Архітектура комп'ютерів

Точка доступа (ее называют иногда «хот спот», hot spot) содержит приемопередатчик, контроллер проводного сетевого интерфейса (обычно Ethernet) и программное обеспечение, реализующее функции моста. Точки доступа, размещенные по периметру сети, позволяют абонентам с ноутбуками и КПК, имеющими мобильные точки доступа, перемещаться внутри офиса или иного здания (вокзал, ресторан, гостиница и т. п.), не теряя связи с другими абонентами сети. К одной точке доступа может подключаться одновременно несколько десятков абонентов. При увеличении расстояния до очередной точки доступа или увеличении интенсивности помех скорость передачи данных автоматически уменьшается.

 

Интерфейсы WiMax

Технология беспроводной связи  WiMax — это коммерческое название стандарта IEEE 802.16a, заявленного в январе 2003 года. Это третья версия стандарта IEEE 802.16, впервые предложенного в декабре 2001 года: этот стандарт работал в полосе частот 10-66 ГГц и обеспечивал передачу данных со скоростью 134 Мбит/с только в пределах прямой видимости. Дальность связи была до 5 км. В декабре 2002 года появился стандарт IEEE 802.16c, отличающийся от предшественника лишь универсальностью оборудования.

Третья версия стандарта IEEE 802.16a (разработанная альянсом WiMax) использует более низкий диапазон частот — от 2 до 11 ГГц, соответственно, увеличилась дальность связи до 50 км. Связь осуществляется и не в пределах прямой видимости, но снизилась скорость передачи до 75 Мбит/с. В сентябре 2003 года альянс WiMax выпустил версию IEEE 802.16е, и, наконец, в 2006 году ожидается версия IEEE 802.20, предназначенная для глобальных сетей. Основные характеристики сетевых беспроводных стандартов показаны в табл. 10.3.

Таблица 10.3. Характеристика беспроводных интерфейсов

Стандарт	IEEE 802.11а	IEEE 802.11b	IEEE 802.11g	IEEE 802.16	IEEE 802.16a	IEEE 802.16e	IEEE 802.20
Дата создания	1997	1999	2000	2001	2003	2003	2006
Область применения	LAN	LAN	LAN	MAN	MAN	MAN	WAN
Дальность действия, км	0,1	0,3	0,3	5	50	20	>100
Частотный диапазон, ГГц	2,4 и 5	2,4 и 5	2,4 и 5	10-66	2-11	2-6	<3,5
Прямая видимость	Нужна	Нужна	Нужна	Нужна	Не нужна	Не нужна	Не нужна
Поддержка мобильности	Есть	Есть	Есть	Нет	Нет	Есть	Есть
Пропускная способность, Мбит/с	7	14	56	134	75	15	6

Интерфейс WiMax разрабатывался для организации работы беспроводных сетей, охватывающих большие города и регионы (его часто называют стандартом для Wireless MAN — Metropolitan Area Network — беспроводной сети для городских регионов). По структуре эти интерфейсы очень похожи на традиционный стандарт сети сотовой связи. Для WiMax тоже необходимы базовые станции. Но для станций этого стандарта очень высокие вышки не нужны (вполне подходят и крыши домов).

Разработкой беспроводных стандартов занимается не только Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), но и Европейский институт стандартов по телекоммуникациям (ETSI). Линейка беспроводных интерфейсов ETSI содержит следующие стандарты: HiperPAN, HiperLAN, HiperMAN, HiperAccess. Интенсивно ведутся работы по совместимости этих стандартов со стандартами IEEE.

Таким образом, интерфейсы WiMax и Wi Fi взаимно дополняют друг друга: WiFi используется в локальных сетях внутри помещений или на небольших открытых площадках, a WiMax — для организации более глобальной связи в регионе, городе и т. п. Уже есть проект, например, полной беспроводной интернетизации Санкт-Петербурга, предусматривающий полный охват города путем возведения 6 приемопередающих вышек высотой до 100 м. При наличии мобильности и ро-уминга пользователь может работать в помещении по протоколу WiFi, а выйдя из помещения, продолжать работать, автоматически перейдя на протокол WiMax.

Начало этого тысячелетия  знаменуется кардинальным обновлением  интерфейсов ЭВМ. Фирма Intel и ее сподвижники почти все порты (COM, LPT, PS/2) и параллельные интерфейсы (ISA, PCI, IDE-ATА) меняют на скоростные последовательные. Уже появились системные платы, использующие только интерфейсы USB, не за горами время, когда мы сможем встретить только интерфейсы Serial ATA или PCI Express. А связь с внешними устройствами, тем более с локальными и корпоративными сетями, будет исключительно беспроводной.

