Архітектура комп'ютерів

 

Современные системные  платы кроме основного набора системных микросхем имеют другие микросхемы, реализующие много функциональных и даже интеллектуальных технологий. Например, в 2003 году фирма ASUS представила на рынке серию системных плат AI (Artificial Intelligence — «искусственный разум»), имеющих наряду с прилагаемым к ним программным обеспечением фирменных функций весьма удобный пользовательский интерфейс.

Системные платы ASUS P4P800 и ASUS P4C800 поддерживают такие, например, интеллектуальные технологии:

□   AI Net — диагностика состояния локальных компьютерных сетей (с помощью специальной прилагаемой утилиты Virtual Cable Nester) и поддержание высокой (1 Гбит/с) пропускной способности сети с помощью встроенного контроллера;

□   AI BIOS — обнаружение сбоев в программах BIOS: при обновлении программ и при атаках вирусов функция CrashFree BIOS обнаруживает сбои и выполняет ввод нового программного кода с системной дискеты;

□   AI Overclocking — подстройка частоты микропроцессора — автоматический разгон процессора (увеличение его частоты на 33 %) в допустимых случаях с одновременной подстройкой напряжения питания модулей оперативной памяти и видеоадаптера; выполняется также регулировка скорости вращения процессорного вентилятора;

□   AI Audio — обнаружение подключения аудиоустройств и др.;

□   функции автоматической диагностики каналов связи локальных  компьютерных сетей, имеют технологии восстановления программ BIOS, функции управления стереозвуком.

При выборе системной платы следует учитывать:

□   микропроцессор, который должен быть установлен на плате;

□   типоразмер системной  платы (должен быть согласован с возможностями  системного блока);

□   тактовую частоту, на которой работает системная плата;

□  набор основных и вспомогательных микросхем (чипсет), обеспечивающих эффективную работу ПК;

□   основную, локальные  и периферийные шины, с которыми плата может работать, и количество слотов для них;

□   наличие или  возможность установки кэш-памяти;

□   наличие разъемов для подсоединения микросхем (разъем для процессора Over Drive, слоты для микросхем памяти и т. д.).

 

 

Вопросы для  самопроверки

1.   Поясните роль  системной платы в ПК.

2.   Назовите основные  устройства, расположенные на системной  плате ПК.

3.   Назовите основные форматы системных плат.

4.   Дайте краткую  характеристику системных плат.

5.   Что такое  системная микросхема (чипсет), какие  функции она выполняет?

6.   Рассмотрите  особенности чипсетов семейства  900.

7.   Что такое  северный мост и южный мост чипсета, каково их назначение?

8.  Охарактеризуйте  функциональные возможности ПК, поддерживаемые системной микросхемой.

9.   Сформулируйте  назначение CMOS-памяти, устанавливаемой на системной плате.

10.   Определите назначение  микросхемы ПЗУ, устанавливаемой на системной плате.

11.   Назовите и охарактеризуйте  уровни кэш-памяти, устанавливаемой  на системной плате.

12.   Назовите основные параметры,  которые следует учитывать при  выборе системной платы.

                  

 

Лекция 9

Интерфейсные системы ЭВМ

 

Интерфейс (interface) — совокупность средств сопряжения и связи, обеспечивающая эффективное взаимодействие систем или их частей.

(В компьютерной литературе иногда  вместо термина «интерфейс» употребляют  термины «контроллер» или «адаптер».  Строго говоря, это не совсем верно, так как контроллер (controller) управляет интерфейсом и обеспечивает его работоспособность, адаптер (adapter) же отвечает за совместимость интерфейсов.)

В интерфейсе обычно предусмотрено  сопряжение на двух уровнях:

□   механическом (провода, элементы связи, типы соединений, разъемы, номера контактов и т. п.);

□ логическом (сигналы, их длительности, полярности, частоты и амплитуда, протоколы взаимодействия).

В современных интерфейсах для  формирования стандарта подключения  устройств к системе широко используются наборы микросхем, генерирующих стандартные сигналы. Это существенно усложняет и удорожает не только сам интерфейс, но и компьютер в целом.

Все интерфейсы ЭВМ можно разделить  на внутримашинные и внешние. Внутримашинный интерфейс — система связи и сопряжения узлов и блоков компьютера между собой; внешние интерфейсы обеспечивают связь компьютера с внешними (периферийными) устройствами и другими компьютерами.

