5 заметок с тегом

архитектура компьютера

Архитектура. Блок питания

Этой статьёй про БП мы закрываем архитектуру и начнём проходить СИКП. Это курс и книга преподавателей Массачусетского технологического института про программирование, железо, математику, абстракции и как это всё взаимодействует друг с другом.

Блок питания

В обыкновенных розетках живёт переменный ток с напряжением до 220 вольт. «Переменный» потому что напряжение тока постоянно меняется, плюс и минус в розетке тоже постоянно меняются местами.
Для компьютера это вредно, потому что скачки напряжения могут спалить материнку или вообще всё железо.

Чтобы нормализовать и сдерживать напряжение, есть блок питания или же по-технически: вторичный источник электроэнергии. Вторичный, потому что он преобразовывает переменный 220 вольтовый ток в постоянный, с более меньшим напряжением.

t — время, i — сила тока, v — напряжение
Картинка с сайта Сам электрик

Упрощённо, алгоритм преобразования такой

  1. На входе фильтруются помехи сети.
  2. Ток выпрямляется и теряет напряжение, этим занимается диодный мост. Из моста выходит постоянный пульсирующий ток, это значит, что небольшие скачки ещё есть.
  3. Ток пропускается через фильтры, чтобы полностью выпрямиться. Самый простой фильтр — конденсатор. Чтобы конденсатор отдавал выпрямленный ток, ему нужно медленно заряжаться и разряжаться, так умеют только конденсаторы с большой ёмкостью.

После преобразования, ток расходится по компьютеру. Оперативка, порты и кнопки включения-перезагрузки питаются от материнской платы, остальные подключаются напрямую через пины. Чем больше напряжения надо передавать, тем шире получается пин.

  • 3.3 вольт — материнка, оперативка, usb порты и кнопки на корпусе. Кнопки включения работают всегда.
  • 5 вольт — жёсткие диски и дополнительные платы, которые подключаются через PSI. Например дополнительная звуковая или сетевая карта.
  • 12 вольт — процессор и видеокарта.

Запуск компьютера

Нажимаем на кнопку питания, ток пошёл будить биос → начинается проверка железа, в видеокарте проснулся свой биос и проверяет её → если всё нормально, биос отдаёт управление процессору, он выгружает ОСку в оперативку → управление получает ОС, выставляются системные настройки и появляется рабочий стол.

Если биос запищал, то нужно посмотреть на чипе версию и гуглить таблицу сигналов. Обычно проблемы бывают с оперативкой, диском или видеокартой. Отключение-подключение и танцы с бубном иногда помогают, но лучше нести в ремонт.

 70   3 мес   архитектура компьютера

Архитектура. Виды памяти

В компьютерах работа идет с данными. Одни данные используются прямо сейчас, какие-то потребуются через месяц. Чтобы отделять востребованные данные от ненужных, существует три основных типа памяти:

Кэш процессора — чуть-чуть памяти для активных вычислений недалеко от процессора.
Оперативная память — планки по 4, 8, 16 или 32 Гб для хранения всего, что сейчас используется.
Постоянная память — жёсткие диски, ССДшники, флешки. Там хранятся все фотки, игры и приложения. Когда они потребуются, их выгружают в оперативку.

КЭШ

Чтобы процессор быстро вычислял нужные данные, нужно быстро давать ему исходные. Для этого у ядер расставляют блоки памяти и обозначают их Level 1, L2, L3.

Самый первый — самый маленький и быстрый. L1 разделён на два блока: один для следующей команды конвейера, другой для данных под эту команду. Такое разделение команд и данных называют Гарвардской архитектурой.

Чтобы процессор понимал, что ему дальше делать, нужно давать ему следующую команду: делай это с вот этим. Команды и данные для обработки лежат в L1.

С большой кэш-памятью легче вычислять глубокую рекурсию

Распределением данных по памяти занимается контроллер, он тоже в процессоре. Он анализирует входной поток и отправляет в L1 самые востребованные данные.
Например, нам нужно посмотреть все степени двойки до десятого разряда. Контроллер отправляет число 2 в L1, потому что оно используется везде. В L2, он отправит следующее число для возведения, а в L3 будут лежать остальные числа до десятки.

Оперативка

Это тоже активная память, но в ней лежат фоновые процессы. Пока компьютер включен, в оперативке лежит ОСка, драйвера и пользовательские программы.

Вся программа не поместится в кэш, поэтому ненужный сейчас кусок программы откладывается в оперативку. Когда подойдёт очередь, этот кусок загружается в L3.
Если этот кусок больше объема оперативки, то компьютер начинает тупить, лагать или вообще отрубается.
Такое происходит из-за переполнения памяти: данные для вычислений выталкивают ОСку и нажатия с клавиатуры или мышки создают очередь, или вообще не доходят до ядер.

Оперативка хранит данные только пока компьютер активен. Это потому что оперативная память зависит от постоянной энергии — пока компьютер включен, у оперативки есть ток и она работает. Когда компьютер выключается и тока больше нет, ячейки не подпитываются и разряжаются.

