Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Устройство персонального компьютера ( Основные компоненты персонального компьютера )

Содержание:

Введение

Одним из основных достоинств ПК, обеспечивших им потрясающий успех, явился принцип открытой архитектуры, заключающийся в том, что при проектировании ПК регламентируются и стандартизируются только принцип действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Построение ПК не единым неразъемным устройством, а на основе принципа открытой архитектуры (модульности построения), обеспечивает возможность их сборки из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями. Кроме того, такой компьютер легко расширяется и модернизируется за счет наличия внутренних расширительных разъемов, позволяющих пользователю добавлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей ЭВМ в соответствии со своими личными предпочтениями. Специалисты часто называют такие операции upgrade (расширить, обновить).

Строение компьютеров на основе модульного принципа позволяет, в меру необходимости, подключать дополнительные устройства или делать замену существующих устройств на более совершенные устройства. Таким образом, можно наращивать вычислительную мощность компьютеров, менять аппаратную конфигурацию системы, приспосабливать ее к конкретным условиям использования и потребностей пользователя.

1. Основные компоненты персонального компьютера

Обмен информацией (данными) между отдельными устройствами (модулями) персонального компьютера осуществляется через системную магистраль. Системная магистраль – это три многоразрядные шины: шина данных, шина адресов, шина управления. Шина – это совокупность параллельных линий, по которым на основе специальных алгоритмов передается информация от одного модуля компьютера к другому с помощью электрических сигналов. Подключение отдельных модулей персонального компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью интерфейсных блоков (контролеров, адаптеров и т.д.), а на программном уровне – с помощью специальных служебных программ – драйверов.

рис.1. Схема персонального компьютера

Конструктивно же любой компьютер состоит из четырех основных частей: устройства ввода информации, устройства передачи и обработки информации (центральный процессор), устройства сохранения и накопления информации (память), устройства ввода информации. Все устройства компьютера принято разделять по функциональным признакам на две составляющие: центральные устройства (системный блок) и периферийные (внешние) устройства.

В системном блоке размещаются основные элементы компьютера, необходимые для выполнения программ:

микропроцессор (МП), или центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) – основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера;
память (внутренняя – системная, включающая ОЗУ и ПЗУ, и внешняя – дисковая):
- ПЗУ, постоянное запоминающее устройство или постоянная память (от англ. ROM, Read Only Memory – память только для чтения), служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации.
- ОЗУ, оперативное запоминающее устройство, или оперативная память (от англ. RAM, Random Access Memory – память с произвольным доступом), предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.
контроллеры (адаптеры) служат для подключения периферийных (внешних по отношению к процессору) устройств к шинам микропроцессора, обеспечивая совместимость их интерфейсов. Они осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора. Контроллеры реализуются, как правило, на отдельных печатных платах, часто называемых адаптерами устройств (от лат. adapto – преобразовываю);
системная (материнская) плата – основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

В системном блоке также располагается блок питания, преобразующий переменное напряжение электросети в постоянное напряжение различной полярности и величины, необходимое для питания системной платы и других устройств компьютера, размещенных в системном блоке. Блок питания содержит вентилятор, создающий циркулирующие потоки воздуха для охлаждения системного блока, сетевого энергопитания ПК. Кроме сетевого, в компьютере имеется также автономный источник питания – аккумулятор. К аккумулятору подключается таймер – внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер продолжает работать и при отключении компьютера от электросети.

2.1. Системная (материнская) плата

Системная плата обеспечивает три направления передачи информации: между микропроцессором и внутренней (основной) памятью, между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств, между внутренней (основной) памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти). Устройства, непосредственно осуществляющие процесс обработки информации (вычисления), в том числе микропроцессор, оперативная память и шина, размещаются на ней, кроме того, на ней же располагается и контроллер клавиатуры и мыши. Схемы, управляющие другими внешними устройствами компьютера, как правило, находятся на отдельных платах, вставляемых в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате. Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственно к системной магистрали передачи данных в компьютере – шине. Иногда эти контроллеры могут располагаться на системной плате.

В качестве основных (несъёмных) частей материнская плата имеет:

разъём процессора (ЦПУ),
разъёмы оперативной памяти (ОЗУ),
микросхемы чипсета (подробнее см. северный мост, южный мост),
загрузочное ПЗУ,
контроллеры шин и их слоты расширения,
контроллеры и интерфейсы периферийных устройств.