Внутримашинный интерфейс представляет собой совокупность электрических  линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов. Существуют два варианта организации внутримашинного интерфейса:

□   многосвязный интерфейс: каждый блок ПК соединен с прочими блоками своими локальными проводами; многосвязный интерфейс иногда применяется в качестве периферийного интерфейса (для связи с внешними устройствами ПК), дополняющего системный, а в качестве системного — лишь в некоторых простых компьютерах;

□   односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую, или системную, шину).

 

В подавляющем большинстве современных  ПК в качестве системного интерфейса используется системная шина. Шина (bus) — совокупность линий связи, по которым информация передается одновременно. Под основной, или системной, шиной обычно понимается шина между процессором и подсистемой памяти. Шины характеризуются разрядностью и частотой. Структура и состав системной шины рассмотрены в разделе «Основные блоки ЭВМ, их назначение и функциональные характеристики».

Важнейшими функциональными  характеристиками системной шины являются количество обслуживаемых ею устройств  и ее пропускная способность (максимально  возможная скорость передачи информации), которая зависит от разрядности  шины (8-, 16-, 32- и 64-разрядные шины) и тактовой частоты, на которой шина работает. Разрядность, или ширина шины (bus width), — количество линий связи в шине, то есть число битов, которое может быть передано по шине одновременно. Тактовая частота шины (bus frequency) — частота, с которой передаются последовательные биты информации по линиям связи.

В качестве системной  шины в разных ПК использовались и  могут использоваться:

□   шины расширений — шины общего назначения, позволяющие  подключать большое число самых  разнообразных устройств;

□   локальные шины, часто специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного  класса, преимущественно видеосистем.

В компьютерах широко используются также периферийные шины — интерфейсы для внешних запоминающих и многочисленных периферийных медленно действующих устройств. Сравнительные технические характеристики некоторых шин приведены в табл. 10.1.

 

Шины расширений

1.   Шина PC/XT — 8-разрядная шина  данных и 20-разрядная шина адреса, рассчитанная на тактовую частоту 4,77 МГц; имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память (каналы DMA — Direct Memory Access). Шина адреса ограничивала адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт. Использовалась с МП 8086, 8088.

2.   Шина PC/AT — 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота до 8 МГц, но может применяться и МП с тактовой частотой 16 МГц, так как контроллер шины способен делить частоту пополам; имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 канала DMA. Использовалась с МП 80286, совместима и с МП с тактовой частотой больше 66 МГц (коэффициент деления увеличен); увеличено количество линий аппаратных прерываний с 4 до 15 и каналов прямого доступа к памяти (DMA) с 4 до 7. Благодаря 24-разрядной шине адреса адресное пространство увеличилось с 1 до 16 Мбайт. Теоретическая пропускная способность шины данных равна 16 Мбайт/с, но реально она ниже, около 5,5 Мбайт/с, ввиду ряда особенностей ее использования.

3. Шина ISA (Industry Standard Architecture — промышленная стандартная архитектура) представлена в двух версиях: для IBM PC/XT (1981 год) и для PC AT (1984 год). Она использовалась в первом компьютере IBM PC, и тогда это было неофициальное название шины IBM PC/XT, позволяющей добавлять в систему различные устройства. Часто возникает путаница относительно ее характеристик, поскольку в новых компьютерах эта шина не применяется, а фирма IBM до 1987 года не публиковала ее полного описания и временных диаграмм сигналов.

Конфигурация системы с шиной  ISA показана на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Конфигурация системы  с шиной ISA

 

ISA — основная шина на устаревших материнских платах. С появлением 32-разрядных высокоскоростных МП шина ISA стала существенным препятствием увеличения быстродействия ПК. Раньше с помощью интерфейса ISA подключались такие устройства, как видеокарты, модемы, звуковые карты и т. д. На современных материнских платах этот интерфейс либо совсем отсутствует, либо имеется всего 1-2 слота. Конструктивно слот ISA представляет собой разъем, состоящий из двух частей — 62-контактного и примыкающего к нему (в PC AT) 36-контактного сегментов.