Постоянная память

Это жёсткие диски, ССДшники и флешки. Тут хранится всё: ОСка, программы, драйвера и другие файлы.

Эта память отличается от оперативки способом сохранения заряда. В жёстких дисках это ячейки на магнитных блинчиках из которых и состоит ХДД.
ССДшники и флешки используют специальные защёлки, которые запирают ячейку с зарядом, чтобы он не вышел или наоборот не вошёл.

И вот какой момент: на оперативку данные переносятся с жесткого диска, но оттуда не удаляются. Например, вы работаете в фотошопе. Делаете что-то и он крашится, но не удаляется с компьютера, потому что исходный и рабочий код лежит на ХДД. Кликаете по иконке и он снова загружается в оперативку.

Результаты от ядра возвращаются сразу в нужное место: оперативку, жёсткий диск или какой-то уровень кэша
Иконки с сайта flaticon
 75   3 мес   архитектура компьютера

Архитектура. Видеокарта

В статье про процессор мы писали, что вся информация в компьютере это много нулей и единиц. Так вот, в очень древних компьютерах не было мониторов и результаты сразу печатались — это было неэффективно. Так появилась видеокарта, чтобы работать с мониторами.

Зачем

Видеокарта — плата со своим графическим процессором и памятью. Видеокарту подключают к материнке через разъём PCI для доп. модулей, такие разъёмы называют шинами.
Ещё, шинами называют вдавленные в платы дорожки для передачи сигнала.

Отдельный графический процессор и память под него нужны вот почему: для того чтобы картинку можно было увидеть, её нужно отрисовать, то есть спроецировать память на экран.
Картинка может быть ещё и цветной — нужна ещё память, под разные цвета и их оттенки. Но чтобы изображение выглядело плавно, нужно больше 30 кадров в секунду — это ещё память.

Вот пример расчёта веса одного кадра цветного изображения:
Сейчас существует два варианта выделения памяти: 24бита/3байта на RGB схему или 32бита/4байта на CMYK схему. Возьмём RGB распределение, у него количество цветов получается \(2^{24}\) ≈ 16 млн.
Выводим на монитор с разрешением 1280 пикселей в ширину и 720 в высоту.
1280×720×24 = 22 118 400 млн. бит памяти или 2.7 Мб. на один кадр, для плавной картинки их нужно 29. Считаем дальше: 29×2,7 ≈ 78 Мбайт на секунду. Потом это пережимается, потому что используются не все 16 миллионов цветов и на картинке много однотонных мест, которые можно заменить массивами.

Устройство

Карта состоит из пяти компонентов: графического процессора, контроллеров, постоянной и оперативной памяти, и внешних портов. Их накрывают крышкой с кулером и подключают через PCI или PCIe в материнскую плату.

Графический процессор

GPU — Graphics Processing Unit.

У процессора видеокарты два отличия от центрального процессора: архитектура и способ обработки данных.
Архитектура GPU принимает большие данные и обрабатывает их параллельно, а не последовательно, как CPU. Поэтому, картинка грузится целиком и сразу, а не последовательной змейкой.

Контроллеры

Контроллер — чип регулирования или управления чем-нибудь. Для видеокарты работают три контроллера.

Видеоконтроллер формирует изображение в нужную форму для видеопамяти, даёт команды для вывода на монитор и обрабатывает запросы от северного моста с данными от центрального процессора.
Контроллер внешней шины отвечает за передачу данных между материнской платой и видеокартой через шину PCI.
Контроллер внутренней шины занимается передачей данных между устройствами видеокарты по внутренней шине.

По плате они расставляются по своим секретным правилам и иногда их помещают к процессору, как северный мост.

Постоянная память

Это хранилище для отдельного BIOS и всех системных штук для работы видеокарты. Этот BIOS выполняет такие же функции, что и чип на материнской плате.

Во время POST проверки BIOS материнки обращается и к BIOSу видеокарты, чтобы она включилась до загрузки ОС.

Работает это так же, как и на большой плате: сначала проверяется железо, потом сигнал «Всё ок — работаем»

Оперативная память

В этой памяти хранится активное изображение, отсюда его забирает видеоконтроллер и отправляет на монитор. Чем больше памяти, тем длинней полоса прогрузки на видео.

Видеокарты используют специальный вид памяти — GDDR5, G — graphic.
GDDR5 — улучшенная DDR3. При одинаковой частоте, GDDR5 передаёт в два раза больше данных. Объём памяти обычных видеокарт от 512 Мб до 12 Гб.

Она быстрее обыкновенной оперативки, потому что рассчитана на массивы одинаковых пикселей. Однотонные фотографии грузятся быстрее контрастных

Вывод

Для вывода существует два способа: RAMDAC и TMDS. Это разные алгоритмы преобразования кодировки изображения в сигнал. RAMDAC для VGA выхода, TMDS для DVI.
Чип отправки изображения преобразует код изображения в сигнал и направляет в нужный порт. В сигнале идёт адрес и точный цвет для каждого пикселя.

 63   3 мес   архитектура компьютера
Ранее Ctrl + ↓