ПО СТОПАМ ВЕЛИКИХ АРХИТЕКТОРОВ

Почему в России не удается пока делать автомобили, телевизоры или мини-тракторы высокого мирового уровня, а компьютеры производятся весьма успешно? Главным образом потому, что наши производственники приняли, наконец, стратегию своих западных коллег, в том числе и самых именитых, - они не сами делают, а покупают узлы и детали, требующие специальных высоких технологий. Сюда относятся микропроцессоры, накопители на жестких дисках (винчестеры), микросхемы оперативной памяти и многое другое. А производят эти узлы и детали специализированные фирмы - непревзойденные профессионалы в своей узкой области.

Целесообразность и реальный успех такой стратегии опираются на три фактора. Во-первых, это особенность самих импульсных систем (компьютер - машина, работающая с электричес кими импульсами), где нет необходимости с точностью до долей процента воспроизводить электрический сигнал, как, например, в приемнике или телевизоре. Важно лишь сохранить сам импульс и исходные комбинации импульсов, допуская заметные искажения и разброс при их "обработке". Во-вторых, в процессе создания нынешних персональных компьютеров (здесь и далее речь идет о самом многочисленном семействе машин - семействе IBM PC, или просто PC) принимались поистине гениальные решения касательно их конструкции и архитектуры - взаимосвязи и взаимодействия основных узлов. Именно эти, так сказать, архитектурные шедевры позволяют производителю путем замены основных блоков собирать на одной и той же базе (а чаще всего в одном и том же корпусе) самые разные персональные компьютеры - от сравнительно простых и дешевых до самых совершенных и дорогих. Более того - принятая архитектура дает возможность пользователю развивать и совершенствовать свой компьютер не сразу весь целиком, а поэтапно, отдельными блоками. Операцию эту называют апгрейд от англий-ского upgrade - в вольном переводе "подъем по ступеням".

И, наконец, третье слагаемое, обеспечивающее успешную крупносерийную сборку компьютеров из отдельных узлов и деталей. Это глубоко продуманные международные стандарты, жесткие требования к входным и выходным параметрам каждого узла. Жесткость стандартов в данном случае есть жизненная необходимость и к тому же большое удобство: при замене какого-либо узла машина продолжает работать, не требуя, как правило, никакой наладки. Стандарты предусматривают и преемственность поколений - программы, написанные для любой предыдущей базовой модели, должны работать и на всех последующих.

Существует мнение, что пользователю вообще не нужно (иногда даже говорят - вредно) знать устройство компьютера, ему - пользователю - достаточно помнить, когда какие нажимать кнопки и клавиши. Но это мнение дважды неверно. Знание компьютера даже в самых общих чертах, бесспорно, помогает оператору действовать спокойно и осознанно, особенно в нестандартных ситуациях. А кроме того, человек испытывает серьезный дискомфорт, если вынужден взаимодействовать с совершенно непонятной для него техникой. С учетом этого всем, кто пока ограничивается лишь нажиманием кнопок, а также будущим пользователям сейчас будет представлена предельно упрощенная блок-схема современного компьютера (см. стр. 146) с короткими комментариями и с надеждой, что это первое знакомство побудит читателя более серьезно поинтересоваться предметом.

Попробуем перечислить основные узлы, показанные на схеме, и ультракороткими рассказами пояснить их назначение.

Центральный процессор. Главная микросхема компьютера, которая последовательно, шаг за шагом, такт за тактом, производит математические и логические операции. Не так давно главной профессией компьютера была математика - чистые вычисления. И само это слово - "компьютер" - можно перевести как "вычислитель", так что его вполне законно называют ЭВМ - электронно-вычислительная машина. Сейчас же процессор работает с текстами, с картинками и чертежами, с музыкой, но во всех этих случаях он делает свое традиционное дело - выполняет арифметические и логические операции. При этом другие устройства компьютера превращают картинку, сочетание букв или звук в определенные наборы цифр. Процессор, обработав их, выполнив предусмотренный программой набор математических операций, непрерывно выдает, например, сменяющие друг друга координаты светящихся точек на экране, а также шифры их цветов и яркости, заставляя героев мультфильма на экране нужным образом двигаться.

