«Рецензенты: Кандидат технических наук, доцент кафедры экономической информатики Новосибирского государственного технического университета С.Г. Сваровский Руководитель НУПЦ ИгИМ, доцент кафедры инженерной геодезии ...»

УДК 681.3

ББК 32.973

С 26

Рецензенты:

Кандидат технических наук, доцент кафедры экономической информатики

Новосибирского государственного технического университета

С.Г. Сваровский

Руководитель НУПЦ ИгИМ, доцент кафедры инженерной геодезии

Сибирской государственной геодезической академии

Л.В. Жежко

Деева Н.В.

С 26 АРХИТЕКТУРА ЭВМ И СИСТЕМ: Учеб. пособие. – Новосибирск, СГГА, 2006.

ISBN 5 – 87693 – 0094 – 6 Учебное пособие написано доцентом кафедры вычислительной математики СГГА Деевой Н.В. и предназначено для изучения курса «Архитектура ЭВМ и систем» в объме Госстандарта студентами специальности «Информационные системы». Второе издание пособия исправлено и дополнено. В пособии рассмотрены вопросы: принцип работы и конструкция материнских плат, процессоров, памяти, шин, НЖМД, НГМД, мониторов, принтеров и т.п. Освещены вопросы, касающиеся установки новых периферийных устройств. По стандарту Министерства образования РФ для данной специальности датся только понятие о сетях, их назначении, а также кратко освещается их организация. После каждой главы есть список контрольных вопросов, которые помогут проверить изученный материал. В пособии содержится список основной и дополнительной литературы, который поможет самостоятельно разобраться с интересующими студента вопросами из данного курса.

УДК 681. ББК 32. ISBN 5 – 87693 – 0094 – 6 Сибирская государственная геодезическая академия, Деева Н.В.,

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время издано много книг и всевозможных пособий по архитектуре вычислительных машин и систем. В них, как правило, приведена архитектура каких-то отдельных устройств или дано их техническое описание, а работа сетей рассматривается крайне редко. В настоящем пособии описана архитектура PC и систем для современных вычислительных машин в объме стандарта Министерства образования РФ.

Данное учебное пособие ориентировано на студента, который является пользователем PC. Ставится задача ознакомить его с проблемами различного типа архитектур PC и сетевых информационно-вычислительных систем (ИВС).

В пособии приняты сокращения:

PC, ЭВМ – электронно-вычислительная машина, ВС – вычислительная система, ММВС – многомашинные вычислительные системы, МПВС – многопроцессорные вычислительные системы, ALU, АЛУ – арифметическо-логическое устройство, ЭВС – электронно-вычислительные системы, ЦВМ – цифровая вычислительная машина, ЦВС – цифровая вычислительная система, БИС – большая интегральная схема, СБИС – суперБИС, ПЭВМ – персональная ЭВМ, ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, ВЗУ – внешнее запоминающее устройство, HDD, НЖМД – накопитель на жстком магнитном диске, FDD, НГМД - накопитель на гибком магнитном диске, CPU, ЦП – центральный процессор, ПЗУ – постоянное запоминающее устройство, ОП – оперативная память, УУ – устройство управления, ДП – динамическая память.

В широком смысле архитектурой цифровой вычислительной машины называют совокупность е свойств и характеристик, рассматриваемую с точки зрения пользователя машины.

При описании архитектуры приводятся блок-схемы, иллюстрирующие структуру тех или иных узлов компьютера или ВС.

В I главе пособия дана классификация ЭВМ и функциональные характеристики PC.

Во II главе изложена теория по конструкции персонального компьютера.

Глава III посвящена процессору, а глава IV – организации памяти ЭВМ.

В V главе приведена конструкция АЛУ и организация прерываний в ЭВМ.

Глава VI посвящена устройствам внешней памяти, а в главе VII описаны устройства, позволяющие осуществлять ввод/вывод данных. Периферийные устройства описаны в главе VIII.

Глава IX посвящена многопроцессорным и многомашинным вычислительным сетям и оборудованию, организующему их работу.

В пособии приведн список основной и дополнительной литературы, позволяющий расширить знания по интересующим темам.

В основу пособия положен цикл лекций, которые читаются студентам второго курса специальности «Информационные системы» автором данного пособия.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМПЬЮТЕРЕ

ТЕРМИНОЛОГИЯ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ РС

Для рассмотрения конструкции ПЭВМ необходимо знать некоторую терминологию. Приведена в [2].

1. Системная плата (System Board) или материнская плата (Mother Board) – это основная печатная плата компьютера, на которой размещают все главные компоненты компьютера, которые, в свою очередь, могут быть платами (когда их подсоединяют через разъм) или микросхемами – это системные компоненты компьютера.

2. Платой расширения (Expansions Card) называют печатную плату с краевым разъмом, устанавливаемую в слот расширения. Если она используется для подключения дополнительного устройства, то е называют интерфейсной картой, или адаптером (Interface Card, Adapter).

3. Слот (Slot) представляет собой щелевой разъм, в который устанавливается какая-либо печатная плата. Слот расширения в РС представляет собой разъм системной шины с прорезью в задней стенке корпуса. Есть ещ внутренние слоты на материнской плате для установки модулей оперативной памяти, кэш-памяти, процессоров, а также процессорных модулей и модулей памяти в некоторых моделях РС.

4. Сокет (Socket) представляет собой гнездо, в которое устанавливают микросхемы со штырьковыми выводами. ZIP-Socket имеет замок, открыв который, можно установить или изъять микросхему.

5. Джампер (Jumper) представляет собой съмную перемычку, устанавливаемую на выступающие из печатной платы штырьковые контакты. Они используются как выключатели или переключатели, для которых не требуется оперативного управления.

6. DIP-переключатели представляют собой малогабаритные выключатели в корпусе DIP, применяемые для тех же целей, что и джампер.

7. Чип (Chip) – это полупроводниковая микросхема, причм неявно подразумевается е функциональная сложность.

8. Чипсет (Chipset) – это набор интегральных схем, при подключении которых друг к другу формируется функциональный блок вычислительной системы. Их применяют в системных платах, графических контроллерах и других сложных узлах, функции которых в одну микросхему заложить не удается.

КЛАССИФИКАЦИЯ PC

PC – это комплекс технических средств, предназначенный для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных задач.

По принципу действия PC бывают аналоговые, цифровые и гибридные.

В аналоговых системах переменные представлены физическими непрерывными величинами – чаще всего величиной электрического напряжения.

Аналоговые компьютеры бывают с прямой и с операторной аналогией.

Под цифровой ЭВС будем понимать сложное устройство, воспринимающее различные виды информации в форме данных, представленных в цифровой форме, хранящее эти данные и пересылающее их внутри системы по линиям связи, перерабатывающее их с большим быстродействием (скоростью) и выдающее результаты этих действий как информацию. ЦВС оперируют с величинами, представленными в цифровой форме, т.е. с числами.

Если ВС объединяет в себе как цифровые, так и аналоговые устройства, то она называется гибридной, но мы ниже будем рассматривать только архитектуру ЦВМ или ЦВС.

По этапам создания и используемой элементной базе PC условно делят на поколения:

I – 50-е годы XX века – на электронных лампах;

II – 60-е годы XX века – на транзисторах;

III – 70-е годы XX века – на ИС с сотнями и тысячами транзисторов в одном кристалле;

IV – 80-е годы XX века – на БИС с десятками тысяч транзисторов и СБИС с миллионами транзисторов в одном кристалле;

V – 90-е годы XX века – с десятками параллельно работающих микропроцессоров;

VI – конец 90-х годов XX века – многопроцессорные ЭВМ с предсказанием ветвлений, переименованием регистров, изменением порядка инструкций, поддержкой ММХ (multimedia extension – расширения для мультимедиа);

VII – начало XXI века – оптоволоконные.

По основным параметрам современные ЭВМ подразделяются на классы:

суперЭВМ, большие ЭВМ, миниЭВМ и микроЭВМ. На базе микроЭВМ в 1971 году появились персональные ЭВМ (ПЭВМ).

Помимо фирмы Intel процессоры выпускают фирмы AMD, Cyrix и Texas Instruments Inc и др.

Основными параметрами PC являются производительность (миллион операций в секунду), мкость ОЗУ (Мбайт), мкость ВЗУ (Гбайт) и разрядность (бит).

Существует несколько поколений (или классов) персональных компьютеров, совместимых с IBM PC со следующими характерными особенностями:

1. IBM PC – первые модели имели процессор Intel 8086/88, адресуемую память 1 Мбайт, шину расширения ISA (8 бит), накопители на гибких дисках HГMД до 360 Кбайт.

2. IBM PC/XT (XT означает «расширенная технология») – появились винчестеры и возможность установки математического сопроцессора Intel 8087.

3. IBM PC/AT (AT означает «продвинутая технология») – процессор Intel 80286/80287, адресуемая память 16 Мбайт, шина ISA 16 бит, НГМД 1, или 1,44 Мбайт, НЖМД.

4. Сейчас появился новый класс ATX. Процессоры в нм уже 64-разрядные, адресуемая в пространстве память – до 32 Гбайт, применяются более эффективные шины расширения: EISA, AGP, PCI, SCSI, USB. Расширяется состав устройств, имеющих системную поддержку на уровне BIOS.

5. Мультипроцессорные системы: содержат на материнской плате несколько процессоров. Используются в сетевых ЭВМ.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ PC

Персональный компьютер выбирают в [8] по следующим основным характеристикам.

1. Быстродействие, производительность, тактовая частота. Единицами измерения быстродействия являются:

а) MIPS – Mega Instruction Per Second – миллион операций в секунду с фиксированной точкой;

б) MFLOPS – Mega Floating Operations Per Second – миллион операций в секунду над числами с плавающей точкой;

в) GFLOPS – Giga Floating Operations Per Second – миллиард операций в секунду над числами с плавающей точкой;

г) KOPS – Kilo Operations Per Second – тысяча неких усредннных операций в секунду над числами;

д) iCOMP Index – Intel Comparative Microprocessor Performance – в этом случае используется смесь 16- и 32-битных операций четырх категорий: целочисленных, с плавающей точкой, скорость обработки графики и видео (за базовый для отсчта был взят процессор Intel 486 SX-25, т.к. у него iCOMP Index равен 100);

е) iCOMP Index 2.0 отличается своим набором показателей и весовыми коэффициентами (базовым для отсчта был взят Pentium 120 МГц, т. к. в нм уже используются 32-битные операции и мультимедийный текст).

Остальные фирмы используют понятие P-Rating - они сравнивают свои процессоры с производительностью процессора Pentium соответствующей частоты.

2. Ёмкость и тип оперативной и кэш-памяти, жсткого диска и количество дисководов для НГМД.

3. Тип процессора, системного и локального интерфейса.

4. Разрядность машины и кодовых шин интерфейса.

5. Тип видеомонитора, видеоадаптера и других внешних устройств.

6. Аппаратная и программная совместимость с другими PC.

7. Имеющееся программное обеспечение и возможность работать в многозадачном режиме и сетях PC.

8. Наджность, стоимость, габариты и масса.

Среди PC выбирают ту, которая больше подходит под нужные параметры. Иногда менее важно быстродействие, а более важен объм оперативной памяти или даже внешней памяти.

Использование PC описано в [8].

ОБЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Конструктивные решения, заложенные в первую модель IBM PC образца 1981 года, без каких-либо сильных изменений дошли и до наших дней.

В классическом варианте исполнения PC состоит из системного блока, к которому подключаются видеомонитор с клавиатурой и все периферийные устройства.

В системном блоке расположена системная или материнская плата с установленными на ней центральными компонентами компьютера – процессором, оперативной памятью, вспомогательными схемами и щелевыми разъмами – слотами, в которые можно устанавливать платы расширения.