Потенциальные возможности и эффективность компьютера во многом определяются установленным на материнской плате набором микросхем системной логики, называемым чипсетом (ChipSet). Он обеспечивает работу процессора, системной шины (соединяет процессор и контроллер оперативной памяти), интерфейсов взаимодействия с оперативной памятью и другими компонентами компьютера. Его основная задача – поддержка множества несовместимых на прямую интерфейсов.

Современные аппаратные интерфейсы и системная шина работают асинхронно, т. е. могут одновременно передавать и получать сигналы. Они не согласованы ни по характеру сигналов, ни по тактовой частоте, ни по пропускной способности. Для увязки данных и приведения их к удобной для обмена форме требуются операции преобразования и кэширования.

Многие современные чипсеты включают две «базовые» микросхемы, которые принято называть соответственно «North Bridge» (северный мост) и «South Bridge» (южный мост). Северный мост обычно обеспечивает управление шиной AGP, шиной системной памяти, шиной PCI. Южный мост управляет интерфейсами IDE, USB, ACPI, IEEE1294, имеет мост ISA-PCI, контроллеры клавиатуры, мыши, FDD. Оба моста соединены шиной PCI или другим интерфейсом. Известны чипсеты, в которых встроены видео– и звуковые контроллеры. Необходимо отметить, что чипсет не является отдельным устройством, подключаемым к системной плате. Комплект системной логики всегда интегрирован с нее, а следовательно, разработкой и производством чипсетов будут заниматься фирмы, непосредственно производящие системные платы.

2.2. Процессор

Центральный процессор (микропроцессор) – это программно-управляющее электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки разной информации, которая подается в числовых кодах и функционирует на базе микросхемы. Слова «программно-управляющее» означает, что микропроцессор работает, выполняя некоторую программу, которая хранится отдельно в оперативной памяти. Микропроцессор – это главная аппаратная составляющая компьютера. Его характеристики (тактовая частота, разрядность, объем адресного пространства), набор исполнительных программ определяют характеристики всего компьютера.

Микропроцессор выполняет следующие функции:

управляет и координирует работу всех других устройств компьютера;
осуществляет чтение кодов команд и данных для обработки из основной памяти;
осуществляет декодирование команд;
выполняет арифметико-логические и другие операции, которые указывают в командах;
управляет передачей данных между микропроцессором и оперативной памятью, а также обрабатывает сигналы, которые поступают от внешних устройств.

Составными частями микропроцессора являются регистры, устройство управления и арифметико-логическое устройство.

Устройство управления предназначено для анализа команд и обеспечения их выполнения, а также для управления работой всех аппаратных компонентов компьютера и организации их взаимодействия между собой. Важной функцией устройства управления является реализация механизма прерываний. Прерывание– это действие, которое требует внимания. Именно благодаря прерываниям компьютер может своевременно реагировать на внешние события. Существует 256 разных видов прерываний, которые могут прерывать работу микропроцессора над программой, которая выполняется, и направить его на выполнение другой программы.

Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций, которые задаются кодами исполнительных команд.

Регистры служат для временного хранения информации в форме двоичных кодов. Регистры – это внутренние участки памяти микропроцессора. В них сохраняются адреса команд, которые выполняются, коды команд, значения операндов перед выполнением операций и значения результатов вычислений, выполненных арифметико-логическим устройством.

Конструктивно современный микропроцессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему, реализованную на одном полупроводниковом кристалле – тонкой пластинке кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров. На ней размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми выводами с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров х86 имели рабочее напряжение 5 В. С переходом к процессорам Intel Pentium оно было понижено до 3,3 В, а в настоящее время оно составляет менее 3 В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева. Однако, несмотря на это, всегда сверху микропроцессора устанавливают вентилятор (куллер) для его охлаждения во время работы.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры х86 были 16-разрядными. Начиная с процессора 80386 они имеют 32-разрядную архитектуру. Современные процессоры семейства Intel Pentium остаются 32-разрядными, хотя и работают с 64-разрядной шиной данных (разрядность процессора определяется разрядностью внутренних регистров).

