7. Набор микросхем системной платы. Система прерываний и конфигурация системной платы. Параллельные и последовательные порты. Обзор современных моделей.

Это одна или несколько микросхем, таймеры, системы управления, специально разработанные для "обвязки" процессора.

Тип набора в основном определяет функциональные возможности платы: типы поддерживаемых процессоров, структура/объем кэша, возможные сочетания типов и объемов модулей памяти, поддержка режимов энергосбережения, возможность программной настройки параметров и т.п.

На одном и том же наборе может выпускаться несколько моделей системных плат, от простейших до довольно сложных. Наличие интегрированных возможностей видео/аудио/сеть/модем/SCSI).

На некоторых материнских платах интегрируют дополнительные возможности, которые обычно находятся на платах расширения. При такой интеграции повышается надежность системы (меньшее количество контактов), и плата стоит дешевле, чем материнская плата с платой расширения.

Но модернизировать такую плату дороже (нет возможности сдать старую плату расширения). Возможности разгона. Для эффективного разгона процессора необходима возможность менять частоту шины и напряжение питания процессора. Эти функции могут быть реализованы с помощью перемычек на плате или через настройки в BIOS. Для существенного подъема частоты шины надо иметь быструю память, способную работать на этой частоте.

8. Характеристики процессоров. Режимы работы.

Процессор – отвечает за обработку данных и выполняет вычисления

Однокристальные, многокристальные, многокристальные секционные

Частота процессора- это количество элементарных операций, которые процессор может выполнить в течение секунды. Для ЦПУ значение измеряются в гигагерцах (ГГц)

Системная шина (FSB) – канал по которому процессор соединен с другими устройствами компьютера

Кеш-память — это быстродействующая память, которая хранит информацию из оперативной памяти, для более быстрого доступа к ней.

Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней (маркируются L1, L2 и L3).

Сокет – разъём, в который помещается процессор. Материнская плата должна поддерживать точно такой сокет, какой будет у процессора.

Разрядность. Когда говорят о разрядности процессора х64, это значит, что он имеет 64-разрядную шину данных, и 64 бита он обрабатывает за один такт.

Количество ядер: На данный момент в продаже имеются одно-, двух-, четырёх- и шестиядерные процессоры.

Режим реальной адресации (real address mode), или просто реальный режим (real mode), полностью совместим с 8086. В этом режиме возможна адресация до 1 Мбайт физической памяти (на самом деле, как и у 80286, почти на 64 Кбайт больше).

Защищенный режим виртуальной адресации (protected virtual address mode), или просто защищенный режим (protected mode). В этом режиме у процессора включаются механизмы сегментации и страничной трансляции. Механизм сегментации позволяет поддерживать виртуальную память объемом до 64 Тбайт. На практике используется только страничная трансляция, благодаря которой каждой задаче предоставляется до 4 Гбайт виртуального адресного пространства. По умолчанию и адреса, и операнды имеют разрядность 32 бита1. В защищенном режиме процессор может выполнять дополнительные инструкции, недоступные в реальном режиме; ряд инструкций, связанных с передачей управления, обработкой прерываний, и некоторые другие выполняются иначе, чем в реальном режиме.

Режим виртуального процессора 8086 (Virtual 8086 Mode, V86) является особым состоянием задачи защищенного режима, в котором процессор функционирует как 8086 (16-битные адрес и данные). На одном процессоре в таком режиме могут параллельно исполняться несколько задач с изолированными друг от друга ресурсами. При этом использование физического адресного пространства памяти управляется механизмами сегментации и трансляции страниц. Попытки выполнения недопустимых команд, выхода за рамки отведенного пространства памяти и разрешенной области ввода-вывода контролируются системой защиты.

«Нереальный» режим (unreal mode, он же big real mode) — это «неофициальный» режим, который поддерживают все 32-битные процессоры. Он позволяет адресоваться к 4-гигабайтному пространству памяти. В этом режиме инструкции исполняются так же, как и в реальном режиме, но с помощью дополнительных сегментных регистров FS и GS программы получают непосредственный доступ к данным во всей физической памяти.