В корпусе любого системного блока имеются отсеки для установки НЖМД и НГМД 3-дюймового и 5-дюймового форматов и блок питания. На задней стенке корпуса есть отверстия для разъмов клавиатуры и некоторые другие, а также щелевые прорези, через которые из корпуса выходят внешние разъмы, установленные на платах расширения. Платы (карты) расширения имеют краевой печатный разъм, которым они соединяются со слотами шины ввода/вывода, а металлическая скоба используется для закрепления платы на корпусе. На этой же скобе могут быть установлены дополнительные внешние разъмы.

Габаритные и присоединительные размеры плат, способы их крепления и шины ввода/вывода унифицированы, что позволяет конструировать РС по своему усмотрению.

Рассмотрим по очереди все компоненты, входящие в системный блок, а затем и в сам компьютер.

Описание составных частей РС начинаем с корпуса (Case) в [2]. Это не только «упаковочный ящик», но и функциональный элемент, защищающий компоненты РС от внешнего воздействия и являющийся основой для последующего расширения системы. Часть комплектующих его элементов можно заменять или добавлять, чтобы улучшить работу, быстродействие и увеличить память РС. Блок питания также расположен в корпусе, и в нм же есть кабели, позволяющие соединять добавляемые модули и соединять материнскую плату со всеми его элементами.

Корпус типа Slimline относится к числу компактных корпусов. В этот корпус устанавливается материнская плата только определнного размера (см. табл. 1) – это первый недостаток.

Halfsize (половинный размер) 24,4*21, Другой недостаток этого корпуса – в нм использовано вс внутреннее пространство, а потому при замене какого-либо блока приходится разбирать практически весь системный блок РС. Третий недостаток – малая мощность вентилятора, которого не хватает для нормальной работы РС.

Размеры корпуса Slimline: высота 7 см, ширина 35 см и длина 45 см.

Внутри можно разместить только один 3,5 дисковод, один 5,25 дисковод и один винчестер, но можно подсоединить ещ один внешний 5,25 дисковод.

Для этого корпуса на платах не предусмотрено слотов расширения, потому для подключения видеоадаптера, контроллеров, звуковой карты и т.п. используется специальная карта расширения системной шины, называемая картой адаптера, с помощью которой можно установить от 3 до 5 дополнительных карт расширения. Блок питания мощностью не более 150 Вт. Для снятия крышки откручивают только 2 винта по бокам корпуса, иначе можно нарушить работу компьютера.

Корпус типа Desktop (письменный стол) был наиболее распространн до середины 90-х годов. Его самый существенный недостаток – занимает на столе много места. Его размеры: ширина и длина 45 см, высота 20 см.

Имеет блок питания мощностью 150 – 250 Вт. Он оснащн тремя сменными блоками высотой 5,25 для расширения возможностей РС (для установки привода CD-ROM, стримера), может быть оснащн встроенной акустической системой. Используется в РС Macintosh. На лицевой панели расположены регуляторы громкости и баланса звука – стол освобождн от лишних проводов и акустической системы. Иногда ещ выведены регуляторы тембра и гнзда для подключения микрофона и наушников. Открывается как Slimline.

Корпус типа Tower размещается под столом. Корпус легко открывается, так как состоит из двух вставленных друг в друга U-образных листов.

Есть варианты с откидывающейся крышкой. Они бывают следующих типов:

а) Mini-Tower – габариты, как у Desktop, но переврнут на бок – есть два съмных блока для FDD 5,25, два съмных блока для FDD 3,5 и блок для винчестера, мощность блока питания 150 – 250 Вт (чаще всего приходится использовать специальный удлинитель для клавиатуры);

б) Midi-Tower – высота 50 см, есть 3 блока для FDD 5,25, остальные параметры, как в Mini-Tower;

в) Big-Tower ставят рядом или под столом, мощность, как и у Super-BigTower, выше, чем у Midi; в нм шесть отсеков для установки приводов 5, (например, FDD, CD-ROM, Zip), два отсека 3,5 и есть специальные встроенные рамы для установки 3,5, в отсек 5,25 также можно установить 3,5 привод, размеры: ширина 48 см, высота 63 см, длина 20 см. Но для жсткого диска иногда требуется удвоенная высота;

г) Super-Big-Tower, высотой 73 см имеет две или три дополнительные монтажные рамы для приводов 5,25, а остальные параметры, как у BigTower.

Корпус Fileserver имеет размеры: высота 73 см, ширина 30–35 см, длина 55 см. Самый дорогой корпус. В нм восемь блоков для приводов 5,25, несколько – для 3,5. Можно разместить три вычислительные машины обычной конфигурации. Стоит на колсиках. Используется в серверах, а потому на панели много оптических индикаторов для контроля работы. Мощность 350 Вт.

Стандарт ATX принят в 1995 году по предложению корпорации Intel.

Форм-фактор материнской платы для него – ATX. Этот стандарт позволяет развернуть материнскую плату на 90, поэтому в слотах расширения можно использовать полноразмерные платы, а процессор оказывается под блоком питания и обдувается его вентилятором. Здесь все порты ввода/вывода располагаются на одной стороне материнской платы в один ряд и выходят на заднюю стенку корпуса, разъмы интерфейсов дисководов и винчестеров расположены рядом с местами для приводов, поэтому более короткие кабели не путаются. Появилось много модификаций AT-корпусов типа Desktop, Mini-Tower, Tower, имеющих унифицированное расположение крепжных отверстий для материнских плат различного типа. В нм появился программно отключаемый источник питания.

1. Какие принятые сокращения Вы знаете?

2. Что входит в общую конструкцию ЭВМ?

3. Что такое системная плата, плата расширения, слот, джампер, сокет, чип, чипсет?

4. Какие типы настольных корпусов известны?

5. Какие варианты корпусов типа Tower существуют?

На лицевой панели корпуса системного блока расположены три главные кнопки.

1. POWER – нужна для включения и выключения компьютера.

2. RESET – предназначена для перезапуска компьютера. Нажимают в случае, когда компьютер не выполняет никаких команд.

3. TURBO – ускорение или замедление работы компьютера. На современных компьютерах чаще отсутствует или не используется.

Кроме кнопок на фронтальной стороне есть ещ индикаторы. Их может быть три или четыре:

а) индикатор, отражающий включение режима Turbo (может не быть);

б) индикатор питания сигнализирует о включении компьютера;

в) индикатор работы винчестера загорается при работе;

г) индикатор работы дискет включн при работе НГМД.

Есть ещ несколько примных устройств работы с дисководами. Маленький дисковод работает с дисками мкостью 1,44 Мбайта. Дисковод с выдвижным лотком используется при работе с компакт-дисками (CD-ROM).

На задней стороне системного блока находятся гнзда и разъмы для подключения внешних устройств. Два самых крупных разъма чрного цвета (по 3 контакта) предназначены для подключения сетевого шнура и шнура питания монитора, но последний шнур можно подключать напрямую в сеть.

Остальные гнзда и разъмы – с рядом тоненьких ножек штырьков («папы») и с рядом дырочек под эти штырьки («мамы»).

Полоска с большим числом гнзд и 16-штырьковым разъмом-«мамой»

относится к звуковой карте. В гнзда включают штекеры микрофона, колонок и внешнего источника звука (магнитофона). Под гнездом чаще есть подпись, есть разъм для подключения игрового манипулятора-джойстика. Рядом расположен разъм-«мама» с тремя рядами штырьков для видеокарты – он предназначен для подключения специального шнура от монитора.

Есть группа из 3 разъмов: к 25-штырьковому «папе» подключают принтер (LPT-порт), к 25-штырьковой «маме» – модем, к 9-штырьковой «маме» – мышь.

К круглому разъму внизу подключают клавиатуру.

В любом системном блоке есть блок питания.

Размер блока питания зависит от конструкции корпуса. Промышленные стандарты существуют для 6 моделей корпусов и блоков питания: PC/XT, AT/Desktop, AT-Tower, baby-AT, Slimline, ATX. У всех моделей корпусов есть модификации, которые отличаются выходными мощностями.

В блок питания податся напряжение 220 В, а в нм формируется ±12 В и ±5 В. Раньше это делали силовые трансформаторы, они наджные, но тяжлые (5 кг), современные – импульсные (900 г). В блоке питания стоит вентилятор для охлаждения. В более дорогих корпусах на передней панели есть прорези для вентиляции, которые закрыты специальными фильтрами. Их надо менять по мере загрязнения.

В блоке есть разъмы с 20 контактами для подключения материнской платы и два разъма для питания приводов 3,5 и 5,25. В стандарте ATX вместо них есть один разъм с 20 контактами. В нм напряжение +3,3 В уже есть, и стабилизатор напряжения на материнской плате не нужен.

Рассмотрим внутреннее устройство системного блока.

Материнская плата (Motherboard) является основным компонентом каждого РС. Иногда е называют главной (Mainboard) или системной платой (Systemboard).

Функции материнской платы – связь и управление действиями всех устройств в компьютере, передача сигнала от одного устройства к другому с помощью шины.

Взаимодействие между компонентами и устройствами PC, подключнными к разным шинам, осуществляется с помощью мостов, реализованных на одной из местных микросхем Chipset.

Типоразмеры материнских плат приведены в описании корпуса Slimline.

Стандарт NLX является развитием стандарта ATX. Согласно NLX, в PC устанавливается ризер-карта (Riser Card), аналогичная плате адаптера, вставленной в материнскую плату в корпусе типа Slimline. На ризер-карте есть стандартные слоты PCI и ISA, в которые устанавливают все необходимые карты расширения. Здесь материнская плата тоже устанавливается в специальный слот NLX Riser Connector. Этот разъм содержит не только информационную шину, но и шину питания. Есть разъмы для IDE, FDD, USB, блока питания и т.д.

На материнской плате стандарта NLX располагаются гнзда CPU, слоты для модулей памяти, Chipset, микросхемы BIOS и кэш-памяти. Все внешние разъмы (LPT, COM, Audio и др.) смещены к краю материнской платы.

Это главная плата в компьютере. К ней подключаются все другие устройства, входящие в состав системного блока.

На плате установлены разъмы для установки комплектующих элементов. Есть понятие «форм-фактор» (синоним – поколение). До выхода в свет процессора Pentium II корпорация Intel использовала форм-фактор Socket 7, а после выхода – Slot1. Процессоры были квадратной формы с многочисленными контактами-ножками в шахматном порядке, а в Pentium II – прямоугольной формы, более длинные, вставляемые в щелевидный разъм – слот.

1. Процессоры для разъма Super Socket7 – процессоры фирмы AMD (К 6, К 6-2), Cyrix (M2), Centaur Technology (IDI).

2. Процессоры для разъма Slot1 – процессоры фирмы Intel (Pentium II (233 – 450 МГц), Pentium III и Celeron (300 – 450 МГц)).

3. Процессоры для разъма Socket-370 (PGA) – процессоры фирмы Intel Celeron (от 450 МГц).

4. Процессоры для разъма Slot A – процессоры фирмы AMD Athlon (K 7).

5. Процессоры для разъма Socket 423 – процессор Pentium 4 с тактовой частотой 1,5 ГГц и выше.

6. Сейчас материнские платы выпускают с процессорным разъмом Socket 775. На них устанавливают чипсет I 915P/G и I 925X, которые призваны сделать стандартом шину PCI Express, оперативную память DDR2, а также аудиоподсистему High Definition Audio. Новые слоты PCI Express х имеют более широкую полосу пропускания, которая предоставляется каждому устройству отдельно от другого.

Для каждого форм-фактора процессора существует свой тип материнской платы, он не совместим с другими процессорами. Рассмотрим архитектуру материнской платы.