 

Прочие интерфейсы

□   PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association — ассоциация производителей плат памяти для персональных компьютеров) — внешняя шина компьютеров класса ноутбуков. Другое название модуля PCMCIA — PC Card. Шина имеет разрядность 16/26 (данные/адрес, адресное пространство — 64 Мбайт), поддерживает автоконфигурирование, возможно подключение и отключение устройств в процессе работы компьютера. Конструктив — миниатюрный 68-контактный разъем. Контакты питания сделаны более длинными, что позволяет вставлять и вынимать карту при включенном питании компьютера.

□   ACPI (Advanced Configuration Power Interface — расширенный интерфейс конфигурирования и питания) — интерфейс, представляющий собой единую систему управления питанием для всех компонентов компьютера. Поддерживается новейшими модификациями BIOS материнских плат.

Эволюция интерфейсных систем ЭВМ показана рис. 10.5.

Рис. 10.5. Эволюция интерфейсных систем ЭВМ

 

 

Вопросы для  самопроверки

1.   Что такое интерфейс?

2.   Какие функции выполняет  интерфейс?

3.   Дайте краткую характеристику  шины ISA.

4.   Дайте краткую характеристику  семейства интерфейсов PCI.

5.   Дайте краткую характеристику шин AGP.

6.   Дайте краткую характеристику  шин USB.

7.   Дайте краткую характеристику  дисковых интерфейсов ATA, ATAPI, SCSI.

8.   Дайте краткую характеристику  шины Serial ATA.

9.   Дайте краткую  характеристику шины Serial Attached SCSI.

10.   Дайте краткую  характеристику шины IEEE 1394 (Fire Wire).

11.   Дайте краткую  характеристику семейства последовательных  интерфейсов PCI Express.

12.  Дайте краткую  характеристику семейства инфракрасных  интерфейсов IrDA.

13.  Дайте краткую  характеристику радиоинтерфейсов Bluetooth.

14.  Дайте краткую  характеристику семейства беспроводных  интерфейсов IEEE 802.11 (WiFi)

15.  Дайте краткую  характеристику семейства беспроводных  интерфейсов IEEE 802.16 (WiMax).

 

Лекция 12

Запоминающие устройства ПК

 

Персональные компьютеры имеют четыре уровня памяти:

□   микропроцессорная  память (МПП);

□   регистровая  кэш-память;

□   основная память (ОП);

□   внешняя память (ВЗУ).

Две важнейших характеристики (емкость памяти и ее быстродействие) указанных типов памяти приведены в табл. 11.1.

Таблица 11.1. Сравнительные характеристики запоминающих устройств

Тип памяти	Емкость	Быстродействие
МПП	Десятки байт	tобр = 0,001-0,002 мкс
Кэш-память	Сотни килобайт	tобр =  0,002-0,01 мкс
ОП, в том числе:
ОЗУ	Десятки—тысячи мегабайт	tобр = 0,005-0,02 мкс
ПЗУ	Сотни килобайт	tобр = 0,035-0,1 мкс
ВЗУ, в том числе:
НМД	Десятки—сотни гигабайт	tдост = 5-30 MC, vсчит = 500-3000 Кбайт/с
НГМД	Единицы мегабайт	tдост = 65-100 MC, vсчит = 40-150 Кбайт/с
CD-ROM	Сотни — тысячи мегабайт	tдост = 50-300 мс, vсчит = 150-5000 Кбайт/с

Быстродействие первых трех типов запоминающих устройств  измеряется временем обращения (t_обр)  ним, а быстродействие внешних запоминающих устройств — двумя параметрами: временем доступа (t_дост) и скоростью считывания (v_счит):

□   t_обр — сумма времени поиска, считывания и записи информации (в литературе это время часто называют временем доступа, что не совсем строго);

□   t_дост — время поиска информации на носителе;

□   v_счит^— скорость последовательного считывания смежных байтов информации.

Напомним общепринятые сокращения: с — секунда, мс — миллисекунда, мкс — микросекунда, нс — наносекунда; lc = 10³мс = 10⁶мкс = 10⁹нс.

 

Статическая и динамическая оперативная память

Оперативная память может составляться из микросхем динамического (Dynamic Random Access Memory — DRAM) или статического (Static Random Access Memory — SRAM) типа.