Важнейшая характеристика процессора - разрядность, то есть число бит (единиц или нулей), которые он обрабатывает в один прием, за один такт, как единое многоразрядное число. Ясно, что чем выше разрядность процессора, тем больше его математическая мощь. Первые микропроцессоры были 8-разрядные, 286-й уже стал 16-рязрядным, а начиная с 386-го все микропроцессоры, включая Pentium, - 32-разрядные. Другая важнейшая характеристика - рабочая частота, она говорит о том, сколько тактов, то есть сколько одномомент ных вычислительных или логических действий выполняет процессор за одну секунду. Так, процессор, работающий на частоте 60 МГц (мегагерц), выполняет 60 миллионов элементарных действий (тактов) в секунду, а на частоте 300 МГц - соответственно 300 миллионов. Многие математические операции выполняются за несколько тактов, а некоторые за несколько десятков и даже несколько сотен. Нужно заметить, что по мере совершенство вания микропроцессора удавалось поднять его производительность даже при неизменной разрядности и частоте. Сегодня самый "маломощный" из выпускаемых процессоров - Pentium-166 с технологией ММХ, ориентированной на работу с мультимедиа. А последние разработки корпорации Интел - Pentium II.

Оперативное запоминающее устройство - ОЗУ (оперативная память, английское обозначение RAM). У 32-разрядной машины основная порция информации - 32-разрядное слово, например: 10010110 01101010 00011011 11010110. Такое слово в оперативную память записывается целиком (разумеется, в виде комбинации двух разных электрических сигналов, отображающих 1 и 0; для каждой - единицы или нуля - в ОЗУ имеется своя элементарная запоминающая ячейка), и имеется свой адрес, по которому процессор может в нужный момент извлечь именно это слово. В нашем примере все слово не случайно разбито на восьмибитовые порции - байты. В вычислительной технике байт (1 байт = 8 бит) - особо популярная и очень часто самостоятельно работающая порция информации. Поэтому в ОЗУ свой личный адрес имеет не только само слово, но и каждый его байт. Совершенно очевидно, что чем больше оперативная память, то есть, чем больше емкость ОЗУ, тем больше нужно иметь разных, неповторяющихся адресов. Так, скажем, при емкости 256 кбайт (килобайт) нужно примерно 256 тысяч адресов (если точно, то 1 кбайт = 2¹⁰ байт = 1024 байт; аналогично 1 Мбайт = 2¹⁰ кбайт = 1 048 576 байт), при емкости 8 Мбайт - примерно 8 миллионов адресов и т. д.

Сам адрес тоже двоичное число, и это число-адрес должно быть тем больше, чем больше нужно разных адресов. Так, из двухразрядного числа можно получить всего 4 комбинации, то есть 4 разных адреса (00, 01, 10 и 11), из трехразрядного - 8 адресов, из четырехразрядного - 16 и т. д. Во многих современных компьютерах предусмотрен 32-разрядный адрес в ОЗУ, он позволяет иметь 4 миллиарда, а точнее 4 294 967 296 адресов, и значит, оперативную память в 4096 Мбайт = 4 Гбайт (гигабайт; 1 Гбайт = 1024 Мбайт). Это, конечно, большой резерв для мощных персональных машин будущего. Сегодня у хорошего персонального компьютера ОЗУ имеет емкость 64 Мбайт, у рядового -
16 Мбайт и лишь у мощных серверов - до 16 Гбайт. От емкости ОЗУ во многом зависит способность компьютера выполнять сложную работу, в частности, с картинками, игровыми и мультимедиа программами.

Кэш второго уровня. Само это устройство - кэш (официальное название - S-RAM) появилось из-за того, что процессоры удалось сделать более быстродействующими, чем оперативная память - ОЗУ (оперативное запоминающее устройство). Так, уже широко используются процессоры с тактовой частотой 300 МГц, а ОЗУ при считывании или записи пока довольствуется частотой 66 МГц. Чтобы процессор не простаивал, пока идет медленное считывание из ОЗУ или запись в него, как раз и вводится небольшая, но сравнитель но быстродействующая память - кэш. Пока процессор занят другими делами, она медленно считывает из ОЗУ заранее заказанную информацию, а затем быстро сбрасывает ее процессору. С введением кэш-памяти сократились вынужденные простои процессора, а значит, увеличилось его реальное быстродействие. То, что на схеме показана кэш-память второго уровня, заставляет думать, что есть кэш-память первого уровня. И это действительно так: она сформирована на самом кристалле процессора, то есть находится в его корпусе. Из ОЗУ информация поступает в кэш второго уровня, затем, с возрастающей скоростью, - в кэш первого уровня и, наконец, еще быстрее - в процессор.

Контроллер. Это сложная управляющая микросхема, иногда в нее входит даже собственный микропроцессор. В компьютере несколько контроллеров, они в основном управляют устройствами ввода и вывода информации - монитором, принтером, внутренним жестким диском, проигрывателем CD ROM, дисководом, клавиатурой и т. д. Основной системный контроллер управляет всем комплексом, в частности движением данных, адресов и команд управления по шинам - по линиям, соединяющим основные блоки машины. Назначение большинства контроллеров на схеме поясняют расположенные возле них рисунки.