На материнской плате главным элементом является процессор. Он управляет всеми ресурсами PC. В обработке трехмерной графики, 3D звука, компрессии и декомпрессии ему помогают специализированные микропроцессоры – чипы, расположенные на специализированных дополнительных платах.

Внутри самого процессора есть собственно процессор-вычислитель, сопроцессор – блок для обработки чисел с плавающей точкой, кэш-память первого уровня – несколько десятков байт сверхбыстрой памяти для хранения промежуточных результатов, кэш-память второго уровня объмом от 128 до 512 Кбайт, менее быстродействующая, которая может быть реализована на отдельном кристалле.

Первый этаж архитектуры – к локальной шине процессора Host Bus адреса и данных подключаются модули вторичного кэша (в виде микросхем).

Основная динамическая память имеет собственную мультиплексированную шину адреса и данных, изолированную от локальной шины процессора.

Здесь могут быть использованы три микросхемы (чипсета), например, Intel 82430 FX – системный контроллер (TSC 82437 FX) и два корпуса коммутаторов данных TDP 82371 FB.

Есть слоты для установки оперативной памяти со специальными замочками-защлками. Их хорошо видно на рис. 1, б). В них вставляют модули оперативной памяти. Слотов может быть до четырх: 2 SIMM и 2 DIMM. В них устанавливают от 256 до 512 Мбайт оперативной памяти (зависит от типа материнской платы). На плате также расположена микросхема перепрограммируемой памяти (EEPROM), в которой хранятся программы BIOS, тестирования РС, загрузки ОС, драйверы устройств, начальные установки и т.п.

Следующий этаж архитектуры – устройства, подключаемые к шине PCI.

Это мост PIIX (PCI IDE ISA Xcelerator – многофункциональное устройство для согласования частот шин PCI и ISA и реализации 2-канального интерфейса ATA (IDE)); 2 контроллеров прерываний; 2 контроллеров прямого доступа к памяти; 3-канального системного счтчика-таймера; канала управления динамиком; логики немаскируемого прерывания; мост с внутренней шиной X-Bus. В данном примере эти функции выполняет в чипсете Intel FX микросхема 82371 FB. Контроллеры гибких дисков, интерфейсных портов, клавиатуры, CMOS RTC могут входить в чипсет или быть на отдельных микросхемах. В Pentium используются чипсеты Intel 430 FX (Triton), Intel HX (Triton2), Intel 430 VX (Triton3), Intel 430 TX, в Pentium III – I 820, I 840, в Pentium 4 – I 865PE, I 875P. На плате могут быть микросхемы кэш-памяти второго уровня, которые чаще расположены в плате картриджа CPU. Как уже было сказано выше, на материнской плате кроме смонтированного на ней процессора, установлены разъмы для других устройств (см. рис. 1).

Рис. 1. Плата модулей памяти и материнская плата для их установки Третий этаж – разъмы-слоты стандарта PCI, AGP, ISA. Слоты PCI (Peripheral Component Interconnect) используются для подключения звуковой карты, встроенного модема. Их на плате может быть четыре штуки: они самые короткие, белого цвета, разделены на 2 неравные части (на новых платах они отсутствуют). Разъм Advanced Graphic Port (AGP) – это более быстрый коричневый слот для установки видеокарт формата AGP. Разъмы-слоты типа ISA (Industry Standart Architecture) по пропускной способности слабее первых двух и в 1,5 раза длиннее PCI. Они чрного цвета. На новых материнских платах их нет, но есть IEEE 1394, к которым можно подключить принтер, сканер, жсткий диск, устройства обработки аудио- и видеоинформации.

Есть разъмы для подключения накопителей HDD, FDD, CD-ROM, набор микросхем (Chipset) высокой интеграции для управления обменом данными между всеми компонентами РС.

Для питания памяти CMOS, электронного таймера и BIOS есть специальная аккумуляторная батарея.

На некоторых современных материнских платах установлены микросхемы, выполняющие функции видеоадаптера, звуковой карты, сетевой карты – это экономит место в корпусе и увеличивает количество свободных слотов. Все компоненты материнской платы связаны системой проводников, по которым идт обмен информацией.

На плате есть контроллеры портов – это устройства на плате, соединяемые с разъмами на задней стенке компьютера для подключения принтера, мобильного дисковода большой мкости, внешнего модема и манипулятора типа «мышь». Последние два порта – по 25 и 9 штырьков – COM (может быть до 4 штук). На платах Pentium II стандарта ATX есть ещ и специальные разъмы для подключения мыши и клавиатуры – круглые разъмы типа PS/2.

Новинкой является последовательный порт USB. В Pentium 4 на заднюю стенку выведены 4 разъма. К ним подключают модемы, принтеры, сканеры.

Контроллер E-IDE (это расширенный IDE) предназначен для подключения к материнской плате устройств, производящих хранение и чтение информации – жстких дисков, дисководов, CD-ROM. Их может быть 4: первое – ведущее устройство и первое подчиннное, второе ведущее и второе подчиннное. Например, первый ведущий – жсткий диск, второй ведущий – CD-ROM. Оставшиеся два – это LS-120, ZIP, ORB, второй жсткий диск или дисковод CD-R. Подключаются специальным двойным шлейфом.

Контроллер SCSI, более быстрый, чем E-IDE, и более наджный, разрешает подключать до 15 устройств. Он используется в рабочих станциях, так как дорог для PC. Контроллер можно дополнительно установить, если его нет на плате. SCSI несколько видов: Wide SCSI, Ultra SCSI, Ultra Wide SCSI.

Шина IEEE 1394 является стандартом на шину Serial SCSI-3. Число производителей материнских плат для современных компьютеров невелико. Это фирмы ASUStek, Iwill, A-Trend, Gigabyte, AOpen, Epox и некоторые др.

Лучшим продуктом 2005 года по тестам при практически одинаковой стабильности и производительности явилась материнская плата ASUS P5AD2 Premium. На ней имеются чипсет I 925X, W-LAN Access Point, два сетевых порта и поддержка DDR2 600 (PC2 – 4800), присутствует IDE-RAID и 8 портов Serial ATA, 8 портов USB 2.0, есть интерфейс FireWire (400 Мбит/с) и ещ 2 порта FireWire стандарта IEEE 1394b (800 Мбит/с). На нижней поверхности платы под процессором закреплн радиатор Stack Tool размером с лист А5. Это позволяет поддерживать температуру процессора на уровне 43.

Плата, которая заслужила название «Оптимальный выбор», называется Albatron PX915G Pro. Она имеет чипсет I 915G с поддержкой модулей DDR 1 400. Кроме интегрированного ядра она оснащена IDE-RAID и 2 сетевыми портами, но для экономии убрали порт FireWire.

Фирма Intel разработала модель платы D915GUX с форм-фактором Micro-АTX. В ней хорошо продумана система управления вентилятором. Она используется в офисных ПК.

Появилась интегрированная платформа форм-фактора семейства ITX (Internet Technology Extension): mini-ITX (17х17 см) и nano-ITX (12х12 см).

Плата VIA Epian-MII с форм-фактором mini-ITX, имеет процессор VIA C3/Eden ESP. Есть чипсет VIA CLE266 и VIA VT8235, оперативная память DIMM DDR266 SDRAM объмом 1Гбайт, интегрированное видео VIA Unichrome 2D/3D с аппаратным ускорением MPEG-2, один слот PCI, два разъма IDE UltraDMA типа 133/100/66, один разъм для FDD, контроллер FireWire VIA VT6307S IEEE1394. Есть интегрированный аудиоадаптер VIA Vinyl Audio и видеовыход VIA VT1622A TV Out.

По форм-фактору nano-ITX изготовлена плата VIA Epia-N с процессором Eden-N. На ней есть чипсет VIA CN400 VIA VT8237, оперативная память SODIMM DDR266/333/400 SDRAM/1 Гбайт, VIA Unichrome Pro с аппаратным ускорением MPEG-4 и декодером MPEG-2, 1х mini-PCI, два разъма IDE UltraDMA 133/100/66, VIA Vinyl Audio и VIA VT1622A TV Out.

По итогам тестирования в 2005 году лидером признана плата MSI P4 Diamond с двумя видеоплатами MSI NX6800 Ultra, оснащнная процессором с тактовой частотой 3,73 ГГц с чипсетом NVIDIA nForce 4 SLI Intel Edition.

Эта материнская плата может использоваться в процессорах Pentium 4, Pentium 4 Extreme Edition и Pentium D (с частотой системной шины до МГц). В 4 слота можно установить до 16 Гбайт памяти DDR2 400/533/ SDRAM. В режиме SLI может переназначать линии PCI Express. Есть встроенный 24-разрядный Sound Blaster Live от Creative.

Все материнские платы на базе процессоров Intel 955X/945P/945G имеют южный мост ICH7R, тактовую частоту системной шины 1 066/800/ МГц, тактовую частоту оперативной памяти 800/667 МГц, один или два слота PCI Express х1 и один или два PCI Express х16, три слота PCI, до 8 портов USB 2.0, 2 порта IEEE 1394a, один или два IEEE 1394b, интегрированный звуковой контроллер ALC882D, IDE RAID-контроллер, Serial ATA II.

Материнская плата Intel D 945GTP выполнена на чипсете Intel 945G со встроенным графическим адаптером Intel GMA950 и двуядерным процессором Intel Pentium 820 D в корпусе FC-LGA4 с тактовой частотой 2,8 ГГц, установлено по одному слоту PCI Express х1 и х16, интегрированный звук представлен микросхемой Sigmatel STAC 9223. Имеет объм кеша 1024+ Кбайт, техпроцесс 0,09 мкм. Процессор имеет такой же разъм, как Intel Pentium 670, но разводка разная.

Ещ одной новинкой является материнская плата PF88, которая изначально создавалась для работы с процессором Pentium 4/D (Socket 775), но может использовать и процессоры AMD Athlon 64/64 FX (Socket 939), Intel Pentium M (Socket 479), AMD Athlon 64 Sempron (Socket 754). Для реализации этой идеи был добавлен специальный разъм, внешне похожий на PCI Express х16. Он предназначен для плат SIMA (Simply Smart Platform Converter Card), которые содержат разъм для процессора, разъмы для модулей оперативной памяти и северный мост другого чипсета. Это дало возможность подключать AMD с разъмом Socket 939.

Все компоненты на материнской плате каким-то образом должны быть соединены между собой. Это соединение осуществляется с помощью шин.

Совокупность линий (проводников на материнской плате), по которым обмениваются информацией компоненты устройств и устройства РС, называется шиной (Bus). Шина предназначена для обмена между двумя и более устройствами. Описание шин приведено в [5].

Шина, связывающая только два устройства, называется портом.

Обычно шина имеет гнзда для подключения внешних устройств, которые в результате сами становятся частью шины и могут обмениваться информацией со всеми другими подключаемыми к ней устройствами.

Шины в РС различаются по своему функциональному назначению.

1. Системная шина (или шина CPU) используется микросхемами и Chipset для пересылки информации от устройств к CPU и от CPU к устройствам.

Это шина GTL+ c тактовой частотой 66, 100 и 133 МГц и пропускной способностью 528, 800 Кбайт/с и 1,06 Мбайт/с или шина EV6, у которой передача по обоим фронтам с тактовой частотой 377 МГц. Может использоваться 128-разрядная шина памяти (так как передача происходит без участия CPU).

2. Шина кэш-памяти предназначена для обмена информацией между CPU и кэш-памятью.

3. Шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью и CPU.

4. Шины ввода/вывода (бывают стандартные и локальные).

Шина имеет собственную архитектуру, позволяющую реализовать важнейшие е свойства – возможность параллельного подключения практически неограниченного числа внешних устройств и обеспечения обмена информацией между ними. Архитектура любой шины включает следующие компоненты.