В режиме системного управления (System Management Mode, SMM) процессор выходит в иное, изолированное от остальных режимов пространство памяти. Этот режим используется в служебных и отладочных целях

¦ 64-битный режим (64-bit mode) — это режим полной поддержки 64-битной виртуальной адресации и 64-битных расширений регистров. В этом режиме используется только плоская модель памяти (общий сегмент для кода, данных и стека).

режим совместимости (compatibility mode) позволяет 64-битным ОС работать с 32- и 16-битными приложениями. Для приложений процессор выглядит как обычный 32-битный со всеми атрибутами защищенного режима, сегментацией и страничной трансляцией

9. Классификация и типы процессоров. Конструктивное исполнение.

Процессор ПК – это основной компонент компьютера, его «мозг», скажем так. Он выполняет все логические и арифметические операции, которые задает программа. Кроме этого он выполняет управление всеми устройствами компьютера. Устройство процессора компьютера - что собою представляет современный процессор. Сегодня процессоры изготавливаются в виде микропроцессоров. Визуально микропроцессор – это тонкая пластинка кристаллического кремния в форме прямоугольника. Площадь пластины несколько квадратных миллиметров, на ней расположены схемы, которые обеспечивают функциональность процессора ПК. Как правило, пластинка защищена керамическим или пластмассовым плоским корпусом, к которому подсоединена посредством золотых проводков с металлическими наконечниками. Такая конструкция позволяет подсоединить процессор к системной плате компьютера. Из чего состоит процессор ПК? шины адресов и шины данных; арифметико-логическое устройство; Классификация процессоров: 1) однокристальный  2) многокристальный 3) многокристальный секционный

По числу больших интегральных схем в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.  Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно. Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями. Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС в них добавляются средства "стыковки". Классификация по назначению

        Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.

      Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных. Например, конволюция позволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся к сравнению всего двух серий данных: входных, передаваемых формой сигнала, и фиксированных опорных и к определению их подобия. Конволюция дает возможность в реальном масштабе времени находить соответствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными эталонными сигналами, что, например, может позволить эффективно выделить полезный сигнал на фоне шума.

 

Классификация по характеру временной организации работы

Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.

 

Классификация по количеству выполняемых программ

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

Типы процессоров В основном в микропроцессоры встроены микроконтроллеры. Второй по распространенности тип процессора - общий процессор для настольных ПК, таких как Intel Pentium или AMD Athlon's. Менее распространены чрезвычайно мощные процессоры, используемые для высокопроизводительных серверов, таких как сервер Sun SPARC, IBM Power, или Intel Itanium. Исторически микропроцессоры и микроконтроллеры пришли со "стандартными размерами" от 8 бит, 16 бит, 32 бит, 64 бит. Эти размеры являются общими, но это вовсе не означает, что других размеров нет. Некоторые микроконтроллеры (как правило, специально разработанные встроенные чипы) могут быть других "нестандартных" размеров, таких как 4 бит, 12 бит, 18 бит или 24 бит. Число битов определяет разрядность внутренних регистров и исполнительных модулей. Разрядность внешних шин, а следовательно и размер адресуемого адресного пространства, а так же способность читать/писать данные определенного размера НЕ являются определяющими в разрядности микропроцессора. Например большинство 8 разрядных процессоров способны адресовать более 256 байт. Например, 8-битный процессор Zilog Z180 мог работать в 20-битном адресном пространстве (1 Мб). В то же время 16-разрядный процессор Intel 8088, стоявший в первых компьютерах IBM PC, мог работать в 20-битном адресном пространстве (т.е. был способен адресовать до 1 Мб), но при этом мог читать или писать не более 8 бит данных.

конструктивное исполнение (Slot I, Slot 2, Socket 340, Socket 478, Slot A, Socket A)

10. Обзор основных современных моделей.

Тактовая частота процессора 

 Количество ядер 

Объем кэш-памяти у процессоров

 Ядро

Технический процесс 

10. Оперативная память: основные принципы функционирования.

Ddr1/2/3

В настоящее время динамическая память DRAM (Dynamic Random Access Memory) используется в качестве оперативной памяти компьютера, а статическая память SRAM (Static Random Access Memory) — для создания высокоскоростной кэш­памяти процессора.

