. Ця пам’ять нази­вається відеопам’яттю. Для відеопамяті використовується графічна пам'ять GDDR2 GDDR3, мікросхеми якої розпаюються на платі графічної карти. Її стандартний обсяг нині становить від 128 Мб до 2 Гб. Відеоадаптер циклічно (75 – 100 разів за секунду) зчитує вміст відео­пам’яті та постійно формує зображення на екрані монітора, причому колір пікселя визначається поточним значенням його атрибута.

Програма, що виконується на ПК в графічному режимі, має доступ (читання/запис) до всіх атрибутів відеопам’яті. Основою для отримання якісних зображень є графічні режими високої роздрібної здатності та високої кадрової розгортки.

Графічні задачі стали настільки складними, що відеокарти оснастили спеціалізованими графічними процесорами (прискорювачами), які за складністю наближаються до центрального процесора.

Центральний процесор дає лише відоадаптеру більш загальні команди, наприклад, накреслити трикутник форми X в області Y екрана. Подальші обчислення з точністю до пікселя бере на себе відеокарта, звільняючи від рутинної роботи центральний процесор. Відеокарта виконує ці операції апаратно, що дозволяє прискорити формування зображення на екрані. Так з’явився термін графічний акселератор (прискорювач).

А формування об’ємного зображення – значно складніша задача. Для створення на екрані 3D-картини процесору і графічному прискорювачу потрібно спочатку виділити видимі грані об’єкта. Наступним кроком буде накладання текстури на кожну грань. Далі необхідно врахувати звідки і яке падає світло, властивості поверхні об’єктів (прозорість, зеркальність). А тепер уявіть собі десятки об’єктів в картинці, які крутяться, відда­ляються, наближаються, перекривають один одного, попадають під різні джерела світла, відкидають тіні і т.д. В результаті одержується складна задача, з якою центральний процесор без 3D-прискорювача не зміг би впоратися.

Неоснащених 3D-прискорювачами відеокарт сьогодні не випускають, але, з іншого боку, можливості 3D-карт використовуються на повну силу лише в іграх. Сучасну відеокарту можна назвати комп’ютером в комп’ю­тері, оскільки в неї є свій процесор, своя пам’ять, своя внутрішня шина передачі даних.

Крім цього, відеокарта покликана розв’язувати задачі мультимедіа. Ба­га­то карт сьогодні підтримують виведення зображення на телеекран і нав­паки, здійснюють прийом зображень з відеокамери, телеантени. Ці операції виконують відеовхід та TV-тюнер. Також сучасна відеокарта декодує стиснутий відеосигнал, що поступає з DVD-дисків. Ось скільки задач лежить на маленькому чіпсеті – головній мікросхемі будь-якої відеокарти.

Потоки графічних даних стали настільки інтенсивними, що для під­вищення швидкодії обміну даними між відеоадаптером і оперативною пам’яттю була розроблена окрема графічна шина AGP (прискорений гра­фічний порт). В наш час відеокарти підключаються до материнської плати через локальну шину AGP – її розрядність 64 біти.

Перші відеокарти були оснащені інтерфейсом AGP1x (однократна швидкість передачі даних – 256 Мб/с). В кінці 1998 р. на ринку з’явилися відео карти AGP2x – зі швидкістю передачі даних 512 Мб/с, в 1999 р. з’явився режим AGP4x (швидкість передачі даних – 1,06 Гб/с). В 2002 р. з’явилися карти зі значком AGP8x (пропускна здатність 2,1 Гб/с).

На зміну AGP прийшов інтерфейс PCI Express, який уже передав естафету в два рази швидшому PCI Express 2.0, який в свою чергу уже скоро буде замінений на більш швидкий PCI Express 3.0.

Сучасні відеокарти можуть підтримувати 24-бітний кольоровий режим (3 байти на 1 піксель). Цей режим називається True Color і може одночасно відображати на екрані 16777216 кольорів. Ці відеоадаптери підтримують й інші режими, які відрізняються один від одного розд­ріб­ною здатністю і кількістю кольорів. Здатність відеоадаптера відображати велику кількість кольорів з високою роздрібною здатністю може бути забезпечена лише відповідним обсягом відеопам’яті.

  Серед популярних відеоадаптерів можна назвата відеокарти, які виходять під брендом GeForce. Їх випускає компанія NVIDIA. Ці відео­карти іменуються за назвою використовуваного графічного процесора, наприклад GeForce 8800 GTX, GeForce 9400 GT та ін. Об’єднане підпри­ємство AMD / ATI випускає відеокарти на базі процесорів Radeon. Нові моделі – це карти сімейства Radeon HD 3000.

Звукова карта

  Персональні комп’ютери досить довго обходилися без засобів від­творення звуку. З розвитком обчислювальної техніки в середині 80-х років з’явилася можливість створювати, зберігати і відтворювати комплексні до­­ку­менти, що містять текст, звук, мову, графіку і відео. Такі документи ста­ли називати мультимедійними документами, а програмні та апаратні за­соби для роботи з такими документами називають засобами мультимедіа.

Мультимедійним називають комп’ютер, який оснащений сучасними носіями даних (дисководами CD або DVD) та звуковою картою (SoundBlaster). Звукова плата в комплексі з аудіоколонками і мікрофоном дозволяє записувати і відтворювати на комп’ютері різні звуки, мову і музику. Вона виконує перетворення звуку з аналогової форми в цифрову (на вході) і обернене перетворення (на виході). Звукова карта вставляється на материнську плату у вільний PCI-слот та має вихід на задню панель комп’ютера. Серед цих виходів є гнізда для підключення колонок, мікрофона, MIDI-клавіатури (копія фортепіано) та ін.

Відмітимо, що майже на половині материнських плат установ­лю­ються замість звукових плат звукові чіпи, тобто звукові карти інтегру­ються на материнську плату. Нині часто для високоякісної звукової системи використовуються зовнішні моделі звукових адаптерів, які під­ключаються до ПК через інтерфейс USB.

Звукові карти здійснюють декодування стиснутої музики в форматі MP3. MP3 – це формат зберігання даних. В форматі MP3 на диск CD можна записати 10 – 12 год звуку (100 – 200 записів), у аудіо CD – від 10 до 15 пісень. Тому на звукові плати поставлені спеціальні чіпи, які здійснюють декодування стиснутого звуку. Засоби мультимедіа викорис­товуються в системах розпізнавання мови.

Мережна карта. Модем

Коли ПК використовується як засіб передачі даних по мережі, то необхідно встановити певні пристрої. При під’єднанні комп’ютера до локальної мережі необхідна мережна плата. Вона встановлюється в PCI-слот на материнській платі. Найбільш розповсюдженими є комбіновані плати Ethernet, розраховані на різні типи кабелів.

Для передачі даних телефонною лінією необхідний пристрій, який може прийняти аналоговий сигнал з телефонної лінії та перетворити його в цифрову інформацію й навпаки, тобто цей пристрій здійснює Моду­ляцію та ДЕМодуляцію сигналів (звідси і назва модем).

Модем виконується у вигляді окремого зовнішнього пристрою, який одним виходом підключається до телефонної лінії, а другим виходом – до послідовного порта комп’ютера, або у вигляді окремої плати, що встав­ляється в системний блок.

Основний параметр мережних карт – це швидкість передачі даних. Хоча вони здатні теоретично працювати на швидкості 57600 біт/с, реальна швидкість передачі даних є значно меншою – 12 – 15 Мб/с. Для роботи в мережі Internet необхідна швидкість передачі даних – 28800 біт/с.