1. Линии данных (по ним происходит обмен данными между CPU, картами расширения, установленными в слоты, и памятью). В режиме DMA (Direct Memory Access) управление обменом данными осуществляется соответствующим контроллером, минуя CPU. Компьютеры семейства Pentium имеют 64-разрядную шину данных.

2. Линии адреса (процесс обмена возможен лишь в том случае, когда известен отправитель и получатель этих данных, а потому у каждого компонента РС, каждого регистра ввода/вывода и ячейки RAM, есть свой адрес – идентификационный код, который передатся по этой шине). RAM временно хранит данные для ускорения обмена ими. Количество ячеек RAM не должно превышать 2 m, где m – разрядность адресной шины. В семействе Pentium она 32-разрядная и можно адресовать 4 Гбайт памяти.

3. Линии управления данными (шины управления) необходимы для записи (считывания) в регистры устройств, подключенных к шине, ряда необходимых при передаче данных сигналов: записи/считывания, готовности к приму/передаче данных, подтверждения прима данных, аппаратного прерывания, управления и инициализации контроллера.

4. Контроллер шины осуществляет управление процессом обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхемы или интегрируется в микросхемы Chipset.

Первой характеристикой шины является е разрядность, определяемая количеством данных, параллельно проходящих через не.

Второй характеристикой шины является е пропускная способность, которая определяется количеством бит информации, передаваемых по шине за секунду. Пропускная способность вычисляется как произведение тактовой частоты шины на е разрядность.

Рассмотрим шины ввода/вывода. Они описаны в [10].

1. Шина ISA-8, ISA-16 (Industrial Standard Architecture). От этих шин сейчас отказываются, как от шин с низкой производительностью – время передачи превышает скорость обработки их CPU, т.е. процессор простаивает.

2. Шина EISA (Electronic ISA). Обладает следующими достоинствами:

а) слот EISA полностью совместим со слотом ISA из-за двухэтажной конструкции слота;

б) она 32-разрядная, т. е. все линии данных CPU выведены на слот, что позволяет использовать карты сетевые, графические и жсткого диска. Е частота 8,33 МГц, но скорость передачи 33 Мбайт/с;

в) шина EISA – интеллектуальная, так как конфигурация карт расширения происходит в ней программно, а не джамперами. Если необходимо использовать ISA, то ставят заглушку, чтобы предотвратить контакт I и II этажа разъма.

3. Шина VESA или VLB (Video Electronic Standard Assotiation или Vesa Local Bas). Эта локальная шина разработана в начале 80-х годов Ассоциацией стандартов видеоэлектроники. Используется для передачи видеоданных. Обмен информацией с CPU осуществляется под управлением контроллеров, расположенных на картах, устанавливаемых в слот VLB, напрямую в обход стандартной шины ввода/вывода. Она 32-разрядная и работает на тактовой частоте процессора, но адреса и сигналы управления здесь передаются по шине ISA. Она использовалась в CPU 80486.

4. Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) разработана фирмой Intel для PC Pentium. Е тактовая частота равна половине тактовой частоты системой шины. Включается в слот системной платы. Е основа – мосты, которые осуществляют связь между PCI и другими шинами. Важной особенностью PCI является способность внешнего устройства при пересылке данных управлять шиной без CPU.

Она широко распространена, так как:

а) у не отличный от ISA способ передачи данных: когда передающее устройство готово к передаче, оно выставляет данные и сопровождает их соответствующим сигналом, а примное устройство записывает данные в свои регистры и подат сигнал, подтверждая запись и готовность к приму следующих;

б) у не относительно независимые отдельные компоненты системы – передачей данных управляет включнный между ней и CPU мост, а процессор может выполнять другую работу;

в) есть PCI 1.0 – 32-разрядная и PCI 2.0 – 64-разрядная, отсюда полоса пропускания шины 33 * (32 бит/8) = 132 Мбайт/с или 33 МГц * (64 бит/8) = 264 Мбайт/с;

г) шина PCI универсальна, так как не зависит от типа CPU – соединение мостом в системной шине, минуя CPU;

д) PCI 5.0 64-разрядная, на дополнительные контакты податся напряжение 3,3 В, а на нм работает большинство микросхем;

е) система PCI использует принцип временного мультиплексирования – для передачи данных и адресов используется одни и те же линии;

ж) обладает свойством интеллектуальности, так как она в состоянии распознать аппаратные средства и анализировать конфигурации системы в соответствии с технологией Plug & Play. Для них созданы свои карты расширения.

Для работы с видеоданными лицензированы PCI Express x1, х2, x4, х8, x16 и х32-канальные версии (266, 532, 1066, 2132, 4200 и 8400 Мбайт/с). Их главное преимущество состоит в том, что данные через шину передаются без помех в обоих направлениях, а в режиме дуплексной передачи цифры выше удваиваются. На видеоплату можно подать мощность до 75 Вт без дополнительных разъмов. Новые видеоплаты на базе PCI Express х8 и x16 обладают высоким качеством изображения, которое не уступает платам с AGP 8x.

5. Шина AGP (Accelerated Graphics Port) является каналом передачи данных между видеоадаптерами и RAM. Эта высокоскоростная, локальная шина ввода/вывода предназначена для нужд видеосистем. Она связывает 3Dакселератор видеосистемы (ускоряет обращение) с системной памятью PC.

Только один слот AGP, в него подключается одно устройство, а потому нет проблем с арбитражем, что повышает скорость обмена данными. Она 32разрядная, отличается от PCI следующим:

а) использует более высокие тактовые частоты (режим 2, 4);

б) режим демультиплексирования (SBA) – по очереди адрес и данные;

в) пакетная передача данных;

г) режим прямого исполнения в системной памяти DIME. Здесь обработка текстур ведтся предварительно в системной памяти, а в локальную память загружается уже результат. Е пропускная способность для режима 1х равна 66 * 32 = 2 112 бит/с = 264 Мбайт/с, в режиме 2х передача идт по переднему и заднему фронтам, а потому цифра удвоится – 528 Мбайт/с – используется в Pentium с 64-разрядной внешней шиной. В режиме 4х (с пониженным напряжением питания) за 1 такт удатся передать 32-разрядную команду. Скорость передачи около 1 Гбайт/с, но современные прогрессивные технологии 0,25 мкм и 0,18 мкм устойчиво работают и на частоте 133 МГц вместо 100 МГц, а тактовая частота AGP = 66% от 133 МГц, т.е. 100 МГц.

Слоты AGP бывают с напряжением питания:

а) 3,3 В (имеет ключ-перемычку на материнской плате и одну прорезь на плате, режим 2х);

б) 1,5 В (тоже с ключом-перемычкой, с 2 прорезями на плате, режим 4х);

в) универсальный слот (использует любое напряжение без перемычки, на плате 2 прорези, режим 4х).

Сейчас используется шина AGP 8х. Для технологии 0,09 мкм используется уже частота 400 МГц и выше, скорость передачи 4 Гбайт/с.

Есть шины, подключающие периферийные устройства вне корпуса РС кабелем. Рассмотрим их.

1. Шина USB (Universal Serial Bus). Разрабатывалась фирмами Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Обмен по интерфейсу – пакетный, скорость обмена 12 Мбит/с. На новых материнских платах есть разъм для подключения концентратора USB. USB позволяет подсоединить к компьютеру периферийные устройства (клавиатуру, мышь, джойстик, принтер), не выключая питания, т.к. поддерживает технологию Plug & Play. Его конфигурирование осуществляется автоматически. Все устройства должны быть с разъмом USB и подключаться к РС через USB-хаб или концентратор, который позволяет подключать до 127 периферийных устройств.

Шины USB 1.1 и USB 2.0. Разъмы выведены на заднюю стенку, их может быть до 4. На USB 2.0 пропускная способность уже до 480 Мбит/с. Реализуется как синхронный (для телеконференций), так и асинхронный режимы передачи данных, поддерживается дополнительный подканал для подключения клавиатуры, мыши, модема со скоростью обмена 1,5 Мбит/с.

2. Шина SCSI-1 (Small Computer System Interfase). Шина разработана в 1986 году. Скорость передачи данных – 2 Мбайт/с, подключаются к одному разъму до 8 устройств (винчестер, привод CD-ROM, сканер, фото- и видеокамеры). Она реализована в виде кабельного шлейфа. С шиной PC PCI соединяется через хост-адаптер (Host Adapter). Каждое устройство, подключенное к шине, имеет свой идентификационный номер (I.D.). У не асинхронный режим работы, есть Narrow-канал. В 1989 году появилась SCSI-2 со скоростью передачи 10 Мбайт/с. Здесь используется синхронный режим и Wide-канал.

В 1995 году появился стандарт Ultra SCSI с пропускной способностью 8-разрядной шины 20 Мбайт/с, а 16-разрядной шины Ultra SCSI – 40 Мбайт/с, но уменьшилась длина кабеля. После разработки нового метода передачи данных LVD (Low Voltage Differential) появились в 1997 году модели со скоростью передачи 80 Мбайт/с в Ultra2 SCSI и в 1999 году 160 Мбайт/с в Ultra3 SCSI.

В сентябре 1998 года появилась спецификация Ultra 160. Е пропускная способность 160 Мбайт/с. Основные особенности Ultra 160:

а) двойная синхронизация при передаче данных;

б) контроль целостности данных за счт использования циклического кода с избыточностью (CRC);

в) контроль окружения. Заключается в проверке возможностей соединительных кабелей, терминаторов, карт с целью обеспечения оптимальной производительности шины.

У Ultra 320 пропускная способность 320 Мбайт/с для 16-разрядной шины, поддерживает 16 устройств без определения длины кабеля. Устройства соединяются кабелями в цепочку, а на крайнем устанавливается терминатор для устойчивости работы шины. Есть пассивные терминаторы (резистор с сопротивлением 132 Ом) и активные (от 132 до 110 Ом), позволяющие менять входное сопротивление в зависимости от стандарта SCSI. Разъмы для подключения могут быть внутренними и внешними 50- и 68-контактными.

В 2001 году появилась шина SAS 1.0 (Serial Attached SCSI) со скоростью 1 500 Мбайт/с. По ней данные передаются последовательно, а не параллельно, предварительно объединяясь в пакеты. Жсткие диски подключаются по методу «точка-точка», потому пропускные способности у всех дисководов одинаковые, а не делятся. В 2004 году появилась SAS 1.1 со скоростью Мбайт/с. В 2006 году должна появиться шина SAS 2.0 со скоростью Мбайт/с.

3. Шина является частью нового стандарта Serial SCSI (SCSI-3) – это высокоскоростная, локальная, последовательная шина, разработанная фирмами Apple и Texas Instruments в 1995 году. Изменяемая структура и одноранговая топология делают е удобной для подключения жстких дисков и устройств обработки аудио- и видеоинформации, а также для работы мультимедийных приложений в реальном времени. Шина может передавать данные со скоростью 12,5; 25; 50; 100, 200 и 400 Мбит/с, ожидается до 1600. Она позволяет одновременно работать нескольким устройствам, передающим информацию с разными скоростями. Шина использует простой 6-проводный кабель, поддерживает технологию Plug & Play, но е структура проще, чем у SCSI, а стоимость ниже. Используется пакетный режим передачи информации – скорость в нм до 1 Гбайт/с.

Она построена по разветвляющейся топологии и позволяет использовать до 63 узлов в цепочке, а к каждому узлу можно подключить до 16 устройств.

Длина кабеля между двумя узлами не более 4,5 м, иначе информация может исказиться. К данной шине можно подключать все устройства, которые подключают к шине SCSI. Это позволяет объединять компьютер с бытовой электроникой. Есть две модели IEEE 1394 a и IEEE 1394 b.