Рабочая тактовая частота и коэффициент ее внутреннего умножения. В процессоре исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. Тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность. Первые процессоры х86 могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты процессоров уже превосходят три миллиарда тактов в секунду (3 ГГц).

Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая по чисто физическим причинам не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет сотни МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более. Например, частота МП 2,4 ГГц – это частота системной шины в 400 МГц, умноженная на коэффициент 6.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например, с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область – так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. Высокопроизводительные процессоры всегда имеют повышенный объем кэш-памяти.

Процессор расположен на материнской плате и подключается к процессорному разъему (Socket). В связи с этим обстоятельством процессор можно подключить только к той системной плате, на которой есть строго соответствующий Socket.

2.3. Запоминающие устройства ПК

В компьютерах хранения информации выделяют следующие основные типы памяти: внутренняя память, кэш-память и внешняя память. Кроме того, в ЭВМ могут присутствовать различные специализированные виды памяти, характерные для тех или иных устройств вычислительной системы, например, видеопамять.

Внутренняя память предназначена для оперативного хранения и обмена данными, непосредственно участвующими в процессе обработки. Конструктивно она исполняется в виде интегральных схем (ИС) и подразделяется на два вида:

• постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

• оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

Кэш-память служит для хранения копий информации, используемой в текущих операциях обмена. Это очень быстрое ЗУ небольшого объема, являющееся буфером между устройствами с различным быстродействием. Обычно используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. Кэш-памятью управляет специальное устройство – контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды, вероятнее всего, понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как «попадания», так и «промахи». В случае попадания, т. е. если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает ее непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

Оперативное запоминающее устройство, или оперативная память, – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Ее основная особенность заключена в том, что хранение информации в ней осуществляется только до тех пор, пока компьютер включен. При выключении компьютера, вся хранимая информация сразу же удаляется без возможности восстановления. По способу хранения информации оперативная память делится на статическую (SRAM – Static RAM) и динамическую (DRAM – Dynamic RAM).

Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

В момент включения компьютера в его оперативной памяти нет ничего – ни данных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки ячеек более сотых долей секунды, но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения.

Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ (всегда одинаково). Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам.

Этот исходный адрес не может указывать на оперативную память, в которой пока ничего нет. Он указывает на другой тип памяти – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» – их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.

Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS – Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютера и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют нам наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

Работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами, входящими в BIOS, но такими средствами нельзя обеспечить работу со всеми возможными устройствами. Так, например, изготовители BIOS абсолютно ничего не знают о параметрах наших жестких и гибких дисков, им не известны ни состав, ни свойства произвольной вычислительной системы. Для того чтобы начать работу с другим оборудованием, программы, входящие в состав BIOS, должны знать, где можно найти нужные параметры. По очевидным причинам их нельзя хранить ни в оперативной памяти, ни в постоянном запоминающем устройстве.

Специально для этого на материнской плате есть микросхема «энергонезависимой памяти», по технологии изготовления называемая CMOS (complementary metaloxide semiconductor). От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав Системы. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.

В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы. Тот факт, что компьютер четко отслеживает время и календарь (даже и в выключенном состоянии), тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS.

Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны.

Для хранения данных в компьютере в настоящее время используются 2 вида дисков:

Накопитель на жестких магнитных дисках (от англ. HDD – Hard Disk Drive)
SSD – твердотельный накопитель (англ. SSD, Solid State Drive или Solid State Disk)

Накопитель на жестких магнитных дисках (от англ. HDD – Hard Disk Drive), или винчестер – это запоминающее устройство большой емкости, в котором носителями информации являются круглые жесткие пластины (иногда называемые также дисками), обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Винчестер используется для постоянного (длительного) хранения информации – программ и данных.

В принципе жесткие диски подобны дискетам. В них информация также записывается на магнитный слой диска. Однако этот диск, в отличие от дискет, сделан из жесткого материала, чаще всего алюминия (отсюда и название Hard Disk). В корпусе объединены такие элементы винчестера, как управляющий двигатель, носитель информации (диски), головки записи/считывания, позиционирующее устройство (позиционер) и микросхемы, обеспечивающие обработку данных, коррекцию возможных ошибок, управление механической частью, а также микросхемы кэш-памяти.