Общеизвестен тот факт, что производительность компьютера на прямую зависит от объема установ­ленной на него оперативной памяти. Память лишней не быть не может — этот основной принцип, высказанный еще в конце 1940-х годов фон Нейманом, и по ныне остается очень актуальным. Поэтому на вопрос: «А сколько все же памяти нужно ставить на ПК?» — ответ один: чем больше, тем лучше. Каких нибудь шесть лет назад для рабочих ПК вполне было достаточно 64-128 Мбайт оперативной памяти, теперь же нужно иметь не менее 2 Гбайт. Впрочем, объем устанавливаемой оперативной памяти — это еще далеко не все. Если несколько лет назад доминирующее положение на рынке занимала память DDR2-400/533/667/800, то в 2010 году компьютерная индустрия завершит переход на DDR3. Поэтому актуальным становится вопрос о выборе типа устанавливаемой памяти. В этой главе мы проведем краткий ликбез по различным типам и технологиям памяти и рассмотрим основные различия типов памяти между собой. Однако, чтобы разобраться во всех этих достижениях научной мысли, нам придется сделать небольшое отступление и рассказать о главных принципах функционирования оперативной памяти и об истории ее развития. Оперативная память, которая также именуется RAM (Random Access Memory — па­мять с произвольным доступом), используется центральным процессором для совместного хранения данных и исполняемого программного кода. Отличительной особенностью RAM является ее быстродействие, которое очень важно для совре­менных процессоров. По принципам действия RAM можно разделить на динами­ческую и статическую. Различие между этими типами памяти заключается в прин­ципе хранения информации. Поскольку элементарной единицей информации является бит, оперативную память можно рассматривать как некий набор ячеек, каждая из которых может хранить один информационный бит. Различие между динамической и статической памятью заключается в конструктивных особенностях элементарных ячеек для хранения отдельных битов. В статической памяти ячейки построены на различных вариантах триггеров — тран­зисторных схем с двумя устойчивыми состояниями. После записи бита в такую ячейку она может пребывать в одном из этих состояний и сохранять записанный бит сколь угодно долго — необходимо только наличие питания. Отсюда и название памяти — статическая, то есть пребывающая в неизменном состоянии. Достоин­ством статической памяти является ее быстродействие, а недостатками — высокое энергопотребление и низкая удельная плотность данных, поскольку одна триггер- ная ячейка состоит из нескольких транзисторов и, следовательно, занимает немало места на кристалле. К примеру, микросхема емкостью 4 Мбит состояла бы более чем из 24 млн транзисторов, потребляя соответствующую мощность. В динамической памяти элементарная ячейка представляет собой конденсатор, выполненный по КМОП-технологии. Такой конденсатор способен в течение не­которого, хотя и очень малого, промежутка времени сохранять электрический заряд, наличие которого можно ассоциировать с информационным битом. Упрощая, можно сказать, что при записи логической единицы в ячейку памяти конденсатор заряжается, при записи нуля — разряжается. При считывании данных каждый конденсатор разряжается (через схему считывания), и если заряд конденсатора был ненулевым, то на выходе схемы считывания устанавливается единичное зна­чение. Кроме того, поскольку при считывании конденсатор разряжается, его необ­ходимо зарядить до прежнего значения. Поэтому процесс считывания (обращения к ячейке) сочетается с подзарядкой конденсаторов, то есть с регенерацией заряда. К тому же, если обращения к ячейке не происходит в течение длительного времени, то со временем за счет токов утечки конденсатор разряжается (неизбежный физи­ческий процесс) и информация теряется. Вследствие этого память на основе мас­сива конденсаторов требует постоянного периодического подзаряда конденсаторов. Для компенсации утечки заряда применяется регенерация (Memory Refresh), основанная на периодическом циклическом обращении к ячейкам памяти, гак как каждое такое обращение восстанавливает прежний заряд конденсатора. Регенера­ция в микросхеме происходит одновременно по всей строке матрицы при обраще­нии к любой из ее ячеек, то есть достаточно циклически перебрать все строки. К достоинствам динамической памяти относятся высокая удельная плотность размещения данных и низкое энергопотребление, а к недостаткам — низкое быст­родействие по сравнению со статической памятью. В настоящее время динамическая память DRAM (Dynamic Random Access Memory) используется в качестве оперативной памяти компьютера, а статическая память SRAM (Static Random Access Memory) — для создания высокоскоростной кэш­памяти процессора. Микросхемы динамической памяти организованы в виде квадратной матрицы, причем пересечение столбца и строки матрицы задает одну из элемен­тарных ячеек. При обращении к той или иной ячейке памяти необходимо задать адрес нужной строки и столбца. Задание адреса строки происходит, когда на входы матрицы памяти подается специальный стробирующий импульс RAS (Row Address Strobe), а задание адреса столбца — при подаче стробирующего импульса CAS (Column Address Strobe). При этом сигналами для выбора содержимого строки и столбца служат положительные фронты стробирующих импульсов. Импульсы RAS и С AS подаются последовательно друг за другом, причем импульс С AS всегда подается после RAS, то есть сначала происходит выбор строки, а затем выбор столбца. Сам адрес строки и столбца передается по специальной мультиплексиро­ванной шине адреса MA (Multiplexed Address). По логике организации DRAM-память может быть асинхронной и синхронной.