Память статического типа обладает существенно более высоким быстродействием, но значительно дороже DRAM. B статической памяти элементы (ячейки) построены на различных вариантах триггеров — схем с двумя устойчивыми состояниями. После записи бита в такую ячейку она может пребывать в этом состоянии столь угодно долго — необходимо только наличие питания. При обращении к микросхеме статической памяти на нее подается полный адрес, который при помощи внутреннего дешифратора преобразуется в сигналы выборки конкретных ячеек. Ячейки SRAM имеют малое время срабатывания (единицы наносекунд), однако микросхемы на их основе отличаются низкой удельной емкостью (единицы мегабит на корпус) и высоким энергопотреблением. Поэтому статическая память используется в основном в качестве микропроцессорной и буферной (кэш-память).

В динамической памяти ячейки построены на основе полупроводниковых областей с накоплением зарядов — своеобразных конденсаторов, — занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггеры, и практически не потребляющих энергии при хранении. Конденсаторы расположены на пересечении вертикальных и горизонтальных шин матрицы; запись и считывание информации осуществляется подачей электрических импульсов по тем шинам матрицы, которые соединены с элементами, принадлежащими выбранной ячейке памяти. При обращении к микросхеме на ее входы вначале подается адрес строки матрицы, сопровождаемый сигналом RAS (Row Address Strobe — строб адреса строки), затем через некоторое время — адрес столбца, сопровождаемый сигналом CAS (Column Address Strobe — строб адреса столбца). Поскольку конденсаторы постепенно разряжаются (заряд сохраняется в ячейке в течение нескольких миллисекунд), во избежание потери хранимой информации заряд в них необходимо постоянно регенерировать, отсюда и название памяти — динамическая. На подзарядку тратится и энергия, и время, что снижает производительность системы.

Ячейки динамической памяти по сравнению со статической имеют большее время срабатывания (десятки наносекунд), но большую удельную плотность (порядка десятков мегабит на корпус) и меньшее энергопотребление. Динамическая память используется для построения оперативных запоминающих устройств основной памяти ПК.

 

Регистровая кэш-память

Регистровая кэш-память — высокоскоростная память сравнительно большой емкости, являющаяся буфером между ОП и МП и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя, отсюда и название «кэш» (cache), что в переводе с английского означает «тайник».

В современных материнских платах применяется конвейерный кэш  с блочным доступом (Pipelined Burst Cache). В кэш-памяти хранятся копии блоков данных тех областей оперативной памяти, к которым выполнялись последние обращения и весьма вероятны обращения в ближайшие такты работы, — быстрый доступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. При выполнении программы данные, считанные из ОП с небольшим опережением, записываются в кэш-память. В кэш-память записываются и результаты операций, выполненных в МП.

По принципу записи результатов  в оперативную память различают  два типа кэшпамяти:

□ в кэш-памяти «с обратной записью» результаты операций прежде, чем быть записанными в ОП, фиксируются, а затем контроллер кэш-памяти самостоятельно перезаписывает эти данные в ОП;

□ в кэш-памяти «со сквозной записью» результаты операций одновременно, записываются и в кэш-память, и в ОП.

Микропроцессоры, начиная от МП 80486, обладают встроенной в основное ядро МП кэш-памятью (или кэш-памятью 1-го уровня — L1), чем, в частности, и обусловливается их высокая производительность. Микропроцессоры Pentium имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд: у Pentium емкость этой памяти небольшая — по 8 Кбайт, у Pentium MMX — по 16 Кбайт. У Pentium Pro и выше кроме кэш-памяти 1-го уровня есть и встроенная на микропроцессорную плату кэш-память 2-го уровня (L2) емкостью от 128 до 2048 Кбайт. Эта встроенная кэш-память работает либо на полной тактовой частоте МП, либо на его половинной тактовой частоте.

Следует иметь в виду, что для  всех МП может использоваться дополнительная кэш-память 2-го (L2) или 3-го (L3) уровня, размещаемая на материнской плате вне МП, емкость которой может достигать нескольких мегабайт (кэш на материнской плате относится к уровню 3, если МП, установленный на этой плате, имеет кэш 2-го уровня). Время обращения к кэш-памяти зависит от тактовой частоты, на которой кэш работает, и составляет обычно 1-2 такта. Так, для кэшпамяти L1 МП Pentium характерно время обращения 2-5 нс, для кэш-памяти L2 и L3 это время доходит до 10 нс. Пропускная способность кэш-памяти зависит и от времени обращения, и от пропускной способности интерфейса и лежит в широких пределах от 300 до 30000 Мбайт/с.