В Windows’98 есть драйверы для портов этой шины, а в BIOS есть поддержка работы устройств этой шины.

2.4.3. Последовательные и параллельные порты Параллельная и последовательная передача данных использует различные методы и принципы обмена информацией [5].

Параллельная связь означает, что биты данных пересылаются и передаются не один за другим, а все 8 бит (или 1 байт) одновременно, поэтому кабель состоит из 8 проводов.

Параллельные интерфейсы разрабатывает фирма Centronics, специализирующаяся на производстве матричных принтеров.

На этом интерфейсе передача, как правило, однонаправленная, но некоторые принтеры конфигурируются с помощью программного обеспечения, а потому нужен уже двунаправленный кабель.

Это 25- или 36-контактный разъм (если для принтера).

Параллельный интерфейс часто обозначают аббревиатурой LPT (Line Printer) или PRN (Printer). Первый подключаемый принтер обозначается как LPT 1, а второй – LPT 2.

В BIOS PC есть поддержка до трх параллельных интерфейсов.

При односторонней передаче данных в стандартном интерфейсе LPT скорость передачи данных – от 120 до 200 Кбайт/с.

Порт EPP (Enhanced Parallel Port) – двунаправленный – передат 8 бит данных в обоих направлениях. У него есть буфер для хранения передаваемых данных, поэтому скорость передачи почти в 6 раз выше. Для него необходимо специальное программное обеспечение. Может подключать в цепочку до 64 периферийных устройств.

Есть ещ ECP (Extended Capability Port) с ещ более высокой скоростью передачи данных. Остальные параметры как у EPP, за исключением того, что можно подключать до 128 устройств. Можно передавать сжатую информацию, если порт, периферийные устройства и программа могут этот режим поддерживать.

Порты EPP и ECP включены в стандарт IEEE 1284. Многие лазерные принтеры тоже его используют. Кроме принтера, можно подключать стример, внешние дисководы, при этом скорость передачи данных – до 1 Мбайт/с. Эти порты используются при обмене данными между PC.

Для последовательных интерфейсов выбор подключаемых устройств шире. Разъмы могут быть 9- и 25-контактными. В качестве стандартного обозначения используют COM (Communication – коммуникационный, последовательный) с протоколом RS-232 (Serial Interface или Serial Port).

Последовательная связь осуществляется побитно, обмен данными идт в двух направлениях (асинхронный обмен). Напряжение на интерфейсе от –12 В до +12 В, что позволяет использовать кабель длиной 50 м и более без потерь при передаче.

Последовательный интерфейс связывает два устройства.

Существуют номинальная скорость передачи и эффективная (реальная), в которой учитываются передача служебной информации и сжатие данных.

Скорость измеряют в бодах (baud) или в bps (бит/с), но в бодах учитывают служебные биты, а в bps – нет.

Скорость передачи может быть 1 200, 2 400, 4 800, 9 600, 19 200 бод и выше (до 115 200 бит/с).

Если у устройств разные скорости, то передача ведтся по меньшей скорости.

Конфигурация COM-портов различная. В BIOS есть поддержка для интерфейсов COM, но только для 2 есть адреса на платах, а остальным нужно подбирать адреса и номера линий прерывания.

2.5. БАЗОВАЯ СИСТЕМА ВВОДА/ВЫВОДА ROM BIOS

Одним из основных компонентов, расположенных на материнской плате, является базовая система ввода/вывода ROM BIOS.

Аппаратно базовая система ввода/вывода представляет собой элемент памяти мкостью 64 Кбайт, установленный 28 ножками в DIP-разъм на материнской плате.

Ведущими изготовителями являются фирмы AMI, Award, Phoenix, но функции, выполняемые BIOS, не зависят от изготовителя.

В ROM BIOS (Read Only Memory Basic Input Output System) выполняются три основные функции (обозначение ROM расшифровывается, как «память для чтения»).

1. Предоставление ОС аппаратных драйверов и осуществление сопряжения между материнской платой и остальными средствами РС.

2. Содержится тестовая программа проверки системы POST (Power On Self Test), которая при включении РС проверяет все важнейшие компоненты.

3. Содержится программа CMOS Setup (Complementary Metal Oxide Semiconductor – сокращнное название полупроводника) для установки параметров BIOS и аппаратной конфигурации РС.

В BIOS содержится набор основных функций управления стандартными внешними устройствами РС.

Все изменения в конфигурации записываются в CMOS RAM (Random Access Memory). Е емкость 100 – 129 байт. Она расположена в контроллере периферии, имеющем автономное питание.

Базовая система ввода/вывода BIOS является ключевым элементом системной платы, без которой е компоненты – набор железа, т.к. BIOS управляет всеми компонентами и ресурсами системной платы.

Используемая версия BIOS очень сильно привязана к чипсету и должна знать особенности используемых компонентов.

Код BIOS хранится в микросхеме энергозависимой постоянной памяти (ROM BIOS), но здесь тип носителя значения не имеет, хотя, с точки зрения модифицируемости, флэш-память имеет явное преимущество – возможность модернизации прямо в компьютере.

Тип носителя указан под наклейкой микросхемы:

а) 28 Fxxx – флэш-память с напряжением 12 В;

б) 29 Cxxx – флэш-память с напряжением 5 В;

в) 29 LVxxx – флэш-память с напряжением 3 В (редкая);

г) 28 Cxxx – EEPROM – близка по свойствам к флэш-памяти;

д) 27 Cxxx – EPROM, записываемая на программаторе и стираемая ультрафиолетом (если есть стеклянное окно);

е) PH 29 EE 010 – ROM фирмы SST, перезаписывается аналогично флэш-памяти;

ж) 29 EE 011 – флэш-память с напряжением 5 В фирмы Winbond;

з) 29 C 010 – флэш-память с напряжением 5 В фирмы Atmel.

Новую версию BIOS лучше получать от изготовителя системной платы во избежание сбоев. Если поставили новую микросхему с BIOS, и система не работает, то необходимо использовать ряд системных плат с режимом восстановления (Boot Block Recovery). Для этого на плате надо использовать переключатель или джампер. В режиме восстановления работает только дисковод, в который необходимо установить специальную дискету с файломобразом ROM BIOS.

Иногда режим восстановления включается автоматически (Boot Block, получая управление в начале POST, оценивает корректность основного блока ПЗУ и при необходимости включает режим восстановления).

Но если это не спасает, то есть еще режим «горячей замены» ROM BIOS, т.е. из работоспособной системной платы извлекают BIOS и устанавливают вместо испорченной, включают и загружают компьютер, как для режима перезаписи BIOS.

Далее, не выключая питания, ставят неверно записанную микросхему и выполняют процедуру перезаписи. Компьютер должен работать, поскольку код BIOS исполняется из теневой области ОЗУ.

Содержимое BIOS может испортить вирус или отладчик DEBUG, т.к.

парольная защита перезаписи может быть взломана, а наджная аппаратная защита есть не у всех микросхем энергозависимой памяти и системных плат.

POST – это самостоятельный тест, который поможет при идентификации ошибок, если в РС установили новую материнскую плату.

При прохождении POST на экране монитора появляются два типа сообщений: информационное и сообщение об ошибках.

Первое сообщение указывает версию производителя BIOS и производителя материнской платы, Chipset, информацию об объме установленной памяти, подключенных устройствах. Второе дат сообщение об ошибке в устройстве в виде векторов прерываний.

Каждая система BIOS в адресной области FEE00H – FFFD9H имеет определнные подпрограммы для конкретной используемой материнской платы, а потому система BIOS PC не взаимозаменяема.

В последнее время для хранения в BIOS используют микросхемы электрически стираемой программируемой постоянной памяти EEPROM.

Производитель может выпускать новую версию BIOS на дискете, а пользователь – загружать е в микросхему. Центральный процессор имеет доступ к BIOS через систему программных прерываний. Каждое прерывание дат доступ к соответствующей подпрограмме BIOS.

Рассмотрим таблицу векторов прерываний системы BIOS табл. 2, которые используются в реальном режиме работы процессора.

Таблица векторов прерываний системы BIOS в реальном режиме Программное ФункцияС Последовательная передача данных Начальная загрузка («теплый старт», первичный загрузчик) Инициализация видеопараметров Инициализация параметров дискеты В таблице приведено обозначение функций в BIOS. Например, по прерыванию 12h мы можем определить размер RAM. В BIOS для поддержания стандарта Plug & Play включено 13 дополнительных системных функций, позволяющих системам и адаптерам, поддерживающим его, автоматически настраивать друг друга.

К изменению CMOS Setup нужно подходить осторожно. Сначала запишите для себя старые установки, чтобы при необходимости можно было к ним вернуться.

Клавиши, которые нужно нажать для входа в CMOS Setup, определяются фирмой-изготовителем, они появляются на экране при загрузке системы:

– Press< DEL> if you want to run Setup (для AMI) – Press < Ctrl> if you want to run Setup (для Award).

Выберите нужную вам комбинацию.

Выбрать из заставки нужный пункт и провести изменения в нм.

Это набор микросхем, установленных на материнской плате для обеспечения обмена данными между CPU и периферийными устройствами.

Основным конкурентом Intel в области производства Chipset является тайваньская корпорация VIA Technologies Inc, компании ALI (подразделения корпорации Aser Labs) и SiS. Разновидности чипсет приведены в [1].

Рассмотрим Chipset фирмы Intel.

1. Intel 810 (Whitney) разработан для процессоров Celeron.

У него (в отличие от прежних моделей):

а) интегрированное графическое ядро нового видеопроцессора Intel 752 c поддержкой 3D, DVD, телевизионного выхода и плоскопанельных мониторов;

б) хабовая структура;

в) интегрированный AC’97-кодек.

Он не поддерживает шину ISA. Конструктивно состоит из 3 микросхем (хабов), которые взаимодействуют через специальную шину с пропускной способностью 266 Мбайт/с. В чипсет входят: контроллер памяти и видео (GMCH – Graphic Memory Controller Hab); контроллер ввода/вывода – ICH – I/O Controller Hab (подключаются контроллеры дисководов, таймер); контроллер специального программного обеспечения – FWH (Firmware Hab). В нм хранится BIOS системы и BIOS для видео-системы.

2. Чипсет Intel 810 E – выпускается для материнских плат с процессором CPU Pentium III. Отличается от предыдущего разогнанной частотой системной шины (133 МГц) и наличием видео-кэша объмом 4 Мбайт, функционирующего на тактовой частоте 133 МГц, а шина памяти работает на частоте 100 МГц независимо от установленной тактовой частоты системной шины (66, 100 или 133 МГц).

3. Чипсет Intel 820 выпускается с ноября 1999 года. Работает на тактовой частоте системной шины 133 МГц и предназначен для CPU Pentium III.

Имеет хабовую структуру из I 82820 (MCH), I 82801 AA (ICH) и I (FWH). Отличается от I 810 E тем, что поддерживает память RDRAM и шину AGP 4x, но нет интегрированного графического ядра, не поддерживает частоту 66 МГц системной шины и не поддерживает память SDRAM – нет разъмов для подключения модулей SIMM и DIMM. Он ориентирован на память Rambus для модулей RIMM.

4. Чипсет Intel 840 используется во многопроцессорных системах на основе CPU Pentium III и Pentium III Xeon. Тоже использует хабовую архитектуру. Для увеличения ОП можно устанавливать на материнской плате специальный контроллер Memory Repeat Hub(MRH) – для расширения памяти RDRAM (тогда вместо двух можно использовать 4 модуля). Если надо использовать SDRAM, то ставят контроллер MRH-S, который преобразует интерфейс RDRAM в SDRAM.