10. Типы памяти. Технические характеристики, конструктивное исполнение. Режимы и технологии работы памяти.

Самые распространённые типы оперативной памяти которые применялись и применяются в персональных компьютерах в обиходе называются SIMM, DIMM, DDR, DDR2, DDR3.

SIMM на 30 контактов. Применялись в персональных компьтерах с процессорами от 286 до 486. Сейчас уже является раритетом.

SIMM на 72 контакта. Память такого типа была двух видов FPM (Fast Page Mode) и EDO (Extended Data Out). Тип FPM использовался на компьютерах с процессорами 486 и в первых Pentium до 1995 года. Потом появился EDO. В отличие от своих предшественников, EDO начинает выборку следующего блока памяти в то же время, когда отправляет предыдущий блок центральному процессору. Конструктивно они одинаковы, отличить можно только по маркировке. Персоналки, поддерживавшие EDO, могли работать и с FPM, а вот наоборот – далеко не всегда.

Так называли тип памяти SDRAM (Synchronous DRAM). Начиная с 1996 года большинство чипсетов Intel стали поддерживать этот вид модулей памяти, сделав его очень популярным вплоть до 2001 года. Большинство компьютеров с процессорами Pentium и Celeron использовали именно этот вид памяти. Дальше пошла эра DDR, и память почти перестали называть симы или димы. Теперь в ходу название DDR (DDR2, DDR3) модуль или планка.

DDR (Double Data Rate) стал развитием SDRAM. Этот вид модулей памяти впервые появился на рынке в 2001 году. Основное отличие между DDR и SDRAM заключается в том, что вместо удвоения тактовой частоты для ускорения работы, эти модули передают данные дважды за один такт.

DDR2 (Double Data Rate 2) – более новый вариант DDR, который теоретически должен быть в два раза более быстрым. Впервые память DDR2 появилась в 2003 году, а чипсеты, поддерживающие ее – в середине 2004. Основное отличие DDR2 от DDR – способность работать на значительно большей тактовой частоте, благодаря усовершенствованиям в конструкции. По внешнему виду отличается от DDR числом контактов: оно увеличилось со 184 (у DDR) до 240 (у DDR2).

Как и модули памяти DDR2, они выпускаются в виде 240-контактной печатной платы (по 120 контактов с каждой стороны модуля), однако не являются электрически совместимыми с последними, и по этой причине имеют иное расположение «ключа».

10. Кэш-память: назначение, виды, применение.

Кэш-память — сверхоперативная память, обращение к которой намного быстрее, чем к оперативной, и в которой хранятся наиболее часто используемые участки последней. При обращении к памяти сначала нужные данные ищутся в кэш-памяти.

Кэш — это память с большей скоростью доступа, предназначенная для ускорения обращения к данным, содержащимся постоянно в памяти с меньшей скоростью доступа (далее «основная память»). Кэширование применяется ЦПУ, жёсткими дисками, браузерами, веб-серверами, службами DNS и WINS.