Если дискета физически состоит из одного диска, то винчестер состоит из нескольких одинаковых дисков, расположенных друг под другом. Головки чтения-записи могут синхронно перемещаться в горизонтальном и вертикальном направлении (это показано стрелками), что позволяет им приблизиться к любой точке поверхности диска. Каждая точка поверхности рассматривается как отдельный бит внешней памяти.

Так же, как и основная память, поверхность диска (или дисков) имеет структуру. Элементы физической структуры следующие:

1) дорожка – концентрическая окружность, по которой движутся головки чтения-записи при размещении или поиске данных. Дорожки нумеруются, начиная с нуля. Нулевой номер имеет самая внешняя дорожка на диске;

2) секторы – блоки, в которых размещаются данные на дорожке при записи. Нумеруются начиная с единицы. Помимо пользовательской информации (самих данных), сектора содержат служебную информацию, например, собственный номер. Сектора являются Минимальными адресуемыми элементами данных для диска;

3) стороны диска. Нумеруются начиная с нуля. Для винчестера, расположенного вертикально, нулевой номер имеет самая верхняя сторона, для гибкого диска нулевой номер – у «лицевой» стороны дискеты;

4) цилиндр – совокупность дорожек с одинаковыми номерами на разных сторонах диска. Номера цилиндров совпадают с номерами дорожек;

5) кластер – совокупность секторов, имеющих смежные номера. Может состоять из одного сектора (для дискет) или нескольких (для винчестера). Является минимальным адресуемым элементом данных для операционной системы. Кластеры используются операционной системой для добавления данных к файлу: добавление очередной «порции» данных к файлу выполняется в объеме кластера независимо от того, что реальный объем добавляемых меньше объема кластера. Это приводит к нерациональному расходованию внешней памяти. Поэтому не рекомендуется хранить на диске большое количество маленьких файлов: они имеют много пустых «хвостов».

Разбивка непрерывного пространства поверхности диска на указанные элементы (можно эту процедуру назвать дискретизацией) выполняется при его форматировании. При этом также формируются маркер начала и конца дорожки, места расположения секторов, в сектора записывается служебная информация.

Дискретное пространство диска имеет, в свою очередь, следующую структуру (она описана в порядке возрастания номеров сторон, дорожек и секторов):

1) таблица разделов PT (Partition Table). Состоит из четырех элементов, описывающих разделы диска, причем операционные системы используют только первые два элемента. Описание раздела диска содержит данные о первых и последних головках чтения-записи, дорожках, секторах раздела, общем количестве секторов в разделе, типе файловой системы и признак того, что раздел является загрузочным;

2) главная загрузочная запись MBR (Master Boot Record). Содержит код процессора, необходимый для дальнейшей загрузки операционной системы;

3) загрузочная запись операционной системы BR (Boot Record). Содержит следующую информацию: программу загрузки операционной системы, размер кластера, количество копий FAT, количество файлов в корневом каталоге Root, размер FAT и некоторую другую информацию;

4) таблица размещения файлов FAT (File Allocation Table) и ее копии. Содержит полную карту принадлежности кластеров файлам и используется операционными системами для хранения сведений о размещении файлов на диске и о «плохих» (bad) кластерах. В силу важности FAT она дублируется несколько раз;

5) корневой каталог Root. Это таблица, в которой каждая запись соответствует файлу или подкаталогу, подчиненному корневому каталогу диска, и имеет структуру:

• имя файла или подкаталога;

• тип файла,

• атрибуты, в которых определяются следующие параметры файла или подкаталога: предназначенность только для чтения, скрытость, системность, маркер принадлежности данной записи метке тома, признак принадлежности данной записи подкаталогу, а не файлу, архивность;

• время создания;

• дата создания;

• номер начального кластера файла или подкаталога;

• размер файла.

Следует подчеркнуть, что записи для файлов и подкаталогов идентичны, за исключением двух характеристик: в поле атрибутов выставлен признак подкаталога, а в поле размеров выставлен ноль;

6) область размещения файлов FA (File Area). Содержит файлы и подкаталоги, которые описаны в Root.

Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска.