5. Чипсет Intel 845 используется в процессорах Pentium 4. Есть разновидности I 845E, I 845PE, I 845D. Они используются на разных материнских платах (в зависимости от частоты системной шины). Частота может изменяться от 1 000 до 3 060 Гц. Появились чипсет 865PE, Intel 865G и 875PE, Intel 915P/G и Intel 925X. Они поддерживают оперативную память стандарта PC 3 200 и DDR2 с частотой 600 МГц. Последняя разработка Intel 945P/G и Intel 955X. В чипсет Intel 945G входит интегрированное графическое ядро GMA950, обладающее достаточной для пользователя производительностью.

Эти чипсеты поддерживают тактовую частоту системной шины 1 066 МГц и память DDR 667 МГц. В южный мост ICH7R интегрирована поддержка портов Serial ATA II, Matrix RAID и аудиокодек, поддерживающий стандарт High Definition Audio. Этот мост не поддерживает порты Express x1 и 5-й и 10-й уровни RAID. Intel 955X поддерживает до 8 Гбайт оперативной памяти, включая память с ЕСС, и поддерживает процессоры Pentium Extreme Edition.

Есть ещ Chipset компании ALI. Они представлены в виде табл. 3.

IV plus Aladdin Pro II M 1621 (AGP, PCI and Memory Controller) M1543C Aladdin Pro IV M 1641 (поддержка CPU Pentium II, III, M1535D Chipset компании Silicon Integrated Systems (SiS) – SiS 630 (на одной микросхеме): тактовая частота системной шины 66 или 100 МГц.

Поддерживает CPU Celeron, Pentium II и III; 64-разрядную асинхронную шину памяти с тактовой частотой 66, 100 и 133 МГц, в него интегрировано 3D-графическое ядро.

Для передачи данных между ядром и контроллером памяти используется 128-разрядная шина с частотой 133 МГц (технология Ultra AGP). В ней скорость передачи данных 2 128 Мбайт/с, поддерживает АС'97-кодек, аппаратно преобразовывает звук, интегрированы 2 хаба USB, что позволяет установить 5 разъмов USB, контроллер Fast Ethernet и контроллер Home PNA для подключения к сети через телефонный кабель.

На ризер-карте может быть установлен кэш фрейм-буфера или микросхемы видеомоста SiS 301.

Буферы обеспечивают высокую производительность графической системы.

Чипсет AMD 750 разработан для шины EV6 (разъм Slot A). Состоит из 2 микросхем: AMD 751 – системный контроллер и AMD 756 – контроллер локальных шин. Тактовая частота системной шины EV6 200 МГц, пропускная способность 1,6 Гбайт/с.

Максимальный объм памяти 768 Мбайт, поддерживаются только модули PC 100 SDRAM, есть 4 порта USB, Ultra DMA/66.

1. Что входит в системный блок?

2. Какие напряжения вырабатывает блок питания ЭВМ?

3. Что такое системная плата?

4. Какие линии шины Вы знаете?

5. Для чего нужны шины адреса, данных и управления?

6. Какие шины ввода/вывода известны?

7. Какие шины используются для подключения периферийных устройств вне корпуса?

8. Какие параллельные и последовательные порты существуют?

9. Какие функции выполняет BIOS?

3.1. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССОРОВ

Для сравнения производительности процессов в 1996 году фирма Intel ввела единицу ICOMP™ Index 2.0, отличающуюся от набора показателей весовыми коэффициентами, а также выбором базового процессора – Pentium 120 МГц, который использует 32-битные операции и мультимедийный текст.

3.2. ПРОЦЕССОРЫ ШЕСТОГО ПОКОЛЕНИЯ

Рассмотрим процессоры Pentium III, Pentium IV и Athlon.

Существуют Pentium III с частотами 450, 500, 500 Е, 533 ЕВ, 550 Е, 600 Е, 600 ЕВ, 650, 667, 700, 733, 750, 800, 800 ЕВ, 900 МГц и 1,14 ГГц.

В первых моделях буква Е обозначала интегрированный L2-кэш типа «Advanced Transfer Cache», частота системной шины 133 МГц, а в последних моделях буквы Е и В не пишут. Но в процессоре все они учтены.

Эти процессоры имеют следующие характеристики.

1. Технология производства: 0,18 мкм (0,25 мкм для частоты 450 МГц), 28 миллионов транзисторов.

2. Ядро процессора Coppermine c SSE-конвейером (для частоты 450 МГц – Katmai на основе Deschutes, конвейер SSE с добавлением 70 новых SSEинструкций).

3. L1-кэш: объм 32 Кбайт (16 Кбайт данных+16 Кбайт инструкций).

4. L2-кэш: объм 256 Кбайт (512 Кбайт для частоты 450 МГц), тактовая частота равна тактовой частоте ядра, интегрирован на одном кристалле с процессором (у модели с частотой 450 МГц – отдельно), поддерживает ECCмеханизм обнаружения и коррекции ошибок при обмене данными с ядром процессора. Такой L1-L2 кэш называют «Advanced Transfer Cache».

5. Частота системной шины 100 или 133 МГц, поддерживается ECC.

6. Напряжение питания ядра процессора 1,65 В.

7. Поддерживается до двух процессоров на одной системной шине, кроме моделей в FC-PGA исполнении – там один процессор.

8. Идентификация – каждый процессор имеет уникальный 96-битный серийный номер, который читается и контролируется на уровне BIOS.

9. Физический разъм-исполнение: Slot1/S.E.C.С-2 или Soket 370/FCPGA (Flip Chip Pin Crid Array).

В Coppermine есть дополнительный VI слой разводки проводников.

Расстояние между слоями 0,18 мкм, поэтому путь к каждому полупроводниковому элементу короче.

Его аналог Intel Celeron 128 K также на ядре Coppermine, но содержит L2-кэш 128 КБайт на кристалле. На ядре Celeron 600 МГц напряжение 1,6 В.

Используется в плоских процессорах – проще решать проблему теплообмена.

Магистраль между L2-кэшем и ядром процессора 256-битная. Пропускная способность на тактовой частоте 600 МГц равна 6 Гбайт/c.

Процессоры с тактовой частотой 700 МГц Pentium III Xeon и интегрированным на кристалле L2-кэшем большого объма (1 или 2 Мбайт), выполнены по технологии 0,18 мкм. Для L2-кэш, равного 2 Мбайт, интегрировано 140 млн. транзисторов, а это приводит к увеличению производительности на 13 – 46% и позволяет увеличить разрядность внутренней шины и сократить время ожидания передачи данных из кэша. Используется картридж SC 330 – модели для серверов. В них наджная схема управления напряжения, питания и есть возможность удалнного наблюдения и диагностики.

Процессор Pentium III Tualatin с L2-кэшем памятью 512 Кбайт на кристалле упакован в корпус FC-PGA2 с разъмом Socket-370. Выполнен по технологии 0,13 мкм. Напряжение ядра равно 1,25 – 1,3 В и на шине AGTL – 1,2 В. Здесь есть адаптивное изменение частоты в зависимости от задачи.

В процессоре Athlon (K 7) картридж не отличается от Pentium III и разъм для Slot. Сейчас есть AMD Athlon с частотами 500, 550, 600, 650, МГц по 0,25 мкм-технологии, а в моделях с частотами 750, 800 МГц и более – 0,18 мкм-технология. В зависимости от технологии используют понятия «Модель 1» (Model 1) или «Модель 2» (Model 2).

Основные характеристики этого процессора.

1. Ядро: технология 0,25/0,18 мкм; внутренняя архитектура типа «RISC», имеет 3 конвейера для целочисленных операций и 3 для операций с плавающей точкой и блок 3DNOW!

Добавлено 45 SIMD-инструкций: 12 – для ускоренных целочисленных вычислений в мультимедийных приложениях, 7 – для лучшей детализации графики и добавления новой функциональности при использовании настроек в Internet-браузерах и других приложениях; 5 инструкций Digital Signal Processing (DSP) (для ускорения работы с коммуникационными приложениями типа «модем»). Полученный набор из 45 инструкций (вместе с 21 старой) назвали Enhanced 3DNOW!

2. Системная шина на основе спецификации шины Alpha EV6, лицензированной у DEC, физическая тактовая частота равна 100 МГц (до 200 МГц), а передача данных идт при 200 МГц (до 400 МГц).

Поддерживается ECC-механизм обнаружения и корректирования ошибок передачи данных.

3. L1-кэш равен 128 Кбайт (64 Кбайт данных + 64 Кбайт инструкций).

4. L2-кэш равен 512 Кбайт (планируют до 8 Мбайт), тактовая частота равна 1/2 тактовой частоты ядра, но интерфейс L2-кэш программируемый.

Он может быть равен 1/3, 2/3 или 1 от тактовой частоты ядра. Выполнен на отдельных микросхемах (а не интегрирован), которые также поддерживают ECC-механизм.

5. Многопроцессорность: может обеспечить поддержку до 14 процессоров на одной шине, но пока нет чипсет для их поддержки.

6. Напряжение питания ядра процессора: 1,6 В для частот от 500 до МГц и 1,7 В для 800 МГц.

7. Разъм Slot A, механически совместим со Slot 1.

8. Исполнение – Card Module – процессорная плата, размещена в защищнном пластиковом корпусе.

Имеет S.E.C.C. или S.E.C.C.-2 – исполнение. У ATHLON целых 3 конвейерных блока для работы с плавающей точкой: первый – для обмена с памятью, а два других (в связке) – для выполнения операций с вещественными числами.

Дополнительно используется блок 3DNOW! и MMX, но они дополняют математический сопроцессор FPU, а не заменяют его.

Сейчас L2-кэш интегрирован на кристалле процессора и имеет кодовое имя Thunderbird для разъмов Slot A и нового 462-контактного Socket A с тактовыми частотами от 750 МГц до 1 Гц с шагом 50 МГц.

Рассмотрим Pentium IV (Willamette) 1,5 ГГц. В нм новое ядро, а также применена новая технология Advanced Dinamic Execution – процессор обрабатывает инструкции не в порядке поступления, а в наиболее эффективной последовательности и одновременно прочитывает более 100 инструкций, а у Pentium III их 40. Есть 2 АЛУ, которые работают на удвоенной частоте ядра ЦП и выполняют 4 операции за один такт, т.е. в 2 раза больше, чем у Pentium III. Здесь кэш-трассировки выполнены на новом уровне. Системная шина с частотой 400 МГц и пропускной способностью 3,2 Гбайт/c, а в Pentium III при частоте 133 МГц – 1 056 Мбайт/c. Старые системные платы не подходят, так как процессор выполнен под Socket 423. Набор микросхем Texama для памяти типа Rambus. Кэш L1 – 256 Кбайт, L2-кэш – 512 Кбайт. Нет процессорного серийного номера – от него отказались.

Оптимальный выбор на 2005 год: процессор Pentium 4 модели (2,8 ГГц). Это недорогой процессор форм-фактора LGA775 модели 520. Нагревается несильно.

Есть модель Pentium 4 – Revision E0, которая оснащена эффективным механизмом подаваемого напряжения Dinamic Voltage ID, технологией защиты от вирусов NX Flag и 64-битным расширением EM64T.

У данного процессора частота системной шины 800 МГц, L1-кэш 16 Кбайт, L2-кэш – 1 024 Кбайт, L3-кэш отсутствует.

Процессор Celeron D поддерживает 64-битную технологию ЕМ64Т. Он имеет кэш 256 Кбайт, выполнен по технологии 90 нм и работает на частоте FSB 533 МГц. Все новые модели процессоров заключены в корпус LGA775.

Частота системной шины в моделях меняется от 2,53 до 3,2 ГГц. Кроме этого есть поддержка Execute Disable Bit (XD).