Иллюстрацией большой и сложной работы, которую берут на себя контроллеры, может служить, как ее часто называют, видеокарта и ее основа - обеспечивающий работу монитора видеоконтроллер с собственным процессором и собственной оперативной памятью. Он получает лишь "шифрограммы" - наборы многоразрядных чисел, по ним сам формирует нормальный видеосигнал, который и создает цветную картинку на экране.

Шина. В компьютере в основном происходит параллельная обработка и передача информации. Это значит, что у 32-разрядного числа все его 32 бита одновременно обрабатываются в процессоре, одновременно записываются в память или считываются из нее. И путешествует такое число в машине по соединительной 32-проводной линии - по шине данных. Аналогично существует 32-проводная шина адресов (в компьютерах, где емкость ОЗУ выбрана без большого запаса, используют 20- или 25-разрядные адресные шины) и обычно 8- или 10-проводная шина команд управления. На основных участках эти три шины объединены в одну сложную систему, и ее работа доверена диспетчеру высочайшей квалификации - системному контроллеру. Имеется и несколько шин, так сказать, местного значения, ими управляют соответствующие контроллеры.

Порт. Слово это здесь употребляется примерно в том же смысле, что и у моряков, оно обозначает устройство для входа в компьютер или/и для выхода из него. Порты - многоконтактные разъемы, профессионалы говорят "многопиновые", от английского pin - булавка, контактный штырек. Кстати, многопиновые разъемы широко используются и внутри системного блока (внутри компьютерного корпуса), например для включения микросхем памяти. С помощью разъемов и плоского многопроводного кабеля соединяются раздельные монтажные панели или, как их называют радисты, монтажные платы.

Системная (материнская) плата. Она названа так потому, что при сборке компьютера на ней монтируются все остальные элементы. Это своего рода слоеный пирог, в нем от четырех до восьми спресованных изоляционных панелей, на каждой из которых сформирован свой сложный узор токопроводящих линий. К этим линиям определенным образом непосредственно (пайка при производстве платы) или через разъемы (при сборке компьютера) подключаются микросхемы и целые блоки, устанавливаемые на системной плате. Таким образом формируется системная плата "в сборе", основа сложнейшей электронной системы - персонального компьютера. Каждая материнская плата имеет собственное кодовое обозначение. Современные материнские платы поддерживают технологию ММХ.

Завершим наше путешествие по персональному компьютеру несколькими короткими пояснениями (или, лучше сказать, несколькими намеками) касательно апгрейда - совершенствования машины, которое, как правило, учитывается создателями ее архитектуры и конструкции.

В имеющейся у вас конфигурации компьютера достаточно просто заменить внешнее устройство - монитор, мышь, принтер и т. п. Для этого надо знать "стыковочные" характеристики этого устройства и компьютерных портов. Что касается "начинки" системного блока, то начнем с простого - с установки проигрывателя компакт-дисков, на которых теперь записывают не только музыку, но и компьютерные программы, игры и мультимедиа. Интерфейс (система связи, система включения в общую схему компьютера) имеющегося в машине внутреннего жесткого магнитного диска (винчестера) предусматривает подключение дополнительного внешнего диска. Вместо него без особых проблем можно подключить устройство для воспроизведения CD ROM. Часто для него удается найти и место в корпусе.

Еще две сравнительно доступные и отработанные процедуры - расширение ОЗУ путем включения дополнительных стандартных блоков памяти. Иногда для этого достаточно разъемов, уже имеющихся на системной (материнской) плате, иногда же их приходится дополнять или менять. Возможна и замена процессора, но весьма ограниченная. Можно, например, заменить Pentium фирмы Интел на аналогичные процессоры других фирм - AMD, Crix, IBM. Можно заменить имеющийся процессор на процессор с более высокой тактовой частотой, например на Pentium-MMX или Pentium, если это позволяет материнская плата. Необходимые при ряде замен изменения в схеме, как правило, предусмотрены - на системной плате имеются соответствующие переключатели.

Наше упрощенное или, прямо скажем, поверхностное описание нескольких возможностей апгрейда не должно создавать иллюзий - дело это требует профессионализма. Точно также не должен вводить в заблуждение наш, по необходимости, короткий рассказ, позволяющий, видимо, подумать, что компьютер - довольно простая машина, собранная из нескольких блоков, как из кубиков. В компьютере, в его микросхемах - десятки миллионов деталей (больше, чем песчинок в песчаной "кучке" высотой с трехэтажный дом), каждая из которых - совершенный физический прибор. И все это невообразимое множество деталей великолепно стыкуется, четко и надежно взаимодействует годами, демонстрируя высочайший уровень современных технологий и, конечно же, удивительную мощь человеческого интеллекта.