Винчестер (как один физический диск) может быть разделен на несколько логических дисков (разделов). Каждый из них обозначается одной буквой латинского алфавита начиная с C: и может иметь свою метку (название). Кроме того, каждый логический диск имеет файловые системы (их разновидности были рассмотрены ранее), которые могут различаться (например, диск C: имеет файловую систему NTFS, а D: – FAT 32). Процесс полной очистки диска от хранимой на нем информации и его переразметки называется форматированием диска (логического или физического).

SSD – твердотельный накопитель (англ. SSD, Solid State Drive или Solid State Disk), энергонезависимое, перезаписываемое запоминающее устройство без движущихся механических частей с использованием флэш-памяти. SSD полностью эмулирует работу жёсткого диска.

Твердотельный накопитель состоит из чипов NAND, управляющего микроконтроллера привносящего все функции, чипа энергозависимой кэш памяти и печатной платы на которой всё это распаяно. Иногда в SSD накопителях используется небольшая батарея, чтобы при отключении питания, все данные из кэша можно было бы переписать в энергонезависимую память и сохранить все данные в целостности.

В SSD как и в USB Flash используются три типа памяти NAND: SLC (Single Level Cell), MLC (Multi Level Cell) и TLC (Three Level Cell). Отличие только в том, что SLC позволяет хранить в каждой ячейке только один бит информации, MLC – два, а TLC – три ячейки (использование разных уровней электрического заряда на плавающем затворе транзистора), что делает память MLC и TLC более дешёвой относительно ёмкости.

Главной задачей контроллера SSD является обеспечение операций чтения/записи, и управление структурой размещения данных. Основываясь на матрице размещения блоков, в какие ячейки уже проводилась запись, а в какие еще нет, контроллер должен оптимизировать скорость записи и обеспечить максимально длительный срок службы SSD-диска. Вследствие особенностей построения NAND-памяти, работать с ее каждой ячейкой отдельно нельзя. Ячейки объединены в страницы объемом по 4 Кбайта, и записать информацию можно только полностью заняв страницу. Стирать данные можно по блокам, которые равны 512 Кбайт. Все эти ограничения накладывают определенные обязанности на правильный интеллектуальный алгоритм работы контроллера. Поэтому, правильно настроенные и оптимизированные алгоритмы контролера могут существенно повысить производительность и долговечность работы SSD-диска.

В контроллер входят следующие основные элементы:

Processor – как правило 16 или 32 разрядный микроконтроллер. Выполняет инструкции микропрограммы, отвечает за перемешивание и выравнивание данных на Flash, диагностику SMART, кеширование, безопасность.
Error Correction (ECC) – блок контроля и коррекции ошибок ECC.
Flash Controller – включает адресацию, шину данных и контроль управления микросхемами Flash памяти.
DRAM Controller - адресация, шина данных и управление DDR/DDR2/SDRAM кэш памятью.
I/O interface – отвечает за интерфейс передачи данных на внешние интерфейсы SATA, USB или SAS.
Controller Memory – состоит из ROM памяти и буфера. Память используется процессором для выполнения микропрограммы и как буфер для временного хранения данных. При отсутствии внешней микросхемы RAM памяти выступает в роли единственного буфера данных SSD.

В SSD накопителях применяется кэш память в виде энергозависимой DRAM микросхемы, наподобие как в жёстких дисках. Но в твердотельных накопителях она несёт ещё одну важную функцию. Часть прошивки и самые часто изменяющиеся данные находятся в ней, сокращая износ энергозависимой NAND памяти.

1. Контроллеры и адаптеры

Контроллер — это электронное устройство, предназначенное для подключения к магистрали компьютера разных по принципу действия, интерфейсу и конструктивному исполнению периферийных устройств. Все устройства ввода/вывода и внешняя память также имеют свои контроллеры.

К термину “контроллер” очень близок по смыслу другой термин — “адаптер”. Назначение обоих одинаково, но контроллер несколько сложнее: “подразумевается его некоторая активность — способность к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы. Сложный контроллер может иметь в своем составе и собственный процессор” 11. На уровне рядового пользователя данные понятия практически неразличимы и могут считаться синонимами.

И еще одним похожим устройством является сопроцессор. Сопроцессоры “помогают” основному (центральному) процессору, который исполняет программу, реализовывать сложные специфические функции. Примером может служить графический сопроцессор, выполняющий геометрические построения и обработку графических изображений, — его вполне можно считать графическим контроллером. Несколько особняком стоит математический сопроцессор, который выполняет свои функции “в одиночку”, не управляя никакими внешними устройствами.