Корпорация Toshiba, Sony и IBM представили новую разработку в году – процессор Cell. Этот процессор построен по новой архитектуре – многоядерной. В нм 9 ядер – 8 синергетических ядер + один power-процессор с 64-битной поддержкой. Каждое ядро оснащено кэш-памятью первого уровня объмом 256 Кбайт и есть общая кэш-память второго уровня объмом 512 Кбайт. Появилась возможность создавать массивы из процессоров, которые одновременно выполняют несколько сложных операций. У них производительность в десятки раз больше, чем у любых современных процессоров AMD или Intel.

3.3. ПИТАНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ ПРОЦЕССОРА

Процессоры младших поколений (до 486) сначала использовали напряжение питания 5 В, а затем 3,3 В. Стандартный блок питания – 5 В, поэтому используют регулятор напряжения VRM (Volt Regulation Module) – этот регулятор представляет собой микросхему стабилизатора напряжение фиксированного или управляемого уровня, которая расположена чаще всего на радиаторе. Напряжение должно соответствовать номиналу процессора. Если оно ниже – неустойчивая работа, а выше – сгорит.

Процессоры Cyrix используют максимально допустимую мощность, поэтому встал вопрос охлаждения. Для этого применяют радиатор (Heat Sink – теплоотвод), который приклеивают мастикой или двухсторонней самоклеющей лентой к процессору. Если этого мало, то используются активные теплоотводы (Cooler), имеющие дополнительные вентиляторы (Fan), устанавливаемые на радиатор процессора – напряжение равно 12 В.

Подключают через специальный разъм.

Для Pentium с частотой 200 МГц и выше требуется более высокий радиатор с более мощным вентилятором.

В стандарте АТХ процессор прямо под блоком питания и для обдува можно использовать как внутренний вентилятор блока питания, так и дополнительный внешний и сам вентилятор процессора. Они должны синхронно обдувать радиатор процессора. Есть вентиляторы с датчиком вращения и платой электроники на самом вентиляторе. Она включается между разъмом стандартного динамика и самим динамиком, который издат звук при остановке (на Pentium II).

На одном кристалле микропроцессора содержатся: центральный процессор ALU, блок процессора с плавающей точкой FPU, устройство управления УУ, диспетчер памяти MMU, блок предвыборки команд и данных БПКиД, интерфейс магистрали ИМ.

ЦП включает в себя арифметическо-логическое устройство ALU – arithmetic-logical unit, восемь 32-разрядных регистров общего назначения и многоразрядный сдвигатель, используемый при арифметических и циклических сдвигах, операциях умножения и деления.

Блок процессора с плавающей точкой (FPU – floating point unit) имеет собственные регистры данных и управления, работает параллельно с ЦП и обеспечивает обработку данных с плавающей точкой.

Устройство управления включает дешифратор команд, которые поступают из блока предварительной обработки (очереди команд), и блока микропрограммного управления, содержащего ПЗУ микрокоманд. УУ формирует последовательность микрокоманд, которые поступают на все блоки МП, обеспечивающие выполнение очередной команды и переход на следующую.

Диспетчер памяти MMU (memory management unit) состоит из блока сегментации и блока страничной адресации. Он осуществляет 2-ступенчатое формирование адреса ячейки памяти: сначала в пределах сегмента, а затем в пределах страницы. Здесь обеспечивается режим работы реальных адресов (реальный режим) и режим защищнных виртуальных адресов (защищнный режим). В первом случае реализуется расширенный набор команд и допускается увеличение разрядности адресов и операндов до 32.

В защищнном режиме могут одновременно выполняться несколько задач. Сегментация является средством управления пространством логических адресов, она обеспечивает мобильность и повышает защищнность программ.

Сегментированная память представляет собой набор блоков, характеризуемых определнными атрибутами: расположение, размер, тип (программа, данные), характеристики защиты.

Блок страничной адресации действует на более низком уровне, разбиение на страницы возможно только в защищнном режиме. Каждый сегмент делится на страницы по 4 Кбайт, которые могут размещаться в любом месте памяти ОЗУ.

Блок предвыборки команд и данных включает устройство предвыборки команд и внутреннюю кэш-память. Первое осуществляет заполнение очереди команд длиной 32 бита, прим и выборка байтов из памяти производится в промежутках между магистральными циклами команд.

Внутренняя кэш-память размером 8 Кбайт позволяет существенно повысить производительность МП за счт буферизации в ней часто используемых команд и данных, сокращения числа обращений к внешней памяти.

Интерфейс магистрали ИМ реализует протоколы обмена МП с памятью, другими активными устройствами системы.

Обмен осуществляется с помощью 32-разрядной двунаправленной шины данных D0 – D31, 32-разрядной шины адреса А0 – А31 и 32-разрядной шины управления У0 – У31.

3.5. ОСНОВНЫЕ СТАДИИ ВЫПОЛНЕНИЯ КОМАНДЫ

Для того чтобы микропроцессор мог выполнить ту или иную операцию, необходимы инструкции, или команды. Есть описание в [10].

Команды хранятся в основной памяти. Каждая команда – это группа битов, соответствующая определнной операции. Обычно команда делится на поля, каждое из которых определяет какой-либо атрибут команды, а поле операции в ней определяет саму выполняемую операцию (сложение, пересылка, дополнение и т.д.).

Код каждой операции – это уникальная последовательность битов длиной от 1 до 2 байт.

Поле регистра определяет номер регистра, который содержит данные, принимающие участие в операции, а адресное поле служит для определения участка памяти, содержащего данные, используемые при вычислениях (длина от 0 до 8 байт).

Команды размещают в ОП в определнной последовательности – по порядку выполнения. Очередная выполняемая команда определяется с помощью содержимого специального регистра – счтчика команд. Последний содержит адрес области памяти, в которой расположена следующая выполняемая команда. Микропроцессор использует содержимое счтчика команд для выборки из памяти этой команды. Во время выполнения команда хранится в регистре команд. Различные команды для размещения в ОП используют различное количество битов, так как в некоторых командах есть адресное поле, а в некоторых нет. А потому ЭВМ использует команды переменной длины: 1, 2,…, 11 байт. В зависимости от этой длины, в счтчик добавляется число 1, 2,…, 11 (по количеству байт).

Работа процессора сводится к выполнению повторяющихся рабочих циклов, каждый из которых соответствует определнной выполняемой команде.

Есть операции над целыми числами: команды пересылки, арифметических, логических, битовых операций, сдвигов и операций со строками символов.

Операции над числами с плавающей точкой выполняются тоже в процессоре: пересылки данных, арифметические, сравнения и команды управления FPU.

Кроме этих операций, есть ещ команды управления программой, защиты памяти и поддержки языков высокого уровня.

Выполнение любой команды начинается с анализа запроса прерывания.

Если прерывания нет, то выбирается команда, а иначе обрабатывается прерывание.

После выборки команды сразу формируется адрес следующей команды, и анализируется код операции текущей команды. В зависимости от кода, формируются адреса операндов команды или выполняются действия по кодам операций управления. Затем выполняются сами операции, формируются признаки результата и запоминается результат.

После этого управление передатся на выполнение следующей команды.

Регистры важны для любого процессора. В старых моделях Х86 их было 14, а сейчас намного больше. Их описание дано в [1].

В PC четыре регистра общего назначения: EAX, EBX, ECX, EDX. Они 32-разрядные (об этом здесь и далее говорит первая буква Е). В старых моделях для 8-разрядных PС они именовались А, B, С, D, для 16-разрядных – АХ, BХ, СХ, DX, причем младший байт именовался AL, BL, CL, DL, а старший – AH, BH, CH, DH. Регистр АХ (AH, AL) чаще всего служат местом хранения результатов вычислений (это аккумулятор), используется в командах умножения, деления, ввода и вывода слов. Регистр BX чаще хранит сегмент адреса, но может хранить и другие виды данных. Регистр CX обычно хранит число выполнения определнных операций и указывает длину строковых операций, слова, ввод и вывод с косвенной адресацией. Регистр DX обычно называют регистром данных. Используется для умножения и деления.

Есть один специфический регистр – EFLAGS (флаговый). В битах этого регистра хранятся флаги результатов выполнения последней операции, флаги состояния процессора, режим работы и т.д. Значения флагов управляют поведением процессора при выполнении условных команд.

Регистры смещений (внутрисегментной адресации) IP, SP, BP, SI, DI используются для хранения относительных адресов ячеек памяти внутри сегментов (смещений относительно начала сегментов).

Адрес выполняемой в данный момент команды хранится в регистре EIP – указателе команд. Он указывает на ячейку основной памяти с выполняемой командой, а для определения реального адреса ещ необходимо использовать регистр сегмента кода.

Есть два регистра-указателя: регистр-указатель базы EBP (смещение начального адреса, отведнного под стек) и регистр-указатель стека ESP (смещение вершины стека). В каждом из них содержится сегментная часть адреса для реального режима. В защищнном режиме там хранится селектор.

Адреса перемещаемых строк данных (многобайтные последовательности произвольной длины) хранятся в регистре индекса-источника ESI и регистре индекса-назначения EDI.

Регистры сегментной адресации CS, DS, SS, ES используются для хранения начальных адресов полей памяти (сегментов).

Первый – регистр сегмента кода CS – содержит значение, которое совместно со значением регистра команд указывает следующую выполняемую команду. Второй – регистр сегмента данных DS. Обычно он указывает область памяти, в которой содержатся данные. Его значение может комбинироваться со значениями регистров BX, SI и DI для указания определнного байта или слова данных. Третий регистр называется регистром дополнительного сегмента ES. Это резервный сегментный регистр, чаще применяемый для стековых операций. Четвертый регистр называется регистром сегмента стека SS. Его значение комбинируется с содержимым указателя стека ESP для указания слова данных, обрабатываемого в данный момент в стеке. Иногда SS комбинируют с EBP.

В регистрах FS и GS хранятся данные.

Управляющие регистры ECR0, ECR1, ECR2, ECR3, ECR4 хранят признаки состояния процессора, общие для всех задач. Они 32-разрядные.

В ECR0 бит 0 (PE) переводит процессор в защищнный режим или реальный, если в бите записан 0. В бите 1 (MP) проводится мониторинг процессора, в бите 2 (EM) осуществляет эмуляция сопроцессора. В бите 3 (TS) производится переключение задач, в бите 4 (ET) – индикация поддержки инструкций математического сопроцессора (в последних моделях ET равно 1), в NE (бит 5) хранится признак стандартного сообщения об ошибке FPU. WP (бит 16) разрешает защиту страниц памяти, AM (бит 18) разрешает контроль выравнивания, NW (бит 29) запрещает сквозную запись кэша и циклов аннулирования, бит 30 (CD) запрещает заполнение кэша, бит 31 (PG) включает механизм страничной переадресации памяти.

Регистр ECR1 не используется.

Регистр ECR2 хранит 32-битный линейный адрес, по которому был получен последний отказ страницы памяти.

Регистр ECR3 в старших 20 битах хранит физический базовый адрес таблицы каталога страниц, из младших используется бит 4 (PCD) – запрет кэширования страницы и бит 3 (PWT) – кэширование страницы со сквозной записью. Регистр ECR4 присутствует только в моделях Pentium и выше. Он содержит биты разрешения архитектурных расширений.

Системные адресные регистры предназначены для ссылок на сегменты и таблицы в защищнном режиме. Они 48-битные. Регистры GDTR и IDTR программно загружаются 6-байтными операциями, включающими 32-битный линейный базовый адрес (старшие биты) и 16-битный лимит глобальной таблицы дескрипторов и таблицы дескрипторов прерываний.