Уровни кэша Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. В универсальном процессоре в настоящее время число уровней может достигать 3. Кэш-память уровня N+1 как правило больше по размеру и медленнее по скорости доступа и передаче данных, чем кэш-память уровня N. Самой быстрой памятью является кэш первого уровня — L1-cache. По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. В современных процессорах обычно кэш L1 разделен на два кэша, кэш команд (инструкций) и кэш данных (Гарвардская архитектура). Большинство процессоров без L1 кэша не могут функционировать. L1 кэш работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт. Зачастую является возможным выполнять несколько операций чтения/записи одновременно. Латентность доступа обычно равна 2−4 тактам ядра. Объём обычно невелик — не более 128 Кбайт. Вторым по быстродействию является L2-cache — кэш второго уровня, обычно он расположен на кристалле, как и L1. В старых процессорах — набор микросхем на системной плате. Объём L2 кэша от 128 Кбайт до 1−12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования — при общем объёме кэша в nM Мбайт на каждое ядро приходится по nM/nC Мбайта, где nC количество ядер процессора. Обычно латентность L2 кэша, расположенного на кристалле ядра, составляет от 8 до 20 тактов ядра. Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может быть очень внушительного размера — более 24 Мбайт. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании и предназначен для синхронизации данных различных L2. Иногда существует и 4 уровень кэша, обыкновенно он расположен в отдельной микросхеме. Применение кэша 4 уровня оправдано только для высоко производительных серверов и мейнфреймов. Проблема синхронизации между различными кэшами (как одного, так и множества процессоров) решается когерентностью кэша. Существует три варианта обмена информацией между кэш-памятью различных уровней, или, как говорят, кэш-архитектуры: инклюзивная, эксклюзивная и неэксклюзивная. Инклюзивная архитектура предполагает дублирование информации кэша верхнего уровня в нижнем (предпочитает фирма Intel). Эксклюзивная кэш-память предполагает уникальность информации, находящейся в различных уровнях кэша (предпочитает фирма AMD). В неэксклюзивной кэши могут вести себя как угодно.

10. Классификация периферийных устройств персонального компьютера. Интерфейсы подключения периферийных устройств.

1. устройства ручного ввода и оперативного управления (клавиатура, мышь, джойстик, шар, сенсорные устройства и устройства тактильного ввода);печатающи устройства, представленные различными типами принтер; 3. устройства ввода – вывода графической информации (графопостроители, устройства кодирования графической информации, устройства ввода – вывода визуальной информации.); 4. устройства внешней памяти, в качестве которых в ПЭВМ используются накопители на твердых магнитных дисках (“дисководы”), накопители на твердых магнитных дисках (“винчестеры ”), накопители на лазерных дисках (“CD-ROM”) и т.д.; 5. терминальные средства визуализации, реализованные в ПЭВМ на различных типах дисплеев – от монохромных до графических дисплеев высокой разрешающей способности, световых индикаторах; 6. средства ввода – вывода речевых сообщений.

Специализированные интерфейсы ориентированы на подключение устройств определенного узкого класса, и в них используются сугубо специфические протоколы передачи информации. Примеры — популярнейший интерфейс мониторов VGA, интерфейс накопителя на гибких дисках, традиционные интерфейсы клавиатуры и мыши, IDE/АТА и ряд других. ¦ Универсальные интерфейсы имеют более широкое назначение, их протоколы обеспечивают доставку данных, не привязываясь к специфике передаваемой информации. Примеры — коммуникационные порты (СОМ), интерфейс SCSI, шины USB и FireWire. ¦ Выделенные интерфейсы позволяют подключить к одному порту (точке подключения) адаптера (контроллера) лишь одно устройство; число подключаемых устройств ограничено числом портов. Примеры — СОМ-порт, интерфейс VGA-монитора, порт AGP, интерфейс Serial SCSI. ¦ Разделяемые интерфейсы позволяют подключить к одному порту адаптера множество устройств. Варианты физического подключения разнообразны: шина (жесткая, как ISA или PCI; кабельная шина SCSI и IDE/ATA), цепочка (daisy chain) устройств (SCSI, IEEE 1284.3), логическая шина на хабах (USB) или встроенных повторителях (IEEE 1394 FireWire).