Все перечисленные выше устройства служат для уменьшения нагрузки на центральный процессор и повышают общую производительность системы. Значение контроллеров состоит в том, что они освобождают процессор от наиболее медленных функций ввода/вывода информации. Идеи применения специализированных интеллектуальных схем для разгрузки центрального процессора были заложены еще в третьем поколении ЭВМ в больших машинах коллективного пользования IBM-360 (в СССР данное семейство машин известно в качестве “аналога” под именем ЕС ЭВМ). В четвертом поколении возникла технологическая возможность собирать схемы управления в едином кристалле, и появились микроконтроллеры.

В состав контроллера, как правило, входят: собственный микропроцессор, ОЗУ, ПЗУ, регистры внешних устройств (через них контроллер взаимодействует с центральным процессором), буферные (согласующие) схемы. В определенном смысле сложный контроллер является упрощенной специализированной ЭВМ.

Периферийные устройства

Периферийные устройства – это любые дополнительные и вспомогательные устройства, которые подключаются к ПК для расширения его функциональных возможностей.

По расположению всю периферию для ПК можно разделить на две группы:

Внутренние устройства, устанавливаемые внутри системного блока. К ним относят встроенные приводы для чтения дисков, жесткие и твердотельные накопители, видеокарты и даже микрофоны и колонки, если речь идёт об элементах ноутбука;

Внешнее оборудование, располагаемое снаружи компьютера. Среди таких устройств тоже можно встретить дисководы и жёсткие диски – но только подключаемые извне. Внешней периферией называют и мониторы, и принтеры, и сканеры, и такие устройства ввода как клавиатура и мышь.

По назначению все периферийные устройства можно разделить на три категории – периферия для ввода (манипуляторы, клавиатуры и сканеры), вывода (дисплей и принтер) и хранения данных (жёсткие диски и другие виды накопителей).

Периферией для ввода называется оборудование, предназначенное для введения данных в электронно-вычислительную машину. Различают несколько видов таких устройств: для ввода графической информации (сканер или специальный планшет); механического ввода (клавиатуры); непрерывного ввода (мышь). Кроме того, отдельно выделяют устройства для ввода графической и звуковой информации. А также указательные (координатные) и игровые – при этом, например, джойстики относят и к первому, и ко второму типу. Тогда как геймпады и рули – только к устройствам, предназначенным для игр.

К устройствам для вывода информации относят такое оборудование, которое преобразует результаты работы компьютера в форму, доступную для восприятия человеком. Например, в звук (как наушники и колонки) или изображение (мониторы, принтеры и проекторы). К игровым устройствам для вывода относят шлемы и очки виртуальной реальности – хотя пользоваться ими можно далеко не только для игр.

К устройствам хранения относят внутренние и внешние жесткие диски, SSD, различные флэш-накопители. Так же можно отнести к периферийным устройствам для хранения данных и дисководы, и кардридеры. При этом сами они не хранят информацию – для этого требуется диск или флеш-карта – однако без использования этой периферии информация не может ни считываться, ни записываться.

Список используемой литературы

Ермолович А. В., Шилов В. В. ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР // Большая российская энциклопедия. Том 25. Москва, 2014, с. 749-750
Лысенко В. В., Малинина Л. А., Беляев М. А. Основы информатики: Учебник для вузов, 2006
Мюллер С. Модернизация и ремонт ПК. 19-е изд. М, 2011
Таненбаум Э. Архитектура компьютера 4-е издание, 2003
Евгения Благово, Состав и назначение элементов компьютера, 2018
Овчеренко В. А., Токарев В. Г. Периферийные устройства информационных систем: физические принципы организации и интерфейсы ввода-вывода, Новосибирск, 2019
Большая российская энциклопедия [сайт] URL: https://bigenc.ru/
Заметки Сис. Админа [сайт]. URL: https://sonikelf.ru/
Википедия — свободная энциклопедия [сайт]. URL: https://ru.wikipedia.org/
Сергей Бондаренко IT-уроки [сайт] URL: http://it-uroki.ru/
ГОСТ Р 7.0.5-2008 «Библиографическая ссылка»