Следующая группа регистров используется для обработки чисел с плавающей точкой. Регистры для хранения таких чисел могут быть 80разрядные. Они используются в математическом сопроцессоре и называются регистрами данных FPU или арифметическим стеком. Их 8: с R0 по R7. Совместно с 15-разрядными регистрами математического сопроцессора и полями регистров тегов (TAG(0) – TAG(7), они тоже 15-разрядные) они производят действия над числами с плавающей точкой.

MMX-команды обрабатывают числа с плавающей точкой, используя для этого 64 младших бита стека сопроцессора. Они могут обрабатывать одновременно 8 однобайтных, четыре 16-разрядных или два 32-разрядных числа.

Новые SIMD-команды обрабатываются в специальных 128-разрядных регистрах XMM (eXtended MultiMedia – это восемь 2-разрядных целых или значения с плавающей точкой одинарной точности). Это инструкции SSE (Streaming SIMD Extensions), предназначенные для обработки 3D-графики, кодирования/декодирования видео, а также шифрования данных. Совместно с этими регистрами используется 32-разрядный регистр состояния / управления MXCSR. Он используется для управления обработкой числовых исключений, установки режима округления и режима очистки, а также чтения флагов состояния ХММ.

1. По какому показателю сравнивают процессоры?

2. Какие основные характеристики Pentium III, IV и Athlon Вы знаете?

3. Назовите основные блоки микропроцессора.

4. Из каких полей состоит команда?

5. Для чего используются регистры AX, BX, CX, DX?

4. ОРГАНИЗАЦИЯ ПАМЯТИ ЭВМ

4.1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ОПЕРАТИВНОЙ ПАМЯТИ

Все вычислительные операции происходят в основной памяти и процессоре. Это связано с тем, что перед обработкой процессором данных и программ они должны быть помещены в определенную область основной памяти. Некоторые программы и небольшие массивы данных могут находиться в памяти постоянно. Большинство из них помещаются в память только по мере необходимости, а затем отбрасываются (программы) или сохраняются в постоянной области хранения (данные), после чего занятое ими пространство снова становится доступным для новых программ и данных.

Основная память РС представляет собой комбинацию RAM (Random Access Memory – оперативной памяти), ROM (Read Only Memory – память «только для чтения» или ПЗУ) и вакантных областей, т.е. процессор способен к адресации пространства физической памяти фиксированного размера. Одни области этого пространства размещены на модулях RAM-памяти, другие – на микросхемах ПЗУ (ROM) или энергонезависимой NVRAM-памяти (non-volatile RAM).

Память является основным элементом любой ЭВМ. Элементы памяти в том или ином виде присутствуют в каждом конструктивном модуле РС.

Оперативная память – временная память, так как данные хранятся в ней только до выключения РС (см. [10]). Конструктивно память выполнена в виде модулей, которые можно заменять, дополнять, чтобы увеличить объм ОП. К данным, находящимся в ОП – RAM-памяти (Random Access Memory – памяти с произвольным доступом), CPU имеет непосредственный доступ, а к периферийной или внешней памяти (НГМД, НЖМД) – через буфер, являющийся также разновидностью ОП, недоступной пользователю. Время доступа к данным мало, а потому скорость обработки их велика.

Запоминание данных в ОП носит временный характер не только из-за питания, но и потому, что она является динамической, т.е. она должна периодически обновляться, так как информация здесь хранится на конденсаторе, а в нм есть ток утечки, что его разряжает, и информация теряется.

Чтобы не было потерь вынуждены проводить регенерацию памяти. Это означает, что CPU имеет доступ к данным в RAM только в течение циклов, свободных от регенерации. Здесь через определнные промежутки времени специальная схема осуществляет доступ (для считывания) ко всем строкам памяти. В эти моменты CPU находится в состоянии ожидания.

За один цикл схема регенерирует все строки динамической памяти (ДП).

Ячейки памяти организованы в матрицу (см. рис. 2.), состоящую из строк и 32 столбцов. Полный адрес ячейки данных включает два компонента – адрес строки и адрес столбца. Когда CPU обращается к памяти для чтения информации, на вход микросхем податся строб вывода данных OE (Output Enable), затем податся адрес строки и сигнал RAS (Row – адрес, Strobe – бит). Это означает, что каждая шина столбца соединяется с ячейкой памяти выбранной строки, адрес которой поступает по адресным линиям в дешифратор, который дат номер строки.

Информация считывается со всей строки и помещается в буфер ввода/вывода. Затем с задержкой поступает сигнал CAS с адресом столбца (Column – адрес, Strobe – бит). Здесь при чтении данные выбираются из буфера ввода/вывода и поступают на выход ОП в соответствии с адресом столбца. Выходы регистра строки снова соединяются с общими шинами столбцов памяти, чтобы перезаписать считанную информацию из строки.

Если выполняется запись, то податся строб записи WE (Write Enable), и информация поступает на соответствующую шину столбца не из буфера, а со входа памяти в соответствии с адресом столбца.

Количество линий ввода/вывода определяет разрядность ввода/вывода микросхемы.

Количество бит информации, которое хранится в ячейках каждой матрицы, называется глубиной адресного пространства Depth (Адрес, бит) микросхемы памяти. Общая мкость микросхем – это произведение глубины адресного пространства на количество линий ввода/вывода (разрядов).

При 1 Мбайт и 4 линиях ввода/вывода имеем:

1 Мбайт * 4 = 4 Мбайт и обозначаем хх4400, либо хх4401.

Основные характеристики DRAM приведены в табл. На материнскую плату можно устанавливать элементы памяти различных фирм, но время доступа не должно отличаться более чем на 10 нс, а потому лучше использовать элементы памяти одной фирмы.

Микросхемы памяти объединены в модули: SIMM, DIMM, RIMM.

CPU взаимодействует через контроллер с банком памяти.

Количество модулей памяти для заполнения банков определяется отношением разрядности системной шины к разрядности модуля памяти.

Системная шина PC с CPU Pentium и Pentium II 64-разрядная, поэтому 32-разрядные SIMM-модули ставят в банки попарно, а 64-разрядный DIMM ставят один. Из-за пакетного способа обработки данных из памяти (по 64 бита или 32 бита) увеличилась скорость обмена данными.

Для сокращения простоев во время регенерации, данные, следующие друг за другом в ячейках памяти, помещают в различные банки, из которых CPU должен считывать данные попеременно. Это организовывает контроллер памяти, который логически объединяет 2 банка в один и распределяет адресное пространство так, чтобы соседние адреса были в разных банках.

Рис. 2. Структурная схема динамической памяти В микросхемах SDRAM этот режим реализуется аппаратно на уровне микросхемы.

Метод разбиения памяти на страницы позволяет не повторять сигнал RAS для адреса строк выбираемых ячеек памяти с одной страницы, т.к. адрес строки неизменен.

Обычно память делится на страницы размером 512 байт и более. Кэширование памяти используется для ускорения доступа к данным, находящимся в RAM. Это достигается за счт применения промежуточной быстродействующей памяти небольшой мкости (от 256 Кбайт до 2 Мбайт – буфер между CPU и RAM). Кэш-память синхронная и работает на частоте CPU, а потому нет циклов ожидания.

В Pentium применяли EDO DRAM (Extended Data Output), но в них линии ввода/вывода остаются подключнными до окончания ввода нового адреса, т.е. до начала вывода следующего бита. Происходит одновременное считывание данных и задание адреса следующих данных. На 10 – 15% быстрее FPM DRAM, но на запись это преимущество не распространяется [10].

Микросхема BEDO DRAM (Burst EDO) отличается от EDO наличием генератора номера столбца. Здесь после первого поступления на вход микросхем адреса ячейки и сигналов RAS и CAS, для последующих 4 столбцов сигнал CAS генерируется внутри микросхем.

Микросхемы СDRAM и EDRAM (Cashe DRAM и Enhanced DRAM) содержат немного ячеек быстрой памяти SRAM со временем доступа 10 – 15 нс: на одном кристалле могут находиться 4 Мбайт DRAM и 16 Кбайт SRAM, который можно рассматривать как встроенную кэш-память.

В 1997 году для синхронизации работы памяти и системной шины использовалась микросхема синхронной динамической памяти SDRAM (Sythronous DRAM). Метод доступа к строкам и столбцам данных – как в DRAM. Отличие в том, что память и CPU работают синхронно, без циклов ожидания. Современные микросхемы работают на тактовых частотах CPU 66, 75, 83, 100, 125 и 133 МГц. Есть чередование адресов и пакетный режим, а также 3-ступенчатая конвейерная адресация, позволяющая запрашивать данные до завершения обработки предыдущих. Здесь 2 и более банков. Сейчас SDRAM заменила память типа FPM и DRAM. Модули памяти PC 100/ SDRAM выпущены в корпусе TSOP. Количество их выводов зависит от глубины адресного пространства микросхем.

ESDRAM является расширением микросхемы SDRAM. Работает на частоте системной шины 66, 100 и 166 МГц, время рабочего цикла – 8 нс, совместима с PC 100 SDRAM.

DDR SDRAM (SDRAM II) – Double Date Rate – удвоенная скорость передачи данных. Состоит из 4 независимых банков, в которых команды обрабатываются параллельно. В маркировке у них не частота, а пропускная способность: PC 1 600 для 100 МГц и PC 2 100 для 133 МГц. Их поддерживает чипсет корпорации VIA – VIA Apollo KX-266, AMD – Chipset AMD 760.

В микросхеме RDRAM фирмы RAMBUS организация банков выборки данных из памяти построена по-другому. Шина данных 16-разрядная и 8разрядная шина управления. Тактовая частота 400 МГц, но данные пересылаются по переднему и заднему фронту синхроимпульса:

16 бит * 400 МГц * 2 = 1,6 Гбайт/с.

Здесь по одной шине передатся адрес строки, а по другой – адрес столбца. Передача адресов осуществляется последовательными пакетами.

В процессе работы выполняется конвейерная выборка из памяти, причм адрес может передаваться одновременно с данными.

Ёмкость микросхем 16, 32, 64, 128 и 256 Мбайт. Планируется 512 и Гбайт.

Для этой памяти разработаны чипсеты Intel 810, Intel 810E, Intel 820, Intel 840 и Intel 845.

В SLDRAM (Sync Linc DRAM) используется классическое ядро DRAM.

Для этой памяти в стандарте предусмотрен протокол пакетной передачи адреса.

Характеристики различных типов памяти приведены в табл. 6.

В первом поколении были 16-разрядные шины данных на частоте МГц. Передача идт по фронту и спаду тактового сигнала, а потому пропускная способность: 16 бит * 400 МГц * 2 = 1,6 Гбайт/с.

нала нала нала

4.3. МОДУЛИ ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ОПЕРАТИВНОЙ ПАМЯТИ

Первые микросхемы памяти размещали в DIP-корпусах (Dual In-line Package). У таких микросхем 24 вывода – расположены по бокам корпуса.

Кристалл, на котором находятся ячейки памяти, значительно меньше корпуса. SIP-модули Single In-line Package были с 30 выводами в один ряд. Состояли из 9 микросхем DRAM и имели длину 8 см, высоту 1,7 см и использовались в процессорах I 80386. Время доступа 70 нс. Типы модулей даны в [1].

В настоящее время на модули памяти устанавливаются микросхемы в корпусах SOJ (Small Outline J-shaped) и TSOP (Thin Small Outline Package).

Корпус SOJ похож на DIP, но выводы изогнуты в виде буквы J. Их устанавливают на SIMM-модули и применяют для расширения памяти на видеокартах. SIMM – Single In-line Package выпускали с 30, а сейчас с 72 контактами.

В Pentium 4 они используются с микросхемами EDO DRAM. Время доступа 60 нс. Кроме микросхем DRAM на них тесть ещ миниатюрные конденсаторы. С CPU 80486 использовались SIMM-модули с микросхемами FPM DRAM, а в Pentium – с EDO DRAM.