Аппаратное обеспечение

Материнская плата

Схематическое изображение материнской платы

Процессор

любое цифровое вычислительное устройство.
Большинство процессоров общего назначения имеют принципиально одинаковое устройство.

CISC – Complete/Complex Instruction Set Computer
- переменная длина команды
- время выполнения команд может отличаться на порядки
- много команд сходного назначения
- сравнительно небольшое число регистров
- доступ к памяти неявный как часть команды

RISC – Restricted/Reduced Instruction Set Computer
- часто длина команды фиксирована
- время выполнения команд отличается слабо
- небольшой набор высокоспециализированных команд
- сравнительно большое число регистров
- специальные команды для доступа к памяти

Принципиальные элементы процессора

Схематическое изображение простейшего процессора

Физическое устройство

Apple I, Apple II, Commodore 64 и т.д.
Слева – декодер инструкций
В центре – управляющая логика
Справа сверху – регистры
Справа снизу – ALU
Шина данных сверху справа, адресная шина справа в центре и внизу.

Слом кристалла процессора Intel Pentium III (источник: https://habr.com/ru/post/127205/)

Закон Мура

эмпирическое наблюдение Гордона Мура (основателя Intel)
количество транзисторов на кристалле интегральной схемы удваивается каждые 2 года

Оперативная память

логическая схема чтения-записи
банк триггеров
- физически расположен в виде двумерного массива
операции чтения-записи сводятся к
1. Выбору ряда и его активации
2. Работы непосредственно с рядом
характеризуется
- частотой (количество циклов в секунду)
- таймингами (число циклов на типовые операции)

Типы памяти

“статические” триггеры – SRAM
- принципиально похожи на RS-триггер
- достаточно дороги в производстве
- быстрее, чем альтернативы
“динамические” триггеры – DRAM
- по сути представляют собой конденсатор
- конденсатора разряжается
- необходимо “подзаряжать” чтобы не потерять данные

Примерная схема модуля динамической памяти

FPM DRAM – Оригинальный тип динамическсокй памяти, читающий одну ячейку памяти за раз.

EDO DRAM – Не ожидая окончания чтения ячейки, как только выбраны ряд и столбец, переходит к поиску следующей. Примерно на 5% эффективнее, чем FPM, максимальная скорость чтения на 50% выше, чем у FPM

SDRAM – Не отключает ряд после чтения ячейки, что позволяет значительно ускорять операции последовательного чтения. Примерно на 5% эффективнее, чем EDO, максимальная скорость чтения на 100% выше.

DDR SDRAM – То же, что SDRAM, но совершает две операции за цикл. Позволяет увеличить вдвое эффективную частоту при прочих равных (ценой некоторого увеличения таймингов). основной тип памяти в современных компьютерах

Типы динамической памяти:
- FPM DRAM
- EDO DRAM
- SDRAM
- DDR SDRAM

Тайминги

CL – CAS-latency, количество циклов, проходящих с передачи адреса до появления первого бита на выходах. Определяет скорость последовательного чтения
RCD – Время включения ряда. Первичное чтение из произвольного ряда занимает RCD+CL циклов.
RP – Время выключения ряда. Чтение из произвольного ряда со сменой ряда занимает RP+RCD+CL циклов
RAS – Время, которое должно пройти между чтением/записью в ряд и переключением ряда. RCD+CL ≤ RAS ≤ RCD+2 CL

Постоянные запоминающие устройства

жёсткие диски
твердотельные накопители (flash-память).

Жесткие диски

Несколько быстро вращающихся дисков, покрытых магнитным материалом
Ротор
Магнитные головки чтения-записи
Магнитомеханическая системы позиционирования головок (в более старых реализациях – электромеханической)
Схема контроллера

Изобретены в декабре 1954 в IBM
Первые ЖД могли хранить 3.75 MiB и весили по 900 кг
Скорость вращения первых ЖД – 1200 об/мин
Скорость вращения современных – 4200 до 15000.
Скорость вращения влияет на время доступа к ячейке

Диски обычно из немагнитного материала
- алюминиевых сплавов
- керамики
Покрыты слоем магнитного сплава толщиной 10-20 нм с высокой коэрцитивной силой

Ячейки – магнитные микро-домены
Головки чтения-записи – на расстоянии нескольких десятков нанометров от поверхности диска
- за счёт этого – мощные магнитные поля при сравнительно низких энергозатратах
- (из курса физики \(H\sim\frac{1}{r^2}\))

“Классическая” ориентация намагниченности доменов – в плоскости диска.
Существует технология перпендикулярного направления доменов намагниченности.
- плотность записи в несколько выше раз ценой увеличения толщины магнитного слоя и усложнения производства головок чтения-записи.

Параллельная и перпендикулярная запись на диск

Твердотельные накопители

работают по совершенно иному принципу
В основе технология EPROM
- использовалась в программируемых чипах, таких как BIOS.
- использует полевые транзисторы с плавающим затвором.

Схема полевого транзистора с плавающим затвором

информация хранится в виде заряда на плавающем затворе
плавающий затвор электрически изолирован от остальной цепи
- поэтому память энергонезависимая

При записи – эффект туннелирования электронов через изолятор (закон Фаулера-Нордгейма).
- подаётся высокое напряжение (13-15 вольт) между истоком и управляющим затвором
- электроны туннелируют в плавающий затвор
- начинают экранировать поле управляющего затвора
- повышается эффективное сопротивление между истоком и стоком

При перезаписи
- между истоком и управляющим затвором – напряжение с обратным знаком (15-20 вольт)
- электроны из плавающего затвора туннелируют в исток
При чтении
- подаётся низкое напряжение
- сопротивление между истоком и стоком зависит от заряда на плавающем затворе
- соответствует значению в ячейке

Наличие электронов на плавающем затворе – транзистор открыт – логический 0
отсутствие – транзистор закрыт – логическая 1

недостаток – износ изолятора
ограниченное число циклов перезаписи

два основных способа соединения ячеек
- NOR-flash
- NAND-flash