4. Шина EISA (Extended ISA) — 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, создана в 1989 году как функциональное и конструктивное расширение ISA. Адресное пространство шины 4 Гбайт, работает на частоте 8-10 МГц. Теоретическая пропускная способность шины — 33 Мбайт/с, причем скорость обмена по каналу МП — кэш — ОП определяется параметрами микросхем памяти; увеличено число разъемов расширений — теоретически может подключаться до 15 устройств (практически до 10). Улучшена система прерываний, поддерживается Bus Mastering — режим единоличного управления шиной со стороны любого из устройств на шине, имеет систему арбитража для управления доступом устройств к шине. Обеспечивается автоматическое конфигурирование системы и управление DMA. Шина поддерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем. Шина EISA весьма дорогая и применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях. Внешне слоты шины на СП имеют такой же вид, как и ISA, и в них могут вставляться платы ISA, но в глубине разъема находятся дополнительные ряды контактов EISA, а платы EISA имеют более высокую ножевую часть разъема с дополнительными рядами контактов.

5. Шина MCA (Micro Channel Architecture) — 32-разрядная шина, созданная фирмой IBM в 1987 году для машин PS/2, пропускная способность 76 Мбайт/с, рабочая частота 10-20 МГц. По своим прочим характеристикам близка к шине EISA, но не совместима ни с ISA, ни с EISA. Поскольку компьютеры PS/2 не получили широкого распространения, в первую очередь ввиду отсутствия наработанного обилия прикладных программ, шина МСА также используется не очень широко. Второй важной причиной отсутствия спроса на МСА является несовместимость плат адаптеров ISA с МСА. И не последнюю роль сыграл тот факт, что IBM потребовала от всех изготовителей, желающих приобрести права на использование этой шины, заплатить за использование ISA во всех выпущенных ранее компьютерах. Собственно говоря, это и повлекло за собой разработку альтернативы — EISA.

 

Локальные шины

Современные вычислительные системы  характеризуются:

□   стремительным ростом быстродействия микропроцессоров и некоторых внешних  устройств 

□   появлением программ, требующих  выполнения большого количества интерфейсных операций (например, программы обработки графики в Windows, мультимедиа).

В этих условиях пропускной способности  шин расширения, обслуживающих одновременно несколько устройств, оказалось  недостаточно для комфортной работы пользователей, поскольку компьютеры стали подолгу «задумываться». Разработчики интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП, работающих на тактовой частоте МП (но не на внутренней рабочей его частоте) и обеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП устройствами: основной и внешней памятью, видеосистемами и т. д.

1. Шина VLB (VL-bus, VESA Local Bus) представлена в 1992 году ассоциацией стандартов видеоэлектроники (VESA — торговая марка Video Electronics Standards Association), и поэтому часто ее называют шиной VESA. Шина VLB, по существу, является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже с жестким диском, платами мультимедиа, сетевым адаптером. Разрядность шины для данных — 32 бита, для адреса — 30 бит, реальная

скорость передачи данных по VLB — 80 Мбайт/с, теоретически достижимая — 132 Мбайт/с (в версии 2 — 400 Мбайт/с).

Недостатки шины VLB:

О ориентация только на МП 80386, 80486 (не адаптирована для процессоров класса Pentium);

О жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту до 33 МГц);

О малое количество подключаемых устройств  — к шине VLB может подключаться только четыре устройства;

О отсутствует арбитраж шины —  могут быть конфликты между подключаемыми устройствами.

2. Шина PCI (Peripheral Component Interconnect, соединение периферийных компонентов) — самый распространенный и универсальный интерфейс для подключения различных устройств. Базовая версия PCI 1.0 (IEEE 1.386 (Institute of Electrical and Electronic Engineers 1.386 — стандарт Института инженеров по электротехнике и электронике 1.386) разработана в 1991 году фирмой Intel с целью создать шину, способную заменить все существующие, часто несовместимые шинные интерфейсы, такие как ISA, EISA, MCA, VLB. Шина PCI 1.0 является намного более универсальной, чем VLB; допускает подключение до 10 устройств; имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП от 80486 до современных Pentium. Тактовая частота PCI 1.0 — 33 МГц, разрядность — 32 разряда для данных и 32 разряда для адреса с возможностью расширения до 64 разрядов, теоретическая пропускная способность 132 Мбайт/с, а в 64-разрядном варианте — 264 Мбайт/с.